元寶華 裴文麗 李興勇 張東鵬 史曉偉 劉曉婷 楊琛 魏曉濤 齊鑫

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué),甘肅 蘭州 730030 2.甘肅省中醫(yī)院,甘肅 蘭州 730030 3.甘肅省人民醫(yī)院,甘肅 蘭州 730030

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis,OP)是一種代謝性骨病,其特征是骨組織的微觀結(jié)構(gòu)遭到破壞,表現(xiàn)為骨小梁變稀疏,骨密度降低和骨皮質(zhì)變薄,導(dǎo)致骨強(qiáng)度受損和骨折風(fēng)險增加。常見的相關(guān)危險因素包括年齡、性別、鈣和維生素D攝入量低、長期缺少體力活動和雌激素缺乏等[1]。全世界每年大約有900萬例OP或脆性(低創(chuàng)傷)骨折。據(jù)統(tǒng)計在我國40歲以上中老年女性群體中OP的患病率約為20.6%[2]。OP已成為世界首要的公共衛(wèi)生問題之一,然而OP的發(fā)病機(jī)制到現(xiàn)在仍然還沒有被完全揭示,目前尚無用于OP臨床治療的特異性藥物。

姜黃素(curcumin,Cur)是姜黃根中提煉出的一種天然多酚物質(zhì),姜黃在我國是一味治療風(fēng)濕痹證的中藥,在印度則是一種常用香料,目前已被廣泛用作食品添加劑,食品色素和調(diào)味料。Cur具有多種藥理特性,如抗氧化、降血糖、抗癌和抗炎等特性,在糖尿病、骨質(zhì)疏松、阿爾茲海默癥、帕金森病、心血管疾病、多囊卵巢綜合征和許多癌癥的治療中應(yīng)用廣泛[3]。近年來的研究表明Cur通過調(diào)控多種蛋白、酶以及信號通路促進(jìn)骨的形成并抑制骨的吸收,從而達(dá)到治療和預(yù)防OP的效果,其過程復(fù)雜繁瑣,涉及的蛋白或信號通路多有交互[4]。本文依據(jù)近些年關(guān)于Cur防治OP的報道,從信號通路和特殊蛋白兩個方面對Cur防治OP的作用機(jī)制綜述,姜黃素的分子結(jié)構(gòu)式如圖1所示。

圖1 姜黃素的分子結(jié)構(gòu)式

1 Cur通過信號通路干預(yù)OP

1.1 Wnt/β-catenin信號通路

Wnt/β-catenin信號通路參與包括骨骼組織在內(nèi)的眾多組織的生長發(fā)育過程,是骨形成中的一條關(guān)鍵信號通路[5]。Wnt/β-catenin信號通路被激活后可以促進(jìn)其下游靶標(biāo)Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(Runx2)的表達(dá),Runx2是一種骨形成不可或缺的轉(zhuǎn)錄因子,可促使骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)向成骨細(xì)胞(osteoblast,OB)的分化,促進(jìn)骨的形成。Wnt/β-catenin信號通路還可以誘導(dǎo)骨保護(hù)蛋白(OPG)的表達(dá),抑制破骨細(xì)胞(osteoclast,OC)分化,減少骨吸收[6]。Chen等[7]發(fā)現(xiàn)糖皮質(zhì)激素(GC)誘導(dǎo)的骨質(zhì)疏松模型大鼠的Wnt/β-連環(huán)蛋白的mRNA表達(dá)水平顯著下調(diào),使用Cur干預(yù)后可以顯著增加血清骨鈣素水平(OCN)并降低了Ⅰ型膠原C端肽(CTX),并上調(diào)了堿性磷酸酶(ALP)、Runx2和成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子(Osx)轉(zhuǎn)錄因子的mRNA表達(dá)水平,細(xì)胞中的ALP(早期成骨細(xì)胞分化的標(biāo)志物)和OCN(晚期成骨細(xì)胞分化的標(biāo)志物)是骨形成的標(biāo)志,CTX被稱為骨吸收的標(biāo)志物。β-連環(huán)蛋白的核內(nèi)染色得到恢復(fù),被抑制的Wnt/β-catenin信號通路也被重新激活,Cur促進(jìn)了原代成骨細(xì)胞的分化和成熟并提高了其活力(圖2)。

圖2 姜黃素調(diào)控Wnt/β-catenin信號通路

1.2 Akt/GSK3β信號通路

糖原合酶激酶3β(GSK3β)通過激活半胱天冬酶-3(Caspase-3)和促進(jìn)線粒體釋放細(xì)胞色素c來介導(dǎo)氧化應(yīng)激(oxidative stress,OS)誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡,而蛋白激酶B(Akt)活化后可降低GSK3β的磷酸化水平,抑制GSK3β參與的細(xì)胞凋亡[13]。同時Akt使GSK-3β ser9位點磷酸化防止非特異性線粒體通透性過渡孔(MPTP)的打開,抑制MPTP 介導(dǎo)的線粒體功能障礙和細(xì)胞凋亡[14]。Dai等[15]證明了Akt/GSK3β信號通路參與H2O2誘導(dǎo)的OB凋亡,而Cur干預(yù)后不僅顯著增強(qiáng)了Akt的磷酸化,還增強(qiáng)了Ser9處GSK3β的磷酸化,同時細(xì)胞色素c、Caspase-3、磷酸化的GSK3β和線粒體ROS水平也明顯降低,線粒體的膜電位也得到明顯改善。趙容山等[16]通過Cur干預(yù)H2O2處理過的大鼠成骨細(xì)胞的實驗研究,發(fā)現(xiàn)1.25～5 μoml/L濃度的Cur可以促進(jìn)礦化鈣結(jié)節(jié)形成,并且過氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和ALP的水平增加。因此一方面Cur可能通過自身直接中和多余的活性氧(ROS)和上調(diào)內(nèi)源性抗氧化酶如SOD、CAT來預(yù)防減輕線粒體功能障礙,另一方面Cur會激活A(yù)kt/GSK3β信號通路,防止線粒體功能障礙和抑制細(xì)胞凋亡。故而Cur可以減輕OS誘導(dǎo)的OB凋亡,促進(jìn)骨分化形成,增強(qiáng)骨質(zhì)強(qiáng)度,繼而改善OP的癥狀(圖2)。

1.3 GSK3β/Nrf2信號通路

GSK-3β磷酸化核紅細(xì)胞2相關(guān)因子(Nrf2),導(dǎo)致Nrf2從細(xì)胞核中排除并促進(jìn)Nrf2泛素化,Nrf2是調(diào)節(jié)OS的重要轉(zhuǎn)錄因子之一,通過激活抗氧化基因,減少ROS導(dǎo)致的細(xì)胞損傷,使細(xì)胞處在一個穩(wěn)定的狀態(tài)。Nrf2的缺失會提高成骨細(xì)胞中的細(xì)胞內(nèi)ROS水平,加重OS誘導(dǎo)的OB功能障礙,Nrf2還可以正向調(diào)節(jié)Runx2的表達(dá),促進(jìn)骨形成。Nrf2在維持成骨細(xì)胞功能方面的重要作用已得到廣泛認(rèn)可,因此 Nrf2被認(rèn)為是減緩骨退行性疾病進(jìn)展的新靶點[17]。Li等[18]在檢測H2O2誘導(dǎo)的MC3T3-E1細(xì)胞氧化損傷模型時發(fā)現(xiàn)H2O2可以使得ALP、OCN、Runx2、Nrf2表達(dá)量降低,而P-GSK3β的顯著增高,因此GSK3β/Nrf2信號通路參與H2O2-誘導(dǎo)MC3T3-E1細(xì)胞中的細(xì)胞凋亡和ROS生成。Cur可以顯著緩解H2O2誘導(dǎo)的胞質(zhì)ROS水平,抑制內(nèi)源性ROS的產(chǎn)生,Cur也可以減緩OS對GSK3β/Nrf2信號通路的抑制作用,Cur通過GSK3β-Nrf2信號傳導(dǎo)保護(hù)成骨細(xì)胞免受OS誘導(dǎo)的功能障礙,并為OP的臨床治療提供一種新的治療方案,但還需要進(jìn)一步的體內(nèi)研究以驗證Cur對骨質(zhì)疏松癥的預(yù)防作用并證實GSK3β/Nrf2單一途徑的作用(圖3)。

圖3 姜黃素調(diào)控Akt/GSK3β/Nrf2信號通路

1.4 TGFβ1/Smad2/3信號通路

轉(zhuǎn)化生長因子β(TGFβ)是骨重塑動態(tài)平衡過程中的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,OB分泌的TGFβ1可以在促進(jìn)OB的分化同時又可以抑制OC的活性。TGFβ1和細(xì)胞膜上的受體TGF-βR結(jié)合后誘導(dǎo)一組被稱為Smads(主要是Smad2和Smad3)的細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子的磷酸化,繼而和Smad4耦合成三聚體復(fù)合物進(jìn)入細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄翻譯,調(diào)節(jié)細(xì)胞分化、凋亡、增值[19]。2型糖尿病骨質(zhì)疏松癥(T2DOP)模型大鼠TGFβ1表達(dá)較低,增加TGFβ1可以抑制骨質(zhì)的流失同時減輕高糖狀態(tài)下的細(xì)胞損傷,因此TGFβ1可能是治療T2DOP最有希望的治療靶點之一[20]。Liang等[21]在Cur干預(yù)T2DOP大鼠模型的實驗研究中發(fā)現(xiàn)Cur不僅增加大鼠的體重還可降低血脂和血糖水平,升高OCN的同時并降低CTX-I的水平,改善大鼠的骨生物力學(xué)特性并保護(hù)骨骼微結(jié)構(gòu),Cur顯著提高了TGFβ1、TGFβ 受體(TβRI、TβRII)和Smad2/3 mRNA表達(dá)水平,因此抑制了破骨細(xì)胞的功能,減緩骨質(zhì)流失并延緩糖尿病損傷,Cur具有同時治療糖尿病和OP的臨床價值(圖4)。

圖4 姜黃素調(diào)控 TGFβ1/Smad2/3信號通路

1.5 NF-κB信號通路

核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)不僅在炎癥和腫瘤促進(jìn)中起關(guān)鍵作用,而且在骨骼穩(wěn)態(tài)中也起著至關(guān)重要的作用。OS以及其他細(xì)胞因子激活NF-κB后繼而促進(jìn)腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白介素-6(IL-6)等相關(guān)炎癥過度表達(dá)[22]。TNF-α與TNF-α受體(TNFR)結(jié)合后,促使RANKL分泌增多,導(dǎo)致破骨細(xì)胞的增殖與分化,TNFα也通過Smad或Smad非依賴機(jī)制抑制骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)誘導(dǎo)的OB分化,TNF-α還可以刺激OC分泌IL-6,IL-6促進(jìn)OC前體的分化與成熟,促進(jìn)骨吸收。然而TNF-α可以激活NF-κB通路加速骨質(zhì)的流失形成一個惡性循環(huán)[23]。糖尿病高糖狀態(tài)可誘導(dǎo)NF-κB過度活化,從而抑制BMSCs介導(dǎo)骨再生和血管生成[24],Fan等[25]首次證明Cur對BMSCs成骨分化和BMSCs介導(dǎo)的血管生成的影響至少是部分通過抑制高葡萄糖激活的NF-κB通路來實現(xiàn)。謝亞佳等[26]檢測高糖環(huán)境下BMSCs的相關(guān)指標(biāo)時發(fā)現(xiàn)NF-κB p65核蛋白表達(dá)增多,Runx2、OCN的mRNA表達(dá)顯著降低。而Cur可增加高糖環(huán)境下BMSCs成骨相關(guān)基因表達(dá),說明Cur可以通過抑制因高糖條件激活的NF-κB通路從而使已經(jīng)受損的BMSCs的成骨分化能力得到部分恢復(fù)。劉海洋等[27]發(fā)現(xiàn)Cur使去勢骨質(zhì)疏松大鼠骨組織NF-κB、TNF-α、IL-6 mRNA和蛋白表達(dá)下調(diào),增加骨質(zhì)疏松大鼠骨密度。楊青坡等[28]通過Cur聯(lián)合有氧運動干預(yù)雙側(cè)卵巢誘導(dǎo)法建立OP的模型大鼠,發(fā)現(xiàn)NF-κB mRNA水平降低,促進(jìn)骨小梁再生,提高骨密度。Cur可以通過抑制高葡萄糖激活的NF-κB信號通路,增強(qiáng)BMSCs介導(dǎo)的高葡萄糖微環(huán)境中的成骨和血管生成耦合。因此Cur在糖尿病骨質(zhì)疏松癥和絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥的治療中具有很大的前景。

1.6 OPG/RANKL/RANK信號通路

OPG/RANKL/RANK信號通路可以調(diào)控OC生成從而抑制骨質(zhì)流失促進(jìn)骨形成,在OP的發(fā)展中具有重要作用[8]。OB分泌的核因子κB受體活化因子配體(RANKL)和OC前體細(xì)胞中表達(dá)的核因子κB受體活化因子(receptor activator of nuclear factor-κB,RANK)結(jié)合,可刺激OC的增殖和分化,從而促進(jìn)骨質(zhì)吸收。而骨保護(hù)素(OPG)主要來源于OB,OPG與RANKL結(jié)合阻止了RANKL/RANK這條誘導(dǎo)OC的增殖與分化通路的激活,從而實現(xiàn)對骨吸收的抑制作用[9]。張慶剛等[10]研究發(fā)現(xiàn)去勢骨質(zhì)疏松模型大鼠的骨小梁數(shù)量、骨密度(BMD)、骨小梁厚度、OPG蛋白和OPG mRNA的表達(dá)量均明顯下降,同時RANKL蛋白、骨小梁分離度及RANKL mRNA的表達(dá)量明顯上升,在Cur干預(yù)后上述指標(biāo)明顯得到逆轉(zhuǎn),且逆轉(zhuǎn)程度對Cur的劑量成正比,提示在一定劑量范圍內(nèi)Cur能正比性地改善大鼠的BMD,從而抑制骨吸收。Chen等[11]和許東亮等[12]的研究也有類似結(jié)果,說明Cur通過調(diào)控OPG/RANKL/RANK信號通路抑制骨的吸收,改善骨骼微觀結(jié)構(gòu),加強(qiáng)骨骼強(qiáng)度。

2 Cur通過特殊蛋白干預(yù)OP

2.1 EZH2

組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶(EZH2)在調(diào)節(jié)BMSCs的成骨分化中起重要作用,EZH2的降低會抑制BMSCs的成脂分化,并在OP期間增加了骨形成[29]。EZH2通過增加Wnt基因(Wnt1、Wnt6和Wnt10a)啟動子甲基化水平來遺傳沉默Wnt,隨后抑制Wnt/β-連環(huán)蛋白信號通路導(dǎo)致成骨減少,EZH2也可使Runx2的下游靶基因如骨橋蛋白(OPN)和OCN的啟動子三甲基化,導(dǎo)致基因表達(dá)抑制,骨形成降低[30]。蔣琪等[31]在卵巢摘除形成的去勢骨質(zhì)疏松模型大鼠檢測到EZH2表達(dá)增高,OB分化減少OC激活增多,骨骼的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生破環(huán),而在Cur干預(yù)后發(fā)現(xiàn),去勢骨質(zhì)疏松大鼠的骨微結(jié)構(gòu)得到改善,骨密度和ALP增加,且骨組織中的EZH2 mRNA水平顯著下調(diào)。Jiang等[32]在去勢骨質(zhì)疏松大鼠模型使用Cur介入干預(yù)后發(fā)現(xiàn)Cur抑制了大鼠下頜骨和股骨中的EZH2 mRNA水平并提高了β-連環(huán)蛋白和Runx2的水平,從而促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化。

2.2 FOXO3a

叉頭框蛋白O3a(FOXO3a)在過多的ROS的環(huán)境下可以抑制Wnt/β-連環(huán)蛋白信號通路,控制OB增殖、分化和礦化,同時上調(diào)的FoxO3a又可促進(jìn)OS加重,使OS誘導(dǎo)的OB功能障礙加劇,形成惡性循環(huán)[33]。楊青坡等[34]通過研究Cur干預(yù)去勢骨質(zhì)疏松大鼠模型,實驗結(jié)果表明Cur可以使大鼠骨組織中FoxO3a蛋白表達(dá)降低,同時β-catenin蛋白和Axin2基因的表達(dá)增高,說明Cur可降低FoxO3a轉(zhuǎn)錄活性,抑制解除Wnt通路,然而Cur降低FoxO3a蛋白的分子機(jī)制還需要進(jìn)一步實驗研究。

2.3 MMP-9

基質(zhì)金屬蛋白酶-9(MMP-9)又叫明膠酶B,是一類屬于鋅-金屬蛋白酶家族的酶,參與各種生理和生化過程,包括正常生理過程(如胚胎發(fā)育、繁殖、血管形成、骨骼發(fā)育、傷口愈合、細(xì)胞遷移)和病理過程的細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)降解,骨細(xì)胞的ECM降解是骨疾病誘導(dǎo)正常骨重塑和骨吸收的關(guān)鍵過程[35]。Li等[36]在Cur干預(yù)糖皮質(zhì)激素性骨質(zhì)疏松(GIOP)小鼠模型實驗中發(fā)現(xiàn)GIOP小鼠體內(nèi)RANKL和MMP-9的表達(dá)水平增高,組織蛋白酶K(CTSK)作為MMP-9的激活劑在OC和滑膜成纖維細(xì)胞中也大量表達(dá),然而使用Cur干預(yù)后RANKL、MMP-9和CTSK的水平降低,同時miR-365的水平升高,GIOP小鼠骨微結(jié)構(gòu)得到改善。因此Cur可以顯著改善GIOP小鼠的骨骼惡化,并且潛在機(jī)制至少部分是通過抑制MMP-9激活miR-365來介導(dǎo)的。

2.4 CCL3

巨噬細(xì)胞炎性蛋白1-α也被稱為趨化因子細(xì)胞因子配體3(CCL3),是一種重要的趨化因子,可以促使以骨髓來源巨噬細(xì)胞(BMM)形式存在的破骨細(xì)胞前體(OCP)發(fā)生遷移,CCL3還可以促進(jìn)OC的融合與分化[37-38]。Liang等[39]研究發(fā)現(xiàn)RANKL可以促進(jìn)CCL3的產(chǎn)生,CCL3有助于細(xì)胞分化早期的破骨形成。而Cur在有或沒有RANKL的情況下可以減少OCP中CCL3的產(chǎn)生,還可以抑制CCL3誘導(dǎo)的OCP遷移,從而抑制了破骨細(xì)胞的形成。從細(xì)胞遷移的角度證明了Cur調(diào)控破骨細(xì)胞的新機(jī)制,為OP預(yù)防治療策略提供了新的方向。

2.5 IGF-1和IGFBP-1

胰島素樣生長因子-1(IGF-1)是骨細(xì)胞生長最關(guān)鍵的影響因子之一,IGF-1可介導(dǎo)骨重塑并誘導(dǎo)BMSCs的分化、吸收和骨形成,血清IGF-1蛋白的降低與骨質(zhì)疏松癥有顯著關(guān)系。胰島素樣生長因子結(jié)合蛋白(IGFBP)通過抑制或促進(jìn) IGF生物活性來改變 IGF 作用,同時BMD與刺激性IGF系統(tǒng)成分(IGF-1、IGFBP-3和IGFBP-5)呈正相關(guān),與抑制性IGF系統(tǒng)成分(IGFBP-1和IGFBP-4)呈負(fù)相關(guān)[40]。在一項關(guān)于老年婦女的研究調(diào)查中發(fā)現(xiàn)血清IGFBP-1水平越高 越容易發(fā)生骨質(zhì)疏松性骨折,因此說明IGFBP-1在骨代謝具有重要作用[41]。王銅浩等[42]研究發(fā)現(xiàn)非酒精性脂肪肝(NAFLD)小鼠模型肝纖維化可出現(xiàn)明顯骨量丟失,同時IL-6、TNF-α、IGFBP-1水平明顯上升IGF-1下降。給與Cur干預(yù)后上述指標(biāo)出現(xiàn)逆轉(zhuǎn),而且谷丙轉(zhuǎn)氨酶(ALT)、三酰甘油(TG)和膽固醇(CHOL)水平也得到降低,脂肪聚集減少,骨骨骼微觀結(jié)構(gòu)得到改善。目前NAFLD纖維化后發(fā)生OP的相關(guān)機(jī)理尚不清楚,而IGF-1、IGFBP-1扮演了重要角色。因此Cur有可能成為NAFLD纖維化期骨質(zhì)疏松潛在的治療藥物,同時也為NAFLD和OP兩種普遍且相互關(guān)聯(lián)的疾病提供新的治療選擇。

3 納米搭載平臺技術(shù)的應(yīng)用

Cur及其衍生物固有的物理化學(xué)特性(例如水溶性差、化學(xué)不穩(wěn)定、生物利用度低、光降解、新陳代謝快和半衰期短)限制了其醫(yī)學(xué)重要性[43]。納米搭載平臺技術(shù)主要以納米顆粒、納米凝膠、膠束、脂質(zhì)體等技術(shù)手段為載體,改善Cur的藥代動力學(xué),促進(jìn)藥物向靶標(biāo)部位的傳遞提高載藥量,使Cur的療效最大化[44]。金屬-Cur復(fù)合物兼具金屬離子和Cur二者的優(yōu)點,并增強(qiáng)抗氧化活性、抑制炎癥的能力,鐵-Cur提高抗氧化活性[45],鋅-Cur復(fù)合物可抑制NF-κB、TGF-β1、IL-8、TNF-α和IL-6,鑭-Cur復(fù)合物和金-Cur復(fù)合物可以抑制破骨細(xì)胞分化標(biāo)志物,因此金屬-Cur復(fù)合物可能是預(yù)防和治療骨質(zhì)疏松癥的有用藥物。介孔二氧化硅納米顆粒(MSN)是有前景的藥物輸送系統(tǒng),搭載Cur可以改變Cur的藥代動力學(xué),改善藥物向靶標(biāo)位置的遞送,提高載藥量,使Cur的療效最大化[46]。納米技術(shù)搭載平臺聯(lián)合Cur在OP的防治中發(fā)揮重要的作用,具有很大的應(yīng)用前景,但仍然有很長的路要走。

4 小結(jié)

OP以老年人和絕經(jīng)后婦女尤為多見,也可見于糖尿病患者和NAFLD纖維化期的患者。目前OP的相關(guān)發(fā)病機(jī)制尚未研究透徹,可供選擇的治療方案較少,對于伴有慢性基礎(chǔ)病的OP患者達(dá)不到兩者兼顧的治療效果,因此需要新型藥物來填補(bǔ)這方面的空白,為OP患者的治療帶來福音。

研究發(fā)現(xiàn)Cur通過多個信號通路和特殊蛋白在OP的防治中發(fā)揮作用,主要通過Wnt/β-catenin、TGFβ1/Smad2/3、GSK3β/Nrf2、OPG/RANKL/RANK、Akt/GSK3β和NF-κB等6個信號通路以及 EZH2、FOXO3a、MMP-9、CCL3、IGF-1和IGFBP-1等特殊蛋白、酶來促進(jìn)成骨或抑制破骨,從而改善骨質(zhì)疏松癥狀。然而目前相關(guān)研究大部分都是以動物實驗為主,缺少大量臨床觀察,因此還需要更多相關(guān)試驗來發(fā)現(xiàn)并驗證Cur治療OP更詳細(xì)的作用機(jī)制并確定治療OP的最佳劑量。同時Cur需要新型的藥物開發(fā)技術(shù)來大幅度改善Cur的藥學(xué)性質(zhì),增加治療效果,未來新型藥學(xué)技術(shù)也可以Cur為試驗平臺來檢驗其有效性,繼而推廣應(yīng)用到其他藥物的后續(xù)改進(jìn)中。Cur未來可能有望成為預(yù)防和治療原發(fā)性和繼發(fā)性O(shè)P的潛在藥物。