王銅浩，田永剛，韓立強(qiáng)，郭樹章

（天津市第三中心醫(yī)院骨科/天津市重癥疾病體外生命支持重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/天津市人工細(xì)胞工程技術(shù)研究中心/天津市肝膽疾病研究所，天津 300170）

骨質(zhì)疏松癥（osteoporosis，OP）是一種代謝性骨骼疾病，主要特征是骨量減少、骨微結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致骨脆性增加、易發(fā)生骨折。目前根據(jù)不同類型骨質(zhì)疏松研發(fā)了多種動(dòng)物模型，包括去卵巢動(dòng)物模型、糖尿病性動(dòng)物模型、糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)的動(dòng)物模型、老年癡呆性動(dòng)物模型、廢用性動(dòng)物模型等，這些動(dòng)物模型的建立對(duì)骨質(zhì)疏松發(fā)病機(jī)制及藥物防治的研究起到了至關(guān)重要的作用。近幾年在眾多抗骨質(zhì)疏松的藥物中，姜黃素的研究及應(yīng)用得到越來越多的關(guān)注。姜黃素是從姜黃根部提煉的最主要的色素成分，是一種歷史悠久并用于治療多種疾病的草本藥物[1]。研究表明[2，3]，姜黃素具有多種藥理學(xué)活性，如抗氧化和抗炎作用、降血糖作用、神經(jīng)保護(hù)作用、抗結(jié)核作用和抗癌活性，還可以通過促進(jìn)破骨細(xì)胞凋亡和抑制破骨細(xì)胞分化而顯著抑制破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收[4]。動(dòng)物模型研究發(fā)現(xiàn)，姜黃素通過調(diào)控多種細(xì)胞因子及信號(hào)通路調(diào)節(jié)骨重塑，提高骨密度，有效治療骨質(zhì)疏松癥。因此，本文就姜黃素對(duì)不同骨質(zhì)疏松動(dòng)物模型的治療作用進(jìn)行綜述，為研究姜黃素治療骨質(zhì)疏松的藥理機(jī)制奠定基礎(chǔ)，并為姜黃素進(jìn)一步臨床應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 卵巢切除去勢(shì)骨質(zhì)疏松鼠動(dòng)物模型

絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松是骨質(zhì)疏松癥的最常見的一種類型，主要是由于低峰值骨量、激素缺乏以及衰老導(dǎo)致的骨丟失。在雌激素缺乏的狀態(tài)，由于骨吸收增加而骨形成減少導(dǎo)致骨小梁數(shù)量減少、骨體積分?jǐn)?shù)百分比降低、間距增加[5]。以雙側(cè)卵巢摘除（ovariectomize，OVX）形成的骨質(zhì)疏松大鼠模型可模擬雌激素缺乏時(shí)由于破骨細(xì)胞功能亢進(jìn)和骨更新加快而導(dǎo)致的小梁骨過度丟失，已被證實(shí)能代表老年女性雌激素缺乏（或絕經(jīng)后）導(dǎo)致骨丟失的一些最重要臨床特征[6]，也是目前研究原發(fā)性骨質(zhì)疏松最常用的模型，還是目前研究姜黃素體內(nèi)骨保護(hù)作用的主要研究模型[7]。研究發(fā)現(xiàn)[8]，隨著年齡的增加，細(xì)胞線粒體功能減弱，機(jī)體的抗氧化應(yīng)激系統(tǒng)清除能力下降，活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）生成增多，機(jī)體表現(xiàn)為氧化應(yīng)激，從而誘導(dǎo)成骨細(xì)胞的凋亡或死亡，抑制其增殖、分化，減弱成骨細(xì)胞的礦化作用，誘發(fā)骨質(zhì)疏松。同時(shí)，氧化應(yīng)激能刺激破骨細(xì)胞的形成、分化和骨吸收作用，促進(jìn)骨質(zhì)疏松的發(fā)生發(fā)展。持續(xù)的氧化應(yīng)激可激活NF-κB，促進(jìn)腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、白介素-6（IL-6）等相關(guān)炎癥過度表達(dá)，IL-6 是骨吸收明顯的促進(jìn)劑，促進(jìn)破骨細(xì)胞前體的分化，增加破骨細(xì)胞活性，促進(jìn)骨吸收，而血清TNF-α 水平升高則直接刺激破骨細(xì)胞的成熟與活化，并刺激成熟的破骨細(xì)胞分泌IL-6[9]，二者共同促進(jìn)破骨細(xì)胞形成，使骨吸收增加，導(dǎo)致骨質(zhì)疏松發(fā)生。除了炎性反應(yīng)，氧化應(yīng)激（OS）誘導(dǎo)的骨質(zhì)疏松功能障礙也是骨質(zhì)疏松癥的主要病理機(jī)制，而姜黃素可通過調(diào)控NF-κB/IL-6信號(hào)通路作用，從而抑制炎癥反應(yīng)[10]，并且姜黃素可通過激活叉頭框蛋白O（FoxO）3a/分泌型糖蛋白（Wnt）信號(hào)通路，有效緩解氧化應(yīng)激介導(dǎo)的去卵巢大鼠骨質(zhì)疏松[11]。另外姜黃素可抑制糖原合成酶激酶（GSK3+）和激活核因子紅細(xì)胞2 相關(guān)因子2（Nrf2）減少氧化應(yīng)激，從而有望治療骨質(zhì)疏松[12]。此類藥理作用可能是姜黃素拮抗卵巢切除致骨質(zhì)疏松癥的途徑作用之一。除了氧化應(yīng)激及炎性介導(dǎo)的信號(hào)通路之外，骨保護(hù)素（OPG）/RANKL 信號(hào)通路也是成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞相互作用機(jī)制中較重要的通路，與OP 發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)姜黃素能夠改善去勢(shì)骨質(zhì)疏松模型大鼠的骨代謝水平，增加其BMD、改善骨小梁微結(jié)構(gòu)、抑制骨吸收,這種作用可能與調(diào)控OPG/RANKL 信號(hào)通路有關(guān)[13]。

除上述機(jī)制外，組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶（enhancer of zeste homolog 2，EZH2）是骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨過程中最突出的表觀遺傳學(xué)酶之一，可控制成骨細(xì)胞分化。去勢(shì)后，EZH2mRNA 在下頜骨和股骨中的相對(duì)表達(dá)量增加，提示EZH2 mRNA 水平的增加與雌激素的減少有關(guān)，而應(yīng)用姜黃素治療后去勢(shì)骨質(zhì)疏松大鼠體內(nèi)EZH2mRNA 表達(dá)水平顯著下調(diào)，骨微結(jié)構(gòu)明顯改善，骨密度增加，說明姜黃素治療去勢(shì)大鼠骨質(zhì)疏松的機(jī)制可能與下調(diào)EZH2mRNA的表達(dá)水平有關(guān)[14]。

總之，姜黃素對(duì)去勢(shì)骨質(zhì)疏松鼠模型治療主要通過FoxO3a/Wnt 信號(hào)，NF-κB/IL-6 信號(hào)通路抗氧化、抗炎，通過OPG/RANKL 信號(hào)通路調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞平衡，通過升高Axin2 基因，下調(diào)EZH2mRNA 表達(dá)水平等機(jī)制治療絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松。

2 糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)的骨質(zhì)疏松鼠動(dòng)物模型

長期糖皮質(zhì)激素治療與骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病率有關(guān)，骨質(zhì)疏松癥是糖皮質(zhì)激素治療最嚴(yán)重的副作用之一。糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)的骨質(zhì)疏松癥（glucocorticoidinduced osteoporosis，GIOP）主要是由于成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞的凋亡以及破骨細(xì)胞生存周期的延長引起，研究表明[15]，成骨細(xì)胞凋亡及其導(dǎo)致的骨形成減少和骨脆性增加在糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)的骨丟失和骨質(zhì)疏松的發(fā)生發(fā)展過程中起至關(guān)重要的作用。給予大鼠腹腔注射地塞米松能明顯損害股骨骨小梁結(jié)構(gòu)并顯著降低其機(jī)械強(qiáng)度，形成激素誘導(dǎo)的骨質(zhì)疏松鼠模型。Bcl-2 是一種抗凋亡蛋白，在糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞凋亡中起重要作用，而Bax 是一種促凋亡蛋白，Bax/Bcl-2的比值在多種細(xì)胞生存過程中起“凋亡開關(guān)”的作用。研究發(fā)現(xiàn)[2]，姜黃素預(yù)治療可以顯著扭轉(zhuǎn)地塞米松對(duì)于Bax 表達(dá)的促進(jìn)作用以及對(duì)Bcl-2 表達(dá)的抑制作用，導(dǎo)致的Bax/Bcl-2 比值降低，從而起到對(duì)抗GIOP的作用。Wnt/β-catenin 信號(hào)通路在人體的生長、發(fā)育和器官功能的維持中起重要作用，成骨細(xì)胞中的Wnt/β-catenin 信號(hào)通路激活能夠誘導(dǎo)OPG的表達(dá)而抑制破骨細(xì)胞分化，姜黃素可以通過對(duì)MicroRNA（miR-126a-3p）表達(dá)的調(diào)節(jié)，以濃度依賴的方式抑制間充質(zhì)干細(xì)胞分化引，并且通過調(diào)控Wnt/β-catenin 信號(hào)通路治療骨質(zhì)疏松[16]。

糖皮質(zhì)激素可向下調(diào)骨蛋白（OPG）和向上調(diào)節(jié)核因子Kappa-+配體（RANKL）的受體活化劑（RANKL），通過改變RANKL/OPG 軸引起骨質(zhì)疏松。除此之外，糖皮質(zhì)激素可以通過下調(diào)RunX2 抑制間質(zhì)干細(xì)胞的骨質(zhì)分化，通過引起氧化應(yīng)激加速骨細(xì)胞凋亡，導(dǎo)致骨細(xì)胞增殖抑制[17]，而姜黃素能夠調(diào)控OPG/RANKL 信號(hào)通路，增加其BMD、改善骨小梁微結(jié)構(gòu)、抑制骨吸收[13]。

基質(zhì)金屬蛋白酶-9（MMP-9）是一種依賴鋅的內(nèi)含酶，在骨生物學(xué)中，MMP-9 是由骨細(xì)胞產(chǎn)生，在細(xì)胞外基質(zhì)的降解中起著重要作用。研究還發(fā)現(xiàn)[18]，MicroRNA（miR）-365 是MMP-9的調(diào)節(jié)器，可能與糖皮質(zhì)激素引起的繼發(fā)性骨質(zhì)疏松癥有關(guān)，通過姜黃素治療可以抑制MMP-9 在GIOP 小鼠頭骨中的表達(dá)，進(jìn)而激活miR-365，對(duì)GIOP 小鼠骨質(zhì)惡化起到保護(hù)作用。

3 老年癡呆性骨質(zhì)疏松鼠動(dòng)物模型

老年性癡呆癥又稱阿爾茨海默?。ˋlzheimer disease，AD）是臨床上最為常見的老年性疾病，其合并骨質(zhì)疏松發(fā)生比例較高。β-淀粉樣蛋白（Aβ）、APOE4、維生素K 和維生素D 可能是老年癡呆和骨質(zhì)疏松相互聯(lián)系的重要因素[19]。APP/PS1（β 淀粉樣蛋白前體蛋白/早老素1）轉(zhuǎn)基因鼠大腦皮質(zhì)內(nèi)含有類似于AD 患者腦內(nèi)的Aβ 老年斑，是AD 研究領(lǐng)域的最佳動(dòng)物模型[20]。研究發(fā)現(xiàn)[21]，APP/PS1 轉(zhuǎn)基因組小鼠脛骨近端骨微結(jié)構(gòu)、骨密度參數(shù)與野生型小鼠相比存在明顯的差異，APP/PS1 轉(zhuǎn)基因組小鼠更易患骨質(zhì)疏松，應(yīng)用姜黃素治療后，APP/PS1 轉(zhuǎn)基因組小鼠骨微結(jié)構(gòu)的明顯改善，骨密度增加，推測(cè)可能機(jī)制是姜黃素能夠減少Aβ，調(diào)節(jié)免疫功能，抑制炎癥因子的釋放，進(jìn)而通過治療AD，達(dá)到防治老年癡呆性骨質(zhì)疏松的目的。Wnt/β-catenin 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路是一種重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，可調(diào)節(jié)包括細(xì)胞生存在內(nèi)的許多細(xì)胞過程，可抑制淀粉樣蛋白-β的產(chǎn)生，在Alzheimer disease 和骨質(zhì)疏松的發(fā)病過程中起著重要的作用[22]，姜黃素可能通過調(diào)控Wnt/β-catenin信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路治療骨質(zhì)疏松。除此之外，在AD 轉(zhuǎn)基因小鼠模型體外和體內(nèi)檢測(cè)均顯示骨組織中Aβ 表達(dá)增強(qiáng)，同時(shí)骨髓腔內(nèi)脂肪組織形成增加，同樣在人椎體小梁骨標(biāo)本中發(fā)現(xiàn)信使RNA，Aβ42 和APP的表達(dá)明顯增加，而Aβ的增加骨密度的變化存在一定的相關(guān)性，其可能原因是異常表達(dá)的Aβ 沉積似乎會(huì)干擾RANKL 信號(hào)級(jí)聯(lián)，進(jìn)而影響骨形成和骨吸收之間的平衡，導(dǎo)致骨質(zhì)疏松[23]。可見除了炎性因子，Aβ 在老年癡呆性骨質(zhì)疏松發(fā)病過程中同樣起到至關(guān)重要的作用。姜黃素對(duì)APP/PS1 轉(zhuǎn)基因組小鼠體內(nèi)炎性因子和Aβ 都有一定清除作用，這可能是姜黃素治療老年癡呆性骨質(zhì)疏松的主要機(jī)制，但還有待進(jìn)一步研究。

4 廢用性骨質(zhì)疏松鼠動(dòng)物模型

廢用性骨質(zhì)疏松癥（disuse osteoporosis，DOP）是由于機(jī)械應(yīng)力刺激減少所引發(fā)，以骨量丟失為主要特征且易發(fā)生骨折的疾病，屬繼發(fā)性骨質(zhì)疏松的一種。大鼠尾巴懸吊模型即后肢懸浮模型，該模型由美國宇航局建立，被世界公認(rèn)為模擬骨丟失的有效廢用性骨質(zhì)疏松模型[24]。目前對(duì)廢用性骨質(zhì)疏松防治藥物主要以西藥為主，但因副作用大、價(jià)格昂貴、藥效不持久，使人們不得不尋找新的藥物替代，中醫(yī)藥現(xiàn)在已經(jīng)成為國內(nèi)骨科界研究的重點(diǎn)方向。黑木耳肽-鈣復(fù)合物（AP-Ca）具有抑制廢用性骨質(zhì)疏松癥引起的骨丟失的潛力，對(duì)廢用性骨質(zhì)疏松癥引起的骨質(zhì)丟失具有保護(hù)作用，為患者和宇航員減少廢用性骨質(zhì)疏松癥的風(fēng)險(xiǎn)提供了新的選擇[24]。李凱等[25]研究發(fā)現(xiàn)，葛根素對(duì)DOP 大鼠模型具有防治作用且效果良好，其作用機(jī)制可能與促進(jìn)骨形成和抑制骨吸收有關(guān)。而對(duì)于姜黃素的治療近幾年研究較少，姜黃素可大大改善吊尾大鼠引發(fā)的骨質(zhì)丟失，其機(jī)制主要與其抑制氧化應(yīng)激作用有關(guān)，而增加維生素D 受體（VDR）的表達(dá)也可能是其中一個(gè)原因[16]。廢用性骨質(zhì)疏松有關(guān)的信號(hào)通路包括RANKL/RANK/OPG 通路、Wnt/β-catenin 通路、PPAR-γ 通路以及戊糖分流通路等[26]，姜黃素對(duì)其中的一些信號(hào)通路的調(diào)控可影響其他類型的骨質(zhì)疏松，但是否適用于廢用性骨質(zhì)疏松，還有待進(jìn)一步研究。

5 糖尿病性骨質(zhì)疏松鼠動(dòng)物模型

糖尿病性骨質(zhì)疏松是一種由糖尿病誘發(fā)的慢性骨代謝疾病，約1/2～2/3的糖尿病患者伴有骨強(qiáng)度的下降，其中有近1/3的患者可診斷為骨質(zhì)疏松。有研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病大鼠[27]和糖尿病絕經(jīng)期婦女[28]骨組織中組織蛋白酶K（Cathespin K）的表達(dá)水平明顯升高，從而促進(jìn)破骨細(xì)胞的活化和骨吸收增強(qiáng)。因此，Cathespin K 在糖尿病性骨質(zhì)疏松的發(fā)生和發(fā)展過程中有重要的作用。馬如風(fēng)等[29]研究結(jié)果表明，姜黃素能夠明顯抑制股骨和脛骨組織中Cathespin K的蛋白表達(dá)水平，進(jìn)而保護(hù)高脂誘發(fā)的骨質(zhì)惡化。Hie M 等[30]用鏈脲霉素誘導(dǎo)大鼠糖尿病模型并補(bǔ)充姜黃素，8 d 后獲得骨髓細(xì)胞并體外培養(yǎng)，其中糖尿病組大鼠骨髓細(xì)胞形成抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）（+）細(xì)胞的能力更強(qiáng)。而補(bǔ)充姜黃素可降低TRAP（+）細(xì)胞數(shù)量至接近對(duì)照組水平。結(jié)果表明姜黃素通過抑制糖尿病大鼠細(xì)胞內(nèi)c-fos 蛋白和c-jun蛋白表達(dá)，從而抑制激活蛋白-1（activator protein-1，AP-1）表達(dá)，降低破骨細(xì)胞前體數(shù)量，從而抑制骨吸收活性的增加。

轉(zhuǎn)化生長因子-β1（TGF-β1）由成骨細(xì)胞分泌，促進(jìn)成骨細(xì)胞分化，抑制骨細(xì)胞活性[31]。研究發(fā)現(xiàn)[32]，2 型糖尿病大鼠在骨骼受損時(shí)表現(xiàn)出較低的TGF-β1表達(dá)；然而，增加TGF-β1水平可起到保護(hù)骨骼的作用，因?yàn)樗蓽p緩骨質(zhì)流失和延遲糖尿病損傷。應(yīng)用姜黃素治療糖尿病大鼠可增加骨組織中TGF-β1mRNA 表達(dá)，并促進(jìn)了Smad2/3 磷酸化，表明姜黃素的影響可以通過TGF-β/Smad2/3 通路激活介導(dǎo)，改善骨生物力學(xué)特性[33]。

6 總結(jié)

姜黃素對(duì)原發(fā)和繼發(fā)性骨折疏松都有一定的治療作用，其作用機(jī)制包括姜黃素抗炎，抗氧化的藥理作用，對(duì)β-catenin、Bax/Bcl-2、c-fos、c-jun、Aβ 等蛋白和Cathespin K、EZH2、MMP-9 等酶類的調(diào)控，以及 對(duì) NF -κB、OPG/RANKL、FoxO3a/Wnt、Wnt/β -catenin、TGF-β/Smad2/3 等信號(hào)通路的調(diào)控，從而影響體內(nèi)破骨細(xì)胞及成骨細(xì)胞的含量，維持骨重塑的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，治療骨質(zhì)疏松。近年來，雖然姜黃素這些藥理作用以及姜黃素的有效性和安全性得到了多方證實(shí)，但是其較差的生物利用度仍是目前制約其應(yīng)用的主要問題。更多骨質(zhì)疏松動(dòng)物模型的建立，以及姜黃素進(jìn)一步藥理機(jī)制的研究，將為開發(fā)防治骨質(zhì)疏松的臨床藥物奠定理論基礎(chǔ)，相信不久的將來姜黃素的應(yīng)用前景會(huì)更加廣闊。