漆黄素治疗骨关节炎的作用机制研究进展

杨宇航 ，陈嘉明，王世坤 ，张乃金，李远栋，王平*

1.天津中医药大学第一附属医院，天津 300193

2.国家中医针灸临床医学研究中心，天津 300193

3.天津中医药大学，天津 301617

4.University of Manchester,Manchester M13 9PL

骨关节炎是一种全球常见炎症性疾病，以软骨损伤变性、软骨下骨骼硬化、关节囊挛缩变形等病理改变为主要特征。近年来骨关节炎的全球患病率不断增高，为社会带来巨大的健康、经济负担[1-2]。我国骨关节炎人群数量巨大，1 项横断面研究显示，我国膝骨关节炎单病患病率高达13.7%[3]。1 项研究表明我国农村人群各类骨关节炎总患病率约为24.3%[4]，其中3.9%的为重度骨关节炎患者[5]。目前临床治疗骨关节炎的方法以缓解骨关节炎疼痛、抑制炎症的对症治疗方案为主，包括口服非甾体类抗炎药、关节内注射皮质类固醇激素等，关节内注射间充质干细胞等再生疗法也在尝试。然而这些临床治疗方法都无法阻止骨关节炎的不断发展，中远期疗效欠佳[6-8]。近年来，天然产物因其显著的疗效、高安全性而被广泛用于骨关节炎的治疗中，在多个国家被接受作为补充和替代疗法。漆黄素广泛存在于草莓、黄瓜等天然植物中[9]，主要从黄栌木材中提取[10]。漆黄素属于黄酮类物质，具有多种生理活性作用，既往研究证明漆黄素在抗氧化、抗炎、抗衰老等方面有良好的作用[11]。骨关节炎的发生与关节内炎症环境、氧梯度紊乱、衰老细胞积累等因素有着密切的关系，针对以上多种致病因素，漆黄素可以通过不同作用途径起到阻止骨关节炎发展的目的。漆黄素可以促进衰老细胞凋亡，抑制血管新生，阻断软骨下骨与软骨的异常串扰，调节炎性因子，保护软骨细胞免受氧化应激。本文综述了漆黄素治疗骨关节炎的作用机制，为深入开展漆黄素治疗骨关节炎的基础研究以及新型药物的开发提供依据。

1 促进衰老细胞凋亡

研究发现骨关节炎患者的关节组织内衰老软骨细胞、衰老滑膜细胞、衰老软骨干细胞和衰老骨细胞数量会显著增加[12-13]。早期观点认为关节组织中衰老细胞积累仅是骨关节炎表型之一，直至Jeon团队将衰老细胞移植到小鼠膝关节后成功诱导了骨关节炎的产生，才明确了衰老细胞与骨关节炎的前后关系[14]。除此之外，Jeon 团队观察到前交叉韧带切断术后小鼠关节软骨表层衰老细胞附着增多，这也证明了衰老细胞对骨关节炎的发生有着促进作用[15]。衰老细胞可以通过多种途径抵抗细胞凋亡，保证个体长时间存活，再通过旁分泌等方式不断影响周边正常细胞转化为衰老细胞，积累的衰老细胞通过不断释放衰老细胞分泌表型，导致关节内软骨退化、软骨下骨钙化、血管新生和痛觉超敏等病理改变[16-18]，从而导致骨关节炎程度逐渐加剧。既往研究证明，漆黄素可以靶向激活衰老细胞的凋亡途径。Zhang 等[19]发现漆黄素（10、20、30 μmol/L）可以调节PI3K/Akt/NF-κB 促进癌细胞凋亡，但不会对正常细胞产生毒性，证明了漆黄素具有靶向癌细胞诱导凋亡的能力。Liu 等[20]发现漆黄素（20 μmol/L）干预后的Zmpste24-/-小鼠肌肉中衰老的纤维脂肪祖细胞数量明显减少，肌肉祖细胞/干细胞数量增加，证明了漆黄素对衰老细胞具有同样的靶向诱导凋亡能力。Afroze 等[21]发现漆黄素（1～70 μmol/L）可以同时激活外部凋亡途径和内部线粒体途径，并抑制Bcl-2、Bcl-w等抗凋亡基因表达，Wang等[22]也证明了漆黄素（30、100 μmol/L）可以破坏线粒体跨膜电位，并抑制Bcl-2 抗凋亡蛋白活性，与此同时，还发现漆黄素可以提高各类半胱天冬酶水平，从而激活细胞凋亡途径。除了可以抑制抗凋亡基因表达，Su 等[23]证明漆黄素（30、40、50、60、70 μmol/L）也可以增加Bak、Bax 等促凋亡蛋白的表达。Shih 等[24]发现漆黄素（40 μmol/L）促进促凋亡蛋白表达的同时也会持续促进细胞色素C 的释放。总之，漆黄素可以双向调节衰老细胞促凋亡基因与抗凋亡基因的表达，激活外部凋亡途径和内部线粒体途径，提高各型半胱天冬酶的表达，从而靶向清除衰老细胞，减少基质金属蛋白酶（MMP）、白细胞介素（IL）-6 等分泌表型的释放，从而达到阻断甚至逆转骨关节炎进程的目的。

2 抑制血管新生

血管新生是骨关节炎的典型病理改变之一，既往研究证明血管新生会改变滑膜、软骨和软骨下骨缺氧环境，促进软骨变性、加重滑膜炎症[25-26]。除此之外，血管新生可以通过促进炎症细胞的侵袭和局部疼痛受体的生长，加重关节损伤和疼痛[27]。骨关节炎的血管新生与血管内皮生长因子（VEGF）直接相关[28]。VEGF 是一种非常特异性的血管生成因子，其在血管的形成和生长过程中起着重要作用。既往研究证明漆黄素是血管新生的有效抑制剂[29]。Wang 等[30]通过对Y79 细胞使用100 μg/mL VEGF和0、25、50、100 μmol/L 漆黄素进行干预，证明了漆黄素通过抑制VEGF/血管内皮生长因子受体（VEGFR）通路抑制血管新生，并呈现剂量相关性。Lai 等[31]使用漆黄素（25、50、100 μmol/L）干预视网膜微血管内皮细胞也发现了相似的结果，并发现模拟物OE-VEGF 可以恢复漆黄素抑制的VEGF/VEGFR 通路，证明漆黄素可能影响的是VEGF 与VEGFR 的结合过程。除此之外，Bhat 等[32]证明漆黄素（10～50 μmol/L）可以抑制内皮细胞一氧化氮合酶（eNOS）的表达，从而抑制了内皮细胞的毛细管样管形成过程。总之，漆黄素可以通过抑制VEGF与VEGFR 受体结合、eNOS 表达进而抑制内皮细胞的迁移与管样形成过程，阻断血管新生进程，达到治疗骨关节炎目的。

3 阻断软骨下骨与软骨的异常串扰

软骨下骨是指透明软骨和黏合质下方的骨层，可分为软骨下骨板和软骨下骨小梁两部分，它们分别为软骨提供机械和营养支持，当软骨下骨感受到异常机械应力，会激活核因子κB 受体活化因子（RANK）/RANK 配体（RANKL）信号通路诱导破骨细胞成熟，引发间充质干细胞的迁移，并形成异常骨岛，破坏软骨下方的机械稳态，从而促进软骨的降解，加速骨关节炎的进展[33-34]。除此之外，骨关节炎进程中软骨下骨自下而上的血管新生会通过诱导MMP-2、MMP-7 和膜1 型基质金属蛋白酶（MT1-MMP）侵蚀软骨，从而获得生长空间，MMP又会刺激VEGF 的释放，加速血管新生，逐渐形成软骨下骨–血管–软骨正反馈环路，进一步加速骨关节炎进程[35]。因此，阻断或抑制RANK 与RANKL诱导的破骨细胞成熟，并且抑制软骨下骨血管新生，便有可能阻断软骨下骨与软骨异常串扰，从而减轻骨关节炎的发展进程。Kim 等[36]发现漆黄素（1～10 μmol/L）可以延缓由RANK/RANKL 促进的破骨细胞肌动蛋白环等细胞骨架形成，从而抑制破骨细胞成熟。Léotoing 等[37]也证明了漆黄素（5、10 mg/kg，连续给药7 d）可以抑制RANKL 诱导的破骨细胞前体形成破骨细胞过程。除此之外，漆黄素可以通过多种途径抑制血管生成。因此，漆黄素通过抑制破骨细胞成熟和血管新生两方面阻断了软骨下骨与软骨的机械应力异常串扰和软骨下骨–血管–软骨正反馈环路，延缓软骨被侵蚀进程，抑制骨关节炎进一步发展。

4 调节炎性因子

炎症在骨关节炎的发病机制中起到关键作用，多项研究证明骨关节炎患者的关节组织与滑液中具有多种炎性介质，包括IL-1、TNF-β 和NO 等[38-39]。临床研究表明骨关节炎进程中的发热、疼痛、关节积液等炎症表现都与滑膜炎密切相关[40]。影像学研究和组织病理学研究也证明，滑膜炎与软骨降解、关节功能下降、影像学分级上升密切相关[41]。同时，研究发现滑膜炎的出现通常早于骨关节炎影像学特征出现[42]。这些都证明了滑膜的炎性改变在骨关节炎的发展过程中起到了重要的推动作用，随着骨关节炎的进一步发展，滑膜中浸润的炎性细胞会加速释放IL-1、IL-6 等细胞因子，进一步促进MMP-3、MMP-13 的表达作用于软骨细胞的细胞外基质（ECM）[43-44]。受损的软骨组织会刺激周围滑膜产生更多炎性因子，形成不断加强的滑膜炎–软骨降解环路。漆黄素可以通过影响多个信号通路缓解骨关节炎炎症，一方面漆黄素可以通过抑制NFκB、MAPK 信号通路表达抑制IL-6 等促炎细胞因子和CXCL 家族趋化因子表达，从而抑制下游包括IL-6/JAK2/STAT3 等信号通路以及巨噬细胞募集，从而降低炎性反应[45-46]。另一方面漆黄素可以双向调节炎症小体相关信号通路来抑制其激活，从而降低炎症反应。炎症小体是一种蛋白质复合体，人体免疫系统的重要组成部分，炎症反应的启动开关之一，多项研究已经证明炎症小体在骨关节炎的发生、发展中起到重要作用[47-48]。Huang 等[49]证明漆黄素（10、40 mg/kg，每周给药3 次，连续3 周）可以通过抑制FGFR1/TLR4 信号通路参与抑制NLRP3 炎症小体的激活。Pu 等[50]证明漆黄素（5、10、20 mg/kg，术前0.5 h）也可以通过上调GSK3β/AMPK 信号传导抑制NLRP3、NLRP7 炎症小体的激活。总之，漆黄素在治疗骨关节炎炎症中体现出多方向、多途径的特点。Zheng 等[51]在体内和体外实验中均证明了漆黄素对骨关节炎炎症的治疗作用，漆黄素（1、5、10、25、50 μmol/L）处理过的软骨细胞中NO、PGE2、TNF-α、IL-6、COX-2、iNOS、MMPs、ADAMTS-5 均降低，同时发现漆黄素（20 mg/kg，连续给药8 周）干预后的骨关节炎小鼠表现出较少的软骨破坏与较低的OARSI 评分，除此之外，骨关节炎小鼠中滑膜炎与软骨下骨硬化都得到一定程度的缓解。

5 保护软骨细胞免受氧化应激

软骨细胞中的氧化应激会加速软骨细胞死亡或软骨降解，从而导致关节软骨结构稳态失衡，加快骨关节炎的发展。活性氧（ROS）的增多是软骨细胞氧化还原平衡被破坏的主要原因，研究发现软骨细胞产生的ROS 包括H2O2、NO 和HNO3等，这些ROS 的增加会导致超氧化物歧化酶（SOD2）活性降低，软骨细胞线粒体功能下降，进一步加重骨关节炎发展[52]。漆黄素一方面可以直接抑制ROS 的生成，降低细胞氧化应激水平，也可以通过增加谷胱甘肽（GSH）水平，消耗过多的ROS；另一方面漆黄素可以促进线粒体自噬去除功能缺失的线粒体，减少ROS 的生成[53]。除此之外，Li 等[54]、Ding等[55]研究证明漆黄素抑制ROS 生成的能力还有助于抑制NLRP2 炎症小体的激活和细胞铁死亡的激活。总之，漆黄素通过多种途径减少细胞内ROS 水平，保护软骨细胞免受氧化应激损伤，减缓骨关节炎的进展。

6 结语与展望

骨关节炎在多种危险因素共同作用下产生，包括创伤、长期负重、关节周围肌群退化和衰老等，出现包括滑膜炎、软骨下骨硬化、血管新生、软骨退化等多种关节内组织改变，各组织改变之间相互促进、彼此串扰，不断推动骨关节炎的发生、发展，因此，骨关节炎在临床中具有迁延难愈、反复加重的特点。天然产物因其在长期的进化过程中通过选择和优化得到了更复杂且丰富的化学结构，独特的化学结构赋予了它们更优秀的生物活性，在骨关节炎治疗中显示出巨大的潜力。其中漆黄素对骨关节炎的治疗是多靶点、多途径的，无论是通过消除衰老细胞、减少ROS 等方式降低骨关节炎的发生风险，还是延缓软骨下骨硬化、关节内血管新生、滑膜炎性浸润等促进骨关节炎发展的病理改变都具有不错的效果。

漆黄素早期多被用作癌症治疗的补充疗法，随着衰老细胞、分泌表型致病机制的提出，同时由于漆黄素在癌症治疗中表现出优秀的靶向诱导细胞凋亡能力，因此，漆黄素被纳入senolytics 药物范畴而被广泛应用于多种衰老相关疾病，包括视神经老化、阿兹海默病和骨关节炎等。尽管漆黄素治疗骨关节炎的研究不断深入，但是仍局限于细胞实验或动物实验，目前为止仅开展了1 项涉及100 名参与者的前瞻性随机对照临床试验，预计于2025 年1 月完成[56]。然而另一款同样通过靶向诱导衰老细胞凋亡的senolytics 药物UBX0101 治疗骨关节炎的随机对照试验在II 期临床试验中宣告失败，这提示除了靶向消除衰老细胞这个发病源头，还应重视骨关节炎患者关节内既往存在的炎性环境、氧化应激等其他病理改变的影响。因此，具有多途径、多方向治疗特点的漆黄素治疗骨关节炎大有前途。除此之外，未来漆黄素治疗骨关节炎研究还应注意完善以下方面：（1）漆黄素抑制破骨细胞成熟的作用主要应用于治疗骨质疏松症，对阻断软骨下骨与软骨异常串扰的研究数量较少，且局限于细胞实验，今后需要构造相关动物模型，更深入地研究漆黄素在软骨下骨与软骨串扰中的具体机制。（2）漆黄素在抑制血管新生方面展现出了剂量相关性，但是鲜有量效关系方面的研究报道，明确漆黄素在骨关节炎不同进程中的最优剂量，有助于增进漆黄素治疗效果。（3）由于漆黄素难溶于水，传统剂型存在生物利用低的特点[57]，但是漆黄素的剂型相关研究却鲜有报道，改进漆黄素提取工艺、开发新的药物剂型提高溶解性和生物利用程度可使药物疗效最大化。

另外，多种如铁死亡、铜死亡、双硫死亡等新型细胞程序性死亡途径被发现，意味着会有更多的信号通路被证明与软骨细胞死亡有关，同时，如何利用衰老细胞于不同细胞死亡途径的死亡风险从而靶向清除衰老细胞也是值得思考并研究的问题，这些更加证明了漆黄素多靶点、全方位治疗骨关节炎的科学性。

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