姜黄素治疗膝骨关节炎的相关分子机制及研究进展

陈志伟，冯康虎，申建军，司元龙，张亚楠，陈海

【摘 要】 姜黄素在治疗膝骨关节炎方面有着显著的作用，它可通过多种途径促进关节软骨细胞增殖，减缓或抑制炎症因子对软骨细胞的破坏，延缓软骨细胞凋亡，调节成骨细胞与破骨细胞以防止软骨下骨的异常改变，有效减轻炎症细胞对软骨的侵蚀，清除关节软骨活性氧自由基。但目前仅局限于细胞及动物实验，姜黄素投入临床使用还需更多实验研究证实。综述姜黄素治疗膝骨关节炎相关机制及进展，为姜黄素的进一步实验研究与投入临床应用奠定基础。

【关键词】 膝骨关节炎;姜黄素;软骨细胞;氧化应激;研究进展;综述

膝骨关节炎（knee osteoarthritis，KOA）主要是由于关节软骨细胞的非正常凋亡和软骨基质的降解，使关节软骨遭到破坏，临床表现为膝关节间歇性钝痛或出现持续性疼痛，伴活动受限，发展到一定程度可出现关节畸形。KOA在世界卫生组织列出的291种疾病中排名第11位，也是致残率较高的疾病之一[1]。治疗以服用非甾体抗炎药和软骨保护剂为主，晚期主要行关节置换手术。

姜黄素是一种从姜黄根中提取的天然成分，现代药理学研究表明，姜黄素具有较强的抗氧化、抗微生物、抗炎和抗癌活性作用。最新研究发现，姜黄素在治疗KOA方面有着良好的疗效，可促进软骨细胞增殖，抑制软骨细胞凋亡，抑制炎性因子对软骨的破坏，调节软骨基质氧化应激反应，维持关节软骨内环境的平衡。本文对姜黄素治疗KOA研究进展做一综述，为姜黄素临床应用奠定理论基础。

1 姜黄素对关节软骨细胞的调节作用

关节软骨由软骨细胞和细胞外基质构成，在正常情况下关节软骨细胞的增殖与凋亡处于一个动态平衡状态，软骨细胞的增殖与凋亡是此消彼长的形式。当软骨细胞发生不正常的凋亡造成关节软骨破坏就会引起KOA的发生[2]，因此，可以由此机制入手治疗。

1.1 姜黄素对关节软骨细胞的增殖作用 有研究认为，脂多糖（LPS）能够诱导关节炎性软骨细胞的增殖，刺激关节软骨，从而发生KOA。实验研究发现，姜黄素能够对LPS引起的关节炎性反应有逆向调节的作用，诱导正常软骨细胞增殖[3]。也有研究发现，姜黄素对关节软骨细胞的增殖并不是绝对的，在一定浓度下，促进Wnt/β-catenin信号通路与Frizzled蛋白结合，诱导基因转录，促进软骨细胞增殖[4]。Wnt/β-catenin信号通路一旦失调会导致软骨細胞的增殖与凋亡发生异常，而且认为这种失调分为两种，一种是β-catenin的过度表达导致未成熟软骨分化、成熟和软骨基质降解;另一种是β-catenin信号被抑制，软骨细胞发生凋亡[5]。马勇等[6]采用Western blot法检测Wnt2、GSK-3β、β-catenin的表达，发现姜黄素能促进其蛋白表达量的增高，可推测通过介导Wnt/β-catenin信号通路促进正常软骨细胞增殖。由此可见，姜黄素对调节软骨代谢发挥重要作用。实验研究发现，姜黄素对大鼠缺血再灌注损伤有保护作用，因为其对细胞有保护及提供营养的功能，由此可推断，姜黄素能够对关节软骨细胞起到保护、支持的作用[7]。BUHRMANN等[8]认为，间充质干细胞（MSC）位于关节软骨浅层，但受损组织不具备再生能力;KOA关节中存在的高水平促炎因子可能会阻碍间充质干细胞软骨分化，虽然这些细胞位于关节软骨浅层;其中白细胞介素（IL）-1β能够激活核转录因子-κB（NF-κB）进而激活蛋白参与矩阵退化，诱导促进体内MSC样祖细胞的软骨形成，从而为软骨细胞的增殖提供动力，促进关节软骨的再生。

1.2 姜黄素对关节软骨细胞凋亡的抑制作用 软骨细胞的非正常凋亡在KOA的发生中起到了关键作用。SHAKIBAEI等[9]实验研究发现，姜黄素能抑制IL-1诱导的上游蛋白激酶（BAkt）的刺激，认为其与下调环氧化酶-2（COX-2）、基质金属蛋白酶-9（MMP-9）等细胞信号传导通路（NF-κB）靶点相关;还发现，姜黄素能够逆转IL-1诱导的Ⅱ型胶原蛋白和β1-整合素受体表达下调，表明姜黄素通过抑制NF-κB介导的软骨细胞IL-1β/肿瘤坏死因子（TNF）信号通路，达到抑制关节软骨细胞分解的目的。冯诚[10]通过实验研究发现，姜黄素作用于Wnt/β-catenin信号通路能够明显降低凋亡相关分子细胞凋亡蛋白酶3（Caspase-3）和β-catenin蛋白的表达来抑制软骨细胞的凋亡。有研究表明，姜黄素能够抑制IL-1介导的软骨细胞凋亡，增加软骨细胞磷酸化细胞外信号调节激酶1/2（ERK1/2）、自噬标记轻链3（LC3）-Ⅱ和细胞自噬基因（Beclin-1）的表达，抑制软骨细胞凋亡，从而保护关节软骨[11];JAK2/STAT3信号通路主要参与机体的炎症反应、氧化应激损伤、细胞的凋亡等过程[12]。李旭升等[13]研究发现，通过抑制JAK2/STAT3信号通路，小鼠骨关节炎软骨细胞凋亡明显增高，而姜黄素治疗组关节软骨保存较完整，证明姜黄素能够激活JAK2/STAT3信号通路，抑制软骨细胞凋亡。总之，姜黄素能够作用于多种通路与分子机制，保护关节软骨。

2 姜黄素对破骨细胞和成骨细胞的调节作用

成骨细胞与破骨细胞处于一个动态平衡，共同维持关节软骨和软骨下骨内环境的稳定。一旦两者平衡被打破，则关节软骨与软骨下骨会发生损伤，进而加速KOA的进展。

2.1 姜黄素对成骨细胞的促进作用 KOA不仅仅是关节软骨的病变，还有一方面的因素是软骨下骨的异常。越来越多的证据表明，软骨下骨参与KOA的进展;软骨下骨在全软骨缺损区骨核最厚，在骨赘区骨核最薄。软骨下骨硬化是骨关节炎的一大特征，而成骨细胞异常是引起软骨下骨硬化的重要因素，所以可以由此入手治疗KOA。实验研究发现，姜黄素处理组中的Caspase-2、Caspase-3表达显著低于TNF-α处理组，证明姜黄素能够抑制由TNF-α主导的成骨细胞凋亡[14];还发现，姜黄素能够增强成骨细胞氧化呼吸链酶的活性、降低Caspase-3的表达，从而抑制由脂多糖诱导的成骨细胞线粒体功能的破坏和成骨细胞的凋亡[15]。总之，姜黄素能够调节成骨细胞的活化与凋亡防止软骨下骨硬化。

2.2 姜黄素对破骨细胞的抑制作用 破骨细胞是骨吸收中独特的细胞类型，成骨细胞与破骨细胞处于一个动态平衡，破骨细胞异常增多是导致关节软骨破坏的重要因素。破骨细胞与骨关节炎软骨和软骨下骨的完整性和功能的丧失有关。核转录因子-κB受体活化因子配体（RANKL）/成骨细胞分泌的护骨素（OPG）通路是参与骨代谢调节的重要通路，OPG与RANKL结合，降低RANKL/核转录因子-κB受体活化因子（RANK）结合率来抑制破骨细胞的分泌，所以调节RANKL/OPG的比例可以作为治疗KOA的切入点。邱艳等[16]实验观察发现，姜黄素能够通过提高大鼠滑膜细胞OPG的表达，抑制RANKL与RANK结合以致滑膜细胞RANKL的表达降低，以此可推断，姜黄素能够通过调节OPG与RANKL的关系对破骨细胞产生抑制作用。已经有大量文献表明，NF-κB信号通路也参与了破骨细胞的分化与表达。有研究发现，姜黄素能抑制破骨细胞分化过程中的NF-κB信号，通过抑制NF-κB入核降低转录因子（NFATc1）的表达，一旦NFATc1的活化降低，破骨细胞的活性也会降低，对软骨下骨起到一定的保护作用[17]。

3 姜黄素对关节炎症因子的调节作用

IL-1由巨噬细胞、软骨细胞、滑膜细胞等多种细胞产生，有IL-1α和IL-1β两种亚型。IL-1β可以诱发MMPs和前列腺素，抑制Ⅱ型胶原蛋白的合成[18]。在正常情况下，MMPs与金属蛋白酶组织抑制因子（TIMPs）处于一个动态平衡的状态;发生KOA时，这种平衡被打破，MMPs的增加大于TIMPs的增加，使软骨降解超过合成，出现软骨基质损害[19]。因此，对炎症因子的调节管控也是治疗KOA的关键因素。

SCHULZE-TANZIL[20]通过研究证实，IL-1介导的软骨细胞炎症前期MMP-3的上调是通过NF-κB激活机制实现的，因此可推断，姜黄素起到了拮抗IL-1信号转导的作用。姜程曦等[21]利用MTT实验评价姜黄素化合物22的细胞毒性，发现姜黄素能够通过抑制ERK和JNK信号通路以及NF-κB通路的激活发挥抗炎活性。这些结果表明，姜黄素通过抑制NF-κB介导的软骨细胞IL-1β/TNF信号通路，抑制炎症因子对关节软骨机制的破坏。MUN等[22]研究发现，胶原诱导性关节炎小鼠通过口服姜黄素以剂量依赖性的方式抑制，表明姜黄素对TNF刺激产生的MMP-1和MMP-3有剂量依赖性，而且证明是通过JNK通路抑制MMP-1和MMP-3表达来广泛抑制免疫细胞浸润、滑膜增生、软骨破坏。研究报道指出，通过不同浓度的姜黄素溶液培养关节炎症细胞来探讨姜黄素对MMP-1等炎症因子的影响，发现姜黄素能够对破坏软骨细胞的致炎因子产生抑制作用[23]。但值得注意的是，只有当姜黄素在体内达到一定浓度时才有效，这也提醒我们，姜黄素在投入临床使用时一定要关注有效剂量。

4 姜黄素对关节软骨氧化应激反应的调节

人类细胞必须处理活性氧（ROS）的不断产生，虽然ROS的过度产生可能对细胞生物学有害，KOA中ROS的过量产生可改变细胞内信号通路、软骨细胞生命周期、软骨基质代谢，并可导致滑膜炎症和软骨下骨功能障碍[24]。

抗氧自由基系统的失活或氧自由基本身的高水平导致的氧自由基失衡，从而加重了关节软骨的炎症反应，其持续的表达也是造成KOA的关键因素[25]。KOA中ROS的过量产生可改变细胞内信号通路、软骨细胞生命周期、软骨基质代谢，并可导致滑膜炎症和软骨下骨功能障碍[26]。所以防治关节软骨氧化应激反应也是治疗的重中之重。JAK2/STAT3信号通路与骨关节炎病理过程密切相关，姜黄素可刺激JAK2/STAT3信号通路，抑制细胞内线粒体的氧化应激反应[27]。YANG等[28]发现，姜黄素通过抑制Notch信号通路，阻断B淋巴细胞瘤-2基因表达，下调内源性线粒体凋亡，达到增强内源性抗氧化保护作用和抑制内源性线粒体凋亡的目的。此外，姜黄素预处理三磷酸腺苷的产生，抑制活性氧的积累和线粒体膜电位的下降，从而防止H/r诱导的线粒体功能障碍，通过此方式能够减轻氧化应激损伤，保护软骨细胞[29]。在天然蛋白质结合姜黄素的情况下，体外过氧化氢可以减少活性氧的生成[30]。MEHTA等[31]认为，氧化应激是机体活性氧和抗氧化剂之间的不平衡，而姜黄素作为一种天然化合物，能够减轻机体的氧化应激反应。综上所述，氧化应激反应是加重KOA进程的关键因素，而姜黄素能够降低关节软骨的氧化应激反应，减缓KOA的发展。

5 小结与展望

KOA是我国乃至世界引起中老年人膝关节疼痛、活动障碍的重要原因，严重影响患者的生活质量。而姜黄素是姜黄中主要的多酚类化合物，能够通过多种途径保护关节软骨及软骨基质，从而治疗KOA。上述大量研究证明，姜黄素在软骨细胞的增殖与凋亡中可以通过多种转导通路作用于多个靶点调节软骨细胞、抑制软骨细胞的凋亡与软骨基质的降解;作用于不同受體参与破骨细胞与成骨细胞抑制软骨下骨硬化;也发现，姜黄素能抑制或激活不同的信号通路抑制炎性介质的释放，同时能够减轻机体的氧化应激反应，保护软骨基质。目前，姜黄素对KOA的治疗还未真正投入临床，所以对于姜黄素治疗KOA要更加具体化、细节化，从机制出发探索一条安全、有效的道路，为其临床运用奠定基础。

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收稿日期：2021-09-25;修回日期：2021-11-15