楊 波，周明旺，吉 星，李盛華*，肖 振，王 玉，胡星榮，蘇耀輝，徐 斌，王 雷

中藥有效成分調(diào)節(jié)線粒體保護骨關(guān)節(jié)炎軟骨的研究進展

楊 波1，周明旺2，吉 星2，李盛華2*，肖 振1，王 玉1，胡星榮1，蘇耀輝1，徐 斌1，王 雷1

1. 甘肅中醫(yī)藥大學，甘肅 蘭州 730000 2. 甘肅省中醫(yī)院，甘肅 蘭州 730000

關(guān)節(jié)軟骨退變在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病之初便出現(xiàn)，繼而影響關(guān)節(jié)其他組織出現(xiàn)病理改變，關(guān)節(jié)軟骨常被作為骨關(guān)節(jié)炎病理機制和藥物治療機制研究的組織之一。關(guān)節(jié)軟骨退變與線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能障礙相關(guān)，所以在預防軟骨退變中保護線粒體的形態(tài)和功能成為一個新的研究方向。中藥在骨關(guān)節(jié)炎治療中有著悠久的歷史，針對中藥有效成分能調(diào)節(jié)線粒體，進而延緩關(guān)節(jié)軟骨退變的作用機制已開展了相關(guān)研究。將中藥有效成分（黃酮類、多酚類、生物堿類、皂苷類等）調(diào)節(jié)線粒體延緩關(guān)節(jié)軟骨退變的分子機制關(guān)系進行綜述，為骨關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)軟骨退變的防治提出新的目標。

中藥有效成分；黃酮類；多酚類；生物堿類；皂苷類；骨關(guān)節(jié)炎；軟骨；線粒體

骨關(guān)節(jié)炎是關(guān)節(jié)組織損傷和修復之間不平衡導致的一種不可逆的退行性病變。骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病之初，關(guān)節(jié)軟骨退變引起軟骨基質(zhì)降解，從而分泌促炎介質(zhì)而影響滑膜、軟骨下骨等組織，最終導致關(guān)節(jié)組織結(jié)構(gòu)破壞，引起患者的關(guān)節(jié)周圍疼痛和活動受限[1]。保護關(guān)節(jié)軟骨對于預防和延緩骨關(guān)節(jié)炎疾病進程具有重要的意義。

骨關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)軟骨退變與線粒體相關(guān)[2-3]，線粒體作為唯一具有自身DNA的細胞器，是細胞內(nèi)能量產(chǎn)生、信號傳導、細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)和細胞死亡方式多層面的調(diào)節(jié)因子[4-5]。人骨關(guān)節(jié)炎軟骨細胞中線粒體呼吸鏈功能障礙引起線粒體結(jié)構(gòu)和形態(tài)的改變，繼而使軟骨細胞內(nèi)三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）生成減少，影響軟骨細胞正常的生理活動，分泌Ⅱ型膠原的能力下降，從而促進軟骨退變；線粒體產(chǎn)生活性氧增多，線粒體抗氧化酶水平降低，細胞內(nèi)氧化應激增強，線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）持續(xù)損傷，誘導基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）釋放，降解軟骨細胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）；促使炎性因子的釋放，促進軟骨ECM的降解；線粒體膜電位（mitochondrial membrane potential，Δφm）下降，膜通透性增加，向細胞質(zhì)內(nèi)釋放細胞色素C（cytochrome C，Cyt C），引起細胞凋亡的發(fā)生[3,6-11]。而在線粒體呼吸鏈功能障礙后，線粒體分裂和融合的平衡對于維持線粒體結(jié)構(gòu)和形態(tài)及線粒體穩(wěn)態(tài)，防止線粒體的損傷和氧化應激的增加及促進軟骨細胞的存活具有重要橋接作用[12]，通過激活線粒體自噬通路蛋白，如磷酸腺苷活化蛋白激酶（adenosine phosphate activated protein kinases，AMPK）、sirtuin 1（SIRT 1）和sirtuin 3（SIRT 3）蛋白等，將線粒體分裂相關(guān)蛋白線粒體動力蛋白1（dynamin-relatedprotein 1，DRP1）和線粒體分裂蛋白1（mitochondrial fission protein 1，F(xiàn)IS1）定位于受損線粒體，分離受損線粒體，并通過線粒體自噬清除，減少活性氧產(chǎn)生，增加ATP合成，保障了線粒體的質(zhì)量控制，減少了軟骨細胞的凋亡[12-14]。人骨關(guān)節(jié)炎軟骨細胞的線粒體生物合成能力不足，不僅降低骨關(guān)節(jié)炎軟骨細胞的線粒體的質(zhì)量控制和功能，而且可能增加軟骨細胞的分解代謝前反應。所以，通過上調(diào)線粒體生物合成主要調(diào)節(jié)因子過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子-1α（peroxisome proliferator activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α）、促進轉(zhuǎn)錄因子核呼吸因子1（nuclear respiratory factor 1，NRF-1）、核呼吸因子2（nuclear respiratory factor 2，NRF-2）表達增加，上調(diào)線粒體轉(zhuǎn)錄因子A（transcription factor A，mitochondrial，TFAM），增加mtDNA的轉(zhuǎn)錄和復制，保持mtDNA的完整性。此外，通過上調(diào)線粒體融合蛋白2，促進線粒體融合，提高了線粒體的質(zhì)量控制，減少活性氧產(chǎn)生，增加ATP合成，減少軟骨細胞的凋亡[15-20]，而AMPK、SIRT-1、SIRT-3和PGC1-α調(diào)節(jié)軟骨退變中線粒體自噬和線粒體生物合成[13]。所以在線粒體呼吸鏈功能障礙后線粒體的分裂和融合、自噬、生物合成3者相互協(xié)調(diào)對于調(diào)節(jié)線粒體穩(wěn)態(tài)和質(zhì)量控制，促進線粒體功能正常，減少軟骨細胞凋亡具有重要的作用，骨關(guān)節(jié)炎軟骨凋亡與線粒體的關(guān)系見圖1。

“＋”表示增加，“?”表示減少，“→”表示促進，“┤”表示抑制，下圖同

目前，最新骨關(guān)節(jié)炎指南推薦的高級別證據(jù)治療藥物為非甾體類抗炎藥[21]，但患者服用后易發(fā)生不良反應。Ramachandran等[22]發(fā)現(xiàn)非甾體類抗炎藥中對乙酰氨基酚使肝細胞線粒體功能障礙成為其誘導肝細胞死亡的關(guān)鍵。而近年來，中藥治療骨關(guān)節(jié)炎取得了一定進展，在相關(guān)的薈萃分析中發(fā)現(xiàn)，中藥可改善膝骨關(guān)節(jié)炎患者的疼痛和關(guān)節(jié)活動度[23]，且不良反應發(fā)生率低于西藥組[24]。此外，單味中藥如乳香[25]、姜黃[26]、虎杖[27]中的有效成分可緩解骨關(guān)節(jié)炎的臨床癥狀。本文通過檢索中藥有效成分調(diào)節(jié)線粒體治療骨關(guān)節(jié)炎文獻，將文獻中中藥有效成分進行分類（黃酮類、多酚類、生物堿類、皂苷類、其他類），對單味中藥有效成分調(diào)節(jié)線粒體延緩骨關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)軟骨退變的研究進展進行歸納與總結(jié)，以便明確其作用機制，并從中發(fā)現(xiàn)新的思路和目標。中藥有效成分調(diào)節(jié)線粒體質(zhì)量控制延緩關(guān)節(jié)軟骨退變的信號通路見圖2，調(diào)節(jié)線粒體抑制關(guān)節(jié)軟骨凋亡發(fā)生的信號通路見圖3。

圖2 中藥有效成分調(diào)節(jié)線粒體質(zhì)量控制延緩關(guān)節(jié)軟骨退變的信號通路

1 黃酮類

1.1 葛根素

葛根素主要來源于豆科植物野葛(Wild.) Ohwi的干燥根莖或甘葛藤Benth.根中提取的異黃酮化合物[28-29]，化學結(jié)構(gòu)見圖4。骨關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)軟骨退變的延緩可通過調(diào)節(jié)線粒體生物合成來達到[19]。葛根素可調(diào)節(jié)線粒體穩(wěn)態(tài)來預防高脂高糖飲食誘導的非酒精性脂肪肝[30]，上調(diào)線粒體生物發(fā)生改善糖尿病大鼠肌肉中的線粒體功能[31]。在骨關(guān)節(jié)炎中，0、25、50、100 nmol/L葛根素培養(yǎng)軟骨細胞24 h，發(fā)現(xiàn)均可促進細胞增殖，且50 nmol/L葛根素的促進效果最好，可以顯著減少小鼠骨關(guān)節(jié)炎模型中關(guān)節(jié)炎癥和軟骨的退變[32]。此外，葛根素可激活AMPK-PGC-1α信號通路上調(diào)磷酸化AMPK（p-AMPK）和SIRT 1水平[33]，使PGC-1α的表達上調(diào)，乙?；浇档?，上調(diào)轉(zhuǎn)錄因子NRF-1、NRF-2表達，使TFAM表達上調(diào)，增加mtDNA復制和轉(zhuǎn)錄，線粒體的生物合成和線粒體呼吸鏈復合物Ⅰ～Ⅳ的表達增多，ATP的生成增多，從而減少了軟骨細胞的損傷。

圖3 中藥有效成分調(diào)節(jié)線粒體抑制關(guān)節(jié)軟骨凋亡發(fā)生信號通路

圖4 葛根素的化學結(jié)構(gòu)

1.2 槲皮素

槲皮素是一種天然黃酮類化合物[34]，廣泛存在與水果和蔬菜中，如洋蔥、蘋果[35]，具有抗炎和抗氧化作用[36-37]，化學結(jié)構(gòu)見圖5。骨關(guān)節(jié)炎中關(guān)節(jié)軟骨細胞中線粒體生物合成促進線粒體功能的修復，減少軟骨基質(zhì)的降解[3,19]。槲皮素通過調(diào)節(jié)線粒體Δφm、ATP合成代謝、線粒體生物合成，使線粒體內(nèi)的氧化還原狀態(tài)處于平衡狀態(tài)，減少對細胞的損傷[38]。同時，槲皮素上調(diào)超氧化物歧化酶（superoxidedismutase，SOD）和金屬蛋白酶抑制劑-1（tissue inhibitor of metalloproteinase 1，TIMP-1），下調(diào)基質(zhì)金屬蛋白酶-13（matrix metalloproteinase 13，MMP-13），減弱氧化應激狀態(tài)，抑制軟骨ECM的降解來改善骨關(guān)節(jié)炎軟骨退變[39]。

圖5 槲皮素的化學結(jié)構(gòu)

25 μmol/L槲皮素作用大鼠軟骨細胞24、48、72 h，無明顯細胞毒性，且細胞活力較高，通過SIRT1-AMPK通路抑制軟骨細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)氧化應激，減少軟骨細胞凋亡的發(fā)生[40]。此外，在大鼠骨關(guān)節(jié)炎模型中，槲皮素可激活AMPK-SIRT1通路增加了軟骨細胞中線粒體生物合成主要調(diào)節(jié)因子PGC-1α表達[41]，使線粒體生物合成過程中主要轉(zhuǎn)錄因子NRF-1、NRF-2和TFAM表達增多，mtDNA拷貝數(shù)增加，維持了線粒體內(nèi)穩(wěn)態(tài)，減輕了氧化應激下線粒體功能障礙，增強了線粒體氧化磷酸化能力，使線粒體Δφm升高，增加耗氧量和ATP產(chǎn)生，減少線粒體活性氧產(chǎn)生引起抗氧化系統(tǒng)失衡和氧化應激[42]，恢復了抗氧化酶谷胱甘肽（glutathione，GSH）、谷胱甘肽過氧化物酶（glutathione peroxidase，GPx）水平，從而為降低大鼠骨關(guān)節(jié)炎模型中MMP-3和MMP-13的水平和減少軟骨退變提供一個穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境。

1.3 二氫楊梅素

二氫楊梅素（圖6）廣泛存在于葡萄科蛇葡萄屬植物顯齒蛇葡萄(Hand.-Mazz.) W. T. Wang中，并可從藤茶中分離出來，具有抗氧化、抗炎作用[43]。AMPK、PGC-1α、SIRT3調(diào)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎軟骨細胞中線粒體自噬發(fā)生，延緩關(guān)節(jié)軟骨ECM降解[13]。

圖6 二氫楊梅素的化學結(jié)構(gòu)

二氫楊梅素是線粒體脫乙?；窼IRT3激動劑[44]，SIRT3可介導線粒體的自噬上調(diào)促進線粒體融合，抑制線粒體分裂，從而提高線粒體質(zhì)量，減少了軟骨細胞的凋亡[45]，而SIRT3則受PGC-1α調(diào)節(jié)[46]，p-AMPK調(diào)節(jié)PGC-1α表達[47]。二氫楊梅素在刺激原代關(guān)節(jié)軟骨細胞24 h后發(fā)現(xiàn)，二氫楊梅素濃度小于200 μmol/L時對軟骨細胞沒有細胞毒性，在此濃度范圍內(nèi)可通過AMPK-PGC-1α-SIRT3通路增強腫瘤壞死因子-α（tumour necrosis factor-α，TNF-α）誘導的炎癥環(huán)境下大鼠軟骨細胞中SIRT3表達，促進線粒體錳超氧化物歧化酶（manganese superoxide dismutase，MnSOD）在乙?；稽cK68處的去乙?；?，增強MnSOD表達，發(fā)揮抗氧化作用，調(diào)節(jié)炎性環(huán)境中線粒體融合和分裂的失衡，上調(diào)線粒體分裂相關(guān)蛋白DRP1、FIS1水平，促進線粒體自噬受體蛋白Nix和Bcl-2結(jié)合蛋白蛋白3（Bcl-2 interacting protein 3，BNIP3）上調(diào)，通過線粒體自噬清除在炎性環(huán)境下受損的線粒體，通過線粒體融合蛋白2（mitochondrial fusion related protein mitofusin 2，MFN2）表達增多、保持線粒體內(nèi)的穩(wěn)態(tài)，最終上調(diào)合成代謝蛋白多聚蛋白多糖和Ⅱ型膠原蛋白的水平，下調(diào)分解代謝標記物MMP-13和含血小板結(jié)合蛋白基序的解聚蛋白樣金屬蛋白酶-5（a disintegrin and metalloprotease with thrombospondin motifs-5，ADAMTS-5）表達，延緩了軟骨的退變[48]。

黃酮類中藥有效成分對線粒體及相關(guān)通路和軟骨退變的影響見表1。

表1 黃酮類中藥有效成分對線粒體及相關(guān)通路和軟骨退變的影響

2 多酚類

2.1 白藜蘆醇

白藜蘆醇是一種天然多酚化合物，化學結(jié)構(gòu)見圖7，20世紀70年代首次發(fā)現(xiàn)在葡萄屬植物中，廣泛存在于多種天然植物中，可從來源于34科69屬100種植物的根、莖、葉、花、果實和種子中提取得到，毛茛科芍藥屬紫斑牡丹種子中含量最高，達870.0 μg/g，虎杖根中質(zhì)量分數(shù)為420.9 μg/g[49]，具有抗炎、免疫調(diào)節(jié)和抗氧化的作用[50-51]。

圖7 白藜蘆醇的化學結(jié)構(gòu)

研究發(fā)現(xiàn)，在骨關(guān)節(jié)炎軟骨細胞中，線粒體是促炎細胞因子毒性的重要靶點，炎性因子使線粒體功能障礙，活性氧生成增多，ATP生成減少，mtDNA持續(xù)損傷，氧化應激增強，線粒體的生物合成減少，加速了軟骨細胞的退變[15-16,52]。反之，線粒體功能障礙會誘導促炎性因子的釋放和募集，加速了軟骨細胞凋亡的發(fā)生[11]。50 μmol/L白藜蘆醇可顯著降低10 ng/mL白細胞介素（interleukin，IL）-1β引起的人原代關(guān)節(jié)軟骨細胞毒性[53]，也可抑制人原代軟骨細胞中線粒體呼吸鏈功能障礙引起的活性氧的產(chǎn)生和核因子-κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）的激活導致炎性因子誘導的IL-8、環(huán)氧化酶-2（cyclooxygenase-2，COX-2）和前列腺素E2（prostaglandin E2，PGE2）表達增多，減少人軟骨細胞線粒體腫脹和凋亡發(fā)生[10,27]，使因炎性因子表達增多導致的促軟骨ECM分解代謝和合成代謝之間的關(guān)系趨于平衡，延緩關(guān)節(jié)軟骨退變[54-55]。白藜蘆醇阻斷了骨關(guān)節(jié)炎軟骨和IL-1β誘導人正常人軟骨細胞線粒體膜去極化，線粒體質(zhì)量下降和ATP消耗，減少活性氧的產(chǎn)生，抑制了凋亡途徑caspase-3活化及對DNA修復酶多聚二磷酸腺苷核糖聚合酶的切割，對軟骨細胞具有抗凋亡作用[56]?？傊邹继J醇可通過對線粒體形態(tài)和功能的調(diào)節(jié)，減少軟骨細胞內(nèi)炎性刺激，活性氧生成，增加ATP生成，起到減少軟骨細胞凋亡的作用。

2.2 姜黃素

姜黃素（圖8）是姜科植物姜黃L.根莖中提取的一種多酚化合物，具有抗炎、抗氧化作用[57-58]。骨關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)軟骨中線粒體形態(tài)和結(jié)構(gòu)異常，進而導致線粒體功能障礙，引起細胞內(nèi)氧化應激增加，線粒體抗氧化酶活性降低[3,46]。研究表明，姜黃素能夠保護線粒體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，減少因線粒體結(jié)構(gòu)異常導致的功能障礙而引起細胞凋亡的發(fā)生[59]。此外，在姜黃素治療骨關(guān)節(jié)炎的相關(guān)薈萃分析中發(fā)現(xiàn)，口服姜黃素在緩解疼痛、改善功能、提高生活質(zhì)量方面均有益處，且服藥后不良事件發(fā)生率低于非甾體類抗炎藥[60-61]。20 μmol/L姜黃素對大鼠原代軟骨干預24、48、72 h未發(fā)現(xiàn)明顯細胞毒性，并可延緩氧化應激下大鼠骨關(guān)節(jié)炎進展[62]。

圖8 姜黃素的化學結(jié)構(gòu)

Liu等[3]發(fā)現(xiàn)骨關(guān)節(jié)炎中線粒體形態(tài)缺陷與線粒體呼吸鏈復合物酶活性降低有關(guān)，線粒體呼吸鏈抑制劑魚藤酮加重了骨關(guān)節(jié)炎軟骨細胞的凋亡和線粒體形態(tài)和功能的改變。姜黃素可改善線粒體腫脹，外膜電子密度不均勻，嵴的排列紊亂或消失，嵴數(shù)目減少的情況，恢復線粒體Δφm，緩解魚藤酮誘導的線粒體損傷和功能障礙引起的氧化應激反應，增加病理狀態(tài)下軟骨基質(zhì)的修復，Ⅱ型膠原濃度升高，降低細胞凋亡的發(fā)生，對骨關(guān)節(jié)炎軟骨具有保護作用。李旭升等[63]發(fā)現(xiàn)姜黃素可通過JAK2-STAT3信號通路，提高C57BL/6J小鼠骨關(guān)節(jié)炎模型中提取的軟骨細胞中線粒體琥珀酸脫氫酶（succinate dehydrogenase，SDH）、Cyt C氧化酶（cytochrome coxidase，COX）表達水平，提高了線粒體抗氧化應激能力，減少了軟骨細胞凋亡的發(fā)生。

2.3 蘋果多酚

蘋果多酚是是薔薇科蘋果亞科蘋果屬Mill.中提取的多酚化合物，具有抗氧化、保護線粒體功能的作用[64-66]?！睹t(yī)別錄》中提出蘋果具有藥用價值。

在骨關(guān)節(jié)炎中，SOD2缺失引起線粒體膜電位下降而損害軟骨細胞基質(zhì)穩(wěn)態(tài)，造成合成代謝基因（包括、和）被顯著下調(diào)，而分解代謝基因（包括、、）被顯著上調(diào)[6]，線粒生物合成減少也會引起線粒體功能障礙和軟骨退變[19]。Masuda等[67]發(fā)現(xiàn)，在SOD2敲除的C57BL/6NCrSlc小鼠中提取的原代軟骨細胞中，10～100 μg/mL蘋果多酚對原代軟骨細胞無毒性，且顯著增加了線粒體脫氫酶活性、線粒體生物合成調(diào)節(jié)因子PGC-1α上調(diào)，mtDNA的拷貝數(shù)增加，改善了因SOD2缺失而引起的線粒體去極化，上調(diào)了線粒體Δφm。此外，蘋果多酚還通過影響線粒體超氧化物基因表達增加，刺激線粒體生物合成。蘋果多酚通過對線粒體的調(diào)節(jié)，使軟骨合成代謝基因表達上調(diào)，下調(diào)了分解代謝基因和表達，促進原代軟骨細胞中蛋白聚糖的合成，表明蘋果多酚可保護由軟骨細胞線粒體功能障礙引起的軟骨變性。

多酚類中藥有效成分對線粒體及相關(guān)通路和軟骨退變的影響見表2。

表2 多酚類中藥有效成分對線粒體及相關(guān)通路和軟骨退變的影響

3 生物堿類

3.1 川芎嗪

川芎嗪（圖9）是傘形科藁本屬植物川芎Hort.根莖中的活性成分，屬生物堿類[68]。川芎嗪可減輕關(guān)節(jié)軟骨退變，抑制軟骨細胞凋亡的發(fā)生[69-70]。凋亡的線粒體途徑影響骨關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)軟骨退變[71]。川芎嗪可通過激活凋亡的線粒體途徑抑制癌細胞增殖[72]。而洪昆達[73]發(fā)現(xiàn)，50 μg/L川芎嗪干預第3代兔原代軟骨細胞72 h可增強軟骨細胞活性，可下調(diào)硝普鈉誘導的兔原代軟骨細胞中與線粒體相關(guān)的促凋亡因子基因及蛋白表達、上調(diào)抗調(diào)亡因子基因及蛋白表達，抑制caspase-9、caspase-3的激活，抑制了凋亡的線粒體途徑的激活，提高軟骨細胞活性，降低軟骨細胞凋亡率及軟骨細胞凋亡的超微結(jié)構(gòu)的改變。

圖9 川芎嗪的化學結(jié)構(gòu)

3.2 甲基蓮心堿

甲基蓮心堿（圖10）是從睡蓮科蓮屬植物中提取的有效成分，屬生物堿類[74]。炎性因子調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)軟骨線粒體活性，誘導與凋亡的線粒體途徑標志物表達[50]。甲基蓮心堿可以保護線粒體形態(tài)和膜電位穩(wěn)定來預防缺血性腦卒中的發(fā)生[75]，也可以通過凋亡的線粒體途徑增強順鉑的抗腫瘤作用。在骨關(guān)節(jié)炎中，甲基蓮心堿通過抑制IL-1β誘導的大鼠軟骨細胞炎性和分解代謝因子的過量產(chǎn)生，減少軟骨ECM的降解[76]。張宇標等[77]研究發(fā)現(xiàn)，在TNF-α誘導的SD大鼠原代軟骨細胞凋亡中，10 μmol/L甲基蓮心堿對原代軟骨細胞無毒性，且恢復了線粒體膜電位水平，使線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔開放率降低。同時，降低了凋亡的線粒體途徑相關(guān)的促凋亡因子基因及蛋白表達、上調(diào)抗調(diào)亡因子基因及蛋白表達，抑制caspase-9、caspase-3的激活，通過抑制凋亡的線粒體途徑抑制了軟骨細胞的凋亡和退變。

圖10 甲基蓮心堿的化學結(jié)構(gòu)

3.3 馬錢子堿

馬錢子堿（圖11）是馬錢科植物馬錢L.的干燥成熟種子中的主要成分，同時也是其主要毒性成分，屬生物堿類[78]。骨關(guān)節(jié)炎中軟骨細胞凋亡與凋亡的線粒體途徑相關(guān)[71]。在骨關(guān)節(jié)炎治療中，0.5、0.125 mg/L馬錢子堿抑制體外培養(yǎng)48 h后人軟骨細胞的增殖，而0.25 mg/L馬錢子堿促進軟骨細胞增殖，抑制一氧化氮對軟骨細胞的損傷[79]。馬錢子堿也可調(diào)節(jié)線粒體活性達到抗腫瘤作用[80]，高萌萌[81]通過對硝普鈉誘導的SD大鼠原代軟骨細胞的凋亡的研究中發(fā)現(xiàn)，馬錢子堿在250～500 mg/L，隨著劑量的增大，可明顯抑制軟骨細胞中線粒體釋放Cyt C和線粒體中促caspases活化的激活蛋白Smac釋放受到細胞質(zhì)中，通過凋亡的線粒體途徑降低了軟骨細胞的凋亡率。

圖11 馬錢子堿的化學結(jié)構(gòu)

生物堿類中藥有效成分對線粒體及相關(guān)通路和軟骨退變的影響見表3。

4 皂苷類

4.1 人參皂苷

人參皂苷（圖12）是五加科（Araliaceae）人參屬植物人參C. A. Meyer干燥根中的主要有效成分[82]。骨關(guān)節(jié)炎中軟骨細胞凋亡與線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)異常和凋亡的線粒體途徑相關(guān)[3,71]。人參皂苷Rb1、Rg1可抑制促炎細胞因子的產(chǎn)生并調(diào)節(jié)炎癥相關(guān)信號通路的活性[83-84]，人參皂苷Rb1通過提高線粒體膜電位的并抑制凋亡誘導因子（apoptosis-inducing factor，AIF）和Cyt C釋放或抑制線粒體通透性過渡孔的開放減少細胞凋亡的發(fā)生[85-86]，人參皂苷Rg1通過抑制線粒體損傷，保持線粒體外膜的完整性，阻止Cyt C移位進入胞漿，阻斷凋亡的線粒體通路，達到保護神經(jīng)元細胞的目的[87]。

表3 生物堿類中藥有效成分對線粒體及相關(guān)通路和軟骨退變的影響

圖12 人參皂苷的化學結(jié)構(gòu)

在骨關(guān)節(jié)炎中，人參皂苷Rg1和Rb1對于延緩骨關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)軟骨退變具有一定的作用[88-89]。研究發(fā)現(xiàn)，0.001、0.01、0.1、1、10、100 μg/mL人參皂苷Rg1培養(yǎng)大鼠原代軟骨細胞72 h，未發(fā)現(xiàn)細胞毒性作用，10 μg/mL人參皂苷Rg1可激活磷脂酰肌醇- 3-激酶-蛋白激酶B（phosphatidylinositide 3-kinases-protein kinase B，PI3K-Akt）通路，使IL-1β誘導的SD大鼠軟骨細胞中線粒體凋亡標志物Bcl-2/Bax比值增加，抑制Cyt C從線粒體向細胞內(nèi)釋放，降低凋亡蛋白caspase-3的活性，表明人參皂苷Rg1可能降低軟骨細胞線粒體通透性，通過抑制凋亡的線粒體途徑，上調(diào)TIMP-1表達，抑制MMP-13合成，減少軟骨細胞凋亡的發(fā)生[90]。此外，0～400 μmol/L人參皂苷Rb1干預原代軟骨細胞24 h，未發(fā)現(xiàn)明顯毒性，100 μmol/L人參皂苷Rb1可增強過氧化氫（hydrogen peroxide，H2O2）誘導的SD大鼠軟骨細胞凋亡中線粒體的活性，抑制線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的開放和促凋亡蛋白caspase-3活性，保護軟骨細胞免受H2O2誘導的凋亡發(fā)生[91]。

4.2 齊墩果酸

齊墩果酸（圖13）是廣泛存在于各種植物中的1種五環(huán)三萜類化合物，如女貞子W. T. Aiton、夏枯草L.、山楂Bge.等，具有抗氧化、抗炎作用[92-94]。線粒體功能障礙可促進軟骨細胞中炎性因子表達和ECM降解，促使骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生[8,10]。

圖13 齊墩果酸的化學結(jié)構(gòu)

齊墩果酸具有上調(diào)線粒體膜電位和血清中抗氧化酶水平，抑制凋亡的線粒體途徑[95-97]。在骨關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)軟骨的退變的防治中，齊墩果酸的半最大效應濃度值為10.93 μmol/L，在此濃度下可抑制軟骨ECM的降解和細胞凋亡的發(fā)生[98]。此外，齊墩果酸可激活PPARγ-SOD2通路，上調(diào)線粒體SOD2，抑制了C57BL/6J小鼠原代細胞在高糖刺激下線粒體膜電位的下降，促進ATP的產(chǎn)生，使凋亡蛋白caspase-9表達下降[99]。齊墩果酸可使Ⅱ型膠原的表達上調(diào)，MMP-13表達下降，下調(diào)作為另一種膠原酶的炎性細胞因子PGE2、IL-6的表達[100]，減少了軟骨ECM的降解和細胞凋亡。

4.3 威靈仙中富含的皂苷成分

威靈仙Osbeck.是毛茛科（Ranunculaceae）鐵線蓮屬植物[101]。骨關(guān)節(jié)炎中線粒體膜電位下降，導致軟骨細胞凋亡增多[3]。50、100、200 mg/kg威靈仙中富含皂苷的有效成分可改善碘乙酸單鈉誘導的大鼠骨關(guān)節(jié)炎的關(guān)節(jié)破壞和軟骨侵蝕，并且通過防止ECM降解和軟骨細胞損傷來保護關(guān)節(jié)軟骨[102]。研究發(fā)現(xiàn)，300、1000 μg/mL威靈仙中富含皂苷的有效成分則顯著逆轉(zhuǎn)了硝普鈉誘導兔軟骨細胞的凋亡，逆轉(zhuǎn)了線粒體膜電位下降，凋亡蛋白caspase-3活性受到抑制，逆轉(zhuǎn)了硝普鈉刺激下軟細胞凋亡形態(tài)的改變，軟骨細胞的凋亡率下降[103]。

4.4 薯蕷皂苷元

薯蕷皂苷元（圖14）屬于薯蕷科薯蕷屬植物中的有效成分，全球有多達9個屬650個品種的薯蕷科植物，薯蕷屬品種多達600種。盾葉薯蕷C. H. Wright作為其中之一，是目前所知薯蕷皂苷元含量最高的品種[104-105]。骨關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)軟骨退變與線粒體抗氧化酶活性降低，細胞內(nèi)氧化應激增加相關(guān)[48]。10～100 μg/mL薯蕷皂苷元對人骨關(guān)節(jié)炎軟骨細胞沒有細胞毒性作用，抑制了軟骨細胞ECM的降解[106]。劉軍等[107-108]發(fā)現(xiàn)薯蕷皂苷元可通過JAK2-STAT3或SIRT1信號通路，提高C57BL/6J小鼠骨關(guān)節(jié)炎模型中提取的軟骨細胞中線粒體抗氧化酶SDH、COX、SOD的表達水平，增強了線粒體抗氧化應激能力，維持軟骨細胞正常形態(tài)，減少軟骨細胞凋亡發(fā)生。

圖14 薯蕷皂苷元的化學結(jié)構(gòu)

皂苷類中藥有效成分對線粒體及相關(guān)通路和軟骨退變的影響見表4。

表4 皂苷類中藥有效成分對線粒體及相關(guān)通路和軟骨退變的影響

5 其他

5.1 二烯丙基二硫化物

二烯丙基二硫化物（圖15）是衍生自百合科（Liliaceae）蔥屬L.植物大蒜L.的鱗莖部的化合物，主要為油溶性有機硫成分[109]。炎性因子調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)軟骨細胞凋亡的線粒體途徑標志物表達[52]。二烯丙基二硫化物可以通過抑制凋亡的線粒體途徑改善心功能障礙[110]。在骨關(guān)節(jié)炎中，二烯丙基二硫化物可減少軟骨基質(zhì)降解[111]。1、5、10、25 μmol/L二烯丙基二硫化物干預人軟骨C28I2細胞24 h后未發(fā)現(xiàn)細胞毒作用，1、5、10 μmol/L二烯丙基二硫化物干預C28I2細胞24 h后細胞活力高于98%。所以，在C28I細胞中加入IL-1β后，1、5、10 μmol/L二烯丙基二硫化物降低了活性氧的生成，降低了凋亡的線粒體途徑標志物Bax/Bcl-2的值，抑制了caspase-3的激活。通過抑制凋亡的線粒體途徑減少了細胞凋亡的發(fā)生，提升了細胞的活力[112]。

圖15 二烯丙基二硫化物的化學結(jié)構(gòu)

5.2 海藻糖

海藻糖（圖16）是一種非還原性二糖，存在于許多生物中，包括細菌、真菌、植物和無脊椎動物[113]。在骨關(guān)節(jié)炎中，凋亡發(fā)生的同時伴有線粒體自噬的發(fā)生，激活線粒體自噬可清除受損線粒體，恢復線粒體功能障礙，促進ATP產(chǎn)生，減少氧化應激引起的細胞凋亡[114]。已有研究表明，海藻糖具有誘導自噬的發(fā)生和抗氧化的作用[115]，可激活線粒自噬，清除受損的線粒體，恢復線粒體膜電位及ATP的生成，減少自噬降解蛋白p62的積累，恢復自噬通量，激活自噬和凋亡的線粒體途徑從而減少細胞凋亡的發(fā)生[116-117]。

圖16 海藻糖的化學結(jié)構(gòu)

在海藻糖干預人骨關(guān)節(jié)炎軟骨細胞的體外研究中發(fā)現(xiàn)，海藻糖對軟骨細胞凋亡的保護作用與線粒體功能障礙的減輕和誘導線粒體自噬的發(fā)生有關(guān)[118]。0～100 mmol/L海藻糖對人軟骨細胞無明顯毒性，且細胞活力較高，100 mmol/L海藻糖可激活AMPK-ULK1途徑，抑制線粒體功能障礙標志物Cyt C的表達，使線體膜電位下降受到抑制，ATP、SOD2生成增多。抑制線粒體分裂蛋白Drp-1向線粒體易位與線粒體標記蛋白Tom20共定位，誘導線粒體分裂，通過降低自噬通量相關(guān)蛋白p62水平，增強自噬通量，使自噬相關(guān)蛋白LC3與線粒體標記蛋白Tom20共定位，上調(diào)線粒體自噬受體BNIP3、與LC3有高親和力的線粒體局部磷酸酶PGAM5水平，誘導線粒體自噬發(fā)生，清除受損線粒體，保護了線粒體的功能。抑制氧化應激誘導的軟骨細胞凋亡，調(diào)節(jié)了凋亡線粒體途徑相關(guān)標志物的表達，下調(diào)了Bax、Cyt C的表達，上調(diào)了Bcl-2的表達。

5.3 鋸齒馬尾藻乙醇提取物

鋸齒馬尾藻C. Agardh是一種具有藥食同源的馬尾藻屬類海洋植物[119]。骨關(guān)節(jié)炎軟骨的凋亡與線粒體膜電位下降，通透性增加，凋亡的線粒體途徑標志物Bax/Bcl-2值改變相關(guān)[120]。研究發(fā)現(xiàn)，鋸齒馬尾藻乙醇提取物具有抗氧化作用[121]，可以抑制MMP-1、MMP-3和MMP-13的表達[122]，保護氧化應激下軟骨的退變，可用于骨關(guān)節(jié)炎的預防和治療[123]。

400 μg/mL鋸齒馬尾藻乙醇提取物未對人SW1353軟骨細胞產(chǎn)生細胞毒性，可激活調(diào)節(jié)細胞內(nèi)氧化穩(wěn)態(tài)、線粒體活性、與骨關(guān)節(jié)炎相關(guān)Nrf2-HO-1通路，逆轉(zhuǎn)了線粒體功能障礙和細胞凋亡的線粒體途徑的激活，保護了關(guān)節(jié)軟骨的損傷[124-129]。400 μg/mL鋸齒馬尾藻乙醇提取物使H2O2誘導的氧化應激下凋亡的SW1353軟骨細胞中線粒體膜電位下降，活性氧生成減少，線粒體膜通透性降低，凋亡的線粒體途徑相關(guān)蛋白Bax/Bcl-2值增加，有助于線粒體生物合成和抗細胞凋亡細胞的pro-caspase-3的表達明顯上調(diào)，使凋亡的細胞形態(tài)典型特征染色質(zhì)濃縮和DNA斷裂減少，減少了軟骨細胞凋亡的發(fā)生[130-131]。

5.4 生姜提取物

生姜是姜科植物姜Rosc.的根莖[132]，可抑制細胞凋亡的線粒體途徑[133]。骨關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)軟骨細胞在炎性刺激下發(fā)生凋亡的同時伴有凋亡的線粒體途徑標志物Bax/Bcl-2值增加[120]。在一項薈萃分析中發(fā)現(xiàn)，生姜骨關(guān)節(jié)炎的治療適度有效且相當安全[134]，實驗研究發(fā)現(xiàn)，0.01、0.5、1、5、10、25、50、100 μg/mL生姜提取物對C28I2軟骨細胞無毒性，5、25 μg/mL生姜提取物能減少活性氧的產(chǎn)生，上調(diào)抗氧化酶、、和的基因表達，減少氧化應激下凋亡的線粒體途徑標志物Bax/Bcl-2值降低，抑制了caspase-3激活，使凋亡的線粒體途徑信號受到抑制，減少IL-1β刺激下人C28I2軟骨細胞凋亡的發(fā)生[135]。

其他類中藥有效成分對線粒體及相關(guān)通路和軟骨退變的影響見表5。

6 結(jié)語

目前，針對骨關(guān)節(jié)炎的治療提倡早期預防關(guān)節(jié)軟骨退變，可延緩疾病的進程和提高患者生活質(zhì)量。選用合適的藥物受到了廣泛的關(guān)注，中藥作為傳統(tǒng)治療藥物，在骨關(guān)節(jié)炎治療中擁有巨大的潛力[136]，依據(jù)現(xiàn)有研究可以發(fā)現(xiàn)，中藥中黃酮類、多酚類、生物堿類、皂苷類、其他類中的二烯丙基二硫化物等，可通過AMPK、PGC-1α、SIRT 3、SIRT 1、ULK1、PI3K、Akt、Nrf2、HO-1、JAK2、STAT 3等蛋白組成的通路調(diào)節(jié)線粒體形態(tài)和功能，延緩軟骨細胞凋亡，通過凋亡的外在途徑或線粒體途徑延緩軟骨退變。其中，黃酮類可調(diào)節(jié)AMPK、PGC-1α、SIRT 3、SIRT 1信號通路，調(diào)節(jié)線粒體基本功能，減少活性氧生成和增加ATP生成，激活軟骨細胞線粒體生物合成和線粒體自噬，達到軟骨細胞內(nèi)線粒體的質(zhì)量控制，通過調(diào)節(jié)線粒體穩(wěn)態(tài)來促進細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的目標。多酚類、生物堿類、皂苷類、其他類中的有效成分也通過不同途徑，改善了線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)了線粒體的基本功能、生物合成和自噬，通過凋亡的外源性途徑及內(nèi)在的線粒體途徑調(diào)節(jié)了延緩了軟骨細胞的退變。目前所進行的相關(guān)研究只是探討了部分中藥有效成分對對線粒體基本功能和活性的調(diào)節(jié)對延緩軟骨退變的作用。但是，不同中藥有效成分對線粒體的調(diào)節(jié)方向有不同點和相同點，這是否與中藥的功效或四氣五味相關(guān)，在今后值得深入探究其中的關(guān)系。此外，中藥的種類、中藥復方、經(jīng)方、驗方是多種多樣的，其中的有效成分也是多種多樣的，具有多靶點、多途徑的特點。細胞活性和生理功能的正常維持是靠細胞內(nèi)外多條信號通路之間相互協(xié)作達到的。針對中藥調(diào)節(jié)線粒體延緩骨關(guān)節(jié)炎軟骨退變的機制還需要更深入的探討，不僅需要發(fā)現(xiàn)更多的可以用來調(diào)節(jié)線粒體和骨關(guān)節(jié)炎的中藥及復方，還要通過不同技術(shù)手段、不同信號轉(zhuǎn)導途徑探究中藥在調(diào)節(jié)線粒體延緩關(guān)節(jié)軟骨退變的作用機制，使中藥的活性成分被充分的挖掘，為提供新藥研發(fā)和促進中藥現(xiàn)代化研究提供堅實的平臺，造福于全人類。

表5 其他類中藥有效成分對線粒體及相關(guān)通路和軟骨退變的影響

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突

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Research progress on active ingredients of traditional Chinese medicine regulating mitochondrion to protect osteoarthritis cartilage

YANG Bo1, ZHOU Ming-wang2, JI Xing2, LI Sheng-hua2, XIAO Zhen1, WANG Yu1, HU Xing-rong1, SU Yao-hui1, XU Bin1, WANG Lei1

1. Gansu University of Chinese Medicine, Lanzhou 730000, China 2. Gansu Provincial Hospital of Traditional Chinese Medicine, Lanzhou 730000, China

Articular cartilage degeneration occurs at the beginning of the onset of osteoarthritis and then affects the pathological changes of other joint tissues. It is often regarded as one of the tissues in the study of pathological mechanism and the mechanism of drug therapy of osteoarthritis. Articular cartilage degeneration is related to mitochondrial morphological structure and dysfunction, therefore protecting mitochondrial morphology and function has become a new research direction. Traditional Chinese medicine (TCM) has a long history in the treatment of osteoarthritis. Relevant studies have been carried out on mechanism of the effective components of TCM that can protect mitochondria and delay the degeneration of articular cartilage. In this paper, the molecular mechanism of effective components of TCM (flavonoids, polyphenols, alkaloids, saponins, etc.) is well stated to protect mitochondria from degeneration of articular cartilage, and a new target is proposed for the prevention and treatment of osteoarthritis articular cartilage degeneration.

active ingredients of traditional Chinese medicine; flavonoids; polyphenols; alkaloids; saponins; osteoarthritis; cartilage;mitochondria

R282.710.5

A

0253 - 2670(2021)07 - 2117 - 17

10.7501/j.issn.0253-2670.2021.07.029

2020-08-26

全國中醫(yī)學術(shù)流派傳承工作室第二輪建設項目（國中醫(yī)人教函[2019]62號）；中醫(yī)藥傳承與創(chuàng)新“百千萬”人才工程（岐黃工程）岐黃學者；甘肅省科技計劃項目（18JR2FA009）

楊 波（1991—），男，陜西臨潼人，博士研究生，研究方向為骨關(guān)節(jié)疾病中西醫(yī)結(jié)合防治。E-mial: 413893835@qq.com

李盛華（1959—）男，山東菏澤人，主任醫(yī)師，博士生導師。E-mial: lishenghua0619@126.com

[責任編輯 崔艷麗]