靶向線粒體質(zhì)量控制防治骨質(zhì)疏松癥及其中藥的治療進(jìn)展

謝芋濤，王想福，葉丙霖，陳偉國(guó)，趙 恒，張萬(wàn)乾，楊煥瑩，楊建霞，陶瑜晶，任 毅

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)，蘭州 甘肅 730000

2.甘肅省中醫(yī)院，蘭州 甘肅 730050

骨質(zhì)疏松癥（osteoporosis，OP）是一種隱秘慢性的身體健康問(wèn)題，往往直到骨折發(fā)生后，患者或醫(yī)生才會(huì)對(duì)此加以關(guān)注。其主要表現(xiàn)為單位體積內(nèi)骨骼的密度下降，降低了骨骼的強(qiáng)度，使得受涉及到的骨骼更容易發(fā)生骨折。目前，骨質(zhì)疏松癥已成為全球老年人群所面臨的最主要的發(fā)病和死亡來(lái)源之一。OP 的病因是多方面的，包括遺傳因素、性激素水平下降、年齡增長(zhǎng)、飲食不合理、缺乏運(yùn)動(dòng)等。OP 的主要特征是疼痛、骨折和畸形[1]。流行病學(xué)顯示OP 患病率隨著年齡的增長(zhǎng)而增加，在中國(guó)大陸，OP 總患病率從6.6%到19.3%（平均13.0%）不等。不同研究、不同地區(qū)、不同性別和不同骨骼部位的患病率差異很大，但城市與農(nóng)村之間的差異很小[2]。相比西醫(yī)治療方案而言，中醫(yī)藥防治骨質(zhì)疏松癥具有多方面的優(yōu)勢(shì)，治療方法相對(duì)安全、臨床療效顯著優(yōu)異、副作用較少等，依據(jù)中醫(yī)“上工治未病”觀念，近年來(lái)，單味藥、中藥復(fù)方、針灸等治療方法逐漸成為醫(yī)學(xué)研究的焦點(diǎn)，體現(xiàn)出中醫(yī)藥在骨質(zhì)疏松癥治療中有潛力，但中藥大規(guī)模的臨床試驗(yàn)仍然相對(duì)不足，需要更多的臨床研究來(lái)驗(yàn)證中醫(yī)藥治療的療效和安全性，此外中醫(yī)藥治療骨質(zhì)疏松的具體作用機(jī)制還不清楚，這使得中醫(yī)藥的療效和有效成分難以明確，中醫(yī)藥治療骨質(zhì)疏松癥缺乏統(tǒng)一的治療標(biāo)準(zhǔn)，主觀辯證可能采用不同的中藥藥方和治療方法，難以進(jìn)行比較和綜合分析[3]。近年來(lái)，研究發(fā)現(xiàn)，線粒體功能障礙在骨質(zhì)疏松的發(fā)展過(guò)程中的扮演著至關(guān)重要的角色，其功能發(fā)生異常和數(shù)量減少會(huì)導(dǎo)致骨細(xì)胞代謝紊亂，進(jìn)而影響骨組織的結(jié)構(gòu)和功能，表明線粒體質(zhì)量控制（mitochondrial quality control，MQC）對(duì)緩解線粒體損傷和減緩OP的發(fā)展具有重要價(jià)值。因此，該研究旨在綜述MQC在OP 領(lǐng)域的研究進(jìn)展，并梳理各種針對(duì)MQC 治療OP 的中藥（包括單體化合物和復(fù)方），以期為開(kāi)發(fā)骨質(zhì)疏松的新療法提供一些參考經(jīng)驗(yàn)和思路。

1 MQC

線粒體是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的雙膜細(xì)胞器，它是最主要且富饒的三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）來(lái)源，對(duì)于滿足真核細(xì)胞的能量需求非常關(guān)鍵，在保持所有細(xì)胞功能正常運(yùn)行方面，線粒體扮演著關(guān)鍵的角色[4]。參與真核細(xì)胞內(nèi)的廣泛功能，包括氧化還原平衡、鈣穩(wěn)態(tài)、能量產(chǎn)生、代謝和細(xì)胞死亡等。由于線粒體參與的細(xì)胞功能范圍廣泛，因此該細(xì)胞器在調(diào)解細(xì)胞平衡方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，因此，維持健康的線粒體對(duì)細(xì)胞存活至關(guān)重要[5]。MOC 是指細(xì)胞內(nèi)一系列機(jī)制和過(guò)程，用于維持線粒體的健康和功能狀態(tài)，它涉及線粒體內(nèi)部的多個(gè)方面，包括線粒體膜電位維持、氧化還原平衡、自噬、線粒體DNA 的維護(hù)、融合和分裂、抗氧化防御以及基因調(diào)控等，通過(guò)這些機(jī)制，細(xì)胞可以確保線粒體正常工作、防止受損線粒體的積累，并維持細(xì)胞的健康狀態(tài)。線粒體質(zhì)量控制對(duì)于細(xì)胞和整體生物的正常功能和健康至關(guān)重要[6]。

2 MQC 與OP

OP 是一種常見(jiàn)的全身性骨骼疾病，其特性包括骨礦物質(zhì)密度的下降、骨骼微觀結(jié)構(gòu)的變化，以及骨脆性增加，且好發(fā)于老年人。除了與年齡相關(guān)的OP 外，其他因素如糖皮質(zhì)激素使用不當(dāng)、雌激素缺乏、糖尿病和營(yíng)養(yǎng)不良也是繼發(fā)性O(shè)P 的常見(jiàn)原因。近些年，醫(yī)藥治療的主要目標(biāo)就是抑制破骨細(xì)胞的形成或刺激成骨細(xì)胞的生長(zhǎng)。然而，目前OP 的臨床治療效果并不理想。破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨質(zhì)破壞可能會(huì)發(fā)生，導(dǎo)致治療效果受損。因此，迫切需要更有效的OP 治療策略。研究發(fā)現(xiàn)線粒體氧化應(yīng)激異常、動(dòng)力學(xué)、自噬以及生物發(fā)生等特征的MQC 失衡在OP 中起到了重大的作用，這表明MQC 有可能會(huì)成為治療OP 的關(guān)鍵手段。線粒體質(zhì)量控制系統(tǒng)對(duì)OP 的調(diào)控靶標(biāo)圖見(jiàn)圖1。

圖1 線粒體質(zhì)量控制系統(tǒng)對(duì)骨質(zhì)疏松癥的調(diào)控靶標(biāo)Fig.1 Regulatory targets of mitochondrial quality control system to osteoporosis

2.1 線粒體氧化應(yīng)激

在真核生物中，線粒體通過(guò)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的氧化代謝產(chǎn)生 ATP，但也在同一過(guò)程中產(chǎn)生活性氧（reactive oxygen species，ROS），在正常情況下，線粒體會(huì)限制ROS 的過(guò)度產(chǎn)生，會(huì)通過(guò)抗氧化酶（超氧化物歧化酶、過(guò)氧化氫酶等）和抗氧化化合物（維生素E 和C、谷胱甘肽等）防御系統(tǒng)保護(hù)細(xì)胞器免受氧化損傷[7]。研究表明線粒體是成骨細(xì)胞能量代謝的重要物質(zhì)，氧化應(yīng)激導(dǎo)致的線粒體功能障礙直接參與了成骨細(xì)胞內(nèi)在凋亡途徑的激活[8]，ROS 過(guò)載會(huì)導(dǎo)致磷脂雙分子層受到自由基攻擊，進(jìn)而導(dǎo)致線粒體膜去極化，從而使線粒體膜孔打開(kāi)，導(dǎo)致線粒體膜電位（mitochondrial membrane potential，MMP）損失。在這一過(guò)程中，線粒體膜的通透性增加，使線粒體膜間隙中的致凋亡因子細(xì)胞色素 c（cytochrome c，CytC）釋放到細(xì)胞質(zhì)中，釋放到細(xì)胞質(zhì)中的CytC 會(huì)與含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-9（cysteinyl aspartate specific proteinase-9，caspase-9）相互作用并激活caspase-9，而caspase-9是內(nèi)在凋亡途徑的主要初始步驟，激活的caspase-9會(huì)依次激活下游效應(yīng)含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶（cysteinyl aspartate specific proteinase，caspase），如含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-3（cysteinyl aspartate specific proteinase-3，caspase-3）、含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-7（cysteinyl aspartate specific proteinase-7，caspase-7）最終完成成骨細(xì)胞死亡。此外，caspase 級(jí)聯(lián)反應(yīng)的激活受到各種調(diào)節(jié)因子表達(dá)的嚴(yán)格調(diào)控[9]。其中，由促凋亡蛋白和抗凋亡蛋白組成的B 淋巴細(xì)胞瘤-2 基因（B-cell lymphoma-2，Bcl-2）家族成員在決定細(xì)胞內(nèi)在凋亡途徑的進(jìn)展中起著關(guān)鍵作用，作為促凋亡蛋白的代表，Bcl-2 相關(guān)X 蛋白（BCL2-associated X，Bax）位于線粒體外膜上，通過(guò)促進(jìn)線粒體通透性轉(zhuǎn)換或削弱線粒體外膜的屏障功能來(lái)誘導(dǎo)Cyt C 的釋放。相反，抗凋亡蛋白Bcl-2 對(duì)于維持線粒體通透性和膜屏障穩(wěn)定以抑制致凋亡因子的釋放至關(guān)重要。因此，促凋亡和抗凋亡Bcl-2 家族蛋白之間的平衡是誘導(dǎo)激活caspase級(jí)聯(lián)反應(yīng)的決定性因素，而caspase級(jí)聯(lián)反應(yīng)是內(nèi)在成骨細(xì)胞凋亡通路啟動(dòng)后的決定性因素[10-11]。Cai 等[12]學(xué)者進(jìn)行的研究指出，在腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）的共同培養(yǎng)下，從新生大鼠小腿分離出的成骨細(xì)胞內(nèi)，ROS 和丙二醛的產(chǎn)生，NADPH 氧化酶（reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase）的活性增加，線粒體內(nèi)ROS 數(shù)量呈增加趨勢(shì)，MMP和ATP 合成則出現(xiàn)下滑。此外，抗氧化酶（包括超氧化物歧化酶和過(guò)氧化氫酶）的活性被抑制，從而對(duì)線粒體功能產(chǎn)生了負(fù)面影響。He 等[13]發(fā)現(xiàn)人骨肉瘤MG63 細(xì)胞暴露于過(guò)氧化氫顯著增加了細(xì)胞氧化應(yīng)激，降低了堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）活性和細(xì)胞活力，誘導(dǎo)成骨細(xì)胞凋亡。一并地，過(guò)氧化氫降低了線粒體膜的電位，提升了Cyt C及caspase-3 的水平，限制了Bcl-2 mRNA 和蛋白質(zhì)的生成，減少了Runt-相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子-2（runt-related transcription factor-2，Runx-2） mRNA 和蛋白質(zhì)的制造。這些結(jié)果顯示線粒體ROS 在介導(dǎo)線粒體功能障礙和促進(jìn)成骨細(xì)胞凋亡方面的關(guān)鍵作用。

2.2 線粒體動(dòng)力學(xué)

線粒體動(dòng)力學(xué)是線粒體裂變和融合事件之間的一種微妙的生理平衡，是相對(duì)的過(guò)程，它們共同作用以維持線粒體的形狀、大小、數(shù)量及其生理功能，受損線粒體基因組DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)與健康線粒體的交換需要內(nèi)外膜的融合和裂變循環(huán)，以維持線粒體的健全結(jié)構(gòu)和功能。線粒體融合的調(diào)控中涉及3 個(gè)因子，分別是線粒體融和蛋白 1 和 2（Mitofusin1/2，MFN1/2）以及視神經(jīng)萎縮蛋白1（Optic atrophy 1，OPA1）。MFN1/2 主要定位于線粒體外膜，則OPA1 則處在線粒體內(nèi)膜。MFN1/2 對(duì)于線粒體外膜的融合至關(guān)重要，而OPA1 對(duì)于內(nèi)膜的融合是必需的，通過(guò)外膜上的MFN1 和MFN2 的寡聚化，將臨近的線粒體連接在一起，介導(dǎo)外膜融合，后續(xù)則由OPA1 完成內(nèi)膜的融合。線粒體融合的調(diào)控中涉及 2 個(gè)因子，線粒體裂變蛋白 1（mitochondrial fission protein 1，F(xiàn)IS1）和動(dòng)力相關(guān)蛋白1（dynamin-related protein 1，DRP1）分別在線粒體外膜和細(xì)胞質(zhì)。FIS1、線粒體裂變因子（mitochondrial fission factor，MFF）以及線粒體伸長(zhǎng)因子 1/2（mitochondrial elongation factor 1/2，MIEF1/2），共同作用DRP1 可以從細(xì)胞質(zhì)募集到線粒體表面，在那里它被組裝成高寡聚環(huán)復(fù)合物以包裹線粒體，通過(guò)其三磷酸鳥(niǎo)苷（guanosine triphosphate，GTP）酶活性介導(dǎo)線粒體分裂[14-16]。線粒體動(dòng)力學(xué)紊亂包括營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩和細(xì)胞功能障礙時(shí)發(fā)生的異常和/或受損的裂變/融合，直接影響線粒體功能，導(dǎo)致ROS 生成過(guò)多、線粒體酶活性改變、鈣平衡受損、ATP 生成減少以及細(xì)胞能量代謝的整體降低。Cai 等[17]H2O2促進(jìn)成骨細(xì)胞中L-OPA1 快速裂解為S-OPA1，導(dǎo)致融合活性L-OPA1 缺失，加劇線粒體碎裂和隨后的成骨細(xì)胞凋亡，用OPA1siRNA轉(zhuǎn)染小鼠成骨細(xì)胞會(huì)加重線粒體形態(tài)異常和功能障礙，主要表現(xiàn)為線粒體ROS 的產(chǎn)生顯著增加以及線粒體膜電位的減少。此外，用OPA1 siRNA 轉(zhuǎn)染小鼠成骨細(xì)胞會(huì)明顯降低線粒體的長(zhǎng)度和密度。Gan等[18]發(fā)現(xiàn)在氧化應(yīng)激條件下，Drp1 的磷酸化水平和表達(dá)量都顯著增加。通過(guò)藥物抑制劑或基因敲除阻斷Drp1，可明顯保護(hù)細(xì)胞免受H2O2誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞功能障礙的影響，具體表現(xiàn)為成骨細(xì)胞活力增加、ALP 活性和礦化度提高以及線粒體功能恢復(fù)。阻斷Drp1 對(duì)H2O2誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞功能障礙的保護(hù)作用表現(xiàn)為線粒體功能的增強(qiáng)和ROS 生成的抑制。這些結(jié)果顯示線粒體動(dòng)力學(xué)在介導(dǎo)線粒體功能障礙和促進(jìn)成骨細(xì)胞凋亡方面的關(guān)鍵作用。

2.3 線粒體自噬

線粒體自噬的作用在于通過(guò)選擇性自噬，清除受損或失效的線粒體，這對(duì)于維持線粒體的整體結(jié)構(gòu)和功能至關(guān)重要。關(guān)于線粒體的識(shí)別與向自噬體的運(yùn)輸，可以通過(guò)2 種主要方法實(shí)現(xiàn)：一種是需要泛素（ubiquitin，Ub）的參與，另一種則無(wú)須Ub 即可完成。基于Ub 的線粒體自噬路徑，由PTEN 誘導(dǎo)激酶1（PTEN-induced kinase 1，PINK1）和E3 泛素-蛋白連接酶（E3 ubiquitin-protein ligase，PARKIN）所控制的。在這一機(jī)制中，MMP 受損時(shí)，PINK1 進(jìn)入線粒體內(nèi)膜的途徑受阻，導(dǎo)致PINK1 在線粒體外膜的胞質(zhì)面上穩(wěn)定聚集，募集并激活PARKIN，PARKIN 蛋白酶的空間構(gòu)象發(fā)生改變，轉(zhuǎn)化為活化的E3 泛素連接酶，然后泛素化線粒體上的蛋白，PINK1 與PARKIN 相互作用，共同調(diào)控線粒體自噬過(guò)程以維持線粒體質(zhì)量。此外，除了PINK1-PARKIN 通路之外，還有非PARKIN 依賴性的泛素依賴性通路，PINK1 還可以通過(guò)泛素磷酸化直接招募自噬受體蛋白如BCL2 相互作用蛋白3（BCL2 interacting protein 3，BNIP3）、其同源物NIP3 樣蛋白（NIP3-like protein X，NIX）、FUN14結(jié)構(gòu)域蛋白1（FUN14 domain-containing protein 1，F(xiàn)UNDC1））到線粒體，受體蛋白募集自噬體中的微管相關(guān)蛋白1 輕鏈3（microtubule-associated protein light chain-3，LC3），這使得自噬體能夠吞噬線粒體。非泛素依賴途徑，線粒體外膜上有許多包含LC3 相互作用的長(zhǎng)鏈反向重復(fù)序列（long inverted repea，LIR）區(qū)域的蛋白，它們是自噬的受體。它們可以不經(jīng)泛素化直接與LC3 結(jié)合，從而啟動(dòng)線粒體自噬。在哺乳動(dòng)物中，這些受體主要包括NIX 受體、BNIP3 受體、FUNDC1 受體[19-20]。線粒體自噬是一種正常的生理活動(dòng)，在健康條件下發(fā)生可以維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。然而，在病理或特定的生理?xiàng)l件下，越來(lái)越多的證據(jù)表明，異常線粒體自噬在干細(xì)胞分化和骨代謝紊亂中起關(guān)鍵作用。Li 等[21]研究發(fā)現(xiàn)PINK1/PARKIN 介導(dǎo)的線粒體自噬可以降低血漿高級(jí)氧化蛋白產(chǎn)物（advanced oxidative protein product，AOPP)）度并抑制AOPP誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞凋亡，從而改善AOPP 積累相關(guān)的骨質(zhì)流失，骨微觀結(jié)構(gòu)破壞和骨礦物質(zhì)密度損失。Lee 等[22]研究發(fā)現(xiàn)成骨細(xì)胞的分化在Pink1 下調(diào)時(shí)受到抑制，伴有線粒體穩(wěn)態(tài)受損（用Pink1 siRNA處理后，在分化過(guò)程中觀察到成骨細(xì)胞中DRP1 和FIS1 上調(diào)，而MFN1 下調(diào)）、成骨細(xì)胞線粒體在分化過(guò)程中ROS 過(guò)度產(chǎn)生和鈣攝取異常，證明了分化過(guò)程中成骨細(xì)胞中PINK1 的表達(dá)增加。Xu 等[23]研究發(fā)現(xiàn)線粒體自噬相關(guān)蛋白HIF-1α 和BNIP3 在缺氧環(huán)境中均上調(diào)，而當(dāng)暴露于糖皮質(zhì)激素時(shí)它們的表達(dá)下調(diào)。另外，當(dāng)缺氧的環(huán)境下，HIF-1α 的過(guò)度表達(dá)可以抑制糖皮質(zhì)激素誘發(fā)的細(xì)胞死亡，這就證實(shí)了HIF-1α 的過(guò)度表達(dá)能夠通過(guò)其下游的標(biāo)記物BNIP3 來(lái)減輕糖皮質(zhì)激素對(duì)缺氧誘發(fā)的線粒體自噬關(guān)聯(lián)蛋白抑制的效果，并保護(hù)骨細(xì)胞免受凋亡。這些結(jié)果顯示線粒體自噬在介導(dǎo)線粒體功能障礙和促進(jìn)成骨細(xì)胞凋亡方面的關(guān)鍵作用。

2.4 線粒體生物發(fā)生

線粒體生物生成可維持線粒體的數(shù)量和大小，主要是指過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ 共激活因子-1α（peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α）與多種轉(zhuǎn)錄因子/蛋白質(zhì)相互作用來(lái)調(diào)控線粒體的生物生成過(guò)程，例如核呼吸因子-1、核呼吸因子-2（nuclear respiratory factor 1/2,NRF-1/2）、線粒體轉(zhuǎn)錄因子A（mito chondrial transcription factor A，TFAM）、解偶聯(lián)蛋白（Uncoupling protein，UCP）、過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體-α（peroxisome proliferator activated receptorα，PPAR-α）、甲狀腺激素、雌激素相關(guān)受體（estrogen-related receptors，ERRs）等。NRF-1、NRF-2 通過(guò)促進(jìn)TFAM 表達(dá)，可調(diào)節(jié)主要線粒體酶的轉(zhuǎn)錄和線粒體DNA 的合成。除了這些轉(zhuǎn)錄因子外，還有2 種重要的酶被視為調(diào)節(jié)線粒體生物生成的代謝傳感器，它們是腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK）和沉默信息調(diào)節(jié)因子1（sirtuin1，SIRT1），在能量缺乏狀態(tài)下，AMPK 和SIRT1 分別通過(guò)磷酸化和去乙?；{(diào)節(jié)PGC-1α[23]。Peng 等[24]研究發(fā)現(xiàn)高壓氧、運(yùn)動(dòng)和聯(lián)合治療改善了大鼠的骨微結(jié)構(gòu)惡化和卵巢切除術(shù)誘導(dǎo)的骨質(zhì)流失，促進(jìn)了成骨細(xì)胞相關(guān)基因和氧化代謝相關(guān)基因（PGC-1α）的表達(dá)，對(duì)破骨細(xì)胞相關(guān)mRNA 表達(dá)和骨吸收標(biāo)志物具有顯著的抑制作用，此外，運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)-HBO 聯(lián)合治療增加了血清超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）和硬化素的表達(dá)，可能與超氧化物歧化酶增加和PGC-1α 上調(diào)有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)PGC-1α 在骨代謝中起關(guān)鍵作用，體內(nèi)研究表明，PGC1α 缺失會(huì)對(duì)皮質(zhì)厚度、小梁組織和屈曲阻力產(chǎn)生負(fù)面影響，導(dǎo)致骨折風(fēng)險(xiǎn)增加[25]。Sánchez 等[26]研究發(fā)現(xiàn)線粒體含量的增加導(dǎo)致了從成骨細(xì)胞向骨細(xì)胞轉(zhuǎn)變過(guò)程中ROS水平的增加，作為氧化應(yīng)激的主要傳感器，轉(zhuǎn)錄因子NF-E2相關(guān)因子2（nuclear factor erythroid2-related factor 2，NRF2）在成骨細(xì)胞形成過(guò)程中被激活，并直接轉(zhuǎn)錄激活一些成骨細(xì)胞特異性基因，如牙本質(zhì)基質(zhì)蛋白1（dental matrix protein 1，DMP1）、基質(zhì)細(xì)胞外磷酸糖蛋白（ matrix extracellular phosphoglycoprotein，Mepe）等。此外，骨細(xì)胞和成熟成骨細(xì)胞中缺乏NRF2 的小鼠是骨質(zhì)減少的，用NRF2 激活劑二甲基甲酰胺（dimethylformamide，DMF）治療切除卵巢的小鼠，可恢復(fù)其骨質(zhì)流失表型。研究顯示絕經(jīng)后婦女由于脂質(zhì)代謝和血脂水平異常導(dǎo)致雌二醇流失，骨骼肌和脂肪組織中容易出現(xiàn)脂肪堆積過(guò)多，在骨骼肌和脂肪組織中，與能量代謝和脂肪酸氧化相關(guān)的基因PGC-1α 和ERRα 的基因被下調(diào)，導(dǎo)致脂肪合成和脂質(zhì)代謝物積累增加，骨髓中脂質(zhì)過(guò)度積累會(huì)導(dǎo)致絕經(jīng)后婦女骨質(zhì)快速流失、骨質(zhì)疏松癥和骨折風(fēng)險(xiǎn)增加[27]。這些結(jié)果顯示線粒體生物發(fā)生在介導(dǎo)線粒體功能障礙和促進(jìn)成骨細(xì)胞凋亡方面的關(guān)鍵作用。

3 以MQC 為靶點(diǎn)的OP 中藥防治

基于MQC 的防治措施可能是治OP 的重要策略。眾多研究已經(jīng)揭示，相關(guān)中藥單體、小分子化合物及生物制劑等可通過(guò)調(diào)控成骨和破骨細(xì)胞分化代謝，能夠恢復(fù)骨骼的形態(tài)和功能，從而減緩OP 的發(fā)展。中醫(yī)藥靶向調(diào)控MQC 防治OP 研究情況見(jiàn)表1。

表1 中醫(yī)藥靶向調(diào)控線粒體動(dòng)力學(xué)質(zhì)量控制防治OPTable 1 Research on Chinese medicine targeting regulation of mitochondrial kinetics quality control against OP

3.1 基于線粒體氧化應(yīng)激防治OP

研究發(fā)現(xiàn)仙茅苷保護(hù)成骨細(xì)胞免受地塞米松誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激損傷，明顯減少ROS 產(chǎn)生，提高M(jìn)MP水平，促進(jìn)成骨細(xì)胞增值和分化，同時(shí)仙茅苷提高破骨細(xì)胞抑制因子（osteoclastogenesis inhibitory factor，OPG）與破骨細(xì)胞分化因子（receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL）的相對(duì)比值，有效抑制破骨細(xì)胞的生成，減少了炎性細(xì)胞因子表達(dá)抑制破骨細(xì)胞生成[28]。研究發(fā)現(xiàn)表沒(méi)食子兒茶素沒(méi)食子酸酯（epigallocatechin gallate，EGCG）在破骨細(xì)胞分化過(guò)程中下調(diào)了促炎標(biāo)志物的表達(dá)，明顯降低細(xì)胞內(nèi)和線粒體ROS 形成，降低了MMP 以及AKT 和p38MAPK 的磷酸化，此外，在破骨細(xì)胞分化過(guò)程中，EGCG 導(dǎo)致ATP 的產(chǎn)生增加，改善了整體線粒體功能，抑制了破骨細(xì)胞的分化[29]。研究顯示三七皂苷R1恢復(fù)了在氧化應(yīng)激造成損傷成骨細(xì)胞中ALP 等表達(dá)水平下降，顯著恢復(fù)了MMP，改善了線粒體ROS 的產(chǎn)生，并增加ATP 的產(chǎn)生以及線粒體DNA 復(fù)制，此外，三七皂苷R1顯著阻止了JNK 磷酸化，有效地阻斷了H2O2誘導(dǎo)的JNK 信號(hào)激活，表明三七皂苷R1通過(guò)阻斷JNK 信號(hào)通路顯著減弱氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的線粒體損傷，恢復(fù)成骨細(xì)胞的成骨分化[30]。研究發(fā)現(xiàn)厚樸酚、山柰酚、夾竹桃麻素、木犀草素、黃肉楠堿、甘草素都可以恢復(fù)抗霉素A 誘導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)MMP 耗散、ATP 丟失、復(fù)合物Ⅳ失活、細(xì)胞內(nèi)鈣升高和細(xì)胞色素C 釋放，顯著減少抗霉素A 誘導(dǎo)的細(xì)胞損傷。此外，還能誘導(dǎo)被抗霉素A 抑制的PI3K、Akt 和CREB 的活化，表明PI3K/AKT/CREB 信號(hào)通路可能參與這些中藥誘導(dǎo)的細(xì)胞保護(hù)反應(yīng)。所有研究表明它們都可減少衰老過(guò)程中線粒體功能障礙，顯著預(yù)防骨質(zhì)疏松癥患者的成骨細(xì)胞損傷[31-36]。通過(guò)進(jìn)一步總結(jié)發(fā)現(xiàn)，1,2,3,4,6-五沒(méi)食子酰葡萄糖（1,2,3,4,6-pentyl-Ogalloyl-β-D-glucose，PGG）、水飛薊素、柚皮苷、原青花素、大蒜素、FO、淫羊藿苷、姜黃素、菟絲子、丹參酮ⅡA、藏紅花素、左歸丸等能夠減少細(xì)胞內(nèi)和線粒體的ROS 產(chǎn)生，恢復(fù)MMP 水平，增加ATP 產(chǎn)生，改善體線粒體功能，恢復(fù)Bcl-2 蛋白的表達(dá)上調(diào)，降低Bax 蛋白的表達(dá)，抑制CytC 釋放到細(xì)胞質(zhì)中，同時(shí)降低caspase-9、caspase-3，從而發(fā)揮具有抗成骨細(xì)胞凋亡的作用[37-48]。

3.2 基于線粒體動(dòng)力學(xué)防治OP

研究發(fā)現(xiàn)在破骨細(xì)胞分化過(guò)程中，添加EGCG可以減少DRP1 和FIS1 的mRNA 表達(dá)量，抑制了破骨細(xì)胞的分化[29]。研究發(fā)現(xiàn)淫羊藿苷治療可以挽救鐵超負(fù)荷抑制的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化和增殖，研究觀察到DRP1 和CytC 蛋白從細(xì)胞質(zhì)向線粒體的轉(zhuǎn)移以及FIS1 和MFN2 的表達(dá)被10 和50 μmol/L 枸櫞酸鐵銨（ferric ammonium citrate，F(xiàn)AC）處理后促進(jìn)，而被100 μmol/L FAC 處理后顯著抑制，當(dāng)加入1 μmol/L 的淫羊藿苷發(fā)現(xiàn)其能夠促進(jìn)FIS1 和MFN2 表達(dá)，并增加DRP1 和CytC 蛋白從細(xì)胞質(zhì)到線粒體的轉(zhuǎn)移，防止鐵超載引起的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞功能障礙，這些作用與線粒體融合和分裂的調(diào)節(jié)、PI3K/AKT/mTOR 通路的激活以及ERK1/2 和JNK 通路的抑制有關(guān)[43]。研究發(fā)現(xiàn)水飛薊素通過(guò)AGEs-RAGE 信號(hào)通路來(lái)減弱晚期糖基化終末產(chǎn)物（advanced glycosylation end products，AGEs）誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞凋亡，水飛薊素有效地消除了AGEs 誘導(dǎo)的線粒體形態(tài)學(xué)改變，線粒體長(zhǎng)度和密度的增加，細(xì)胞內(nèi)L-Opa1的表達(dá)明顯增加，S-Opa1和Fis1 的水平降低，改善線粒體的異常裂變/融合[38]。

3.3 基于線粒體生物發(fā)生防治OP

研究發(fā)現(xiàn)甘草素顯著增加一氧化氮和PGC-1α水平，表明甘草素可能誘導(dǎo)線粒體生物發(fā)生[49]。研究發(fā)現(xiàn)PGG 在氧化應(yīng)激環(huán)境下對(duì)成骨細(xì)胞的保護(hù)作用可能與促進(jìn)Nrf2 入核、增強(qiáng)HO-1 表達(dá)有關(guān)，體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)證明，PGG 可促進(jìn)骨形成，具有骨保護(hù)作用，該作用可能與激活Nrf2/HO-1 通路，改善線粒體功能從而抗成骨細(xì)胞凋亡有關(guān)。FO 逆轉(zhuǎn)了H2O2導(dǎo)致的細(xì)胞內(nèi)ROS 生成增加和線粒體損傷，最終抑制了細(xì)胞凋亡[37]。在這一過(guò)程中，F(xiàn)O 激活了Nrf2，并促進(jìn)了其下游靶蛋白HO-1 的表達(dá)，從而緩解了氧化應(yīng)激，同時(shí)增強(qiáng)了抗氧化能力。天麻素干預(yù)能夠緩解地塞米松處理引起的細(xì)胞增殖受阻及凋亡，表明天麻素具有緩解骨質(zhì)疏松的效果，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)天麻素可能是通過(guò)促進(jìn)Nrf2、HO-1 等表達(dá)，抑制Keap1 表達(dá)，來(lái)緩解氧化應(yīng)激引起的線粒體膜電位改變，從而促進(jìn)成骨細(xì)胞分化以及成骨結(jié)節(jié)形成來(lái)緩解地塞米松引起的骨質(zhì)疏松[42]。

3.4 基于線粒體自噬防治OP

研究發(fā)現(xiàn)在破骨細(xì)胞分化過(guò)程中，添加EGCG 后PINK1、PARKIN、LC3B 的mRNA 表達(dá)量降低，抑制了破骨細(xì)胞的分化[29]。研究發(fā)現(xiàn)肉蓯蓉苷A 可以增加成骨細(xì)胞分化和礦化，肉蓯蓉苷A 通過(guò)增加細(xì)胞中LC3-Ⅰ、Ⅱ的表達(dá)以及提高Wnt/β-catenin 信號(hào)通路的活性，減少了細(xì)胞凋亡并促進(jìn)了自噬，自噬抑制劑3-MA的加入抑制成骨分化，并抑制了Wnt/β-catenin 信號(hào)通路的活性，增加了細(xì)胞凋亡，同時(shí)降低了自噬水平，肉蓯蓉苷A 和DKK-1 的組合導(dǎo)致更高水平的細(xì)胞凋亡，但自噬水平較低。因此，基于Wnt/β-catenin 信號(hào)通路，肉蓯蓉苷A 是原發(fā)性成骨細(xì)胞自噬的有效誘導(dǎo)劑和凋亡的抑制劑，從而增強(qiáng)了成骨分化[51]。研究發(fā)現(xiàn)模型組及各給藥組LC3Ⅱ/LC3Ⅰ均顯著低于假手術(shù)組，但各給藥組LC3Ⅱ/LC3Ⅰ均高于模型組，說(shuō)明左、右歸丸能促進(jìn)LC3Ⅰ向LC3Ⅱ轉(zhuǎn)換，改善線粒體自噬水平，左、右歸丸在促進(jìn)骨形成的同時(shí)，能影響PINK1、PARKIN 等蛋白的表達(dá)，說(shuō)明左、右歸丸可能通過(guò)調(diào)控PINK1/PARKIN 信號(hào)通路改善線粒體自噬水平，進(jìn)而調(diào)節(jié)骨代謝，這可能是左、右歸丸防治PMOP 的新靶點(diǎn)[52]。中醫(yī)藥調(diào)控線粒體質(zhì)量控制防治骨質(zhì)疏松的作用機(jī)制示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 中醫(yī)藥調(diào)控線粒體質(zhì)量控制防治骨質(zhì)疏松的作用機(jī)制Fig.2 Mechanism of action of Chinese medicine in regulating mitochondrial quality control against osteoporosis

4 結(jié)語(yǔ)及展望

近年來(lái)，研究揭示了MQC 與OP 線粒體新陳代謝和適應(yīng)性調(diào)整的緊密關(guān)聯(lián)。在病理狀態(tài)下，如線粒體的氧化應(yīng)激、融合和分裂的不均衡、自噬功能障礙以及mtDNA 的突變，都可能引發(fā)線粒體的功能性損害和OP 的產(chǎn)生。然而，MQC 可以通過(guò)抗氧化系統(tǒng)減緩ROS 對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生的氧化傷害，并通過(guò)生物生成來(lái)補(bǔ)充線粒體儲(chǔ)備；同時(shí)也可以通過(guò)線粒體動(dòng)力學(xué)改變形狀和大小，并通過(guò)自噬來(lái)清理受損的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以維持其功能。因此，MQC 所參與的機(jī)理可能成為干涉治療OP 的潛在目標(biāo)。本文回顧了MQC 在OP 中的研究進(jìn)展，闡釋了化學(xué)藥物、生物制劑和中藥（包括單體化合物和復(fù)方）通過(guò)調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激反應(yīng)、線粒體動(dòng)態(tài)、線粒體自噬以及線粒體生物生成等相關(guān)因素的表達(dá)，從而調(diào)控MQC，以修復(fù)線粒體的形狀和功能，治療OP 的可能性。

綜上所述，線粒體質(zhì)量控制在維持細(xì)胞健康和功能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，但與骨質(zhì)疏松癥的關(guān)聯(lián)仍然需要更多深入的研究，盡管與線粒體質(zhì)量控制相關(guān)的研究已經(jīng)在其他領(lǐng)域取得了很大進(jìn)展，但目前對(duì)線粒體與骨質(zhì)疏松癥之間的具體關(guān)系仍然存在研究不足的情況。一些初步的研究提示，線粒體功能和健康可能與骨骼健康有關(guān)，但具體的機(jī)制和影響尚未完全理解，需要更多的研究來(lái)深入探討線粒體在骨質(zhì)疏松癥中的作用以及與該疾病的具體關(guān)聯(lián)，這可能包括研究線粒體功能和結(jié)構(gòu)在骨骼細(xì)胞中的作用，以及線粒體相關(guān)的遺傳變異是否與骨質(zhì)疏松癥的風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)。相信隨著科學(xué)的不斷進(jìn)步，我們可以期待更多關(guān)于線粒體與骨質(zhì)疏松癥之間關(guān)系的深入了解，這可能有助于開(kāi)發(fā)更好的治療方法和預(yù)防措施。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突