雷宁波 闫文 谢兴文 于文霞 李文广 马成 顾玉彪* 张磊*

1.甘肃省中医院,甘肃 兰州 730050

2.甘肃中医药大学,甘肃 兰州 730000

3.甘肃中医药大学附属医院,甘肃 兰州 730000

骨关节炎(osteoarthritis,OA)是一种慢性退行性骨关节疾病,影响着世界上数百万人。研究表明,大约6%的30岁以上成年人会患OA,而80%的70岁以上的人一直经历着OA带来的危害[1]。OA的临床特征多表现为关节疼痛、僵硬和不同程度的功能障碍。大多数研究学者发现,年龄、性别、肥胖、创伤和遗传等因素都是导致OA形成及进展的原因[2]。近年来研究发现,关节软骨的破坏可能是OA的主要发病机制[3],它是由于软骨细胞外基质(extracellular matrix,ECM)的降解导致OA的形成及发展。研究发现,软骨ECM的降解主要由于基质金属蛋白酶[4](matrix metalloproteinase,MMPs)及一种以血栓反应蛋白为基序的解整合素和金属蛋白酶[5](a thrombospondin-motif-motifed disintegrin and metalloprotease,ADAMTs)为主的蛋白酶组成。在OA的进展中,软骨ECM的降解可分为两个阶段,在降解早期,ADAMTs和MMP-13在促炎细胞因子的存在下消化ECM[6];在代偿性生物合成阶段,软骨细胞将增殖以修复受损的软骨ECM,一旦代偿被促炎细胞因子破坏,软骨的侵蚀将随之加速,因此软骨降解在OA中起着重要作用[7]。软骨细胞负责合成软骨ECM的主要成分并维持软骨的稳态,软骨ECM的结构和组织是软骨正常功能的主要决定因素,大多数涉及软骨的疾病导致软骨ECM的剧烈变化,这些变化可以促进疾病的进展。传统医学研究认为,OA属于“骨痹”的范畴[8],引起OA的病因多属于外邪侵扰人体筋骨关节,导致机体内气血运行不畅、气滞血瘀等,导致肢体关节疼痛及不同的功能障碍[9]。中药作为传统医学最主要的分支,对于OA的防治具有重要的作用,因此,本文将阐述中药在抑制软骨ECM方面的作用机理,为中药干预软骨ECM降解及防治OA提供理论依据。

1 细胞外基质

细胞外基质是由相互作用的蛋白质、糖蛋白和蛋白聚糖组成的组织特异性混合物,是细胞微环境的非细胞成分,为组织提供结构网络和支架[10-12]。在机体内,ECM除了有助于组织形状和生物力学,还可以介导生长、发育和结缔组织重塑和修复等重要方面[13]。研究发现,ECM以其大量不同的大分子组成细胞的4个微环境,为细胞提供机械和结构上的支持[14]。ECM通过整合素等及细胞受体如透明质酸受体发挥作用,ECM大分子与细胞之间的相互作用是个体发生、伤口愈合和组织稳态的基础[15-16]。多项研究表明,几乎所有的疾病都与ECM结构的某些改变、ECM代谢的紊乱或ECM细胞信号转导的紊乱有关[17-18]。ECM作为一个高度复杂以及动态的结构网络,可通过多种不同的基质降解酶介导,进而不断发生重构[19]。在大多数组织中,Ⅰ型胶原和软骨中的Ⅱ型胶原作为ECM的主要成分,与其他胶原蛋白及ECM蛋白相关联,构建大的纤维结构[20],这些多分子结构通过与ECM分子相互连接又相互关联,进一步构成复杂的三维矩阵网络[21]。

ECM在机体内可按照组成和结构分为两种类型,包括间质基质和细胞周围基质[22-24]。ECM的细胞通过整合素、盘状蛋白结构域受体等相互作用,进而发挥其相关功能[25-27]。许多综合征和病理/致死条件也是由ECM的异常引起,这些异常使ECM分子成为靶向药物治疗的潜在靶点[28]。越来越多的证据表明ECM通过维持代谢平衡、强度和弹性以及影响细胞生长和分化来协调细胞环境[29-31],通过多种方式调节ECM的结构和性质。病理条件下,ECM发生了显著的改变,导致纤维化基质的形成,随着蛋白水解酶的释放,导致ECM的异常重塑[32]。通过对正常组织和病理组织的研究,发现ECM蛋白水解和ECM积累可能在发育和疾病状态中起着显著的作用[33-34],因此笔者将着重探讨ECM的降解与OA的相关性。

2 软骨ECM降解促进OA的形成及进展

软骨ECM具有独特的结构和组成,这种独特性就决定了其在人体组织中的特殊性,关节软骨ECM主要由水、Ⅱ型胶原、蛋白聚糖等组成[35]。在健康的关节软骨中,ECM维持在缓慢、持续的周转状态,这种状态通常被描述为ECM合成和降解的总体合成代谢和分解代谢活动的平衡状态[36]。在病理条件如OA形成时,软骨ECM表现出机械功能的变化,这与其分解代谢活动增加和关节炎症反应有关[37-38]。最常见的病理改变主要是纤维形成的Ⅱ型软骨胶原(COL2A1)的杂合结构突变,可导致包括Ⅱ型软骨形成、膝关节发育不良和早发性关节炎等疾病[39]。

ECM的降解通过改变软骨的生物力学特性,进一步导致生物力学负荷的改变和ECM的重塑以及关节软骨的组织结构改变。因此,OA主要以关节软骨破坏为特征。然而,对膝关节的损伤,除了机械性的外力伤害外,关节内促炎性细胞因子的水平在最初损伤后的几天内也会突然升高[40],如肿瘤坏死因子(TNF-α)、白细胞介素-6(IL-6)和白细胞介素-1β(IL-1β)等,炎性细胞因子可以扩散到软骨中,引起蛋白酶活性升高,导致MMPs等和聚合酶类降解软骨ECM中的多种大分子。进一步研究发现,炎症可以通过活性氧的作用引起氧化应激并引起ECM的分解代谢,促进聚集蛋白、胶原蛋白等降解产物的丢失,最终损害软骨组织的机械强度,加速软骨的进一步损伤和退化,引起OA的产生及发展[41]。

3 中药干预软骨ECM降解治疗OA

OA在传统医学中多以“痹证”进行命名,OA的病因多与机体内的脏腑虚损有关,而最主要的是与肝脾肾虚损有关[42],随着脏腑的虚损,正气不足难以抗邪,邪气入侵,引起关节部位的疼痛、肿胀等,治疗原则多以补虚为主加以祛除外邪。在现代医学中,OA的病因多与关节软骨退行性变为主,因此,随着ECM的降解,将会导致关节软骨的退变。治疗方面,现代医学对OA的治疗多以口服非甾体药来缓解疼痛及OA后期的关节置换术为主,这些方法导致的副作用及手术的风险也显露出来[43]。因此这时中药的优势将进一步显示出来,中药通过抑制软骨ECM的降解,延缓软骨的退变,达到防治OA的目的;另一方面,中药治疗OA表现为副作用小等多方面的优势。因此,本文将重点阐述中药通过抑制MMPs及ADAMTS等相关蛋白酶的表达,抑制ECM降解,达到延缓OA进展的目的,进而体现出中药防治OA的优势。

3.1 中药单体干预软骨ECM降解治疗OA

李安琪等[44]通过实验的方法探讨淫羊藿苷对炎症软骨细胞的作用机制,得出淫羊藿苷通过抑制大鼠MMP-13、ADAMTS-5的表达,促进软骨细胞Ⅱ胶原蛋白的表达,维持软骨细胞的正常表型。MMP-13、ADAMTS-5作为与ECM相关的蛋白酶,淫羊藿苷通过抑制其表达进而发挥功能,进一步抑制ECM的降解,从而延缓OA的进展。赵晓燕[45]通过淫羊藿苷对OA软骨细胞增殖凋亡的影响发现,淫羊藿苷能够抑制IL-1β等炎症细胞因子的表达,并能够抑制ECM的上游蛋白酶MMP-1、MMP-3、MMP-13的表达,进而对ECM的降解具有抑制作用。通过抑制ECM的上游蛋白酶的表达,促进软骨细胞的进一步增殖及抑制软骨细胞的凋亡,间接抑制OA的进展。陈文钧等[46]通过建立淫羊藿-川芎药对高效液相色谱指纹图谱及建立大鼠OA的模型,得出淫羊藿苷-川芎对大鼠血浆中MMP-13、MMP-3、IL-1β的表达具有抑制作用。在本实验中,发现淫羊藿苷主要抑制ECM的上游蛋白酶MMPs家族及对OA中的炎症细胞因子的抑制作用,进而抑制软骨ECM的降解。川芎主要是抑制炎症细胞因子的表达,间接抑制ECM的降解。Zhang等[47]得出姜黄素在创伤后OA小鼠模型中能够减缓OA进展和减轻OA的疼痛症状,并通过实验方法得出姜黄素能够抑制软骨细胞中促炎介质IL-1β和TNF-α、MMP-1、MMP-3、MMP-13以及ADAMTS-5的表达,通过抑制软骨ECM的上游蛋白酶及软骨ECM的促炎使动细胞因子,对ECM的降解起到一定的抑制作用。进而延缓软骨细胞的凋亡,延缓OA的进展。王国旗等[48]通过实验结果发现,与对照组相比较,姜黄素能够明显降低大鼠OA内炎症细胞因子TNF-α和IL-1β的水平,通过降低炎症细胞因子的水平,对软骨ECM的降解起到了一定的抑制作用,因此能够延缓OA的进展。孙志涛等[49]通过建立OA模型,造模成功后运用鹿茸进行药物治疗,发现鹿茸通过抑制ADAMTS-4的分泌以及阻止蛋白聚糖、Ⅱ型胶原蛋白的降解,对软骨ECM的降解起到一定的抑制作用。ADAMTS-4及蛋白聚糖及Ⅱ型胶原蛋白作为软骨ECM的成分,通过抑制其成分的降解,对延缓软骨ECM的降解具有促进作用,间接保护及延缓OA的进展。郭子奕等[50]通过网络药理学的方法得出鹿茸具有抗炎的作用,通过抑制脂多糖诱导的炎症细胞的TNF-α水平,延缓促使软骨ECM降解的炎症细胞因子,达到抑制OA进展的目的。因此,通过以上的实验及网络药理学的验证,中药单体在抑制软骨ECM降解方面主要是抑制其上游的MMPs、ADAMTS等酶的表达及抑制软骨ECM降解的炎症细胞因子。因此,为了达到抑制软骨ECM降解的目的,需抑制其上游蛋白及干预炎症细胞因子这两方面入手,间接抑制软骨ECM降解。Yang等[51]通过杜仲-牛膝治疗OA的分子机制预测即网络药理学与分子对接的方法,发现杜仲-牛膝通过抑制软骨细胞IL-6、MMP-13等的升高,调节OA的炎症反应。杜仲-牛膝通过抑制炎症因子IL-6的升高,减少软骨内环境的炎症细胞因子,间接抑制软骨ECM的降解;杜仲-牛膝通过抑制MMP-13的升高,直接对软骨ECM的降解起到抑制作用。因此,通过网络药理学及分子对接技术,对以后的实验验证提供了前期的理论基础,为实验得出杜仲-牛膝通过抑制软骨细胞IL-6、MMP-13等的升高,调节OA的炎症反应,以及这种抑制作用与其软骨ECM的降解有关。因此,不管是哪一种中药单体,都是通过干预软骨ECM的上游蛋白进而抑制软骨ECM的降解,或者干预软骨内炎症细胞因子的表达,间接抑制软骨ECM的降解,对OA的产生及进展起到一定的干预及治疗作用。

3.2 中药复方干预软骨ECM降解治疗OA

黄璐等[52]研究发现加味独活寄生合剂能够降低兔膝OA软骨MMP-3、TNF-α的表达,进而延缓软骨的退变,达到延缓及治疗膝OA的目的。通过降低软骨MMP-3的表达,能够对软骨ECM的降解起到一定的抑制作用。另外,加味独活寄生合剂通过降低软骨内TNF-α的表达,能够进一步降低机体内的炎症环境,也能够间接对软骨ECM的降解起到一定的抑制作用。因此,加味独活寄生合剂通过控制软骨ECM上游蛋白酶的表达及减少软骨内的炎症反应,对膝OA的治疗起到一定的促进作用。白荣闯等[53]通过实验发现甘姜苓术汤能够降低膝OA模型中的软骨MMP-3的表达,进而对膝OA起到一定的治疗作用。甘姜苓术汤通过降低软骨MMP-3的表达,对软骨ECM的降解起到一定的抑制作用,进而对膝OA起到一定的治疗及干预作用。倪宇峰等[54]通过仙芎骨康颗粒对OA的实验研究发现,仙芎骨康颗粒能够降低OA大鼠组织内MMP-13的表达及炎症细胞因子IL-1β的表达。因此,仙芎骨康颗粒在干预及治疗OA具有两个方面的作用。一方面,仙芎骨康颗粒通过降低软骨MMP-13的表达,对软骨ECM的降解起到了一定的抑制作用,干预软骨ECM的降解,直接干预及治疗OA的产生及进展。另一方面,仙芎骨康颗粒通过抑制软骨内炎症因子的表达,降低软骨内的炎症环境,间接抑制软骨ECM的降解,进而达到干预OA进展的目的。五藤膏作为经典的苗药,能够降低兔膝骨关节炎模型中的软骨MMP-13的表达,以及这种抑制作用与Wnt/β-catenin信号有关[55]。在Wnt/β-catenin信号通路的指导下,五藤膏通过降低软骨MMP-13、β-catenin蛋白及酶的表达,抑制软骨ECM的降解,进而干预OA的进展。研究发现,茯苓丸加减方能够干预及治疗OA的进展[56]。通过实验验证,茯苓丸加减方通过降低软骨ECM的上游蛋白酶的表达,这些蛋白酶包括MMP-3、MMP-13等,通过抑制这些蛋白酶的表达,进而直接抑制软骨ECM的降解,达到治疗及干预的效果。钟传棋等[57]研究发现,健骨方能够干预及抑制OA的进展,这种抑制作用以降低MMP-13的表达及干预炎症因子IL-1β有关,通过抑制其表达及炎症因子发挥作用,能够对软骨ECM的降解起到一定的抑制作用。降低软骨ECM的降解,进而抑制软骨退变,达到干预及治疗OA的目的。因此,中药复方对软骨ECM的降解都与抑制其上游MMPs的表达及炎症因子的表达有关,通过干预酶及炎症因子的表达,抑制软骨ECM的降解,进而达到干预及治疗OA的目的。

4 小结及展望

综上,本文主要阐述了中药通过干预蛋白酶及炎症因子的表达,进而干预软骨ECM的降解,达到延缓OA进展的目的。虽然目前临床上关于OA的诊治方法层出不穷,但都是从治疗疼痛及整体观念入手,没有相应的进行中药单体及复方防治OA的作用机制方面深入挖掘。因此,中药通过干预相关蛋白酶的表达及抑制炎症因子的产生,抑制软骨ECM的降解,发挥中药个体化、多途径的优势。由于目前的研究手段单一且不透彻,对其主要作用机制没有详细地进行挖掘,因此,将中药相关科研成果转化为临床治疗手段的过程中存在较多阻力,但是这些不可控因素或阻力随着中药研究的不断深入,中药在防治OA领域一定会有新的突破,中药干预软骨ECM的降解可防治OA的进展。因此,寻找新兴技术及新思路探索中药这座巨大的宝库,为中药应用于临床,防治OA提供广阔的治疗空间。