脂肪酸代謝對(duì)骨質(zhì)疏松骨骼細(xì)胞的影響及中西醫(yī)干預(yù)研究

曹奇 孫廣江 戚曉楠 智猛 那俊夫 王洪旭 姚嘯生*

1 遼寧中醫(yī)藥大學(xué),遼寧 沈陽 110847

2 遼寧中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院,遼寧 沈陽 110000

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis,OP)是骨密度減低和骨組織脆弱為主要特點(diǎn)的慢性疾病,使個(gè)體易發(fā)生脆性骨折,是最常見的骨科疾病之一[1]。骨丟失主要與年齡、女性絕經(jīng)有關(guān)[2],多種危險(xiǎn)因素導(dǎo)致脆性骨折,增加死亡率,降低生活質(zhì)量[3]。鑒于全球老齡人口的迅速增加,OP對(duì)個(gè)人和社會(huì)都造成了相當(dāng)大的負(fù)擔(dān)[4]。近年來,中醫(yī)藥防治骨質(zhì)疏松癥的研究探索日益增加。骨質(zhì)疏松癥中骨骼改變往往伴隨著骨骼肌的退變,基于“骨肉不相親”理論,提出從脾腎二臟治療骨質(zhì)疏松癥[5]。進(jìn)一步探索肌骨協(xié)同退變機(jī)制中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),發(fā)現(xiàn)鳶尾素可能是影響“脾腎-肌骨”的橋梁因子,其通過減少脂肪含量,對(duì)骨組織和骨骼肌產(chǎn)生間接影響[6]。脂肪細(xì)胞和成骨細(xì)胞具有同源性,骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)既可以在骨代謝分化為成骨細(xì)胞,亦可在脂代謝分化為脂肪細(xì)胞[7-8]。在骨骼出現(xiàn)骨量下降時(shí),往往出現(xiàn)髓腔中脂肪含量上升,過量脂肪累積會(huì)促進(jìn)分泌異常脂肪酸(fatty acids,FAs),通過脂毒性對(duì)骨代謝產(chǎn)生負(fù)面作用[9-11]。而鳶尾素一方面可直接降低成脂基因的表達(dá),抑制脂肪細(xì)胞形成[12],另一方面可以通過增加成熟脂肪細(xì)胞能量消耗,減少脂肪含量[13-14],對(duì)骨代謝產(chǎn)生積極的影響。

因此,脂肪酸代謝對(duì)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞進(jìn)而對(duì)OP的發(fā)病及病變進(jìn)程有著重要影響[15-17]。本文基于前期理論基礎(chǔ),分析脂肪酸代謝途徑在調(diào)節(jié)OP中特定細(xì)胞中的作用,并進(jìn)一步探討基于脂肪酸代謝途徑的OP潛在治療方法及相關(guān)藥物。

1 脂肪酸的組成、分類及代謝途徑

脂肪酸(FAs)是由碳、氫、氧組成的化合物,主鏈由重復(fù)的亞甲基序列聚合,末端連接羧基。脂肪酸的分類,按照是否含有雙鍵,分為飽和FAs(saturated fatty acids,SFAs)和不飽和 FAs(unsaturated fatty acids,UFAs)。根據(jù)含有雙鍵的數(shù)量,UFAs又可分為單不飽和FAs(monounsaturated fatty acids,MUFAs)和多不飽和FAs(polyunsaturated fatty acid,PUFAs)。也可以按照碳鏈的長(zhǎng)短,分為短鏈脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs)、中鏈脂肪酸(medium chain fatty acids,MCFAs)及長(zhǎng)鏈脂肪酸(long chain fatty acids,LCFAs)。脂肪酸代謝分為脂肪酸的合成與分解兩方面[18]。近年來,對(duì)于脂肪酸代謝在生理功能及病理改變中如何發(fā)揮作用有了更加深入的研究[19-20]。

2 FAs與骨骼健康

研究顯示,不同類型的FAs在骨骼健康中發(fā)揮不同的作用。

2.1 SCFAs與骨骼健康

SCFAs對(duì)骨骼健康有重要作用,其作為代謝產(chǎn)物由腸道菌群消化分解過程產(chǎn)生,包括醋酸鹽、丁酸鹽和丙酸。有研究發(fā)現(xiàn),SCFAs既可直接作用于參與骨代謝的細(xì)胞,也可以間接影響免疫炎癥反應(yīng),與促進(jìn)骨形成方面聯(lián)系密切[21]。研究表明,丁酸鹽可間接調(diào)控骨合成Wnt配體Wnt 10B的基因表達(dá)。通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞影響骨形成,而調(diào)節(jié)性T細(xì)胞在抑制免疫反應(yīng)中發(fā)揮作用[22]。此外,在飲用水中加入丁酸鹽、丙酸鹽或醋酸鹽可增加正常雌性小鼠的骨量,而在飲用水中添加丙酸鹽或丁酸鹽可抑制雌激素缺乏小鼠所致的激素依賴性骨丟失[23]。

2.2 LCFAs與骨骼健康

LCFAs同樣被發(fā)現(xiàn)對(duì)骨骼健康有重要作用,是維持骨骼穩(wěn)態(tài)的必要成分。參與維持骨穩(wěn)態(tài)的LCPUFAs主要為n-3類型PUFAs,包括α-亞麻酸(ALA,18∶3 n-3)、二十碳五烯酸(EPA,20∶5 n-3)和二十二碳六烯酸(DHA,22∶6 n-3);n-6類型PUFAs,包括亞油酸(LA,18∶2 n-6)和花生四烯酸(AA,20∶4 n-6)。

2.2.1n-3 LCPUFAs對(duì)骨骼的正性作用:有證據(jù)表明,n-3 LCPUFAs對(duì)骨骼健康有益[24]。用魚油喂養(yǎng)老年性O(shè)P模型小鼠,可減緩骨髓脂肪組織擴(kuò)張和造血骨髓萎縮,防止骨質(zhì)流失[25]。Wu Y等[26]應(yīng)用代謝組學(xué)檢測(cè)發(fā)現(xiàn),多代傳代導(dǎo)致衰老成骨細(xì)胞更嚴(yán)重的氧化應(yīng)激損傷,這可能與n-3多不飽和脂肪酸水平的降低有關(guān),適當(dāng)攝入n-3PUFA可能延緩老年性骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生。同時(shí),n-3 LCPUFA抑制破骨細(xì)胞生成,降低前列腺素E-2含量,從而增加骨密度,對(duì)OP有較好的干預(yù)及預(yù)防作用[27-28]。研究表明,PMOP患者增加n-3 PUFA攝入后,股骨及腰椎骨密度增加,骨折風(fēng)險(xiǎn)降低[29]。此外,脂肪酸中的棕櫚酸等,具有促進(jìn)相關(guān)能量產(chǎn)生而促進(jìn)成骨細(xì)胞分化發(fā)育的作用,因此可以幫助骨形成[30]。

2.2.2n-6 LCPUFAs對(duì)骨骼的負(fù)性作用:n-6PUFAs在骨代謝中發(fā)揮負(fù)面作用[31]。n-6 PUFAs不僅可以抑制成骨細(xì)胞的形成和誘導(dǎo)MSCs的脂肪生成,還可以減弱OPG/RANKL的表達(dá)[32]。這兩種脂肪酸在細(xì)胞膜磷脂雙分子層的結(jié)構(gòu)和功能中都發(fā)揮著重要作用,作為脂質(zhì)介導(dǎo)的信號(hào)分子的前體,可能因此影響骨重塑過程。屬于n-6PUFAs的AA和PGE2通過上調(diào) PPARγ依賴性途徑和下調(diào) Runx2促進(jìn)MSCs向脂肪細(xì)胞分化,從而引起成骨細(xì)胞的生成降低、減少成骨,同時(shí)上調(diào)環(huán)氧化酶(cyclooxygenase-2,COX-2)的表達(dá),使PGE2生成增多,抑制骨生成[33]。低n-6/n-3多不飽和脂肪酸比率的下調(diào)顯著增加了骨密度[34]。

3 脂肪酸代謝對(duì)骨質(zhì)疏松骨骼細(xì)胞的影響

基于脂肪酸在骨骼細(xì)胞分化中作為信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子的作用,近年來越來越多的研究集中于不同類型的脂肪酸在骨骼細(xì)胞分化中的相關(guān)作用功能[35]。不同的脂肪酸代謝途徑相互交叉,任何一條途徑的激活都可能促使成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞發(fā)生生理病理的改變,影響OP的病理進(jìn)程。

3.1 脂肪酸代謝對(duì)成骨細(xì)胞的影響

3.1.1脂肪酸對(duì)成骨細(xì)胞分化轉(zhuǎn)錄因子PPARs的作用:成骨細(xì)胞由各種轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控下分化成熟,從間充質(zhì)干細(xì)胞、前成骨細(xì)胞、未成熟成骨細(xì)胞直至成熟成骨細(xì)胞[36]。過氧化物酶體增殖物激活受體(PPARs)是調(diào)控成骨細(xì)胞分化的重要轉(zhuǎn)錄因子之一,其亞型PPARγ多態(tài)性與PMOP風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系已被報(bào)道[37]。作為PPAR-γ配體的特定脂肪酸決定了其抗成骨細(xì)胞或促脂肪細(xì)胞的雙重功能。LCPUFAs和AA代謝產(chǎn)物PGE2被認(rèn)為是PPARs[38]的配體。AA、LA、ALA、EPA等脂肪酸可與PPARα和PPARγ[39]結(jié)合。n-6 AA處理后,分化為成骨細(xì)胞的人間充質(zhì)干細(xì)胞的成脂基因PPARγ2[40]表達(dá)增加。PPARγ與15 d-PGJ2結(jié)合,激活脂肪生成,并負(fù)向干預(yù)Wnt/β-catenin信號(hào)途徑,阻礙成骨細(xì)胞的分化[41]。補(bǔ)充DHA作為成骨細(xì)胞膜的脂質(zhì)成分,已被證明可誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞的廣泛重塑,這決定了成骨細(xì)胞的細(xì)胞特異性特性。DHA引起的質(zhì)膜改變通過上調(diào)質(zhì)膜上被稱為Akt的蛋白激酶B的磷酸化來增強(qiáng)MSCs的成骨分化。這提出了一種新的機(jī)制,通過膳食脂肪酸調(diào)節(jié)成骨分化[42]?；ㄉ南┧崾且环NPPARγ激活劑,可以調(diào)節(jié)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化發(fā)育為脂肪細(xì)胞,阻礙成骨細(xì)胞發(fā)育[43]。

3.1.2脂肪酸對(duì)成骨細(xì)胞分化標(biāo)志物堿性磷酸酶的作用:Takashi K等[44]利用MC3T3-E1細(xì)胞研究了短鏈脂肪酸是否在成骨細(xì)胞中被吸收并影響早期成骨細(xì)胞分化。在MC3T3-E1細(xì)胞中,醋酸鹽和丙酸鹽上調(diào)了成骨細(xì)胞分化標(biāo)志物堿性磷酸酶的活性,且乙酸鹽在處理9 d后上調(diào)了堿性磷酸酶mRNA表達(dá),而丁酸鹽則沒有上調(diào)。丁酸鹽比乙酸鹽和丙酸鹽吸收得更快,吸收程度也更大。這些結(jié)果表明短鏈脂肪酸在成骨細(xì)胞中起作用,尤其是乙酸和丙酸直接調(diào)控了原代成骨細(xì)胞的分化。因此,醋酸鹽和丙酸鹽可能有助于維持骨轉(zhuǎn)換的正平衡。Khosla S[45]等提出,丁酸可以促進(jìn)提高小鼠體內(nèi)成骨細(xì)胞的數(shù)量,促進(jìn)骨形成。Schroeder TM等[46]經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出,用500 nmol/L丁酸鹽培育的小鼠顱骨,其培養(yǎng)基中堿性磷酸酶含量明顯升高,而體外實(shí)驗(yàn)中,丙戊酸鹽同樣可以激活提升原代成骨細(xì)胞的生物活性。Jafarnejad S等[47]發(fā)現(xiàn)脂肪酸中的丁酸可以調(diào)節(jié)BMSCs分化發(fā)育為成骨細(xì)胞,同時(shí)產(chǎn)生骨骼內(nèi)礦化的骨結(jié)節(jié),增強(qiáng)骨形成。

3.2 脂肪酸代謝對(duì)破骨細(xì)胞的影響

3.2.1脂肪酸對(duì)破骨細(xì)胞分化RANKL途徑的影響:破骨細(xì)胞屬于巨噬細(xì)胞,具有特異性吞噬病變及衰老骨組織的特點(diǎn)。其由原始的干細(xì)胞分化成巨噬細(xì)胞集落形成單位,即破骨細(xì)胞前體細(xì)胞。經(jīng)RANKL-RANK途徑調(diào)控,分化為單核破骨細(xì)胞,最后聚集成多核破骨細(xì)胞,即成熟破骨細(xì)胞[48]。目前已有課題針對(duì)PUFA對(duì)RANKL和破骨細(xì)胞分化的抑制作用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在Boeyens JC等[49]的研究中,n-6 AA和n-3 DHA通過下調(diào)破骨細(xì)胞前體細(xì)胞RAW264.7小鼠巨噬細(xì)胞中破骨細(xì)胞特異性基因TRAP和組織蛋白酶K,有效下調(diào)了RANKL介導(dǎo)的破骨細(xì)胞生成。在PMOP小鼠模型中,含有n-3 PUFA的南極磷蝦油(AKO)經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以通過抑制PGE2及其受體EP4的分泌,下調(diào)OPG/RANKL/NF-κB信號(hào)通路,降低破骨細(xì)胞生成,而含有n-6 PUFA的花生四烯酸(AAO)作為PGE2的前體,卻會(huì)通過激活相同的通路來促進(jìn)骨吸收,加重OP[50]。因此,通過增加內(nèi)源性PGE2的產(chǎn)生,改變飲食中n-6/n-3 PUFAs對(duì)n-6的比例可導(dǎo)致骨吸收增加,從而激活破骨細(xì)胞生成相關(guān)OPG/RANKL/NF-κb通路[51]。

3.2.2脂肪酸對(duì)破骨細(xì)胞分化相關(guān)標(biāo)志物的影響:Resolvin E1(RvE1)是EPA的衍生物,是一種有效的促分解脂質(zhì)介質(zhì),可減少破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨丟失。RvE1通過抑制破骨細(xì)胞前體細(xì)胞RAW264.7中RANKL調(diào)控的破骨細(xì)胞特異性基因及轉(zhuǎn)錄因子c-fos和活化T細(xì)胞核因子1(NFATc1)mRNA的表達(dá)發(fā)揮抑制作用[52]。此外,有研究發(fā)現(xiàn)富含omega-3 FAs的魚油抑制了RANKL通路介導(dǎo)的RAW264.7細(xì)胞破骨細(xì)胞分化的上調(diào)[53]。在Song J等[54]的研究中發(fā)現(xiàn),ALA通過下調(diào)破骨細(xì)胞分化相關(guān)標(biāo)志c-Fos、c-Jun和NFATc1,轉(zhuǎn)錄因子蛋白酒石酸抗酸性磷酸酶(TRAP)、破骨細(xì)胞相關(guān)免疫球蛋白樣受體(OSCAR)和組織蛋白酶K,抑制RANKL介導(dǎo)的破骨細(xì)胞發(fā)生。在小鼠實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?DHA通過與g蛋白偶聯(lián)受體120(GPR120)結(jié)合,減少巨噬細(xì)胞中破骨細(xì)胞相關(guān)細(xì)胞因子TNF-α的產(chǎn)生,從而抑制脂多糖(LPS)誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞形成[55]。Kim HJ等[56]的研究表明,DHA通過抑制NF-kB和MAPKs激活,抑制RANKL調(diào)控的原代巨噬細(xì)胞分化至破骨細(xì)胞。屬于短鏈脂肪酸的丁酸可以降低組蛋白去乙?；?HDAC)的生物活性[57],而曲古丁酸鈉(NaB)和抑菌素A(TSA),兩種HDAC抑制劑,可以通過調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞特異性信號(hào)發(fā)揮其抑制作用,證實(shí)HDAC可以調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的生成[58]。

4 基于脂肪酸代謝途徑的骨質(zhì)疏松潛在治療藥物

現(xiàn)階段,針對(duì)OP的治療主要圍繞增強(qiáng)骨形成、減少骨吸收,本文進(jìn)一步探討基于脂肪酸代謝途徑的OP潛在治療藥物,揭示脂肪酸代謝對(duì)OP的重要作用。

4.1 基于脂肪酸代謝途徑治療骨質(zhì)疏松癥的潛在現(xiàn)代藥物

在Cungo等[53]最近的一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn),用魚油(EPA和DHA)補(bǔ)充羅格列酮處理的小鼠具有更高的骨密度,同時(shí)降低COX-2活性和促炎細(xì)胞因子IL-6和TNF-α,提升抗炎細(xì)胞因子和抗破骨細(xì)胞因子IL-10。此外,應(yīng)用200 mg/kg和400 mg/kg劑量富含單不飽和脂肪酸(MUFA)和多不飽和脂肪酸酯(PUFA)的蘿卜油顯著降低了OP大鼠的組織蛋白酶K(在OP嚙齒動(dòng)物模型中,組織蛋白酶K在骨吸收過程中由破骨細(xì)胞分泌,導(dǎo)致礦物質(zhì)成分和骨基質(zhì)降解)和TNF-αmRNA表達(dá)水平,但提高了Osx mRNA的表達(dá)水平,同時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)標(biāo)本股骨干皮質(zhì)骨厚度增強(qiáng)、股骨頭骨小梁厚度增加[59]。有研究發(fā)現(xiàn),雌性大鼠在補(bǔ)充n-3 PUFA后,破骨細(xì)胞因子RANKL、TNF-α和IL-6的表達(dá)下降,同時(shí)子代雄性大鼠的骨體積增加,成骨細(xì)胞的數(shù)量提升,破骨細(xì)胞下降[60]。硫酸軟骨素(CS)是一類硫酸化的糖胺多聚糖,16 S rRNA測(cè)序和代謝組學(xué)分析表明,硫酸軟骨素干預(yù)可減少低鈣喂養(yǎng)大鼠腸道菌群短鏈脂肪酸的合成,減緩炎癥反應(yīng),抑制破骨細(xì)胞分化,促進(jìn)鈣吸收和抗氧化機(jī)制,減輕OP[61]。

4.2 基于脂肪酸代謝途徑治療骨質(zhì)疏松癥的中藥

補(bǔ)骨生髓方[62]、二仙湯[63]和貞術(shù)調(diào)脂方[64]等中藥成方和中藥單體葛根素[65-66]、吳茱萸皂苷[67]同樣被證實(shí)通過調(diào)節(jié)脂肪酸代謝可起到治療OP作用。臨床觀察表明補(bǔ)骨生髓方治療PMOP療效顯著,高劑量組最佳。血清代謝組學(xué)顯示,在測(cè)量腸道菌群發(fā)現(xiàn),乙酸含量升高,己酸含量下降,為中藥治療PMOP提供依據(jù)[62]。研究表明,二仙湯可顯著提升血清中n-3 PUFAs 含量,調(diào)節(jié)脂肪酸代謝,治療卵巢切除后導(dǎo)致的PMOP模型[63]。經(jīng)代謝組學(xué)鑒定OP小鼠NPD1和AA兩種脂肪酸類成分,證實(shí)OP的發(fā)生發(fā)展可能與脂肪酸代謝有關(guān),而貞術(shù)調(diào)脂方可改善模型組小鼠脛骨和股骨BMD、骨小梁數(shù)目、寬度等,其作用機(jī)制可能是通過調(diào)節(jié)脂肪酸代謝,平衡骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨、成脂分化[64]。葛根素灌胃后,去卵巢大鼠股骨BMD提高,氣相色譜檢測(cè)到給藥組與模型組腸道代謝物短鏈脂肪酸數(shù)量存在差異。由此推測(cè)葛根素通過調(diào)控短鏈脂肪酸數(shù)量從而治療OP[65]。LiB等[66]應(yīng)用血清代謝組學(xué),發(fā)現(xiàn)應(yīng)用葛根素(PUE)干預(yù)去卵巢大鼠時(shí),有23種不同的代謝產(chǎn)物發(fā)生變化,與PUFAs代謝途徑密切相關(guān)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)骨代謝指標(biāo)與不同的代謝產(chǎn)物,特別是n-3/n-6 PUFA之間存在密切關(guān)系。最后證實(shí)PUE通過調(diào)節(jié)PUFA生物合成及磷脂代謝,減少去卵巢大鼠骨髓基質(zhì)干細(xì)胞的脂肪分化,增加成骨分化,從而起到治療OP的作用。Sheng YM等[67]利用超高性能液體串聯(lián)四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(UPLC-Q/TOF-MS)對(duì)PMOP大鼠尿液代謝譜進(jìn)行潛在生物標(biāo)志物篩選,結(jié)果顯示吳茱萸皂苷可通過影響花生四烯酸代謝對(duì)PMOP有治療作用。

5 小結(jié)

近年來,針對(duì)OP脂肪酸代謝的研究日益受到重視,了解其代謝途徑在各種骨細(xì)胞類型中的生理、病理功能十分必要。骨細(xì)胞的功能及相互作用與脂肪酸代謝關(guān)系密切,脂肪酸代謝途徑及產(chǎn)生的各類物質(zhì)在骨細(xì)胞的分化發(fā)育、骨內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)均發(fā)揮了重要的作用。了解OP中這些脂肪酸代謝異常的機(jī)制,將為其治療方法開辟新的途徑。然而,目前針對(duì)OP骨細(xì)胞脂肪酸代謝途徑的研究仍較少,仍需通過代謝途徑中關(guān)鍵酶的檢測(cè)驗(yàn)證其作用,并通過機(jī)制研究進(jìn)一步探討其與OP骨骼細(xì)胞的相互關(guān)系。