中药通过调控信号通路治疗骨关节炎作用机制研究概述

唐赛清 寇久社 王东 张保平 阮珍 骞童

骨关节炎是一种以关节疼痛、肿胀、功能障碍等为主要症状的慢性关节退行性疾病,严重影响患者的日常工作和生活质量[1]。骨关节炎的发生发展是一个复杂的、多环节的过程,涉及多条信号通路及多个靶点。近些年来,中药通过调控信号通路治疗骨关节炎逐渐成为研究热点。已有大量研究证实中药在骨关节炎治疗上疗效显著,其机制可能是通过对核因子-κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)、Wnt、丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases,MAPK)、转化生长因子β(transforming growth factor-β,TGF-β)等多种信号通路的关键蛋白及上下游靶点的调控来影响炎症反应、关节软骨细胞及细胞外基质的破坏及降解等骨关节炎发生发展的多个环节,从而延缓骨关节炎的进展,起到治疗作用。本文通过查阅近年来相关文献,基于上述信号通路对中药治疗骨关节炎的作用机制进行归纳与总结,以期为骨关节炎的中医干预及中药的新药研发提供理论参考。

1 影响NF-κB信号通路

NF-κB是一种普遍存在于各种细胞的转录因子,在未受到刺激信号的影响下,它与抑制蛋白(inhibitor of NF-κB,IκB)形成复合物存在于细胞质中。而一旦受到刺激后,IκB激酶(IκB kinase,IKK)被激活引起IκB蛋白发生磷酸化及降解,NF-κB复合物得以释放,从细胞质中转移至细胞核内,与DNA结合位点相结合,引起促进骨关节炎的相应基因表达,从而在骨关节炎的发生和发展中发挥重要作用[2-3]。研究表明,在骨关节炎的发生发展中,NF-κB信号通路受到多种刺激得以激活,导致软骨细胞中炎症相关因子如肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白细胞介素-6(interleukin-6,IL-6)、白细胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)、诱导型一氧化氮合酶、前列腺素E2等,以及基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)、血小板反应蛋白解整合素金属肽酶(a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs,ADAMTs)等基质降解酶的表达增加,从而加重炎症反应及关节软骨的降解和破坏[4]。

连翘苷元是从连翘果实中提取出来的一种有效成分单体,具有抗炎、抗感染、抗氧化应激、免疫功能调节等多种药理作用[5]。胡芯源等[6]研究发现,连翘苷元可上调软骨组织聚集蛋白聚糖和II型胶原蛋白的表达水平,下调MMP-13的表达水平以及抑制IL-6、IL-17、TNF-α、单核细胞趋化蛋白1等促炎细胞因子的表达,减轻炎症反应。同时,连翘苷元还可下调软骨组织中半胱氨酸蛋白酶(cysteinyl aspartate specific proteinase,Caspase)-3和Caspase-9水平,及提高凋亡抑制基因B淋巴细胞瘤-2基因(B-cell lymphoma-2,Bcl-2)与促凋亡基因Bcl-2相关X(Bcl-2 associated X,Bax)的比值,从而抑制软骨细胞凋亡。此外,连翘苷元还可抑制软骨组织中Toll样受体4(toll like receptor 4,TLR-4)及其下游分子髓样分化因子88(myeloid differentiation factor 88,MyD88)、NF-κB p65蛋白的表达及活化,表明连翘苷元可能是通过抑制TLR-4/MyD88介导的NF-κB信号通路,起到维持软骨代谢稳态、减轻炎症反应、降低关节软骨破坏等作用。

青藤碱为中药青风藤的主要活性成分,具有镇痛、抗炎、免疫抑制等作用[7],在治疗骨性关节炎上取得了比较理想的疗效。黄小鲁等[8]发现青藤碱抑制可能通过抑制NF-κB p65的核转位及NF-κB的DNA结合活性,从而抑制NF-κB信号通路介导的炎性反应。Wu等[9]在软骨细胞实验发现,不同浓度的青藤碱干预后核内p-NF-κB p65水平明显降低,且软骨细胞中p-IκBα的表达也显著下降,并呈剂量相关性。这些结果指出青藤碱可通过抑制软骨细胞NF-κB信号通路的激活从而抑制炎症反应,起到治疗骨关节炎的作用。

芍药苷是从常用中药白芍中提取出来的糖苷类化合物,具有镇痛抗炎、免疫功能调节、神经保护、抗肿瘤等多种药理作用[10]。陈谱等[11]通过细胞实验发现,芍药苷干预后IL-1β、IL-6、TNF-α等炎症因子和MMP-13、ADAMT-5等基质降解酶的表达量明显下降且呈浓度依赖性,这与芍药苷既能明显下调软骨细胞中NF-κB p65、IKK的表达水平,又能上调IκB的表达有关。提示芍药苷可能是通过抑制NF-κB信号通路,减轻炎症反应及软骨降解来起到治疗骨关节炎的作用。

由上可知,中医药可能通过阻碍NF-κB信号通路的激活以抑制众多炎性因子及基质降解酶的表达,从而减轻炎症反应、抑制软骨降解以达到治疗骨关节炎的目的。此外,NF-κB信号通路是经典的炎症信号通路,受到多种信号通路及上下游因子的调控,但目前的研究缺少对多通路间相互作用的综合考量与进一步验证,这也许是今后研究的方向。

2 影响Wnt信号通路

Wnt信号通路包括Wnt/β-连环蛋白(β-catenin)经典信号通路和Wnt/平面细胞极化(planar cell polarity,PCP)、Wnt/Ca2+等非经典信号通路。当经典Wnt信号通路被激活时,Wnt蛋白可与卷曲蛋白、低密度脂蛋白受体相关蛋白5/6结合而激活散乱蛋白,使得轴蛋白、糖原合酶激酶-3β、腺瘤性结肠息肉病蛋白等组成的复合物发生裂解,进而导致β-catenin在细胞质中积累,并向细胞核内转移。核内游离的β-catenin与T细胞因子/淋巴增强因子结合后可对下游靶基因的表达进行调控[12-13]。已有研究证明:β-catenin的过表达可促进多种基质降解酶的分泌,加重关节软骨的破坏[14]。Wnt/β-catenin经典信号通路参与调控细胞凋亡、软骨分化及骨赘形成等过程,与骨关节炎的发生和发展有着密切的联系[15]。

2.1 单味中药有效成分对Wnt信号通路的调控作用

姜黄素是传统中药姜黄的主要活性成分,提取于姜科植物姜黄的根和茎。它主要的药理作用有抗炎镇痛、抗氧化、肾脏及心脏保护等,且疗效确切,安全性高[16]。舒子震[17]研究发现膝骨关节炎大鼠软骨Mankin’s评分及β-catenin蛋白的表达量与空白组相比明显增加且两者成正相关,证明β-catenin蛋白参与了骨关节炎的发生与发展。而使用姜黄素干预后,软骨Mankin’s评分及β-catenin蛋白的表达量明显下降,提示姜黄素可能通过抑制Wnt/β-catenin信号通路中β-catenin蛋白的表达,从而减少软骨细胞的破坏和细胞外基质的降解,起到治疗骨关节炎的作用。

2.2 中药复方对Wnt信号通路的调控作用

七厘散是一种传统的中成药制剂,出自于清代作家谢元庆的《良方集腋》,主要由血竭、朱砂、红花、麝香、没药、当归等多种中药组成,具有活血化瘀、止血镇痛等功效[18]。已有研究证明,成骨调节基因Runx2在成骨细胞分化、软骨细胞成熟分化等过程中发挥着重要的调控作用[19]。Runx2是Wnt/β-catenin信号通路的一个下游作用靶点,当Wnt/β-catenin信号通路受到促成骨因子的刺激时,Runx2会被激活并调控骨钙素、osterix等骨相关蛋白的表达,从而在成骨分化过程中起到重要调控作用[20]。宋寒冰等[21]在七厘散治疗膝骨关节炎兔模型实验中发现软骨的病变情况显著改善,骨膜间质干细胞的增殖程度明显增加,且成骨相关基因Runx2、骨钙素、β-catenin及Wnt4a的表达水平显著提高,说明七厘散可能通过激活Wnt/β-catenin信号通路,上调成骨相关基因Runx2、骨钙素的表达,从而促进骨膜间质干细胞的增殖和成骨细胞分化,起到改善关节软骨破坏的作用。

芍药舒筋片是一种主要由白芍、牡蛎、秦艽、甘草等多种药材制成的中成药制剂,具有抗炎止痛、舒筋通络、软骨保护的作用,在治疗骨关节炎上取得确切的疗效[22-23]。徐海涛等[24]研究发现,与对照组相比,芍药舒筋片组软骨细胞的增殖速率和miRNA-140的表达明显增加,且Wnt-3a、β-catenin、糖原合酶激酶-3β miRNA和蛋白的表达水平明显降低。这些结果提示,芍药舒筋片可提高软骨细胞的增殖速率,且能够上调miRNA-140表达水平并抑制Wnt/β-catenin信号通路,起到延缓关节软骨病变的作用。

上述研究提示Wnt/β-catenin信号通路在骨关节炎的发生发展中起着双重作用,过度激活或抑制Wnt/β-catenin信号通路的活性都不利于骨关节炎的治疗。因此,如何做到精准调控Wnt/β-catenin信号通路值得思考与深入研究。

3 影响MAPK信号通路

MAPK是一组丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,主要包括p38MAPK、细胞外调节激酶(extracellular signal regulated kinase,ERK)、c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)等亚型。在受到炎性因子、生长因子、激素等细胞外刺激时,MAPK信号通路通过MAPK激酶激酶、MAPK激酶、MAPK这三层激酶逐级激活后进入细胞核,进而对相应的基因进行调控,在炎症反应、细胞增殖分化、应激等过程中发挥着重要作用[25-26]。已有研究证明,MAPK信号通路参与了骨关节炎的发生和发展[27]。p38MAPK可被IL-1β等炎性因子激活,进而诱导更多炎症介质和基质降解酶的产生[28]。JNK被激活后可促进基质金属蛋白酶和TNF-α、IL-1等炎性因子的表达[26]。ENK信号通路被抑制剂阻断后,可减少软骨细胞中炎性因子和基质金属蛋白酶的分泌[29]。

3.1 单味中药有效成分对MAPK信号通路的调控作用

野黄芩苷是一种从中草药灯盏花素中提取出来的黄酮类化合物,在糖尿病、肾损伤、心脑血管等疾病的治疗上取得一定的疗效[30]。Liu等[13]的体外实验发现,野黄芩苷处理组软骨细胞MMP-1、MMP-13、ADAMTS-5、P38及p-P38的表达明显下降,聚集蛋白聚糖和II型胶原蛋白的表达明显增加。同时,体内实验发现野黄芩苷可减轻软骨的病变程度,明显降低关节组织p-P38的含量,这与体外实验的结果一致。这些结果指出,野黄芩苷可能通过抑制MAPK信号通路起到延缓软骨破坏的作用。

3.2 中药复方对MAPK信号通路的调控作用

乌头注射液主要是由乌头类中药材中提取出来的乌头碱制作而成,具有抗癌、止痛、软骨保护、提高免疫力等药理作用[31]。刘陆[32]发现乌头注射液可明显减轻关节软骨的破坏,抑制软骨细胞JNK的表达,提示乌头注射液可能是通过抑制MAPK/JNK信号通路,减少关节软骨的破坏,从而发挥其对骨关节炎的治疗作用。

补肾益肝活血方是一种主要由丹参、骨碎补、怀牛膝、没药等组成的中药复方,有补肾益肝、消肿化瘀、止痛等功效[33]。许骏等[34]体外实验发现,补肾益肝活血方能改善关节软骨细胞的退化,抑制IL-1β、TNF-α等炎症因子的表达,且明显下调软骨细胞ERK和p38MAPK的表达,说明补肾益肝活血方可能是通过抑制ERK和p38MAPK信号通路而减轻软骨破坏,起到治疗骨关节炎的作用。

以上研究表明MAPK信号通路,包括p38MAPK、ERK、JNK等,被激活后可直接促进骨关节炎的发生与发展,而中药干预后能抑制MAPK信号通路而减轻关节软骨的破坏,延缓骨关节炎的进展。但上述研究只对通路上的关键蛋白进行了验证,缺乏对通路上其它相关蛋白的研究。在后期研究中,建议完善对该通路其他蛋白的检测,这有利于寻找出中药干预的最佳靶点。

4 影响TGF-β信号通路

TGF-β是一种多功能细胞因子,在软骨细胞增殖、分化和细胞外基质的合成等过程中发挥了重要作用[35]。在TGF-β信号通路中,TGF-β首先与高亲和力的TGF-β II型受体结合形成二聚体,再与TGF-β I型受体结合形成复合物并激活TGF-β I型受体,激活的TGF-β I型受体使细胞内的受体调节型Smad(recept-Smad,R-Smad)发生磷酸化,最后被激活的R-Smad与Smad4结合并把信号传导到细胞核,进而调控相应基因的表达[36]。激活素受体样激酶(activin receptor-like kinase,ALK)1和ALK5为TGF-β I型受体的两种亚型,其中ALK1负责激活下游分子Smad2和Smad3,而ALK5负责激活Smad1、Smad5、Smad8[37]。研究表明,TGF-β/Smad2,3信号通路在关节软骨的稳态维持中发挥了重要的作用,而TGF-β/Smad1,5,8信号通路参与诱导软骨细胞的终末分化[38]。

4.1 单味中药对TGF-β信号通路的调控作用

鹿茸是从雄性梅花鹿或马鹿头上采收而来的幼角,具有延缓软骨退化、抗炎、抗癌、护肝等多种药理作用[39]。孙志涛[40]用鹿茸治疗骨关节炎大鼠时发现软骨组织破坏减轻,且关节软骨中TGF-β I型、II型受体及TGF-β1、Smad2、Smad3、Smad4的表达量明显增加,指出鹿茸可能通过促进TGF-β/Smad通路的信号转导,起到促进软骨形成、延缓软骨破坏而治疗骨关节炎的作用。

4.2 中药复方对TGF-β信号通路的调控作用

右归丸具有软骨保护、内分泌调节、肾功能保护等药理作用,在临床上常用于治疗骨关节炎、甲减、肾功能不全等疾病[41]。Zhang等[42]发现右归丸可下调软骨中MMP-13的表达,而上调p-Smad2的表达,明显降低关节软骨的破坏程度,提示右归丸可能是通过激活TGF-β/Smad通路起到减轻软骨细胞外基质的破坏的作用。此外,通过小鼠TGF-β RII基因敲除实验发现,基因敲除组小鼠软骨中MMP-13的水平明显升高且p-Smad2的表达明显下降,而用右归丸干预后并没有得到改善,进一步证明了右归丸可能通过激活TGF-β/Smad通路起到保护软骨的作用。

4.3 其他中医治疗方法对TGF-β信号通路的调控作用

针刀是由中医传统疗法针刺与现代外科手术两者结合改良形成的一种微创手术,它具有松解肌肉、韧带等软组织粘连的作用,在膝骨关节炎的治疗上具有确切的疗效[43]。杨郁鹏等[44]发现针刀能使骨关节炎兔血清中TGF-β1的表达量显著提高,p-Smad2和p-Smad3的表达量显著下降,证实针刀可能通过激活TGF-β/Smad信号通路来达到治疗的骨关节炎的目的。

以上研究提示中药不仅可以通过促进TGF-β/Smad信号通路关键蛋白的表达,还可对其关键分子的受体进行调控,进而减轻软骨细胞及细胞外基质的破坏而改善骨关节炎,这提示今后的研究还可以靶点蛋白的受体为切入点,不断丰富与完善中药治疗骨关节炎的机制。

5 小结与展望

随着人口老龄化趋势的不断显现,骨关节炎的发病率在逐年升高,提高治疗效果及改善患者的生活质量是当务之急,医者应该予以足够的重视。骨关节炎的病因与发病机制十分复杂,多种信号通路参与了骨关节炎的发生与发展,涉及炎症反应、软骨细胞的破坏及细胞外基质的降解等。因此,对信号通路的调控在骨关节炎的治疗中尤为重要。此外,各信号通路间存在着紧密的内在联系,仅通过对某一信号通路的调控治疗骨关节炎的疗效欠佳,如何利用信号通路间的相互作用为骨关节炎提供更有效的治疗是未来研究的方向。

中医药有着悠久的历史,并具有安全性高、副作用少等优点,在骨关节炎的治疗上发挥了明显的优势且具有广阔的前景。中药可通过对多种信号通路的调控进而达到治疗骨关节炎的目的,但根据目前的研究来看,中药治疗骨关节炎信号通路方面的机制研究还不够深入,仍缺乏对中药治疗骨关节炎的具体效应成分及精准干预靶点的探究。因此,中药治疗骨关节炎的具体作用靶点及中医药新药的研发是今后研究的重点和方向。中药和中药复方因成分之复杂,作用靶点之多,很难阐明发挥治疗作用的是单一成分还是多成分,后期可以利用组学等先进技术进行测序整合分析,为中药治疗骨关节炎提供更多数据支撑。此外,目前的研究大多还在基础实验阶段,到广泛应用于临床还有一定的距离。而且,中药的疗效和副作用的评估手段还不够完善,这需要开展更多样本和多中心的随机对照实验。期望随着研究的不断深入,充分发掘中药治疗骨关节炎的潜在优势,让更多的患者从中受益。