植物雌激素對骨組織的影響及作用機制的研究進展

張曉梅 彭 旭 施雪妮 何學令 劉 艷△

1（四川大學 實驗動物中心，成都610041）

2（四川大學 生命科學院，成都610041）

雌激素在骨生長、礦化和細胞的分化及功能活性中發揮著重要作用。因此，在很長一段時間里，對于絕經后骨質疏松癥的治療，臨床上推薦補充外源性雌激素的方法，即傳統的雌激素替代療（estrogen replacement treatment，ERT）。但是大量臨床實驗的結果表明［1-3］，雌激素替代療法有使乳腺癌和子宮內膜癌的發生概率上升的趨勢，增加靜脈血栓的發生率等。近年來，臨床上廣泛采用選擇性雌激素受體調節劑（selective estrogen regulate mediator，SERM），如他莫西芬和雷洛西芬，雖然在治療骨質疏松的過程中達到了預期的治療效果［5，6］，但顯示均有潛在副作用，他莫西芬由于其對子宮的雌激素效應可能會使子宮內膜癌的發病風險增加，而雷洛西芬近期也有報道其可能增加熱潮紅、深靜脈血栓、肺栓塞等類似使用ERT后帶來的副作用［4-7］。因此，尋找更加安全的抗骨質疏松的藥物成為了被廣泛關注的課題。已有許多研究等發現［8-10］某些植物雌激素具有防治骨質疏松的作用。植物雌激素是一類天然存在于植物中具有雜環多酚類的結構的生物活性物質。至上世紀四十年代首次［11］在綿羊體內觀察到某些化合物產生雌激素樣效應以來，至今已經發現植物雌激素百余種。這些具有雜環多酚結構的植物雌激素大都存在于各種谷物、豆類中。近年來在一些升麻科植物，苜蓿類植物以及真菌類中也提取出植物雌激素。目前，研究的植物雌激素主要為4類：（1）異黃酮類（Isoflavones）：包 括 染 料 木 黃 酮 （genistein）、大 豆 黃 酮（daidzein）、黃豆黃素（glycitein）；（2）木酚素類（Lignan）；（3）香豆素類（Coumestans）；（4）真菌雌激素類：如玉米赤霉烯酮（Zearalenone）。

圖1 17β-雌二醇與植物雌激素結構示意圖

1 植物雌激素的作用機制

雌激素的經典作用機制認為，雌激素首先與雌激素受體（estrogenreceptor，ER）上的配體結合區（ligand binding domain，LBD）結合并使受體二聚化，進一步雌激素受體的DNA結合區（DNA binding domain，DBD）與靶基因啟動子上的雌激素應答元件（estrogen response element，ERE）結合，從而啟動靶基因的轉錄。植物雌激素與內源性雌激素結構相似，均具有酚環結構。（如圖1所示）因此與雌激素的兩型受體均可結合，但與受體的親和力相對內源性雌激素較弱［12，13］。一些植物雌激素既能模擬內源性雌激素的作用而發揮雌激素樣的效應，同時又可以阻斷與雌激素受體的結合產生雌激素拮抗的作用。Kurzer［14］研究發現植物雌激素能夠與ER結合，刺激表達ER的乳腺癌細胞生長，誘導生成特殊的雌激素反應基因。雌激素與ERα和ERβ親和力相似，而一些植物雌激素尤其是異黃酮類對ERβ的親和力遠高于ERα［15］。目前對其作用機制還未完全闡明。植物雌激素也可以通過不與ER作用的其他機制來作用于組織器官，如：誘導癌細胞的分化、抑制酪氨酸激酶和DNA拓撲異構酶的活性等。植物雌激素還在細胞和分子水平影響生物合成以及激素相關的信號轉導等。同時由于雌激素受體在機體內組織分布不同，分布的比例也不同等，使得植物雌激素對不同組織的作用機制以及產生的生物效應都不竟相同。

2 異黃酮類植物雌激素

異黃酮類是目前研究得較多的一類植物雌激素，因為其分子結構與雌激素相似，能激活ER，能發揮對骨組織的保護作用，但其較雌激素具有更高的ERβ親和性，與ERα的結合時間長度及親和性則不及雌激素，因此在保護骨組織的同時，異黃酮對子宮和乳腺的影響較小，減少患子宮內膜癌和乳腺癌的風險。目前已有產品應用于保健和臨床。它主要包括染料木黃酮（genistein）、大豆黃酮（daidzein）和大豆黃素（glycitein）以及其相應的葡萄糖配糖體六類。目前在研究異黃酮類對防治骨質疏松的作用的研究中，genistein和daidzein是研究得較為深入的兩種植物雌激素。在利用骨質疏松動物疾病模型進行研究發現異黃酮類對去卵巢骨質疏松大鼠產生顯著的骨保護的作用，它不僅能抑制由于雌激素缺乏后引起的高骨轉換，而且能夠影響骨微結構［16］，而在使用高劑量的異黃酮時能增加去卵巢大鼠松質骨和皮質骨的骨礦物質密度（bone mineral density，BMD）［17］。利用體外培養細胞的研究發現異黃酮能使成骨樣細胞增殖，ALP活性和膠原合成增強（如下圖2），同時也能影響破骨細胞的磷酸化［18］。近來更有研究發現［19］，在核因子NF-кB活化因子受體配體（RANKL）誘導的破骨細胞分化中，genistein能減少破骨細胞的多核化及多核細胞核的數量，并能抑制細胞周期的S期，增加G0，G1和G2，M期。這提示異黃酮類植物雌激素可能直接影響成骨細胞的分化和功能活性，而抑制破骨細胞的形成和功能活性。在流行病學的研究中發現在亞洲婦女中，食用高含量大豆蛋白食物的婦女具有較高的BMD，反之其BMD則較低：在42～52歲絕經期間的婦女中，日本婦女genistein較中國婦女的攝入量大；對于日本婦女絕經前期BMD與genistein的攝入量呈劑量性的正性關系，而對于絕經后的中國婦女和日本婦女，BMD與genistein的攝入量無相關性［20］。Lydeking等［21］給177名絕經后婦女每日服用500毫升豆奶（含有異黃酮76毫克），兩年后其腰椎的骨密度和骨礦物質含量（bone mineral content，BMC）各增長1．1%和2．0% ，而每日異黃酮攝入量小于1毫克對照組的婦女其椎體的BMD和BMC各下降4．2%和4．3%。在該試驗的中期則不能觀測到椎體的BMD和BMC改變。還有部分的研究顯示［22］服用異黃酮60mg可改變體內骨轉化標志物濃度而并不影響BMD和BMC。在對異黃酮類植物雌激素的研究中，由于用藥時間、用藥劑量的不同，因此觀測到的對BMD的影響并不一致，也很難確定其在防治骨質疏松療效方面的有效信息，需要進一步的長期臨床研究證明異黃酮類植物雌激素的抗骨質疏松的作用。

圖2 異黃酮對成骨樣細胞增殖、ALP分泌和膠原合成的影響Fig．2 The effect of isoflavones on osteoblast-like cell、ALP and collagen

在成骨細胞、破骨細胞以及骨髓基質細胞等上均存在有ERα和ERβ，而且它們在松質骨與皮質骨上的分布比例不一。雖然異黃酮類植物雌激素較ERα來說，與ERβ具有更高的親和性，但目前異黃酮類的植物雌激素如genistein、daidzein對骨組織保護作用的ER介導機制還并未完全的清楚。而異黃酮類影響成骨細胞和破骨細胞的分化以及功能活性的影響除了通過相似于內源性雌激素能夠于ER結合的途徑外，還可通過局部細胞因子和旁分泌的激素的介導作用。TNF-α、IL-1β和IL-6是成骨細胞或骨髓基質細胞分泌的細胞因子，TNF-α能刺激成骨細胞分泌其他因子IL-1β和IL-6等，對調節破骨細胞的增殖。分化等功能活動產生重要的影響。genistein、daidzein等可調節一些炎癥因子如TNF-α或IL-1β的水平影響破骨細胞的活性同時抑制TNF-α引起的細胞調亡［23-25］。genistein可以調節骨代謝相關基因如骨基質蛋白，細胞生長因子等的表達［26］。異黃酮對減少骨吸收、促進骨形成的機制是多方面的，對與其保護骨組織的作用機制仍需更深入的研究。

3 木酚類植物雌激素

木酚素（Lignan）是一類主要通過p-羥基苯乙烯單體的氧化耦合而成的，在數百種植物的木質部、根、葉、花和果實中均發現有此類物質，同時在動物的體液（血清、血漿和尿液）中也發現有該類物質，它們主要是植物木酚素在腸道細菌的作用下的代謝產物。因此根據它們的來源就分為植物木酚素和哺乳動物木酚素。當內源性的雌激素減少時某些哺乳動物木酚素呈現雌激素樣效應，反之則顯現抗雌激素樣效應［27］。因此木酚素在對雌激素缺乏后產生的相關疾病可產生一定的作用。木酚素種類繁多，雖然對其在骨組織影響的研究相對異黃酮類較少，但仍然發現Sauchinone（木酚素類的一種）能夠影響RANK／RANKL途徑抑制破骨細胞的生成［28］。異紫杉脂素 （Isotaxiresinol）能夠使去卵巢大鼠BMD和BMC增加，并能影響骨轉換標志物，提示其可能對防治絕經后骨質疏松產生一定的作用［29］。木酚素類化合物在植物的成分中含量較少，但卻廣泛存在很多植物中，尤其使亞麻籽。目前，我們已經發現木酚素類植物雌激素還具有一定的抗氧化活性和抗癌活性，但是人們對木酚素的了解和關注遠遠不如異黃酮類，對其安全性問題、體內作用劑量和作用機制等仍需要更深入的研究和探討。

4 香豆素類植物雌激素

香豆素類植物雌激素（Coumestans）是另一類具有雌激素樣效應的植物化合物，它最初是從三葉草中提取出來的。Coumestans被證實和genistein一樣與ERβ具有較高的親和性，而且coumestans對子宮不產生明顯的雌激素效應。因此coumestans被考慮用于防治骨質疏松的研究。Tsutusmi等［30］報道，體外實驗發現擬雌內酯對骨吸收激動劑的骨吸收作用具有抑制作用，能加強雞胚股骨骨質的礦化。因此，擬雌內酯是一種獨特的，既能抑制骨吸收，又能刺激骨質礦化，而對大鼠子宮的雌激素樣作用很弱，Drpaer等［31］研究了擬雌內酯對卵巢切除骨質疏松大鼠骨丟失的情況，結果發現擬雌內酯組與雌二醇組在抑制股骨骨密度降低的作用上無統計學差別。同時還發現尿鈣的變化與骨密度的變化并不一致，擬雌內酯能降低尿鈣／肌酐比值，降低尿鈣排泄率，由于尿鈣僅占骨鈣丟失的一小部分，可能擬雌內酯會影響其他鈣代謝的平衡。Morris等［32］發現在擬雌內酯處理的雌激素缺乏大鼠，尿中吡啉啶和脫氧吡啉啶含量減少，說明擬雌內酯可抑制骨的吸收。以上研究表明擬雌內酯能刺激骨質礦化，抑制骨吸收，它還可通過其他機制影響骨鈣的代謝，從而抑制骨的吸收。但其對骨組織的影響機制仍很不了解，可能不通過ER結合而發揮作用，而是通過ERK1／2通道RANKL降低誘導的TRAP的活性來影響破骨細胞功能，并在抑制破骨細胞的分化起者重要作用。

5 真菌類植物雌激素

1962年Stob等［33］首先報道自玉米赤霉的培養基中分離出具有雌激素樣效應的物質，因此這種物質被稱為玉米赤霉烯酮（Zearalenone，ZEN）。1966年 Urry等［34，35］利用經典化學、核磁共振及質譜技術，確定此物質的化學結構屬于二羥基苯酸內酯類，是自然界罕見的一類化合物。由于ZEN也能促進某些真菌形成子實體，因此也被認為是真菌的性激素。ZEN的衍生物主要有以下五種α-zearalenol（α-ZEA），β-zearalenol （β-ZEA），α-zearalanol （α-ZAL），β-zearalanol（β-ZAL），zearalanone（ZAN）（如圖3）。由于ZEN存在如小麥、高粱等很多糧食谷物中，國外的研究認為ZEN是動物吃了大量發霉玉米引起雌性化疾病的病因，所以在種子和食品的檢疫工作中，也將其作為污染的指標，而ZEN的還原產物在霉變的一些谷物或者育種中也同樣被發現［36．37］。因此對ZEN的研究主要是探討其對人體和肉用牛羊等產生的生殖系統的毒性、免疫毒性及遺傳毒性等有害影響。而另一方面英美等國科學家已做了大量實驗證明ZEN及其衍生物具有二羥基苯酸內酯類的結構，使其能夠通過改變構象與哺乳動物體內的ER結合，并可促進肉用牛羊增重而無可察覺的副作用，尤其是其還原產物α-ZAL，可促進肉用牛羊的蛋白質合成因而增加瘦肉重量，與動物雌激素相比，作為動物生長促進劑，二者所用劑量相似，安全無毒，體內無積蓄，不引起組織增生，優于雌激素［38，39］目前，美國、加拿大等國已作為動物生長促進劑用作動物飼料，商品名為Ralgro。1980年起我國學者證實ZEN為冬小麥春化的關鍵物質，為植物中普遍存在的內源激素，而且在許多植物如大豆、冬小麥等發現ZEN且隨著生長發育的不同階段發生動態變化，這些植物是人們經常食用的，并非“污染物”。同樣在冬性植物的越冬莖尖與花菜內也發現了ZEN的同系物，其中就有α-ZAL，這提示了它的安全性，而且研究顯示［40］。

圖3 ZEA及其衍生物的化學結構Fig．3 Chemical structures of ZEA and its derivatives

α-ZAL的生物活性是ZEN的18倍。這就提示了我們對α-ZAL應用前景的探討。戴順齡等人通過大量的實驗發現α-ZAL有明顯抗動脈粥樣硬化作用，可明顯的抑制主動脈粥樣斑塊形成，可調節血管活性因子和抗氧化損傷等發揮保護心血管的作用，而副作用比雌激素明顯減少，并不引起組織的增生，對正常乳腺細胞不產生增殖的影響［38，39，41-43］。我們看到α-ZAL已經在心血管方面初步顯現其有利的影響，而目前在α-ZAL對骨組織的影響方面的研究相對較少。僅有少數的實驗報道發現α-ZAL可以使去卵巢大鼠的BMD和BMC增加［31，44］；可以增加去勢雄性羊羔的BMC［45］。這些研究提示α-ZAL有一定的骨保護的作用，可能對防治絕經后骨質疏松產生潛在的臨床意義。

6 問題與展望

綜上所述，由于植物雌激素廣泛存在于人類飲食中，具有相似于內源性雌激素的效應，因此，植物雌激素被認為在研究抗骨質疏松藥物上是很有應用前景的，也使得越來越多的學者關注它?，F在已有越來越多的植物雌激素被發現，如在葛根中提取的葛根素，在刺桐、亞麻籽、蛇麻花等植物中均能提取出植物雌激素，而且研究也發現它們中的一些如葛根素能改善去卵巢大鼠的BMD，影響其骨微結構和骨轉換指標的變化，具有一定的骨保護功能［46］。大蒜被認為在降低血中膽固醇有很好的治療效果，而最近有研究者認為其中也含有植物雌激素，并認為其可能通過增加鈣的吸收而減少骨礦物質量的丟失［45］。而且，已經從大量的流行病學的調查、動物實驗中發現植物雌激素確實對絕經后骨質疏松具有一定的防治作用，同時不產生ERT引起的對子宮等的副作用。雖然已經有一些植物雌激素的產品應用于保健和臨床，但由于植物雌激素種類很多，其結構和功能的差異很大，目前對植物雌激素的作用機制還不是很清楚，在評價其安全性、對植物雌激素反應的劑量差異等問題上仍然需要深入的研究。

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