脂肪酸代謝對骨質疏松骨骼細胞的影響及中西醫干預研究

曹奇 孫廣江 戚曉楠 智猛 那俊夫 王洪旭 姚嘯生*

1 遼寧中醫藥大學,遼寧 沈陽 110847

2 遼寧中醫藥大學附屬醫院,遼寧 沈陽 110000

骨質疏松癥(osteoporosis,OP)是骨密度減低和骨組織脆弱為主要特點的慢性疾病,使個體易發生脆性骨折,是最常見的骨科疾病之一[1]。骨丟失主要與年齡、女性絕經有關[2],多種危險因素導致脆性骨折,增加死亡率,降低生活質量[3]。鑒于全球老齡人口的迅速增加,OP對個人和社會都造成了相當大的負擔[4]。近年來,中醫藥防治骨質疏松癥的研究探索日益增加。骨質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疏松癥[5]。進一步探索肌骨協同退變機制中的關鍵環節,發現鳶尾素可能是影響“脾腎-肌骨”的橋梁因子,其通過減少脂肪含量,對骨組織和骨骼肌產生間接影響[6]。脂肪細胞和成骨細胞具有同源性,骨髓間充質干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)既可以在骨代謝分化為成骨細胞,亦可在脂代謝分化為脂肪細胞[7-8]。在骨骼出現骨量下降時,往往出現髓腔中脂肪含量上升,過量脂肪累積會促進分泌異常脂肪酸(fatty acids,FAs),通過脂毒性對骨代謝產生負面作用[9-11]。而鳶尾素一方面可直接降低成脂基因的表達,抑制脂肪細胞形成[12],另一方面可以通過增加成熟脂肪細胞能量消耗,減少脂肪含量[13-14],對骨代謝產生積極的影響。

因此,脂肪酸代謝對成骨細胞和破骨細胞進而對OP的發病及病變進程有著重要影響[15-17]。本文基于前期理論基礎,分析脂肪酸代謝途徑在調節OP中特定細胞中的作用,并進一步探討基于脂肪酸代謝途徑的OP潛在治療方法及相關藥物。

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)。根據含有雙鍵的數量,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,對于脂肪酸代謝在生理功能及病理改變中如何發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在骨骼健康中發揮不同的作用。

2.1 SCFAs與骨骼健康

SCFAs對骨骼健康有重要作用,其作為代謝產物由腸道菌群消化分解過程產生,包括醋酸鹽、丁酸鹽和丙酸。有研究發現,SCFAs既可直接作用于參與骨代謝的細胞,也可以間接影響免疫炎癥反應,與促進骨形成方面聯系密切[21]。研究表明,丁酸鹽可間接調控骨合成Wnt配體Wnt 10B的基因表達。通過調節調節性T細胞影響骨形成,而調節性T細胞在抑制免疫反應中發揮作用[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同樣被發現對骨骼健康有重要作用,是維持骨骼穩態的必要成分。參與維持骨穩態的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對骨骼的正性作用:有證據表明,n-3 LCPUFAs對骨骼健康有益[24]。用魚油喂養老年性OP模型小鼠,可減緩骨髓脂肪組織擴張和造血骨髓萎縮,防止骨質流失[25]。Wu Y等[26]應用代謝組學檢測發現,多代傳代導致衰老成骨細胞更嚴重的氧化應激損傷,這可能與n-3多不飽和脂肪酸水平的降低有關,適當攝入n-3PUFA可能延緩老年性骨質疏松癥的發生。同時,n-3 LCPUFA抑制破骨細胞生成,降低前列腺素E-2含量,從而增加骨密度,對OP有較好的干預及預防作用[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,骨折風險降低[29]。此外,脂肪酸中的棕櫚酸等,具有促進相關能量產生而促進成骨細胞分化發育的作用,因此可以幫助骨形成[30]。

2.2.2n-6 LCPUFAs對骨骼的負性作用:n-6PUFAs在骨代謝中發揮負面作用[31]。n-6 PUFAs不僅可以抑制成骨細胞的形成和誘導MSCs的脂肪生成,還可以減弱OPG/RANKL的表達[32]。這兩種脂肪酸在細胞膜磷脂雙分子層的結構和功能中都發揮著重要作用,作為脂質介導的信號分子的前體,可能因此影響骨重塑過程。屬于n-6PUFAs的AA和PGE2通過上調 PPARγ依賴性途徑和下調 Runx2促進MSCs向脂肪細胞分化,從而引起成骨細胞的生成降低、減少成骨,同時上調環氧化酶(cyclooxygenase-2,COX-2)的表達,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顯著增加了骨密度[34]。

3 脂肪酸代謝對骨質疏松骨骼細胞的影響

基于脂肪酸在骨骼細胞分化中作為信號轉導分子的作用,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胞分化中的相關作用功能[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胞、破骨細胞發生生理病理的改變,影響OP的病理進程。

3.1 脂肪酸代謝對成骨細胞的影響

3.1.1脂肪酸對成骨細胞分化轉錄因子PPARs的作用:成骨細胞由各種轉錄因子調控下分化成熟,從間充質干細胞、前成骨細胞、未成熟成骨細胞直至成熟成骨細胞[36]。過氧化物酶體增殖物激活受體(PPARs)是調控成骨細胞分化的重要轉錄因子之一,其亞型PPARγ多態性與PMOP風險之間的關系已被報道[37]。作為PPAR-γ配體的特定脂肪酸決定了其抗成骨細胞或促脂肪細胞的雙重功能。LCPUFAs和AA代謝產物PGE2被認為是PPARs[38]的配體。AA、LA、ALA、EPA等脂肪酸可與PPARα和PPARγ[39]結合。n-6 AA處理后,分化為成骨細胞的人間充質干細胞的成脂基因PPARγ2[40]表達增加。PPARγ與15 d-PGJ2結合,激活脂肪生成,并負向干預Wnt/β-catenin信號途徑,阻礙成骨細胞的分化[41]。補充DHA作為成骨細胞膜的脂質成分,已被證明可誘導間充質干細胞的廣泛重塑,這決定了成骨細胞的細胞特異性特性。DHA引起的質膜改變通過上調質膜上被稱為Akt的蛋白激酶B的磷酸化來增強MSCs的成骨分化。這提出了一種新的機制,通過膳食脂肪酸調節成骨分化[42]?；ㄉ南┧崾且环NPPARγ激活劑,可以調節骨髓間充質干細胞分化發育為脂肪細胞,阻礙成骨細胞發育[43]。

3.1.2脂肪酸對成骨細胞分化標志物堿性磷酸酶的作用:Takashi K等[44]利用MC3T3-E1細胞研究了短鏈脂肪酸是否在成骨細胞中被吸收并影響早期成骨細胞分化。在MC3T3-E1細胞中,醋酸鹽和丙酸鹽上調了成骨細胞分化標志物堿性磷酸酶的活性,且乙酸鹽在處理9 d后上調了堿性磷酸酶mRNA表達,而丁酸鹽則沒有上調。丁酸鹽比乙酸鹽和丙酸鹽吸收得更快,吸收程度也更大。這些結果表明短鏈脂肪酸在成骨細胞中起作用,尤其是乙酸和丙酸直接調控了原代成骨細胞的分化。因此,醋酸鹽和丙酸鹽可能有助于維持骨轉換的正平衡。Khosla S[45]等提出,丁酸可以促進提高小鼠體內成骨細胞的數量,促進骨形成。Schroeder TM等[46]經實驗得出,用500 nmol/L丁酸鹽培育的小鼠顱骨,其培養基中堿性磷酸酶含量明顯升高,而體外實驗中,丙戊酸鹽同樣可以激活提升原代成骨細胞的生物活性。Jafarnejad S等[47]發現脂肪酸中的丁酸可以調節BMSCs分化發育為成骨細胞,同時產生骨骼內礦化的骨結節,增強骨形成。

3.2 脂肪酸代謝對破骨細胞的影響

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

3.2.2脂肪酸對破骨細胞分化相關標志物的影響:Resolvin E1(RvE1)是EPA的衍生物,是一種有效的促分解脂質介質,可減少破骨細胞介導的骨丟失。RvE1通過抑制破骨細胞前體細胞RAW264.7中RANKL調控的破骨細胞特異性基因及轉錄因子c-fos和活化T細胞核因子1(NFATc1)mRNA的表達發揮抑制作用[52]。此外,有研究發現富含omega-3 FAs的魚油抑制了RANKL通路介導的RAW264.7細胞破骨細胞分化的上調[53]。在Song J等[54]的研究中發現,ALA通過下調破骨細胞分化相關標志c-Fos、c-Jun和NFATc1,轉錄因子蛋白酒石酸抗酸性磷酸酶(TRAP)、破骨細胞相關免疫球蛋白樣受體(OSCAR)和組織蛋白酶K,抑制RANKL介導的破骨細胞發生。在小鼠實驗模型中,DHA通過與g蛋白偶聯受體120(GPR120)結合,減少巨噬細胞中破骨細胞相關細胞因子TNF-α的產生,從而抑制脂多糖(LPS)誘導的破骨細胞形成[55]。Kim HJ等[56]的研究表明,DHA通過抑制NF-kB和MAPKs激活,抑制RANKL調控的原代巨噬細胞分化至破骨細胞。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,可以通過調節破骨細胞特異性信號發揮其抑制作用,證實HDAC可以調節破骨細胞的生成[58]。

4 基于脂肪酸代謝途徑的骨質疏松潛在治療藥物

現階段,針對OP的治療主要圍繞增強骨形成、減少骨吸收,本文進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OP的重要作用。

4.1 基于脂肪酸代謝途徑治療骨質疏松癥的潛在現代藥物

在Cungo等[53]最近的一項研究中發現,用魚油(EPA和DHA)補充羅格列酮處理的小鼠具有更高的骨密度,同時降低COX-2活性和促炎細胞因子IL-6和TNF-α,提升抗炎細胞因子和抗破骨細胞因子IL-10。此外,應用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嚙齒動物模型中,組織蛋白酶K在骨吸收過程中由破骨細胞分泌,導致礦物質成分和骨基質降解)和TNF-αmRNA表達水平,但提高了Osx mRNA的表達水平,同時觀察發現標本股骨干皮質骨厚度增強、股骨頭骨小梁厚度增加[59]。有研究發現,雌性大鼠在補充n-3 PUFA后,破骨細胞因子RANKL、TNF-α和IL-6的表達下降,同時子代雄性大鼠的骨體積增加,成骨細胞的數量提升,破骨細胞下降[60]。硫酸軟骨素(CS)是一類硫酸化的糖胺多聚糖,16 S rRNA測序和代謝組學分析表明,硫酸軟骨素干預可減少低鈣喂養大鼠腸道菌群短鏈脂肪酸的合成,減緩炎癥反應,抑制破骨細胞分化,促進鈣吸收和抗氧化機制,減輕OP[61]。

4.2 基于脂肪酸代謝途徑治療骨質疏松癥的中藥

補骨生髓方[62]、二仙湯[63]和貞術調脂方[64]等中藥成方和中藥單體葛根素[65-66]、吳茱萸皂苷[67]同樣被證實通過調節脂肪酸代謝可起到治療OP作用。臨床觀察表明補骨生髓方治療PMOP療效顯著,高劑量組最佳。血清代謝組學顯示,在測量腸道菌群發現,乙酸含量升高,己酸含量下降,為中藥治療PMOP提供依據[62]。研究表明,二仙湯可顯著提升血清中n-3 PUFAs 含量,調節脂肪酸代謝,治療卵巢切除后導致的PMOP模型[63]。經代謝組學鑒定OP小鼠NPD1和AA兩種脂肪酸類成分,證實OP的發生發展可能與脂肪酸代謝有關,而貞術調脂方可改善模型組小鼠脛骨和股骨BMD、骨小梁數目、寬度等,其作用機制可能是通過調節脂肪酸代謝,平衡骨髓間充質干細胞成骨、成脂分化[64]。葛根素灌胃后,去卵巢大鼠股骨BMD提高,氣相色譜檢測到給藥組與模型組腸道代謝物短鏈脂肪酸數量存在差異。由此推測葛根素通過調控短鏈脂肪酸數量從而治療OP[65]。LiB等[66]應用血清代謝組學,發現應用葛根素(PUE)干預去卵巢大鼠時,有23種不同的代謝產物發生變化,與PUFAs代謝途徑密切相關。同時發現骨代謝指標與不同的代謝產物,特別是n-3/n-6 PUFA之間存在密切關系。最后證實PUE通過調節PUFA生物合成及磷脂代謝,減少去卵巢大鼠骨髓基質干細胞的脂肪分化,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四極桿飛行時間質譜儀(UPLC-Q/TOF-MS)對PMOP大鼠尿液代謝譜進行潛在生物標志物篩選,結果顯示吳茱萸皂苷可通過影響花生四烯酸代謝對PMOP有治療作用。

5 小結

近年來,針對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胞類型中的生理、病理功能十分必要。骨細胞的功能及相互作用與脂肪酸代謝關系密切,脂肪酸代謝途徑及產生的各類物質在骨細胞的分化發育、骨內環境穩態均發揮了重要的作用。了解OP中這些脂肪酸代謝異常的機制,將為其治療方法開辟新的途徑。然而,目前針對OP骨細胞脂肪酸代謝途徑的研究仍較少,仍需通過代謝途徑中關鍵酶的檢測驗證其作用,并通過機制研究進一步探討其與OP骨骼細胞的相互關系。