抗氧化剂在骨相关疾病中的应用研究进展

熊山 张程 吴健梅 季文军 张晗祥 马亚萍 张顶梅* 王信*

1 遵义医科大学附属医院骨科，贵州 遵义 563003

2 遵义医科大学附属医院日间手术病房，贵州 遵义 563003

活性氧(reactive oxygen species, ROS)可调节细胞增殖、分化及修复等基本细胞活动，其过量产生会破坏细胞内氧化还原平衡，导致氧化应激的发生[1]。氧化应激与诸多疾病的发生发展相关，包括骨关节炎、骨质疏松症、椎间盘退变、类风湿关节炎及骨肉瘤等骨相关疾病。因此，以氧化应激为治疗靶点的N-乙酰-L-半胱氨酸(N-acetyl-L-cysteine, NAC)、表没食子儿茶素没食子酸酯(epigallocatechin gallate, EGCG)、花青素、维生素E、维生素C、褪黑素、槲皮素、吡咯喹啉醌(pyrroloquinoline quinone, PQQ)、α-硫辛酸等抗氧化剂较多应用于骨相关疾病的治疗。本文将主要综述抗氧化剂在骨相关疾病中的应用研究进展，以全面了解氧化应激在骨病中的作用及抗氧化剂的应用前景。

1 氧化应激与骨相关疾病的研究现状

在骨关节炎、骨质疏松症等骨疾病中，氧化应激已被证实与其发生发展密切相关，氧化还原状态的失衡会加速骨相关组织的退变，诱发细胞凋亡或组织炎症，从而作为一项关键作用机制促进骨相关疾病的发生和发展。

1.1 骨关节炎与氧化应激

在骨关节炎中，持续ROS产生所导致的氧化应激可通过磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol 3 kinase/protein kinase B, PI3K/AKT)等信号通路促进软骨降解[2-3]，导致软骨退变。此外，随着ROS不断产生，抗氧化酶的活性也会降低，如超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)2[4]，这也会增强氧化应激，促进软骨退变。

1.2 骨质疏松症与氧化应激

核因子-κB受体激活剂配体(ligand of receptor activator of nuclear factor kappa-B, RANKL)和骨保护素( osteoprotegerin, OPG)共同维持骨代谢动态平衡：RANKL抑制成骨，而OPG促进成骨[5]。氧化应激可通过激活蛋白激酶及影响特定转录因子表达等机制诱导RANKL上调和OPG下调[6],导致骨质疏松。此外，氧化应激还会诱导骨细胞凋亡，加重OPG与RANKL的比例失衡，促进骨质疏松的进展。

1.3 椎间盘退变与氧化应激

在退变的椎间盘组织中，多种外源性刺激可增加ROS的产生，如机械负荷、高氧张力、高葡萄糖应激及促炎细胞因子等[7]，同时椎间盘中SOD及甲硫氨酸亚砜还原酶等抗氧化酶的活性也会下降[8-9]，导致氧化应激。氧化应激会诱导椎间盘细胞凋亡、衰老等[10]，同时会导致椎间盘基质合成代谢和分解代谢发生失衡，使椎间盘的弹性显著丧失且刚度增加，损害椎间盘的机械功能，进一步加重椎间盘退变。

1.4 其他骨相关疾病与氧化应激

在骨缺损修复领域，氧化应激会抑制成骨，包括抑制成骨细胞活化、激活破骨细胞等，不利于骨缺损修复[5]。而在类风湿关节炎中，氧化应激是其病理生理学的重要组成部分，免疫反应与内源性或外源性抗原之间的相互作用会诱导ROS的过量产生[11]，通过激活不同信号通路介导蛋白质、核酸及脂质等生物分子的损伤[12]，导致滑膜炎症等病理改变，从而促进类风湿关节炎的发生发展。针对骨肉瘤，有研究[13]表明氧化应激可促进肿瘤细胞在体外的侵袭，从而作为危险因子促进骨肉瘤的发生发展。因此，氧化应激是上述骨相关疾病发生发展的重要影响因素，深入研究氧化应激的发生机制将为骨相关疾病提供新的治疗靶点，对临床具有较好的指导意义。

2 抗氧化剂在骨相关疾病中的应用

骨相关疾病与氧化应激有着不可分割的联系，而氧化应激的发生是由于ROS的产生与清除发生了失衡。针对这种失衡，抗氧化剂能够清除ROS，弥补骨相关组织抗氧化能力，减轻氧化应激，从而改善疾病进程。目前常见的抗氧化剂主要有NAC、EGCG、花青素、维生素E、维生素C、褪黑素、槲皮素、PQQ、α-硫辛酸等。这些抗氧化剂在主要骨相关疾病中的应用及作用机制见表1。

2.1 N-乙酰-L-半胱氨酸

N-乙酰-L-半胱氨酸(N-acetyl-L-cysteine, NAC)通过增加细胞内源性抗氧化分子谷胱甘肽来增强细胞抗氧化能力，是常用的外源性抗氧化剂。在骨关节炎治疗中，NAC能够抑制ROS产生，提高基质合成以保护关节软骨细胞[14]。在骨缺损修复方面，Yamada等[15-16]证实NAC能够通过增强局部移植中的骨再生。而针对骨质疏松，Chen等[17-18]证实NAC能够抑制氧化应激，预防骨质疏松症。在椎间盘退变领域，NAC可打破软骨终板钙化与氧化应激的正反馈[19]，同时消除过量ROS及TNF-α的分解代谢作用[20]，保护椎间盘不受分解，为NAC应用于椎间盘退变提供支持。这些研究表明，NAC可通过其抗氧化作用缓解常见骨疾病的发生发展，包括抑制ROS产生、增强骨再生及抗椎间盘分解代谢等，提示NAC在临床上可能具有广阔的应用前景。

2.2 表没食子儿茶素没食子酸酯

表没食子儿茶素没食子酸酯(epigallocatechin gallate, EGCG)是绿茶中研究最多的儿茶素，具有包括抗氧化在内的多种生物学活性。在类风湿关节炎中，EGCG可在疾病的急性期及慢性期显著减轻关节炎症状[21]。在骨缺损修复方面，EGCG可有效清除ROS，减少干细胞氧化损伤并提高其成骨分化能力，从而促进骨再生[22]。此外，EGCG可调节RANKL/OPG上调骨形态发生蛋白-2(bone morphogenetic protein-2, BMP-2)表达，加速骨愈合过程，促进骨缺损修复[23-25]。针对椎间盘退变，

EGCG可激活PI3K/AKT通路保护椎间盘细胞，这使得EGCG成为椎间盘退变的潜在治疗选择[26]。上述研究发现EGCG可通过其抗氧化作用对类风湿关节炎、骨缺损及椎间盘退变等发挥较好治疗效果，但其应用主要局限于细胞及动物实验阶段，临床试验未得到有效开展，影响了EGCG作为新型药物治疗骨相关疾病。

2.3 花青素

花青素作为常用的抗氧化剂，主要包括六种亚型：飞燕草素、矮牵牛素、锦葵素、矢车菊素、芍药素、天竺葵素[27]。在骨缺损修复方面，飞燕草素、芍药素主要通过调节RANKL及其相关通路抑制氧化应激，扰乱破骨细胞生成及分化来促进骨缺损修复[28-29]。而在抗骨质疏松方面，矢车菊素主要通过PI3K/AKT通路减少细胞内ROS，发挥抗骨质疏松症作用[30]。针对椎间盘退变，矢车菊素可通过核因子E2相关因子2/血红素氧合酶1(nuclear factor E2 related factor 2/ heme oxygenase 1, Nrf2 / HO1)信号通路显著减少ROS发挥抗氧化作用，保护髓核细胞免受氧化应激损伤[31]。花青素作为一类天然化合物，具有丰富的膳食来源，在预防和治疗骨相关疾病方面的应用应受到重视。为更好地将花青素应用于临床，研究者需要进一步研究花青素在骨相关组织中的作用机制及其作为药物的剂量、给药方式、毒性和副作用等。

2.4 维生素E、维生素C

维生素E是一种脂溶性维生素，是重要的抗氧化剂。在骨关节炎中，维生素E能够在体外保护大鼠间充质干细胞免受H2O2诱导的氧化应激[32]。此外，维生素E还可改善晚期膝骨关节炎患者的临床症状[33]。维生素E作为药物应用于骨关节炎具有治疗潜力，但需关注其治疗剂量，避免过量导致中毒，同时也要研究维生素E的应用是否会对患者后续的关节置换手术产生不良影响。

维生素C是一种水溶性维生素，能够作为抗氧化剂对抗体内氧化应激。在骨缺损修复方面，维生素C能够增加去卵巢大鼠的骨质量及抗氧化能力[34]。此外，维生素C还可通过Wnt/β-Catenin/ATF4信号通路促进骨骼再生[35]。在骨关节炎的治疗中，维生素C可减少软骨细胞凋亡，同时减低促炎因子及基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases, MMPs)的表达，但维生素C的保护作用并没有随剂量增加而增强[36]，这表明维生素C在骨关节炎中可能存在最佳治疗剂量，其临床应用还需得到更多实验数据支撑。维生素E及维生素C在骨相关疾病中的应用研究均还存在很多不足与局限，如维生素C的促骨再生能力是否可应用于骨质疏松症防治等问题仍需进一步研究。

2.5 褪黑素

褪黑素(N-乙酰-5-甲氧基色胺)由哺乳动物松果体产生，是一种广谱抗氧化剂和自由基清除剂。在类风湿关节炎的治疗中，褪黑素可通过去乙酰化酶1(sirtuin 1, SIRT1)信号通路增强透明质酸合成，保护滑膜细胞[37]。而在骨关节炎治疗方面，褪黑素可清除ROS，维持线粒体氧化还原稳态，抑制基质降解和细胞凋亡，保护软骨细胞，改善骨关节炎的发生发展[38-39]。针对骨质疏松，褪黑素可减少细胞内ROS，抑制破骨细胞生成，从而减少骨吸收，增加骨量[40]。对于椎间盘退变，褪黑素可调节 ROS/核因子κB(nuclear factor-kappa B, NF-κB)通路抑制纤维环细胞衰老[41]，同时减轻氧化应激诱导的髓核细胞凋亡[42]。这些研究表明褪黑素可通过SIRT1、NF-κB等通路保护骨相关组织，延缓骨相关疾病的发生发展，具有较好的应用前景。

2.6 槲皮素

槲皮素是一种类黄酮化合物，广泛存在于蔬菜和水果中，具有抗氧化特性。在修复骨缺损方面，槲皮素可诱导间充质干细胞内抗氧化酶SOD1、SOD2 的显著上调，提高干细胞抗氧化能力，进而促进间充质干细胞成骨分化[43]。此外，槲皮素还可提高成骨细胞的抗氧化能力，减弱氧化应激对其损伤，从而促进成骨[44]。在抗肿瘤方面，槲皮素可扰乱骨肉瘤细胞ROS稳态诱导其过度自噬引发细胞死亡[45]，还可以通过破坏线粒体膜电位及调节AKT和丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)信号转导增强骨肉瘤细胞凋亡[46]。这些研究支持槲皮素在骨相关疾病中的治疗潜力，但由于槲皮素水溶性差,体内代谢快,半衰期短,导致其生物利用度低[47]，使得槲皮素作为药物的有效性不足，阻碍了其临床应用，未来研究应侧重于改善槲皮素生物利用度，提升其药理疗效。

2.7 吡咯喹啉醌

吡咯喹啉醌(pyrroloquinoline quinone, PQQ)是一种氧化还原酶辅基，主要存在于某些微生物及动植物组织中，是常用的抗氧化剂。在骨关节炎治疗方面，PQQ可减少NO产生，抑制氧化应激，显著减缓关节软骨退化[48]，同时改善线粒体损伤，保护软骨细胞[49]。而在骨质疏松症的治疗中，PQQ可上调抗氧化能力，抑制氧化应激并减少脱氧核糖核酸损伤，同时下调周期素依赖性蛋白激酶抑制物水平，发挥骨质保护作用[50]。针对椎间盘退变，PQQ可减少ROS形成，保护髓核细胞免受氧化应激[51]。这些研究表明PQQ在骨相关疾病治疗中有巨大潜力，同时由于PQQ安全性较好[52]，使其有可能被广泛应用于临床，但目前关于PQQ应用于骨相关疾病的临床随机对照试验尚未开展，PQQ的临床应用仍未实现。

2.8 α-硫辛酸

α-硫辛酸是一种强大抗氧化剂，较多应用于骨相关疾病研究。针对骨质疏松症，α-硫辛酸主要通过抑制ROS生成及上调氧化还原基因表达等机制防止骨质流失[53]，还可显著减少ROS及线粒体超氧化物产生，有效恢复成骨细胞矿化[54]。此外，α-硫辛酸可通过减少ROS生成，防止软骨终板细胞线粒体损伤及细胞凋亡，发挥椎间盘保护作用[55]。尽管α-硫辛酸的抗氧化作用十分显著，但由于缺乏有说服力的临床随机对照试验及相关药理学、毒理学研究，α-硫辛酸还没有实际应用于骨相关疾病的临床治疗。

3 抗氧化剂的临床应用及展望

以氧化应激为靶点，应用抗氧化剂治疗骨相关疾病在细胞实验、动物模型上具有一定效果，但是将其真正运用于临床还存在一定的不足与缺陷：(1)抗氧化剂作为药物应用于骨相关疾病的机制性研究不足，影响了抗氧化剂的有效性；(2)抗氧化剂应用于骨相关疾病的药理学、毒理学实验不足，影响了抗氧化剂的安全性；(3)从源头研发到Ⅲ期临床是一个耗资巨大的过程，在高风险、高投入的市场中，在没有大量证据支持的情况下，药物开发公司不会轻易做出投资，这使得诸多有潜力的抗氧化剂没有机会得到进一步证据支持。

尽管抗氧化剂在实际应用中还存在很多不足与缺陷，但不可否认其在骨相关疾病治疗中的潜力。为推动抗氧化剂在骨相关疾病中的实际应用，未来研究的侧重点可以是氧化应激的深层次机制，也可以是抗氧化剂的其他药理机制，比如炎症调节与应激、生物钟调控、自噬相关途径调节等。另外，随着研究的不断深入，开发出生物利用度高且毒性弱的人工抗氧化剂也是研究方向之一。