基于环氧合酶2和血管内皮生长因子的骨关节炎病理机制及药物研究进展

李倩　靳子明　张岩　陈燕　周洁　周晶晶　窦霞

【摘 要】 骨关节炎是一种多因素关节病，其发病机制与诱导炎症和基质降解的环氧合酶2以及诱导血管生长的血管内皮生长因子密切相关。目前，骨关节炎治疗药物主要有非甾体抗炎药，虽能缓解炎症损伤、疼痛等症状，但存在不良反应，故寻找安全有效的药物是治疗骨关节炎的关键。基于此，查阅近年来有关骨关节炎病理机制和潜在药物研究报道，系统阐明关键靶点环氧合酶2和血管内皮生长因子与骨关节炎病理机制的关系，在此基础上结合中医治疗理论讨论骨关节炎的病理机制及药物研究，提出中药用于治疗和缓解骨关节炎病理症状的研究思路，以期为骨关节炎病理机制的进一步研究和药物研发提供参考。

【关键词】 骨关节炎；环氧合酶2；血管内皮生长因子；病理机制；药物研究；研究进展；综述

骨关节炎（osteoarthritis，OA）为常见的慢性风湿病，是致残和致痛的主要病症之一［1］。2019年全球疾病负担研究显示，在全球范围内约有5.278亿人受OA困扰，较1990年增加了113.25%，随着全球人口衰老，这种情况会持续增加［2］。美国风湿病学会、美国骨科医师学会和国际骨关节炎研究协会指南推荐使用可改善症状的药物治疗OA，如阿片类镇痛药、非甾体抗炎药（NSAIDs）等，还有环氧合酶2（COX-2）抑制剂、贝伐单抗、关节内注射透明质酸和糖皮质激素［3］。目前，治疗OA的药物仅能缓解炎症、疼痛等症状，不能逆转其发展，且伴随诸多不良反应。

OA病理特征包括关节软骨退化和软骨表面的血管侵袭。其中，软骨退化是由于软骨细胞外基质（ECM）降解和炎症发展导致，COX-2是ECM降解和炎症发展的关键酶之一［4］。血管侵袭关节软骨表面，并伴随着交感神经生成，故而导致OA疼痛症状的产生［5］。血管内皮生长因子（VEGF）是诱导血管生成的关键因子［6］。因此，COX-2和VEGF是调控炎症、基质降解以及血管侵袭导致OA发展的关键靶点，长期以来被作为OA药物研究开发的关键。

本文查询近年有关OA治疗药物的研究报道，总结中、西医对于OA及其病理机制的认识，讨论基于抑制COX-2诱导的炎症和基质降解，以及VEGF诱导的血管内皮细胞生长治疗OA的潜在药物或成分，为OA治疗药物研发提供参考。

1 中、西医对OA的认识

中医学认为，OA属“痹证”“骨痹”范畴［7］，为肝肾脾三脏俱虚，湿瘀内阻引热毒发于内里所致。《诸病源候论》中指出：“肝主筋而藏血，肾主骨而生髓，虚劳血损耗髓，故伤筋骨。”《灵枢·本神篇》曰：“脾气虚则四肢不用。”即肝脾肾亏虚，筋骨失养，气血失运是OA发病机制［8］。《素问·痹论篇》载：“风寒湿三气杂至，合而为痹也。”外邪侵袭、经络痹阻是其发病诱因，寒湿在内致血瘀、湿浊，脾气运化不足，瘀、湿内阻以致热毒内生，《诸病源候论》曰：“热毒气从脏腑出，攻于手足，手足则焮热赤肿疼痛也。”故而血瘀、湿阻、热毒内生是OA的病理产物［9］。

西医学认为，OA是一种进行性多因素关节病，关节软骨因某些因素损伤，软骨结构开始发生变化，易被机械力损坏，使更深层的软骨结构被破坏。损坏初发生时，软骨细胞试图进行自我修复，故产生短暂的增殖反应；但肥大的软骨细胞反而促进一些基质降解产物和促炎介质产生，使软骨细胞功能失调。炎症因子和肥胖产生的脂肪因子又可刺激血管内皮细胞的生成，生成血管侵入关节软骨表面，伴随神经疼痛因子的产生，导致OA疼痛症状的发展。

2 COX-2、VEGF与OA

COX-2是一种可诱导ECM降解和炎症发展的酶，正常生理条件下的表达水平较低；但在化学、物理损伤或生物因素诱导下，各种参与炎症过程的细胞会释放大量COX-2，促进炎症发展［4］。OA的炎症损伤机制与软骨组织细胞中COX-2水平升高密切相关。研究显示，COX-2在脂多糖诱导的人OA软骨细胞中前列腺素E2（PGE2）、一氧化氮（NO）、COX-2、一氧化氮合酶（iNOS）表达水平明显提升［10］，IL-1β诱导的软骨细胞模型中促炎因子如PGE2、白细胞介素（IL）-6、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、COX-2、NO、iNOS过度表达，COX-2由核转录因子-κB（NF-κB）通路诱导的IL-1β调控，将花生四烯酸转化为PGE2、PGD2、PGF2等。COX-2还可促进基质金属蛋白酶-13（MMP-13）的产生［11］，激活基质降解和炎症发展两条路径，诱导软骨细胞凋亡和关节软骨退化。

VEGF是一种同源二聚体肝素结合糖蛋白，通过控制血管生成和血管通透性在炎症和伤口愈合中发挥核心作用［12］。VEGF在OA患者关节软骨、滑膜、滑液、软骨下骨中的表达异常增加，与血管内皮细胞上的VEGFR-2受体结合，从而增强血管内皮细胞迁移、增殖和存活，诱导血管生成，使关节软骨组织遭到血管入侵，是OA组织病理特征之一［5］。IL-1β可以通过下调miR-214-3p促进酪氨酸激酶受体B的表达，进而激活依赖于VEGF旁分泌的PI3K/AKT通路，从而促进内皮细胞的迁移和血管生成进程［13］。脂肪因子（APLN）可通过FAK/Src/Akt信号传导和miR-150-5p表达调控VEGF在人OA成纤维样滑膜细胞中的表达，从而参与OA发展［14］。阻断VEGF的OA模型中，MMP-13和血小板反应蛋白解整合素金属肽酶5（ADAMTS5）的表达明显下调，VEGF与基质降解酶的产生也有关［5］。

3 药物治疗

中医临床常用具有补肾、清热、祛瘀功效的复方治疗OA，如独活寄生汤是治疗肝肾亏虚型OA的经典方药，药理研究证实其可通过NF-κB信号通路调控软骨关节组织中的炎症和降解介质的表达水平，从而减少软骨细胞凋亡，缓解OA的炎症［15-16］。痹祺胶囊以益气活血法治疗OA，具有抗炎、镇痛以及改善血液流动性的作用［17］。复方杜仲健骨顆粒具有滋补肝肾、养血通络止痛的功效，可通过花生四烯酸代谢途径，调节炎症介质表达水平，缓解OA症状［18］。

西医治疗OA的药物包括NSAIDs，可缓解疼痛症状，并不能逆转OA的发展［19］。对乙酰氨基酚可缓解轻度OA患者的疼痛症状，但对于OA患者的关节软骨功能改善作用小，且可能具有肝毒性［20-21］。NSAIDs是典型的COX-2抑制剂，具有明确改善OA疼痛症状的作用，但易引起胃肠道和心血管并发症等不良事件［21］。此外，COX-2抑制剂如罗非昔布、塞来昔布和鲁米考昔等可通过阻断COX-2抑制炎症因子PGE2的产生，达到控制OA炎症发展的目的［22］。昔布类可有效减轻OA患者的疼痛和炎症，对胃肠道并无不良反应，但其对于心血管的不良反应依然存在［22］。关节内给药较全身给药有增加局部利用度、减少不良事件和降低成本等优势。关节内注射透明质酸和糖皮质激素一直是对非药物治疗和NSAIDs等无反应的OA治疗方式，诸多研究显示，这种疗法存在显著安慰剂反应，并无明确缓解OA症状的效果［3］。

4 基于COX-2和VEGF靶点治疗OA的潜在化学药物研究

4.1 基于COX-2的化学药物研究 血管紧张素Ⅱ受体拮抗剂氯沙，可上调核激素受体（PPARγ）而降低IL-6、IL-1β、TNF-α和COX-2的水平，抑制OA的炎症损伤［23］。利用内源性大麻素系统（ECS）缓解OA疼痛和炎症是一种新方法或途径，组织损伤会导致ECS水平上升，但易被脂肪酸酰胺水解酶和单酰基甘油脂肪酶迅速降解，从而限制了其缓解OA炎症与疼痛的治疗潜力［24］。KML29是一种单酰基甘油脂肪酶活性抑制劑，可促进2-花生四烯酸甘油（2-AG）水平的升高，促进ECS发挥作用［25］，可有效改善OA模型大鼠的炎症和疼痛症状。

4.2 基于VEGF的化学药物研究 贝伐单抗是一种VEGF拮抗剂。VADAL?等［26］通过兔OA模型评估贝伐单抗关节内给药效果，结果显示，贝伐单抗可降低MMP-13水平，上调聚集蛋白聚糖和Ⅱ型胶原蛋白的表达，抑制诱导血管生成的VEGF表达；但有研究显示，贝伐单抗全身给药会伴随严重不良反应，如心脑血管缺血、高血压、静脉血栓等。

FAK信号抑制剂可减轻OA发病过程中的关节软骨和软骨下骨退化［27］，FAK信号可通过FAK/MAPK途径调控VEGF的表达，这条途径与间充质干细胞的作用成正反馈回路，调节血管生成［28］。二甲双胍可通过刺激间充质干细胞的迁移分化，调节OA软骨细胞中炎症及降解因子的表达水平，并调控VEGF的表达水平，控制血管生成，缓解OA症状［29］。

5 基于COX-2和VEGF靶点治疗OA的潜在天然药物研究

5.1 基于COX-2的天然药物成分研究 大量研究证实，具有抗炎抗氧化作用的天然药物成分可通过炎症信号通路抑制炎症介质的产生，减轻OA的炎症损伤。柠檬苦素［30］、白桦脂素［31］可通过Nrf2/HO-1/NF-κB通路，下调COX-2、PGE2炎症介质和MMP-13、ADAMTS5基质降解酶的产生；

芦丁［32］、莽草酸［33］、木犀草素［34］等可通过MAPK/NF-κB信号轴，抑制iNOS、ROS的表达，减轻软骨细胞氧化应激反应，并下调COX-2、PGE2、MMP-13、ADAMTS5的水平；高良姜素［35］、紫花前胡素［36］、麦芽酚［37］等活性成分可通过PI3K/Akt/NF-κB信号轴，减轻OA软骨细胞模型的炎症损伤；中药牛膝减轻OA大鼠的软骨损伤，其药效与羟基蜕皮激素、齐墩果酸、牛膝多糖等活性成分有关［38］。

姜黄素是近年来天然化学成分治疗OA的一个新药研发热点，具有显著的抑制OA炎症和基质降解作用，可通过抑制骨关节炎环境（OA-EN）诱导的NF-κB活化，阻断通过NF-κB控制的炎症因子COX-2和ECM降解因子MMP-9的产生，并刺激Sox9蛋白，诱导软骨细胞中Sox9-p65-NF-κB复合物的形成，激活软骨形成分化途径，正反向双途径调节软骨细胞，从而抑制细胞炎症和软骨细胞凋亡［39］。但姜黄素的生物利用度低且在胃肠道中易被代谢，受pH影响极不稳定。YABAS等［40］开发了一种超溶姜黄素新制剂，提高了姜黄素的生物利用度，且通过体内药效学评价，确定姜黄素新制剂可有效改善OA关节肿胀、炎症等病理现象，有望成为治疗OA的新药物。

5.2 基于VEGF的天然药物成分研究 苦参碱是鸡骨草的主要成分，可通过PIM2/VEGF信号传导促进细胞增殖并抑制细胞凋亡［41］。双氢青蒿素可降低OA小鼠中MMP-13和VEGF的表达，减少软骨退化和骨赘，并减弱异常骨重塑和软骨下骨中的血管生成［42］。三白草酮通过NF-κB激活Nrf2/HO-1通路，下调COX-2、iNOS表达，抑制炎症因子产生，下调VEGF表达，抑制血管生成，达到缓解OA症状的效果［43］。

6 小结和展望

OA病理机制复杂，西医学认为其是由炎症、细胞凋亡及血管侵袭导致的关节软骨退化和疼痛，故可通过抑制COX-2和VEGF的表达，达到治疗OA的目的。中医学认为，OA是肝肾亏虚、外邪侵袭以致经络痹阻、热毒内生，以补益肝肾、清热活血为治疗原则。目前，西医临床上针对OA的药物治疗和手术治疗价格高昂，且存在诸多不良反应，给患者和社会造成极大的困扰。中药及其复方治疗OA疗效显著，研究并揭示OA病理机制有利于针对性寻找其潜在药物成分，且COX-2和VEGF靶点是炎症与血管生长的关键靶点，可基于此结合现代药理研究阐明中药及清热活血法复方治疗OA的物质基础和分子机制，为OA的新药物研发提供研究思路和理论支撑。

参考文献

［1］ ALVES-SIM?ES M.Rodent models of knee osteoarthritis for pain research［J］.Osteoarthritis Cartilage，2022，30（6）：802-814.

［2］ REN Y，HU J，TAN J，et al.Incidence and risk factors of symptomatic knee osteoarthritis among the Chinese population：analysis from a nationwide longitudinal study［J］.BMC Public Health，2020，20（1）：1491-1502.

［3］ JONES IA，TOGASHI R，WILSON ML，et al.Intra-articular treatment options for knee osteoarthritis［J］.Nat Rev Rheumatol，2019，15（2）：77-90.

［4］ GUAN PP，DING WY，WANG P.The roles of prostaglandin F2 in regulating the expression of matrix metalloproteinase-12 via an insulin growth factor-2-dependent mechanism in sheared chondrocytes［J］.Signal Transduct Target Ther，2018，23（3）：27-29.

［5］ HAMILTON JL，NAGAO M，LEVINE BR，et al.Targeting VEGF and its receptors for the treatment of osteoarthritis and associated pain［J］.J Bone Miner Res，2016，31（5）：911-924.

［6］ VIALLARD C，LARRIV?E B.Tumor angiogenesis and vascular normalization：alternative therapeutic targets［J］.Angiogenesis，2017，20（4）：409-426.

［7］ 刘兆丰，王大斌，李军.藤黄健骨片联合常规西药对老年膝关节骨性关节炎（肝肾不足、筋脉瘀滞证）的作用［J］.中国老年学杂志，2022，42（6）：1424-1427.

［8］ 施彦龙，李应福，谢兴文，等.基于“肝主筋，肾主骨”理论探討膝骨关节炎的中医治疗［J］.风湿病与关节炎，2021，10（11）：56-59.

［9］ 周巧，刘健，郭锦晨，等.健脾利湿通络法改善骨关节炎湿热证免疫炎症指标的系统评价和Meta分析［J］.风湿病与关节炎，2022，11（1）：21-28.

［10］ QI W，CHEN Y，SUN S，et al.Inhibiting TLR4 signaling by linarin for preventing inflammatory response in osteoarthritis［J］.Aging，2021，13（4）：5369-5382.

［11］ MOORE N.Coronary risks associated with diclofenac and other NSAIDs：an update［J］.Drug Safety，2020，43（4）：301-318.

［12］ LECOUTER J，FERRARA N.EG-VEGF and Bv8：a novel family of tissue-selective mediators of angiogenesis，endothelial phenotype，and function［J］.Trends Cardiovasc Med，2003，13（7）：276-282.

［13］ XIAO P，ZHU X，SUN J，et al.Cartilage tissue miR-214-3p regulates the TrkB/ShcB pathway paracrine VEGF to promote endothelial cell migration and angiogenesis［J］.Bone，2021，151（6）：116034-116039.

［14］ WANG Y，KUO S，LIU S，et al.Apelin affects the progression of osteoarthritis by regulating VEGF-dependent angiogenesis and miR-150-5p expression in human synovial fibroblasts［J］.Cells，2020，9（3）：594-599.

［15］ XIAO W，SUN W，LIAN H，et al.Integrated network and experimental pharmacology for deciphering the medicinal substances and multiple mechanisms of duhuo jisheng decoction in osteoarthritis therapy［J］.Evid Based Complement Alternat Med，2020（2）：7275057-7275061.

［16］ 程晓平，林炜，陈兆榕.独活寄生汤含药血清抑制IL-1β诱导的软骨细胞炎症反应的机制研究［J］.风湿病与关节炎，2017，6（4）：5-8.

［17］ 吴沅皞，刘维，刘晓亚，等.痹祺胶囊对兔骨关节炎软骨代谢的作用研究［J］.中华中医药学刊，2010，28（8）：1608-1610.

［18］ 陈紫军，霍晓乾，任越，等.复方杜仲健骨颗粒治疗骨关节炎的抗炎潜在药效物质及作用机制研究［J］.中国中药杂志，2022，47（15）：1-9.

［19］ DESHMUKH V，O'GREEN AL，BOSSARD C，et al.Modulation of the Wnt pathway through inhibition of CLK2 and DYRK1A by lorecivivint as a novel，potentially disease-modifying approach for knee osteoarthritis treatment［J］.Osteoarthritis Cartilage，2019，27（9）：1347-1360.

［20］ 孫京涛，魏瑄，蔡松涛.桃红四物汤联合非甾体抗炎药治疗早期膝骨关节炎33例临床观察［J］.风湿病与关节炎，2021，10（1）：19-21，25.

［21］ CAO P，LI Y，TANG Y，et al.Pharmacotherapy for knee osteoarthritis：current and emerging therapies［J］.Expert Opin Pharmacother，2020，21（7）：797-809.

［22］ KIM MS，KOH IJ，SUNG YG，et al.Efficacy and safety of celecoxib combined with JOINS in the treatment of degenerative knee osteoarthritis：study protocol of a randomized controlled trial［J］.Ther Adv Musculoskelet Dis，2021，30（13）：1-11.

［23］ DENG Z，CHEN F，LIU Y，et al.Losartan protects against osteoarthritis by repressing the TGF-β1 signaling pathway via upregulation of PPARγ［J］.J Orthop Translat，2021，18（29）：30-41.

［24］ BURSTON JJ，MAPP PI，SARMAD S，et al.Robust anti-nociceptive effects of monoacylglycerol lipase inhibition in a model of osteoarthritis pain［J］.Br J Pharmacol，2016，173（21）：3134-3144.

［25］ CROWE MS，LEISHMAN E，BANKS ML，et al.Combined inhibition of monoacylglycerol lipase and cyclooxygenases synergistically reduces neuropathic pain in mice［J］.Br J Pharmacol，2015，172（7）：1700-1712.

［26］ VADAL? G，AMBROSIO L，CATTANI C，et al.Bevacizumab arrests osteoarthritis progression in a rabbit model：a dose-escalation study［J］.J Clin Med，2021，10（13）：2825-2834.

［27］ WU H，XU T，CHEN Z，et al.Specific inhibition of FAK signaling attenuates subchondral bone deterioration and articular cartilage degeneration during osteoarthritis pathogenesis［J］.J Cell Physiol，2020，235（11）：8653-8666.

［28］ HU Y，WU H，XU T，et al.Defactinib attenuates osteoarthritis by inhibiting positive feedback loop between H-type vessels and MSCs in subchondral bone［J］.J Orthop Translat，2020，24（19）：12-22.

［29］ PARK M，MOON S，BAEK J，et al.Metformin augments anti-inflammatory and chondroprotective properties of mesenchymal stem cells in experimental osteoarthritis［J］.J Immunol，2019，203（1）：127-136.

［30］ JIN J，LV X，WANG B，et al.Limonin inhibits IL-1β-Induced inflammation and catabolism in chondrocytes and ameliorates osteoarthritis by activating Nrf2［J］.Oxid med cell longev，2021（9）：7292512-7292518.

［31］ REN C，JIN J，HU W，et al.Betulin alleviates the inflammatory response in mouse chondrocytes and ameliorates osteoarthritis via AKT/Nrf2/HO-1/NF-κB axis［J］.Front Pharmacol，2021，12（13）：1-14.

［32］ CHEN X，YU M，XU W，et al.Rutin inhibited the advanced glycation end products-stimulated inflammatory response and extra-cellular matrix degeneration via targeting TRAF-6 and Bcl-2 proteins in mouse model of osteoarthritis［J］.Aging，2021，13（18）：22134-22147.

［33］ YOU H，ZHANG R，WANG L，et al.Chondro-protective effects of shikimic acid on osteoarthritis via restoring impaired autophagy and suppressing the MAPK/NF-κB signaling pathway［J］.Front Pharmacol，2021，12（27）：634822-634834.

［34］ LEE SA，PARK B，MOON S，et al.Chondroprotective effect of cynaroside in IL-1β-Induced primary rat chondrocytes and organ explants via NF-κB and MAPK signaling inhibition［J］.Oxid Med Cell Longev，2020，24（1）：9358080-9358090.

［35］ HUANG X，PEI W，NI B，et al.Chondroprotective and antiarthritic effects of galangin in osteoarthritis：an in vitro and in vivo study［J］.Eur J Pharmacol，2021，906（5）：174232-174243.

［36］ HE L，PAN Y，YU J，et al.Decursin alleviates the aggravation of osteoarthritis via inhibiting PI3K-Akt and NF-κB signal pathway［J］.Int Immunopharmacol，2021，97（18）：107657-107661.

［37］ LU H，FU C，KONG S，et al.Maltol prevents the progression of osteoarthritis by targeting PI3K/Akt/NF-κB pathway：In vitro and in vivo studies［J］.J Cell Mol Med，2021，25（1）：499-509.

［38］ LI Z，MA D，PENG L，et al.Compatibility of achyranthes bidentata components in reducing inflammatory response through arachidonic acid pathway for treatment of osteoarthritis［J］.Bioengineered，2022，13（1）：1746-1757.

［39］ BUHRMANN C，BROCKMUELLER A，MUELLER A，et al.Curcumin attenuates environment-derived osteoarthritis by Sox9/NF-κB signaling axis［J］.Int J Mol Sci，2021，22（14）：7645-7662.

［40］ YABAS M，ORHAN C，ER B，et al.A next generation formulation of curcumin ameliorates experimentally induced osteoarthritis in rats via regulation of inflammatory mediators［J］.Front Immunol，2021，12（12）：609629-609642.

［41］ MENG Y，YIN D，QIU S，et al.Abrine promotes cell proliferation and inhibits apoptosis of interleukin-1β-stimulated chondrocytes via PIM2/VEGF signalling in osteoarthritis［J］.Phytomedicine，2022，96（2）：153906-153917.

［42］ MA L，ZHAO X，LIU Y，et al.Dihydroartemisinin attenuates osteoarthritis by inhibiting abnormal bone remodeling and angiogenesis in subchondral bone［J］.Int J Mol Med，2021，47（3）：4855-4867.

［43］ WU D，JIN S，LIN Z，et al.Sauchinone inhibits IL-1β induced catabolism and hypertrophy in mouse chondrocytes to attenuate osteoarthritis via Nrf2/HO-1 and NF-κB pathways［J］.Int Immunopharmacol，2018，62（9）：181-190.

收稿日期：2023-01-22；修回日期：2023-03-08