辣椒素在骨關節炎中的作用研究進展

李維彤 謝亞 呂中陽 史冬泉

骨關節炎(osteoarthritis, OA)是全球范圍內最常見的骨關節退行性疾病,主要的病理表現為關節軟骨退變和滑膜炎[1]。目前,其發病機制尚未完全闡明,因此缺乏延緩疾病進展的有效治療方案[2]。辣椒素(capsaicin,CPS)作為辣椒中的主要活性成分,是從茄科辣椒屬植物中分離出來的親脂疏水類的香草酰胺衍生物[3]。CPS能夠通過影響OA的多種病理機制發揮鎮痛、抗炎和抗氧化應激等作用,具有廣闊的應用前景。本文綜述CPS對OA的治療作用及其具體分子機制的研究進展,以期為CPS及其相關藥物在OA中的應用開發提供參考。

1 OA概述

OA是世界范圍內導致運動系統殘疾的首要原因,影響著全球約7%的人口(約5億),嚴重影響病人正常工作和生活,給家庭及社會帶來了沉重的經濟負擔[4]。OA 是一種全關節疾病,病理過程涵蓋關節軟骨、滑膜、軟骨下骨、韌帶、半月板等多種組織,其中關節軟骨退變和滑膜炎是 OA 最主要的病理表現[5]。目前,國際診療指南推薦的OA治療方案仍以緩解癥狀為主,對于保守治療無效的終末期 OA 病人,只能采用人工關節置換手術來緩解疼痛和改善功能[6-7]。OA的治療藥物主要包括非甾體類抗炎藥、解熱鎮痛藥和軟骨成分補充等,但這些藥物均不能從發病機制上精準干預OA進程[2,8]。因此,針對OA發病機制開發新型治療藥物對于改善OA治療現狀具有重要意義。

2 CPS概述

CPS大量存在于辣椒和辣椒提取物中[3],關于CPS對人體的影響已經研究了一個多世紀。CPS是一種反式-8-甲基-N-香草基-6-壬烯酰胺(trans-8-methyl-N-vanillyl-6-nonenamide),分子式為C18H27NO3。隨著研究的不斷深入,Duner-Engstrom 等[9]發現,將CPS涂在人類的舌尖或腭黏膜上會使唾液分泌增加;Bartho等[10]觀察到CPS能夠調節豚鼠的腸蠕動活性;Abdel Salam等[11]證實,給大鼠胃內灌注CPS后能夠產生保護胃黏膜的作用[11]。因此,CPS作為一種具有藥理學特性的化合物,其功能受到了持續的關注和探索。近年來,CPS在OA中的研究取得了一定進展,且由于其良好的鎮痛效果而在2019年被正式列入OA診療指南[12]。下文將探討CPS對OA的治療作用及其具體的分子機制,并對CPS在OA治療中的局限性和未來研究方向進行展望。

3 CPS延緩OA進展的分子機制

3.1 CPS緩解OA疼痛 疼痛是OA病人尋求醫療幫助的主要原因,但OA導致疼痛的機制尚不完全清楚[13]。關節的病理神經信號引起的中樞神經性疼痛和炎癥期間關節深部組織的傷害感受器異常敏感引起的炎癥性疼痛是疼痛兩大來源[14]。目前,非甾體類抗炎藥、對乙酰氨基酚和阿片類鎮痛藥是治療OA疼痛最常見的處方藥。然而,這些干預策略并未獲得令人滿意的長期鎮痛效果,且此類藥物還會帶來明顯的肝腎毒性和胃腸道反應[13]。

機體對疼痛刺激的感知主要發生在傷害感受器感覺神經元的末端[15]。這些小直徑神經元將化學、機械或熱性質的信號轉化為動作電位,并將這些信息傳遞到中樞神經系統,最終引起疼痛或不適的感覺[16]。瞬時受體電位香草醛1(transient receptor potential vanilloid 1,TRPV1)也稱為CPS受體,是一種在傷害感受器表達的興奮性離子通道,可將化學和熱刺激信號轉化為疼痛的分子信號[13],當它被CPS激活時,Na+和Ca2+通過TRPV1流入細胞,導致動作電位放電,最終產生痛覺[17]。研究發現,經基因編輯后,感覺神經元上Trpv1表達缺失的小鼠對有害刺激的反應嚴重下降,不會表現出明顯的疼痛行為,從而證實了該通道參與痛覺的產生[15,18]。

CPS的鎮痛作用已經被廣泛的報道。8%濃度的CPS被FDA批準用于治療帶狀皰疹后遺神經痛,并被歐洲藥品管理局(EMA)批準作為周圍神經性疼痛的局部治療用藥[19]。CPS鎮痛的藥理作用主要體現在以下2個方面:(1)高濃度的CPS激活TRPV1所介導的Ca2+內流,使鈣依賴性蛋白激酶被激活,緊接著軸突末梢消融導致TRPV1傳入的長期去功能化,以此獲得對慢性疼痛的持久鎮痛效果[20];(2)低濃度的CPS與TRPV1結合并使其脫敏,從而降低TRPV1對內源性配體或炎癥介質的反應,減少了TRPV1依賴的痛覺過敏[21]。

在Stevens等[22]的Ⅱ期臨床多中心雙盲試驗中,172例OA受試者在接受關節腔內注射高純度合成反式CPS(CNTX-4975)治療12周后,西大略和麥克馬斯特大學骨關節炎指數(WOMAC)疼痛評分得到顯著改善,從而證實了CPS在OA中的鎮痛效果。目前針對CPS鎮痛的臨床試驗主要是使用CPS凝膠和安慰劑凝膠進行局部涂抹,但使用CPS凝膠會導致局部皮膚發紅并產生灼熱感,也因此使得雙盲試驗的可信度降低[23]。此外,局部涂抹的方式適用于膝、腕等淺表關節,對髖等非淺表關節的作用效果較低且療效數據十分有限,限制了其在臨床中的廣泛應用。因此,進一步揭示CPS在OA中鎮痛的分子機制,改變其治療模式,更高效地減輕OA疼痛是亟待解決的臨床難題。

3.2 CPS在OA中的抗炎作用 近年來,人們對OA發病機制的認識發生了根本性的轉變,與之前一直認為OA是一種軟骨退行性疾病不同,其是一種多因素導致的全關節疾病[24]。OA的病理表現不僅涉及軟骨的降解,還涉及軟骨下骨的重塑、滑膜炎癥等。OA中慢性低度的炎癥驅動著諸多病理變化,其是免疫系統與局部組織損傷和代謝功能障礙等因素相互作用的結果[25]。臨床上,許多OA病人有關節炎癥狀,如晨僵、關節發熱和關節積液,部分是由滑膜增厚或滑液積累引起的[26]。通過影像學檢查、關節鏡檢查或組織學檢查均能檢測到OA滑膜炎的存在[27]。此外,OA中低度炎癥的分子證據也在不斷累積。早在1959年,人們就發現OA病人的血液和滑液中都存在異常高水平的炎癥血漿蛋白[28]。最近的研究表明,OA病人組織和滑液中存在補體成分和細胞因子[29],且OA軟骨細胞和滑膜細胞可產生或過度產生多種炎癥介質[30],這些均是炎性OA的特征。此外,血清C反應蛋白水平升高也可預測OA的發生和進展[25]。

CPS在多種疾病中發揮抗炎作用。在神經系統中,Helyes等[31]發現,CPS激活TRPV1后可導致神經末梢釋放抗炎信號分子(如釋放生長抑素);在心血管系統中,Sattler等[32]發現,人誘導多能干細胞衍生的心肌細胞(hiPSC-CM)質膜中表達TRPV1通道,CPS激活TRPV1后能夠抑制脂多糖(LPS)誘導的hiPSC-CM釋放IL-6;并且,CPS能夠通過抑制一氧化氮合酶(eNOS)和一氧化氮(NO)途徑來減少內皮細胞炎癥[33]。 OA中的滑膜巨噬細胞可分為炎性巨噬細胞(M1型)和抗炎巨噬細胞(M2型)。M1型巨噬細胞可與滑膜成纖維細胞和軟骨細胞相互作用,進而促進炎癥微環境,增加基質金屬蛋白酶的分泌,加快OA進展[24]。隨著研究的不斷深入,Lv等[34]發現,給大鼠OA模型的關節腔內注射CPS,能夠顯著減輕OA表型,包括關節腫脹、滑膜炎、軟骨損傷和骨贅形成等。CPS治療顯著減少滑膜中M1型巨噬細胞浸潤,其具體機制為CPS激活TRPV1,誘發的Ca2+內流促進了鈣/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ(Calcium/Calmodulin-dependent protein kinase Ⅱ, CaMKⅡ)的磷酸化,促進了核因子E2相關因子2(nuclear factor-erythroid 2-related factor 2,Nrf2)的核定位,最終抑制M1型巨噬細胞極化,進而起到抑制炎癥的作用 (圖1)。目前關于CPS在OA中發揮抗炎作用的研究較少,需要進行更加深入的持續探索。CPS是否可以直接抑制OA中炎癥因子的分泌,是否與免疫系統存在相互作用,并且其針對炎癥性疼痛的治療效果等還有待進一步探索。

圖1 CPS在OA中發揮作用的機制

3.3 CPS抑制OA軟骨中的氧化應激 在OA的發展過程中,氧化應激的發生往往是導致軟骨退變的開始,即線粒體功能紊亂導致細胞內氧自由基(reactive oxygen species, ROS)水平升高,破壞軟骨穩態,并導致關節軟骨損傷[35]。軟骨細胞產生的ROS包括超氧化物、過氧化氫、NO和NO衍生產物等。細胞內ROS水平升高會使Akt和MAPK等氧化還原調節的細胞信號通路中斷,而過度的氧化物質累積會導致軟骨細胞死亡[36]。OA軟骨中的慢性炎癥環境也會誘導ROS產生。IL-1β、TNF-α和IL-6在OA中高度上調,誘導軟骨細胞產生ROS并表達基質金屬蛋白酶,導致軟骨細胞外基質降解和軟骨破壞[37]。

研究顯示,CPS在心血管系統疾病中可通過激活TRPV1來上調過氧化物酶體增殖物激活受體α(PPARα)的表達,從而降低氧化的低密度脂蛋白(ox-LDL)引起的氧化應激水平[38]。此外,CPS也可通過激活TRPV1來抑制聚合酶δ相互作用蛋白2(poldip2)和NADPH氧化酶4(Nox4)的表達,抑制氧化應激,進而改善糖尿病視網膜病變[39]。還有研究表明,CPS可通過下調高遷移率族蛋白B1(HMGB1)/NF-κB和抑制PI3K/AKT/mTOR通路來減輕氧化應激水平、炎癥反應和細胞凋亡,從而預防LPS誘導的急性肺損傷[40]。

在OA中,鐵離子的過度蓄積會誘導脂質ROS累積,促進疾病進展。2012年,鐵死亡這一新型的程序性細胞死亡模式被提出,其本質為脂質過氧化物水平升高和鐵過載導致的細胞死亡,是氧化應激的一種表現[41]。2021年,Yao等[42]證實OA中存在鐵死亡,這種鐵依賴性的細胞死亡具有獨特的形態、生化、遺傳和免疫學特征,是氧化劑和抗氧化劑產生失衡引起ROS水平變化引起的。最新研究發現, OA病人軟骨損傷部位脂質過氧化水平及鐵死亡標志物表達顯著高于正常軟骨[43]。有研究通過單細胞轉錄組學測序分析發現了一個以優先表達鐵死亡特征和基因的軟骨細胞亞群,富集分析顯示,TRPV1是OA軟骨中抵抗鐵死亡的潛在靶標,CPS作為TRPV1的激動劑通過保護軟骨細胞免受鐵死亡,進而顯著緩解軟骨變性[44](圖1)?，F階段,CPS在OA中抵抗氧化應激的研究集中在動物實驗中,在人群中還未開展,并且CPS是否能夠在OA中抵抗其他的氧化應激形式或者依賴于其他通路發揮作用有待進一步闡明。

4 總結與展望

OA是最普遍的關節退行性疾病,導致關節發生不可逆的結構和功能變化,是老年人口殘疾的主要原因。CPS在OA中呈現出良好的鎮痛、抗炎和抗氧化應激特性,但是目前CPS的臨床應用僅限于疼痛管理,部分原因可歸因于其水溶性差、胃腸道刺激、口服生物利用度低等。未來需要更多的試驗來揭示其在OA中發揮作用的多種分子機制,開發耐受性更好的類似物,最大程度地降低CPS的不良反應,并使其藥效比天然存在的CPS更持久。同時,可以探索基于納米技術的藥物遞送方式,為OA病人提供更加精準靶向的治療。未來,CPS有潛力成為治療OA的一線安全藥物。