骨关节炎发病机制及鹿茸防治骨关节炎疾病的研究进展

许丽文，刘春晓，李光玉

（中国农业科学院特产研究所，吉林 长春130112）

骨关节炎（osteoarthritis，OA）是目前全球范围内致畸率、致残率较高的一种慢性、进行性关节疾病之一，以软骨细胞减少、关节基质降低为主要特征[1]。OA的发病人群集中在中老年人群，临床发病率随着年龄的升高而逐渐升高[2-3]。目前，OA的发病机制尚未完全明确，多数认为骨性关节炎的发生、发展与年龄、体质量、机械损伤和生物因素等有关，同时认为该病的发生、发展还可能与机体关节软骨病理变化导致的生物力学紊乱有关[4-5]。OA有2种类型：一种是原发性骨关节炎，另一种是继发性骨关节炎。原发性骨关节炎的病因目前尚不明确，可能是多因素病因相互作用而引起的系统性疾病[6]。继发性骨关节炎的病因则是诸多因素引起的退行性发展，如急性或慢性关节损伤、肌肉功能障碍、肥胖、关节钙沉积、炎症性关节病（如类风湿关节炎）。OA的发生涉及到整个软骨组织（包括软骨、滑膜和底层骨），其中与软骨组织的病变最为密切，而软骨组织的损伤与软骨细胞凋亡密切相关[7-11]。

OA的治疗方式主要有药物治疗（西药、中药和注射药）与手术治疗[12]。OA早期患者主要以药物治疗为主，晚期患者主要依靠手术治疗[13]。在早期OA患者的药物治疗中，早期病变患者常使用非甾体抗炎药物，但患者服药后容易出现肾脏与胃肠道不良反应，部分患者可能出现心血管疾病，且这类药物无法延缓患者病程的发展[12]。张建环等[14]比较了中药和非甾体抗炎药治疗OA的效果，结果发现，非甾体抗炎药的使用频率为38.5%，药物使用不良反应发生率为13.5%，而中药的使用频率为61.5%，但不良反应发生率仅为6.5%。该研究表明，非甾体抗炎药镇痛优势明显，但可能在安全性方面有待提高。张雪英等[15]研究了中药健骨片与非甾体类抗炎镇痛药物联用治疗成人OA的短期疗效，结果发现，骨关节疼痛完全缓解率为17.2%，疼痛改善率为77.1%，症状加重及效果不佳者占5.7%。该研究表明，中药在治疗OA疾病方面具有很大的应用前景。

鹿茸作为一种典型的传统动物药已经使用了2 000多年，并具有改善免疫系统与增强体力的药理作用[16]。目前，在中国、日本和韩国等国家的药典中，梅花鹿和马鹿的鹿茸被指定为药用原料[17]。此外，鹿茸还可以用作预防疾病的补充剂。通常，鹿茸通过口服给药用于汤剂或药液的制剂中。鹿茸是独特的器官，在哺乳动物中显示出每年完全再生的周期[18]。鹿茸的生长是一个非常迅速的过程，在此期间诸如其软骨、骨骼、神经、皮肤和血管等组织也以相同的速度生长[19]。因此，鹿茸被认为是研究信号通路有价值的模型。牛维等[20]研究发现，鹿茸对TGF-/Smads信号通路中的相关分子起促进作用，激活该信号通路的转导对软骨形成起到促进的作用，同时证实了鹿茸能够促进软骨细胞增殖、分化，延缓软骨的退变。李振华等[21]研究发现鹿茸多肽能够抑制骨性关节炎软骨细胞的早期凋亡。作者对近年来骨关节炎的发病机制及鹿茸对OA软骨细胞凋亡及信号通路调控的研究进展进行了综述，旨在深入了解鹿茸治疗OA的作用机制，抑制OA的发展速度。

1 骨关节炎的发病机制

目前该病的病因尚不清楚，其发病机制复杂多样，不论是原发性骨关节炎还是继发性骨关节炎，关节软骨都是OA发生的集中部位[22]。OA涉及整个滑膜关节，包括软骨，滑膜和底层骨。这些组织中的每一个细胞都具有独立的能力来引发和响应关节损伤，最终导致软骨变性。OA的早期症状主要为关节疼痛、功能障碍，主要采用药物治疗；晚期症状为关节畸形、活动受限，必须采用手术治疗[5]。目前研究认为OA与遗传、老化、肥胖和剧烈运动等有关，其治病因素及发病机制复杂多样[12]。近年来，在细胞学领域许多学者对OA患者的关节组织进行细胞分离，结果发现，刚分离的软骨细胞凋亡的数量与OA的发展具有高度一致性[23]。罗淦等[24]总结了与OA软骨细胞凋亡相关的信号通路，包括p38 MAPK信号通路和TLR信号通路。OA的发生和发展还与Wnt信号通路和TGF信号通路高度密切相关。

1.1 软骨细胞凋亡

细胞凋亡也称为程序性死亡，是细胞的自然死亡和自我清除的过程。细胞凋亡的形态表现包括细胞收缩（同时保持膜完整性）、核周围的染色质凝结、膜出血以及最终形成含有假定完整细胞器的凋亡小体[25]。在体内，这些膜包被的囊泡很快被常驻的吞噬细胞吞噬，从而防止细胞内成分暴露于免疫系统并防止炎症的发生[26]。在分子水平上，凋亡由顺序排列的步骤组成，包括起始、效应、降解和清除阶段。细胞凋亡属于正常的细胞周期发育，当需要在确定的位置和精确的步骤（软骨内骨化、卵巢回归）下发生细胞死亡时，细胞凋亡在时间上受到调控[27]。细胞凋亡也是必要的，以摆脱感染、受损或异常细胞，以避免异常传播[28]。然而，过度的细胞凋亡或者缺乏细胞凋亡都会导致其组织发生病理变化，如癌症或自身免疫疾病，这是严格控制细胞凋亡的重要性。

软骨细胞凋亡与OA的发生与发展密切相关，软骨细胞凋亡会加速OA的发展。许多学者研究发现，中药能够通过抑制软骨细胞的凋亡，来控制OA的发展。肖经难等[29]研究了六味地黄丸对兔OA软骨细胞凋亡的影响，结果发现，与OA模型组相比，用药组软骨细胞凋亡指数明显降低，说明六味地黄丸有效减缓了软骨细胞凋亡。软骨细胞凋亡参与OA的发生与发展，而与OA软骨细胞凋亡相关的信号通路在OA的发病中也起着重要的作用[30]。研究发现，p38 MAPK信号通路与OA软骨细胞凋亡有关[31]。目前大多数研究认为，参与OA软骨细胞凋亡的至少有2种相互独立的途径：一种是一氧化氮（NO）介导，另一种是Fas介导。NO与OA的病理过程密切相关，而NO具有抑制软骨细胞增殖和诱导软骨细胞凋亡的作用；Fas途径是一条细胞凋亡转导通路。胡春江等[32]研究表明，关节腔内注射p38 MAPK抑制剂可以减少软骨细胞的凋亡[33]，减轻关节软骨的退变。Long等[34]研究表明，p38 MAPK作为炎症过程中重要的信号通路，能够诱导MMP-l3的表达，导致Ⅱ型胶原的降解，加快对软骨组织的破坏。钱臣等[35]研究了Toll样受体4表达与膝骨关节炎软骨细胞凋亡的关系，结果发现，TLR4在凋亡软骨细胞中的表达增加，而其在正常软骨细胞中的表达降低，说明在软骨细胞凋亡过程中TLR4信号通路参与了凋亡过程。

1.2 Wnt信号通路

Wnt信号通路在很早之前就被研究发现，Wnt信号通路参与了许多生命过程，在细胞的增殖、分化、极化、凋亡与抗凋亡等生命过程中都有参与。在Wnt参与的信号通路中，Wnt/-eatenin是最经典的，也是研究较为透彻的一条信号通路，此外Wnt信号通路还包括Wnt/Ca2+及Wnt/PCP通路。Wnt/-eatenin信号通路的激活主要是胞浆内多余的-eatenin进入细胞核内，与T细胞因子/淋巴增强因子结合，最终导致相关靶基因的表达[36-37]，见图1。Wnt信号通路可能在一般的关节疾病中尤其是在OA中起作用，也可以在骨骼发育过程中的通路中找到。经典的Wnt信号已在体外和体内广泛参与抑制软骨形成分化并促进祖细胞的成骨分化[36-38]。在骨骼发育和生长期间，经典的Wnt信号传导在驱动祖细胞增殖和维持祖细胞或干细胞中很重要，但该途径在软骨生成细胞中受到抑制，从而可以进一步分化为软骨细胞[36,39]。在发育过程中以及在生长中软骨内骨形成的后期阶段，经典Wnt信号激活是驱动软骨细胞向肥大细胞最终分化的关键，肥大细胞随后发生分化或被骨细胞替代[40]。相比之下，经典的Wnt信号似乎可以直接刺激成骨细胞的分化[38,41]。研究表明，Wnt/-catenin信号通路以及相关产物可以影响软骨细胞的分化、成熟与凋亡[42]，减少软骨细胞中Ⅱ型胶原的产生[43]，进而产生关节软骨进行性变性等一系列变化。颜春鲁等[44]基于Wnt信号通路分析了右归丸对膝骨性关节炎（knee osteoarthritis，KOA）大鼠的影响，并探讨了右归丸对OA大鼠的保护机制，结果发现，右归丸通过抑制Wnt信号通路相关因子的表达，来发挥对KOA的保护作用。由此可见，Wnt/-catenin信号通路参与调节OA的发展。

图1 Wnt/-catenin信号通路示意图[37]Fig.1 Wnt/-catenin signaling pathway[37]

1.3 TGF-信号通路

转化生长因子-（transforminggrowth factor-，TGT-）在多个组织和器官中都广泛表达[45]，它们参与调节细胞增殖、细胞外基质降解与合成及细胞凋亡等[46-47]，更重要的是在软骨的形成、维持、修复过程中均发挥着关键作用[48]。TGF-超家族由近40个配体组成，这些配体负责许多细胞发育过程，包括早期胚胎发育、组织模式和体内稳态、骨形成、伤口愈合和纤维化[49-50]。在软骨中这个超家族的主要代表是TGF-和BMP，二者对于正常的关节发育和体内平衡至关重要，并与OA的发病机制有关。TGF-超家族（包括骨形态发生蛋白）激活后，通过I型和II型受体的异聚复合物发出信号，募集下游R-Smad蛋白，然后转移到细胞核并充当靶基因的转录因子[51]。TGF-还可以通过非Smad途径来发挥其生物学作用[52]。在非经典途径中，可能通过TGF-激活TAK1激酶，通过MAP激酶转导其信号。TGF-可以利用多种细胞内信号传导途径，包括细胞外调节激酶ERK[53]、p38激酶[54]、c-Jun N末端激酶JNK[55]、磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）/AKT[56]，或Rho样GTPase[57]信号传导途径，与Smad途径协同调节细胞功能。TGF-信号通常通过ALK5磷酸化Smad2/3，而BMP通常通过ALK1、2、3和6磷酸化Smad1/5/8发出信号（图2）[58]。在软骨细胞分化中，Smad2/3是早期软骨发生和阻断终末分化所必需的，而Smad1/5/8是终末分化所必需的[59-61]。所有这些R-Smads作为转录调节因子，在成骨细胞发生和软骨发生中起着至关重要的作用。魏建仝等[62]研究发现关节液TGF-1的表达与OA存在相关性，可能在OA的发生过程中起重要作用。张志刚等[63]探讨了人OA的发生机制，结果发现，在滑膜组织中IL-1、TGF-1蛋白随着OA病情的加重而增强。杨物鹏[64]探讨了TGF-1对培养兔关节软骨细胞增殖和分化的影响，结果发现TGF-1对原代软骨细胞的增殖起促进作用。上述研究表明，TGF-对OA的病因、治疗和预防具有重要的参考价值。

图2 TGF-/Smad信号通路示意图[58]Fig.2 TGF-/Smad signaling pathway[58]

2 鹿茸在骨关节炎中的作用

鹿茸是鹿科动物（如梅花鹿或马鹿）雄鹿密生茸毛未骨化的角，是一种名贵的传统中药，有着悠久的药用史，始载于汉代的《神农本草经》[65-66]。关于鹿茸的药用作用前人均有记载，鹿茸具有生精补髓、强筋健骨、养血益阳等作用[67-69]。现代药理研究亦表明，鹿茸能够提高体外软骨细胞的增殖与分化，抑制软骨细胞的凋亡[20]。鹿茸可以通过调节TGF-/Smads信号通路抑制OA的发展。Moreau等[70]研制出一种优质的鹿茸粉末，可以有效缓解犬OA的病情。牛维等[20]研究发现，鹿茸通过调控ADAMTS-4/TIMP-3基因的表达，减少蛋白聚糖、Ⅱ型胶原蛋白的降解，对软骨起到修复的作用。由此可见，鹿茸可以有效治疗OA。然而，鹿茸治疗OA的作用机制尚不明确。大多数学者研究发现，鹿茸可以通过TGF-/Smads信号通路和Wnt/-catenin信号通路调控OA的发生与发展。此外，鹿茸还可以抑制软骨细胞的凋亡，抑制OA的发生与发展。

2.1 鹿茸通过TGF-/Smads信号通路调控OA

据报道，单味药鹿茸能够影响OA大鼠软骨组织中Smad 2和Smad 3的表达水平，而鹿茸可以通过调节Smad 2和Smad 3的mRNA和蛋白表达来修复软骨，表明Smad 2和Smad 3的mRNA和蛋白表达上调可能是OA发病的重要机制之一[71]。吴永磊等[72]研究发现，中药鹿茸治疗膝骨关节炎的疗效较好，其机制可能与上调血清TGF-水平、下调IL-1和IL-6水平有关。卢贺等[73]报道了鹿茸调控OA大鼠软骨Smads基因/蛋白表达水平的作用，结果发现，鹿茸对软骨细胞内Smads基因及蛋白的表达具有调控作用，促进了关节软骨的修复，阻碍了OA的发展。牛维等[20]研究鹿茸归经靶向调控OA TGF-/Smads信号通路的机制，结果发现，鹿茸提高了TGF-/Smads信号通路中相关分子的表达水平，对软骨的形成起到促进作用，减缓了OA的进展。

2.2 鹿茸通过Wnt/-catenin信号通路调控OA

Wnt/-catenin信号通路与OA密切相关。NG等[37]研究发现，在OA软骨中Wnt/-catenin信号通路的激活或者抑制可导致软骨磨损的加速或减缓。Xie等[74]报道，-catenin条件激活小鼠在软骨细胞中-catenin基因特异性过度表达，在腰椎间盘和膝关节表现出OA样表型，因此用小鼠来模拟OA模型，并测试了鹿茸多肽（pilose antler polypeptide，PAP）在该小鼠模型中的潜在疗效。Xie等[74]证实PAP降低了-catenin蛋白水平，中度上调了Ⅱ型胶原蛋白水平，下调了细胞外基质合成降解酶MMP13、ADAM4和ADAM5的表达水平。因此，PAP可能通过Wnt/-catenin信号通路抑制MMP13、ADAM4和ADAM5，从而调节细胞外基质的合成。

2.3 鹿茸对软骨细胞凋亡的影响

鹿茸具有多种药理特性，已被用于许多疾病的临床治疗。研究发现，PAP可调节免疫活性并具有抗氧化特性，利用PAP可以有效治疗OA[75]。另一项研究还表明，OA的发生与软骨细胞的病理密切相关[76]，此外有报道认为，PAP对正常兔软骨细胞的增殖有影响[77-78]。苗永刚[79]研究发现，PAP可以明显降低早期凋亡细胞所占的比例，对软骨细胞的早期凋亡有明显的抑制作用，而对软骨细胞凋亡有保护作用。王梓懿[80]研究了PAP对兔膝骨性关节炎软骨细胞凋亡的影响，发现PAP具有抑制OA软骨细胞凋亡的作用。

3 小结与展望

OA的发病机制目前还不明确，早期患者主要采用药物治疗，晚期患者治疗OA主要采用手术。笔者通过查阅大量资料，对其发病机制及鹿茸治疗OA的作用进行系统总结。OA的发病机制主要涉及软骨细胞凋亡、多条信号通路等。鹿茸对于治疗OA是有效的，可以通过抑制TGF-/Smads信号通路和Wnt/-catenin信号通路治疗OA。鹿茸能抑制软骨细胞早期凋亡数量的增加，从而阻断软骨细胞的凋亡，保护其免受细胞死亡。鹿茸可以上调软骨细胞中II型胶原的表达，下调细胞外基质中降解酶的表达。鹿茸能够调控OA有关的部分信号通路，对部分信号通路起作用，但OA的发病因素涉及到多条信号通路，因此不能完全阻碍OA的发展。同时，鹿茸在治疗OA建立的试验数据大多都是通过建立动物模型进行研究，动物模型与人的治病机理存在差异。目前，通过对OA的机制研究，能够确定鹿茸对OA的治疗具有一定的作用，但还不能确定鹿茸中哪种有效成分发挥相应功能。因此，今后应进一步解析鹿茸单体治疗OA的作用机制。