中药治疗骨关节炎作用机制的研究进展

张璐瑶，刘 维

(天津中医药大学第一附属医院，天津 300193)

骨关节炎[1](osteoarthritis,OA)是一种以关节软骨变性、破坏及骨质增生为特征的慢性关节病。随着全球人口老龄化及肥胖人口数目的增加，发病率也在逐年增加。根据西班牙及英国的研究报告显示[2]，OA发病率随着年龄增高而增高，且约在75岁达到高峰。手OA的患病率为4%～5%，髋OA为6%，膝OA为16%～17%。骨关节炎属于中医学“骨痹”范畴。《素问·长刺节论篇》中记载：“病在骨，骨重不可举，骨髓酸痛，寒气至，名曰骨痹。”目前，OA没有明确的发病机制，西医在治疗上尚无特效药，主要以缓解症状为治疗核心。中医治疗强调个体化，且因其副作用较小、疗效显著而更易被接受。故本文从细胞及分子生物学水平,对目前中医治疗骨关节炎在细胞因子及信号通路方面的作用机制进行综述，以期对中医药治疗骨关节炎及中医药新药研发提供参考。

1 骨关节炎发病机制

近年来，多数研究者认为骨关节炎的发生是关节软骨细胞、软骨外基质、软骨下骨质合成及降解的平衡破坏导致的。在骨关节炎的发病过程中[2]，软骨结构的完整性被破坏，从而使软骨对外界刺激敏感性增高。初期，关节软骨从软骨表面开始被侵蚀并逐渐出现裂隙，且随着软骨钙化区域的增加逐渐增大。为修复软骨，肥大软骨细胞开始增生，在此过程中产生的降解产物及促炎性介质则刺激邻近滑膜增生和炎症反应，同时软骨下骨出现血管浸润。由于关节软骨自身修复能力的限制，合成与降解平衡被打破，关节软骨结构与属性改变，导致骨关节炎的发生。骨关节炎的发病机制较为复杂且尚不明确，即使是同一个风险因素也会有不同的致病过程，其发病不仅是退行性病变或者机械磨损的结果，目前认为其涉及机械损伤、炎症反应、代谢、细胞衰老及凋亡多种因素，因此骨关节炎更像一种关节损伤综合征而不是单一疾病。

2 中药及其有效成分对细胞因子的影响

2.1 骨关节炎相关细胞因子

细胞因子是指免疫或非免疫细胞受到刺激后合成及分泌具有广泛生物活性小分子蛋白质，通过自分泌、旁分泌及细胞内分泌的形式参与多种生理及病理的发生发展过程，发挥生物学效应，如细胞发育、免疫调节、炎症反应等。细胞因子具有多效性及网络性，在骨关节炎病程中起到重要作用。

细胞因子根据功能大致分为白细胞介素、肿瘤坏死因子、生长因子等。与骨关节炎相关的细胞因子包括白细胞介素1、4、6(IL-1、4、6)及肿瘤坏死因子α(TNF-α)，其中IL-1、6及TNF-α属于炎症因子，在骨关节炎的发病过程中主要介导炎症反应，导致软骨破坏。近来研究认为[3]，滑膜炎症在骨关节炎的发病中不再仅是继发性的病理反应，更是参与OA发病机制并推动OA发展的病理过程炎症反应。在炎症反应中产生的炎症因子不仅可以直接作用于软骨，导致关节软骨结构改变，还可以通过调节软骨细胞代谢，产生下游细胞因子及蛋白酶等介导炎症发生及引起相应理化作用，导致关节软骨退化，加速骨关节炎进程。中药及其有效成分通过降低炎症因子的表达，抑制其下游产物生成，减缓软骨基质降解，起到软骨保护作用。

2.2 中药及其有效成分对细胞因子及其下游产物的影响

在骨关节炎发病过程中，IL-1是核心炎症因子，外界刺激(年龄、机械应力、损伤等)引起炎症反应产生IL-1。IL-1[4]可以通过促进磷脂酶A2及环氧合酶分泌，刺激软骨细胞、滑膜细胞生成及释放前列腺素(PG)，介导炎症反应及参与诱导基质金属蛋白酶(MMPS)表达[5]。目前研究认为[6-8]，胶原酶MMP-1和MMP-13可降解I、II、III型胶原，间质溶解素MMP-3及胶原酶MMP-13具有破坏软骨组织主要成分Ⅱ型胶原蛋白，起到促进软骨细胞的降解作用。杨帆等[8]研究表明，补肾通络方通过抑制MMP-3/13和ADAMTs-4水平，可以减轻膝关节软骨的破坏情况，改善骨关节炎症状。由IL-1介导生成的PEG2可调节神经递质释放、敏化痛觉、降低痛阈[9]，以及通过激活cAMP/PKG 与 PI3K 依赖性NF-κB诱导软骨细胞表达IL-6[10]，参与软骨基质降解。中药通过降低IL-1、6及下游产物PGE2，阻止OA进行。王敏龙等[11]研究发现，五福饮颗粒剂可以显著降低血清及关节液中IL-1β、IL-6含量，延缓软骨中蛋白多糖(PG)的丢失，促进关节软骨合成PG，从而预防与治疗骨关节炎。胡培培等[12]研究发现，云南白药可以通过降低血清PGE2水平，进而减少炎性介质的分泌，抑制炎性反应，显著增高机械痛阈值，降低痛觉感受器敏感性，改善骨关节炎引起的神经病理性疼痛及减少关节及滑膜损伤。

IL-1刺激滑膜细胞产生IL-6[13]。IL-6通过促进核因子κB受体活化因子配体(RANKL)的表达，协同由巨噬细胞产生的通过激活NF-κB途径参与骨吸收过程的强力促炎因子TNF-α[14]共同参与破骨细胞分化，影响骨吸收。其中TNF-α还能刺激软骨细胞合成MMPs、PGE2、NO[15]，以及诱导IL-1产生[16]，IL-1的产生可进一步提高TNF-α活性，两者协同刺激软骨细胞分泌趋化因子1(eotaxin-1)[17]，进而诱导MMP3、13的表达，加速软骨基质降解，推动疾病进展。中药通过抑制炎症因子IL-1、6及TNF-α表达，阻止炎症反应进展，减缓软骨退化。郑炜宏[18]等研究发现，补肾祛痰方可以通过抑制大鼠血清和关节液内炎症因子IL-1、IL-6及TNF-α表达水平，控制骨关节炎发展。陆洋等[19]研究发现，补肾益肝活血方通过降低血清中IL-1β、TNF-α含量，减少MMP-3生成，改善关节软骨退变。颜春鲁等[6]研究发现，右归丸可通过降低IL-1β、IL-6、TNF-α炎症因子表达，抑制MMP-1、3、13活性，延缓KOA软骨的退变。陈永健等[20]研究发现,益气养血方通过下调TNF-a表达，MMP-13蛋白表达下降,COL-II胶原表达上调,抑制软骨细胞凋亡及细胞外基质降解。李媛等[7]研究发现，六味骨痹汤通过降低血清和关节液中,TNF-α及COMP的含量，MMP-13降低，Ⅱ型胶原蛋白表达上升，起到保护软骨作用。

IL-1还可以通过刺激滑膜细胞产生诱导型一氧化氮合酶，继而催化大量一氧化氮(NO)[21]。NO[22]作为IL-1下游产物一方面可以促使滑膜细胞产生金属蛋白酶及促进IL-1β介导抑制关节软骨蛋白多糖合成，另一方面抑制白介素-1受体拮抗剂(IL-1Ra)的合成，使软骨基质进行性降解，推动骨关节炎病程的发展。IL-4[23]通过抑制IL-1诱导软骨细胞合成基质金属蛋白酶而保护软骨。侯德才[24]研究发现，止骨增生合剂通过降低关节炎兔血清中的NO含量，缓解骨关节炎症状。赵乐等[25]研究发现，黄芪桂枝五物汤可以通过调节细胞因子IL-4,诱导HIF-1α、iNOS及关节处TGF-β1表达的变化，调节关节软骨处蛋白多糖的含量，抑制Ⅱ型胶原及软骨下骨的破坏，修复软骨细胞的凋亡，调节机体免疫低下状态。

3 中药及其有效成分对信号通路的影响

3.1 中药及其有效成分对蛋白激酶R样内质网激酶(PERK)/免疫球蛋白结合蛋白(Bip)信号通路的影响

内质网是真核细胞中适应性最强的细胞器，是蛋白质的合成、加工修饰、分选和转运及脂质代谢的重要场所。内质网应激反应(endopiasmic reticuium stress,ERS)是体内一种自我保护机制，参与细胞凋亡。细胞内外各种理化因素(如炎症等)均能诱发ERS，过度的ERS可以介导细胞凋亡。研究表明[26]，骨关节炎患者的软骨细胞中存在ERS。PERK/Bip信号通路参与骨关节炎内质网应激反应，引起软骨细胞凋亡。具体过程：过度的ERS激活PERK信号分子使eIF-2α磷酸化，继而进一步激活ATF-4，上调GADDl53表达，抑制Bcl-2的表达，诱导细胞凋亡，或激活 Caspase-9 进一步激活Caspase-3启动细胞凋亡程序[27-28]。陈俊等[29]研究发现，独活寄生汤通过调控PERK/Bip 信号通路，抑制PERK、Bip、eIF-2α、ATF-4、GADD153、Caspase-9、Caspase-3mRNA及蛋白表达，进而抑制因内质网应激反应引起的软骨细胞凋亡。赵林灿等[30]研究发现，独活寄生汤可通过抑制关节炎症反应，进而下调PEAK/Bip信号通路，减少软骨细胞凋亡。

3.2 中药及其有效成分对β转化生长因子/骨形成蛋白(TGF-β/BMPs)信号通路的影响

TGF-β是结构相关信号分子，对细胞外基质形成、组织分化、骨重建、免疫调节等均起到重要作用。TGF-β1促进基质生成和成骨细胞分化且间接限制破骨细胞的形成[31]。BMP是成骨细胞分泌的一种细胞因子，BMP-2、4、7促进成骨细胞分化[31]。TGF-β/BMPs信号通路受到多种因子调控，并通过Smad/R-Smad复合物或MAPK级联传导[32]。当受到外源性因素如软骨损伤等刺激时，激活TGF-β/BMPs信号通路，通过一系列信号传导参与骨关节炎的病程[31]。杨帆等[33]研究发现，补肾通络方通过调控TGF-β/BMPs信号通路，调节 TGF-β1、BMP-4和BMP-7的分泌，保护受损的软骨细胞，间接抑制软骨细胞破坏，缓解病情进展并改善预后。郝亚明等[34]等研究发现，消骨痛汤通过调控TGF-β/BMPs信号通路，上调软骨和滑膜中TGFβ1和BMP2的蛋白表达，治疗骨关节炎。

3.3 中药及其有效成分对Wnt /β- catenin信号通路的影响

Wnt-β-catenin信号通路是一个保守的信号传导通路，与软骨形成及骨重建密切相关[35]，在骨细胞的终末分化中起着重要作用[36]。β- catenin的过表达可升高 MMP- 13基因表达，导致软骨基质和关节软骨的降解[37]。严可等[38]研究发现，加味独活寄生汤通过调控Wnt/β-catenin通路和下游因子MMP-13等相关基因表达,抑制膝关节软骨细胞损伤。吴追乐等[39]研究发现，透骨消痛胶囊等中药通过诱导Wnt/β-catenin信号通路中Wnt-4、β-catenin和MMP-13的表达，保护软骨。

3.4 中药及其有效成分对NF-κB信号通路的影响

NF-κB是核转录因子，p38MAPK信号传导通路参与MMPs的表达，NF-κB/ p38MAPK信号通路异常激活将引起下游炎症因子过表达，参与炎症反应[40]。抑制NF-κB/ p38MAPK信号通路的活化，则可以降低炎症因子过表达，缓解软骨退化。吴广文等[41]研究发现，独活寄生汤可通过调控miR-146a/-155-NF-κB/p38MAPK信号通路，抑制膝骨关节炎炎症反应，治疗膝骨关节炎。潘建科[42]研究发现，龙鳖胶囊可抑制MEK-3/6、p38、ATF2、NF-κBp65及其磷酸化产物P-MEK-3/6、P-p38、P-ATF2、P-NF-κBp65的过表达，抑制骨关节炎软骨细胞中p38MAPK和NF-κB信号通路活化，从而缓解软骨退变，保护软骨，治疗骨关节炎。

3.5 中药及其有效成分对TLR/MyD88信号通路的影响

Toll样受体(toll-like receptors，TLRs)是跨膜信号传导蛋白，免疫的必需分子之一，参与调控适应性免疫应答。髓样分化因子 88(MyD88)是TLRs的信号传导下游信号分子。TLR/MyD88信号通路参与炎症反应[43]。郑洁[44]等研究发现，青藤碱可通过调控TLR/MyD88信号通路，下调TLR2、TLR4、MyD88关键分子表达，抑制兔膝骨性关节炎软骨免疫反应，延缓OA进展。

3.6 中药及其有效成分对细胞骨架信号通路的影响

细胞骨架是维持细胞形态、运动以及应对周围环境的重要纤维状网架结构，为细胞提供机械完整性以承受压缩载荷起到重要作用[45]。异常的机械负荷与骨关节炎的发病密切相关[2]，可以通过调控细胞骨架信号通路抑制软骨细胞骨架破坏，保护软骨细胞。梁杰[46]等研究表明，补肾壮筋汤通过调控细胞骨架信号通路，调节通路相关蛋白ROCK、Cofilin、Phospho-Cofilin、LIMK1和Phospho-LIMK1的表达，抑制软骨细胞骨架破坏的进程，减缓膝关节关节炎的退变。黄孝闻等[47]研究发现，淫羊藿苷通过调控细胞骨架信号通路，抑制细胞骨架相关因子Rho A和Cofilin表达，对脂多糖诱导的细胞骨架F-actin损伤具有保护作用。

在机体中，不同的信号通路会互相影响，如TGF-β协同Wnt信号促进人类间充质干细胞向成骨细胞分化等[31]，为治疗骨关节炎提供多种路径与靶点。

4 总结与展望

综上所述，在临床中药预防及治疗骨关节炎疗效显著，简效廉验，相比手术具有低风险优势，其在治疗骨关节炎方面确有广阔的治疗前景。明确中药治疗骨关节炎的具体作用机制，是研发治疗骨关节炎特效中药新药的基础及依据。因此，需要在细胞及分子水平进一步探索及明确中药治疗的具体作用靶点及作用途径。