辣椒素在骨關(guān)節(jié)炎中的作用研究進(jìn)展

李維彤 謝亞 呂中陽(yáng) 史冬泉

骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis, OA)是全球范圍內(nèi)最常見(jiàn)的骨關(guān)節(jié)退行性疾病,主要的病理表現(xiàn)為關(guān)節(jié)軟骨退變和滑膜炎[1]。目前,其發(fā)病機(jī)制尚未完全闡明,因此缺乏延緩疾病進(jìn)展的有效治療方案[2]。辣椒素(capsaicin,CPS)作為辣椒中的主要活性成分,是從茄科辣椒屬植物中分離出來(lái)的親脂疏水類的香草酰胺衍生物[3]。CPS能夠通過(guò)影響OA的多種病理機(jī)制發(fā)揮鎮(zhèn)痛、抗炎和抗氧化應(yīng)激等作用,具有廣闊的應(yīng)用前景。本文綜述CPS對(duì)OA的治療作用及其具體分子機(jī)制的研究進(jìn)展,以期為CPS及其相關(guān)藥物在OA中的應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供參考。

1 OA概述

OA是世界范圍內(nèi)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)殘疾的首要原因,影響著全球約7%的人口(約5億),嚴(yán)重影響病人正常工作和生活,給家庭及社會(huì)帶來(lái)了沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[4]。OA 是一種全關(guān)節(jié)疾病,病理過(guò)程涵蓋關(guān)節(jié)軟骨、滑膜、軟骨下骨、韌帶、半月板等多種組織,其中關(guān)節(jié)軟骨退變和滑膜炎是 OA 最主要的病理表現(xiàn)[5]。目前,國(guó)際診療指南推薦的OA治療方案仍以緩解癥狀為主,對(duì)于保守治療無(wú)效的終末期 OA 病人,只能采用人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)來(lái)緩解疼痛和改善功能[6-7]。OA的治療藥物主要包括非甾體類抗炎藥、解熱鎮(zhèn)痛藥和軟骨成分補(bǔ)充等,但這些藥物均不能從發(fā)病機(jī)制上精準(zhǔn)干預(yù)OA進(jìn)程[2,8]。因此,針對(duì)OA發(fā)病機(jī)制開(kāi)發(fā)新型治療藥物對(duì)于改善OA治療現(xiàn)狀具有重要意義。

2 CPS概述

CPS大量存在于辣椒和辣椒提取物中[3],關(guān)于CPS對(duì)人體的影響已經(jīng)研究了一個(gè)多世紀(jì)。CPS是一種反式-8-甲基-N-香草基-6-壬烯酰胺(trans-8-methyl-N-vanillyl-6-nonenamide),分子式為C18H27NO3。隨著研究的不斷深入,Duner-Engstrom 等[9]發(fā)現(xiàn),將CPS涂在人類的舌尖或腭黏膜上會(huì)使唾液分泌增加;Bartho等[10]觀察到CPS能夠調(diào)節(jié)豚鼠的腸蠕動(dòng)活性;Abdel Salam等[11]證實(shí),給大鼠胃內(nèi)灌注CPS后能夠產(chǎn)生保護(hù)胃黏膜的作用[11]。因此,CPS作為一種具有藥理學(xué)特性的化合物,其功能受到了持續(xù)的關(guān)注和探索。近年來(lái),CPS在OA中的研究取得了一定進(jìn)展,且由于其良好的鎮(zhèn)痛效果而在2019年被正式列入OA診療指南[12]。下文將探討CPS對(duì)OA的治療作用及其具體的分子機(jī)制,并對(duì)CPS在OA治療中的局限性和未來(lái)研究方向進(jìn)行展望。

3 CPS延緩OA進(jìn)展的分子機(jī)制

3.1 CPS緩解OA疼痛 疼痛是OA病人尋求醫(yī)療幫助的主要原因,但OA導(dǎo)致疼痛的機(jī)制尚不完全清楚[13]。關(guān)節(jié)的病理神經(jīng)信號(hào)引起的中樞神經(jīng)性疼痛和炎癥期間關(guān)節(jié)深部組織的傷害感受器異常敏感引起的炎癥性疼痛是疼痛兩大來(lái)源[14]。目前,非甾體類抗炎藥、對(duì)乙酰氨基酚和阿片類鎮(zhèn)痛藥是治療OA疼痛最常見(jiàn)的處方藥。然而,這些干預(yù)策略并未獲得令人滿意的長(zhǎng)期鎮(zhèn)痛效果,且此類藥物還會(huì)帶來(lái)明顯的肝腎毒性和胃腸道反應(yīng)[13]。

機(jī)體對(duì)疼痛刺激的感知主要發(fā)生在傷害感受器感覺(jué)神經(jīng)元的末端[15]。這些小直徑神經(jīng)元將化學(xué)、機(jī)械或熱性質(zhì)的信號(hào)轉(zhuǎn)化為動(dòng)作電位,并將這些信息傳遞到中樞神經(jīng)系統(tǒng),最終引起疼痛或不適的感覺(jué)[16]。瞬時(shí)受體電位香草醛1(transient receptor potential vanilloid 1,TRPV1)也稱為CPS受體,是一種在傷害感受器表達(dá)的興奮性離子通道,可將化學(xué)和熱刺激信號(hào)轉(zhuǎn)化為疼痛的分子信號(hào)[13],當(dāng)它被CPS激活時(shí),Na+和Ca2+通過(guò)TRPV1流入細(xì)胞,導(dǎo)致動(dòng)作電位放電,最終產(chǎn)生痛覺(jué)[17]。研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)基因編輯后,感覺(jué)神經(jīng)元上Trpv1表達(dá)缺失的小鼠對(duì)有害刺激的反應(yīng)嚴(yán)重下降,不會(huì)表現(xiàn)出明顯的疼痛行為,從而證實(shí)了該通道參與痛覺(jué)的產(chǎn)生[15,18]。

CPS的鎮(zhèn)痛作用已經(jīng)被廣泛的報(bào)道。8%濃度的CPS被FDA批準(zhǔn)用于治療帶狀皰疹后遺神經(jīng)痛,并被歐洲藥品管理局(EMA)批準(zhǔn)作為周圍神經(jīng)性疼痛的局部治療用藥[19]。CPS鎮(zhèn)痛的藥理作用主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面:(1)高濃度的CPS激活TRPV1所介導(dǎo)的Ca2+內(nèi)流,使鈣依賴性蛋白激酶被激活,緊接著軸突末梢消融導(dǎo)致TRPV1傳入的長(zhǎng)期去功能化,以此獲得對(duì)慢性疼痛的持久鎮(zhèn)痛效果[20];(2)低濃度的CPS與TRPV1結(jié)合并使其脫敏,從而降低TRPV1對(duì)內(nèi)源性配體或炎癥介質(zhì)的反應(yīng),減少了TRPV1依賴的痛覺(jué)過(guò)敏[21]。

在Stevens等[22]的Ⅱ期臨床多中心雙盲試驗(yàn)中,172例OA受試者在接受關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射高純度合成反式CPS(CNTX-4975)治療12周后,西大略和麥克馬斯特大學(xué)骨關(guān)節(jié)炎指數(shù)(WOMAC)疼痛評(píng)分得到顯著改善,從而證實(shí)了CPS在OA中的鎮(zhèn)痛效果。目前針對(duì)CPS鎮(zhèn)痛的臨床試驗(yàn)主要是使用CPS凝膠和安慰劑凝膠進(jìn)行局部涂抹,但使用CPS凝膠會(huì)導(dǎo)致局部皮膚發(fā)紅并產(chǎn)生灼熱感,也因此使得雙盲試驗(yàn)的可信度降低[23]。此外,局部涂抹的方式適用于膝、腕等淺表關(guān)節(jié),對(duì)髖等非淺表關(guān)節(jié)的作用效果較低且療效數(shù)據(jù)十分有限,限制了其在臨床中的廣泛應(yīng)用。因此,進(jìn)一步揭示CPS在OA中鎮(zhèn)痛的分子機(jī)制,改變其治療模式,更高效地減輕OA疼痛是亟待解決的臨床難題。

3.2 CPS在OA中的抗炎作用 近年來(lái),人們對(duì)OA發(fā)病機(jī)制的認(rèn)識(shí)發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變,與之前一直認(rèn)為OA是一種軟骨退行性疾病不同,其是一種多因素導(dǎo)致的全關(guān)節(jié)疾病[24]。OA的病理表現(xiàn)不僅涉及軟骨的降解,還涉及軟骨下骨的重塑、滑膜炎癥等。OA中慢性低度的炎癥驅(qū)動(dòng)著諸多病理變化,其是免疫系統(tǒng)與局部組織損傷和代謝功能障礙等因素相互作用的結(jié)果[25]。臨床上,許多OA病人有關(guān)節(jié)炎癥狀,如晨僵、關(guān)節(jié)發(fā)熱和關(guān)節(jié)積液,部分是由滑膜增厚或滑液積累引起的[26]。通過(guò)影像學(xué)檢查、關(guān)節(jié)鏡檢查或組織學(xué)檢查均能檢測(cè)到OA滑膜炎的存在[27]。此外,OA中低度炎癥的分子證據(jù)也在不斷累積。早在1959年,人們就發(fā)現(xiàn)OA病人的血液和滑液中都存在異常高水平的炎癥血漿蛋白[28]。最近的研究表明,OA病人組織和滑液中存在補(bǔ)體成分和細(xì)胞因子[29],且OA軟骨細(xì)胞和滑膜細(xì)胞可產(chǎn)生或過(guò)度產(chǎn)生多種炎癥介質(zhì)[30],這些均是炎性O(shè)A的特征。此外,血清C反應(yīng)蛋白水平升高也可預(yù)測(cè)OA的發(fā)生和進(jìn)展[25]。

CPS在多種疾病中發(fā)揮抗炎作用。在神經(jīng)系統(tǒng)中,Helyes等[31]發(fā)現(xiàn),CPS激活TRPV1后可導(dǎo)致神經(jīng)末梢釋放抗炎信號(hào)分子(如釋放生長(zhǎng)抑素);在心血管系統(tǒng)中,Sattler等[32]發(fā)現(xiàn),人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞衍生的心肌細(xì)胞(hiPSC-CM)質(zhì)膜中表達(dá)TRPV1通道,CPS激活TRPV1后能夠抑制脂多糖(LPS)誘導(dǎo)的hiPSC-CM釋放IL-6;并且,CPS能夠通過(guò)抑制一氧化氮合酶(eNOS)和一氧化氮(NO)途徑來(lái)減少內(nèi)皮細(xì)胞炎癥[33]。 OA中的滑膜巨噬細(xì)胞可分為炎性巨噬細(xì)胞(M1型)和抗炎巨噬細(xì)胞(M2型)。M1型巨噬細(xì)胞可與滑膜成纖維細(xì)胞和軟骨細(xì)胞相互作用,進(jìn)而促進(jìn)炎癥微環(huán)境,增加基質(zhì)金屬蛋白酶的分泌,加快OA進(jìn)展[24]。隨著研究的不斷深入,Lv等[34]發(fā)現(xiàn),給大鼠OA模型的關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射CPS,能夠顯著減輕OA表型,包括關(guān)節(jié)腫脹、滑膜炎、軟骨損傷和骨贅形成等。CPS治療顯著減少滑膜中M1型巨噬細(xì)胞浸潤(rùn),其具體機(jī)制為CPS激活TRPV1,誘發(fā)的Ca2+內(nèi)流促進(jìn)了鈣/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ(Calcium/Calmodulin-dependent protein kinase Ⅱ, CaMKⅡ)的磷酸化,促進(jìn)了核因子E2相關(guān)因子2(nuclear factor-erythroid 2-related factor 2,Nrf2)的核定位,最終抑制M1型巨噬細(xì)胞極化,進(jìn)而起到抑制炎癥的作用 (圖1)。目前關(guān)于CPS在OA中發(fā)揮抗炎作用的研究較少,需要進(jìn)行更加深入的持續(xù)探索。CPS是否可以直接抑制OA中炎癥因子的分泌,是否與免疫系統(tǒng)存在相互作用,并且其針對(duì)炎癥性疼痛的治療效果等還有待進(jìn)一步探索。

圖1 CPS在OA中發(fā)揮作用的機(jī)制

3.3 CPS抑制OA軟骨中的氧化應(yīng)激 在OA的發(fā)展過(guò)程中,氧化應(yīng)激的發(fā)生往往是導(dǎo)致軟骨退變的開(kāi)始,即線粒體功能紊亂導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)氧自由基(reactive oxygen species, ROS)水平升高,破壞軟骨穩(wěn)態(tài),并導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨損傷[35]。軟骨細(xì)胞產(chǎn)生的ROS包括超氧化物、過(guò)氧化氫、NO和NO衍生產(chǎn)物等。細(xì)胞內(nèi)ROS水平升高會(huì)使Akt和MAPK等氧化還原調(diào)節(jié)的細(xì)胞信號(hào)通路中斷,而過(guò)度的氧化物質(zhì)累積會(huì)導(dǎo)致軟骨細(xì)胞死亡[36]。OA軟骨中的慢性炎癥環(huán)境也會(huì)誘導(dǎo)ROS產(chǎn)生。IL-1β、TNF-α和IL-6在OA中高度上調(diào),誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞產(chǎn)生ROS并表達(dá)基質(zhì)金屬蛋白酶,導(dǎo)致軟骨細(xì)胞外基質(zhì)降解和軟骨破壞[37]。

研究顯示,CPS在心血管系統(tǒng)疾病中可通過(guò)激活TRPV1來(lái)上調(diào)過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體α(PPARα)的表達(dá),從而降低氧化的低密度脂蛋白(ox-LDL)引起的氧化應(yīng)激水平[38]。此外,CPS也可通過(guò)激活TRPV1來(lái)抑制聚合酶δ相互作用蛋白2(poldip2)和NADPH氧化酶4(Nox4)的表達(dá),抑制氧化應(yīng)激,進(jìn)而改善糖尿病視網(wǎng)膜病變[39]。還有研究表明,CPS可通過(guò)下調(diào)高遷移率族蛋白B1(HMGB1)/NF-κB和抑制PI3K/AKT/mTOR通路來(lái)減輕氧化應(yīng)激水平、炎癥反應(yīng)和細(xì)胞凋亡,從而預(yù)防LPS誘導(dǎo)的急性肺損傷[40]。

在OA中,鐵離子的過(guò)度蓄積會(huì)誘導(dǎo)脂質(zhì)ROS累積,促進(jìn)疾病進(jìn)展。2012年,鐵死亡這一新型的程序性細(xì)胞死亡模式被提出,其本質(zhì)為脂質(zhì)過(guò)氧化物水平升高和鐵過(guò)載導(dǎo)致的細(xì)胞死亡,是氧化應(yīng)激的一種表現(xiàn)[41]。2021年,Yao等[42]證實(shí)OA中存在鐵死亡,這種鐵依賴性的細(xì)胞死亡具有獨(dú)特的形態(tài)、生化、遺傳和免疫學(xué)特征,是氧化劑和抗氧化劑產(chǎn)生失衡引起ROS水平變化引起的。最新研究發(fā)現(xiàn), OA病人軟骨損傷部位脂質(zhì)過(guò)氧化水平及鐵死亡標(biāo)志物表達(dá)顯著高于正常軟骨[43]。有研究通過(guò)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)測(cè)序分析發(fā)現(xiàn)了一個(gè)以優(yōu)先表達(dá)鐵死亡特征和基因的軟骨細(xì)胞亞群,富集分析顯示,TRPV1是OA軟骨中抵抗鐵死亡的潛在靶標(biāo),CPS作為TRPV1的激動(dòng)劑通過(guò)保護(hù)軟骨細(xì)胞免受鐵死亡,進(jìn)而顯著緩解軟骨變性[44](圖1)?，F(xiàn)階段,CPS在OA中抵抗氧化應(yīng)激的研究集中在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中,在人群中還未開(kāi)展,并且CPS是否能夠在OA中抵抗其他的氧化應(yīng)激形式或者依賴于其他通路發(fā)揮作用有待進(jìn)一步闡明。

4 總結(jié)與展望

OA是最普遍的關(guān)節(jié)退行性疾病,導(dǎo)致關(guān)節(jié)發(fā)生不可逆的結(jié)構(gòu)和功能變化,是老年人口殘疾的主要原因。CPS在OA中呈現(xiàn)出良好的鎮(zhèn)痛、抗炎和抗氧化應(yīng)激特性,但是目前CPS的臨床應(yīng)用僅限于疼痛管理,部分原因可歸因于其水溶性差、胃腸道刺激、口服生物利用度低等。未來(lái)需要更多的試驗(yàn)來(lái)揭示其在OA中發(fā)揮作用的多種分子機(jī)制,開(kāi)發(fā)耐受性更好的類似物,最大程度地降低CPS的不良反應(yīng),并使其藥效比天然存在的CPS更持久。同時(shí),可以探索基于納米技術(shù)的藥物遞送方式,為OA病人提供更加精準(zhǔn)靶向的治療。未來(lái),CPS有潛力成為治療OA的一線安全藥物。