姜黄素在治疗骨性关节炎过程中对关节软骨和滑膜细胞的作用机制

代万武 黄祖权 张 波 李兴艳▲

1.广西医科大学第三附属医院关节外科，广西南宁 530031；2.广西医科大学第三附属医院创伤骨科手外科，广西南宁 530031

骨性关节炎（osteoarthritis，OA）是一种以炎症因子过表达、关节软骨变性、破坏及继发性骨质增生为特征的慢性关节病，涉及软骨、滑膜、软骨下骨等细胞组织，临床主要表现为关节疼痛、关节摩擦感或摩擦音、僵硬、运动受限等[1]。OA 的发病率与年龄呈正相关，好发于负重较大的关节，如膝关节，膝骨关节炎目前被列为全球第二的高致残率疾病[2]。目前OA 的治疗主要是保守治疗、物理治疗、手术治疗和中药康复治疗，但尚无治疗方法可以完全治愈OA[3]。OA 的产生和进展是生物力学异常和炎症因子共同作用的结果[4]。在OA 的发生发展过程中，许多信号通路、信号因子的激活或抑制参与其中，包括JAK2/STAT3、Wnt/β-catenin、MAPK/ERK1/2 等细胞通路以及白细胞介素（IL）-1、IL-6、基质金属蛋白酶（MMP）-1、MMP-3、诱导型一氧化氧合酶（iNOS）等炎症因子的高表达。

姜黄素是从天然植物的根茎中提取的小分子药物，广泛分布在我国各地，自化学结构被确定以来，发现其具有广泛的抗炎抗氧化作用。尤其是现代医学的快速发展，姜黄素在抗肿瘤、抗凝、抗炎、抗心肌梗死、抗氧化以及肠道性疾病等方面的药效被深入发掘。随着越来越多的研究发现，姜黄素能有效用于OA 的治疗，不良反应少且经济安全。基于此，本文就姜黄素在治疗OA 过程中涉及的各种信号通路进行综述，以期能为其下一步深入的临床研究提供理论基础。

1 姜黄素对关节软骨的作用机制

1.1 姜黄素通过介导JAK2/STAT3 信号通路参与软骨保护作用

迄今为止，共发现蛋白酪氨酸激酶（januskinase，JAK）有JAK1、JAK2、TYK2 和JAK3 等4 个家族成员。前3 个成员主要分布于多种组织细胞的细胞质中，而后者仅分布于骨髓和淋巴系统。信号传导子和转录激活子（signal transducer and activator of transcription，STATs）是JAK 家族产生的底物，包含STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5A、STAT5B 以及STAT6 等7 个成员，直接将信号传递到核内，调节相关特定基因的表达。

研究发现，JAK/STAT 信号转导通路广泛参与细胞的增殖、分化、凋亡、免疫调节以及细胞损伤后的炎症反应、氧化应激等过程[5]。其中，JAK1 和JAK3 激酶的变异与类风湿关节炎等免疫系统炎症性疾病密切相关[6]。该通路受多种细胞因子如IL（IL-2、IL-9、IL-15、IL-21）、干扰素（α、β、γ）、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF）、血小板源生长因子（PDGF）、表皮细胞生长因子（EGF）等刺激。李旭升等[7]采用腹腔注射研究姜黄素治疗Glasson 等方法诱导的骨性关节炎，通过观察软骨细胞p-JAK2、p-STAT3 及Bax 蛋白表达水平的变化和软骨细胞线粒体中琥珀酸脱氢酶（SDH）、大脑组织线粒体细胞色素C 氧化酶（COX）蛋白的表达情况来研究姜黄素治疗OA 的机制，结果发现姜黄素能够逆转关节炎所致的p-JAK2、p-STAT3蛋白表达水平的降低以及Bax 蛋白表达水平的升高，同时加强SDH、COX 蛋白的表达水平。采用JAK抑制剂Filgotinib 抑制JAK/STAT 信号通路后发现，Filgotinib 可持续改善对甲氨蝶呤（MTX）不敏感的RA 患者，提高ACR20 的应答率，且提高剂量后并未出现抑制剂相关的不良反应（如贫血）。说明在OA 病程中JAK2/STAT3 信号通路被一定程度抑制，使得软骨细胞凋亡水平增加，线粒体的抗氧化应激能力下降，证明姜黄素可以有效激活该信号通路，抑制软骨细胞凋亡，提高细胞线粒体的抗氧化应激能力（表1）。

表1 姜黄素治疗骨性关节炎过程中参与的信号通路

1.2 姜黄素通过介导Wnt/β-catenin 信号通路参与软骨保护作用

Wnt 信号通路广泛分布于细胞中，调控着细胞分化、免疫、应激、凋亡等生命过程，该通路的激活和抑制可以调控软骨细胞的移行、分化和增殖以及关节软骨基质的形成和分解[22]。Wnt/β-catenin 信号通路被认为是骨骼、软骨和关节发育的关键调节剂，在包括间充质干细胞的凝结和分化，维持成熟的软骨表型，软骨内骨化过程中的肥大性成熟以及组织变性和再生中起着至关重要的作用[23]。

在骨关节分化和损伤修复过程中，Wnt/β-catenin通路起着至关重要的作用。在诱导干细胞（如脂肪干细胞）向软骨方向分化过程中[24]，Wnt 通路前期促进脂肪干细胞快速增殖，上调Sox9 促进成软骨分化，后期下调Sox9 表达，削弱成熟软骨表型，促进软骨肥大和早期软骨骨化，并且Sox9 的过表达会反馈抑制Wnt 通路活性，维持软骨表型，延迟软骨肥大和早期成骨进展。体内体外实验研究发现，力学的异常压迫（如肥胖）也会诱导激活Wnt/β-catenin 信号通路和抑制E-cadherin 与β-catenin 之间的物理蛋白相互作用来促进终板软骨变性，导致软骨破坏[25]。马勇等[8]采用兔软骨体外研究发现，10 μmol/L 的姜黄素能够促进Wnt2 和β-catenin 蛋白水平的表达，抑制GSK-3β 的蛋白水平的表达，推测姜黄素可以通过该通路促进软骨细胞增殖。舒子震等[9]采用SD 大鼠模型造模后予以灌胃疗法发现姜黄素可以有效促进β-catenin 蛋白水平的表达，证明姜黄素可通过Wnt 通路中改善关节炎以及抵抗关节软骨损伤。

1.3 姜黄素通过介导NF-κB 信号通路参与软骨保护作用

核因子活化B 细胞κ 轻链增强子（NF-κB）广泛存在于所有动物细胞类型中，是细胞内重要的核转录因子，参与机体的炎症反应、免疫应答，可以调节细胞凋亡、应激反应。NF-κB 信号通路的过度激活，可导致类风湿关节炎等疾病。依赖NF-κB 的信号传导是OA 的重要调节剂，在人OA 软骨细胞中G 蛋白偶联受体激酶5（G protein-coupled receptor kinase，GRK5）基因的抑制导致OA 相关炎症因子（IL-6、MMP-13）的表达和NF-κB 的转录（ADAMTS-4）均下调。可见GRK5可通过参与分解代谢反应来调控软骨细胞的降解进而调节NF-κB 途径，是OA 治疗的潜在靶标。另外，在IL-1β 诱导的OA 进程中，伴随有miR-27a-3p 的上调，而MAPK 和NF-κB 信号通路的激活能够抑制其进一步上调，延缓OA 的进一步发展[26]。

王健等[10]通过Hulth 法[27]建立大鼠创伤性骨关节炎模型后提取关节软骨细胞培养，然后利用姜黄素进行治疗后，再检测核因子κB P65 核内外表达情况以及细胞Ⅱ型胶原、MMP-1 和MMP-13 的表达状态。结果发现，姜黄素能够通过抑制软骨细胞核因子κB 信号通路的活化，从而抑制核因子κB P65 核转位，进而抑制软骨细胞释放MMP-1、MMP-13 的表达，使得Ⅱ型胶原的含量增加，保护软骨细胞治疗OA。孙达锋等[28]通过木瓜蛋白酶构建兔骨性关节炎早期模型，随后关节腔内注射姜黄素治疗，结果发现姜黄素能够有效缓解OA 的退变，推测作用机制与IL-1β/Iκβ 激酶β（IKKβ）/NF-κB/COX-2、MMP-9 两个正反馈信号的阻断密切相关。

1.4 姜黄素通过介导MAPK/ERK1/2 信号通路参与软骨保护作用

丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MAPKs）信号转导通路存在于大多数细胞内，将细胞外刺激信号转导至细胞及其核内的同时调节细胞增殖、分化、转化以及凋亡等生理过程。细胞外调节蛋白激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）信号通路通过磷酸化作用参与细胞增殖与分化的调控，是与细胞炎症反应相关的一种信号调节通路。炎症因子刺激激活MAPKs 信号通路可以引起MMPs 表达增加和软骨细胞破坏、凋亡等一系列反应。通过抑制ERK 信号通路上游的靶点MEK1/2 后发现ERK的活化减弱，并且显著减少了OA 中软骨损伤。此外，在联合沉默ERK1 和ERK2 条件下可明显抑制IL-1β诱导的炎症软骨细胞中MMP-13、MMP-3、COX-2 以及前列腺素E2（PGE2） 等的表达水平，说明MAPK/ERK1/2 信号通路和OA 密切相关。

李晓东等[11]采用姜黄素预处理IL-1β 诱导的SD大鼠炎症软骨细胞，发现姜黄素能够上调炎症软骨细胞的自噬水平，使自噬标志物LC3-Ⅱ和Beclinl 的表达增加，同时增加软骨细胞内ERK1/2 的磷酸化程度，抑制OA 软骨细胞的凋亡，起到软骨保护作用。姜黄素联合白藜芦醇可以有效抑制炎症软骨细胞中IL-1β 导致的细胞凋亡和ERK1/2 的下调，这是由于激活了MEK/ERK 信号通路，证明了这是维持软骨细胞分化和存活的途径之一。此外有研究证明，姜黄素还可以作为AP-1 抑制剂参与抑制IL-1β 诱导导致的MMP-1 的高表达[13]。同时，姜黄素作为组蛋白乙酰转移酶（HAT）抑制剂能够特异性抑制CBP/p300，从而降低组蛋白乙酰化作用，降低IL-6 基因的表达，因此姜黄素可以作为HAT 抑制剂用于RA 的新型表观遗传治疗剂。

1.5 姜黄素通过介导Nrf2/ARE 信号通路参与软骨保护作用

核转录因子红细胞系2p45 相关因子2（nuclear factor-erythroid-2p45 related factor 2，Nrf2）被认为是参与调控氧化应激中的重要因子[29]，位于细胞质中。氧化应激可以激活氯丙烷相关蛋白-1（Keap1）同Nrf2的解离，释放Nrf2 从而启动抗氧化酶的表达。姜黄素可通过抑制Keap1、调控Nrf2 上游介体、调控Nrf2 和靶基因的表达以及调控Nrf2 核转运四种方式来刺激Nrf2 信号通路。

宋永周等[30]用姜黄素治疗体外过氧化氢（H2O2）诱导的炎症软骨细胞后测定细胞内超氧化物歧化酶、丙二醛、过氧化氢酶含量以及Nrf2 基因和蛋白的表达水平，结果发现经姜黄素预处理后的软骨细胞存活率、超氧化物歧化酶、过氧化氢酶水平升高，丙二醛水平降低，Nrf2 基因和蛋白表达水平均上升，推测姜黄素通过激活Nrf2 核转位，激活Nrf2-ARE 信号通路有关。进一步的研究发现[15，31]，姜黄素可以作为外源性Nrf2 激动剂诱导Nrf2 的释放，使得抗氧化酶的表达增高，通过降低细胞内氧化应激水平来保护软骨细胞的损伤。在研究姜黄素治疗颞下颌关节骨关节炎（TMJ OA）的机理中，姜黄素通过Nrf2/ARE 信号通路抑制炎症、氧化应激和炎性软骨细胞的基质降解，通路分析表明ROS/Nrf2/HO-1-SOD2-NQO-1-GCLC 是其关键的信号转导轴，从而保护软骨细胞[32]。

1.6 姜黄素通过介导PI3K/Akt/mTOR 信号通路参与软骨保护作用

mTOR 信号通路参与机体包括生长、增殖、血管生成、代谢和自噬等病理生理过程。关节软骨的衰老与自噬的减少密切相关。PI3K/AKT/mTOR 信号通路参与RA 大鼠的软骨细胞增殖、凋亡和自噬过程。藤黄酸通过PI3K/Akt/mTOR 信号通路抑制RA 大鼠的炎症反应。Zhang 等[16]应用自发和手术诱导OA 模型后研究姜黄素通过自噬相关途径治疗OA 的效果，结果发现姜黄素治疗后关节软骨自噬增加（LC3 和Be clin1）、凋亡减少（caspase-3 和Bax/Bcl2）和软骨基质降解减少（MMP13、ADAMTS-5、Col2a1 和聚集蛋白聚糖），证明了姜黄素可以通过调节Akt/mTOR 途径促进自噬保护软骨。

2 姜黄素对关节滑膜的作用机制

在骨性关节炎的病程进展中，关节软骨退变、软骨下骨板和滑膜组织增生是主要的病理改变，滑膜组织增生参与OA 的进展。Bcl-2/bax 信号通路是调节细胞凋亡的重要通路，参与细胞及线粒体膜稳定性调控，其激活可以加速细胞凋亡。姜黄素可以通过对线粒体途径中的bax 和bcl-2 蛋白表达的调节来调控caspase-3、CytC、PARP 降解以及BID 断裂从而诱导滑膜细胞凋亡[17]，下调类风湿关节炎滑膜细胞NFκB 的表达和活性，抑制其增殖[18]，这和Kloesch[33]的研究中认为姜黄素能够抑制NF-κB 的活化，诱导滑膜细胞凋亡的观点一致。此外，姜黄素还可以通过调控滑膜细胞的OPG/RANKL 信号通路，降低RANKL 表达，提高OPG 表达来治疗OA[20]。代谢组学研究姜黄素在RA 滑膜中的作用机制发现，姜黄素可以一定程度上逆转TNF-α 引起的代谢紊乱，推测是由于氨基酸和脂肪酸代谢的中间体恢复导致的，这表明姜黄素预防关节发炎的作用可能与氨基酸代谢产物水平的恢复有关，如瓜氨酸或甘氨酸等。另有研究发现，姜黄素可以通过靶向Akt1-mTOR 途径来抑制Akt1 的表达水平，减轻RA 引起的炎症和滑膜增生[19]。此外，姜黄素还可以通过蛋白激酶Cδ（PKCδ）/JNK/c-Jun 途径抑制滑膜细胞和软骨细胞中PKCδ 磷酸化下调MMP-1 和MMP-3 的表达，同时减少滑膜和软骨细胞中炎症因子的表达从而达到治疗OA 的效果。

3 姜黄素的临床应用现状

目前，姜黄素的研究仍主要集中在细胞和动物层面上，如小鼠、兔、狗等动物，在临床上的应用相对较少，且主要集中在国外。治疗方案以胶囊口服为主，暂无关节腔注射和敷贴治疗。Goel 等[34]为姜黄素治疗活动性RA 患者的安全性和优越性提供了第一个证据，但缺点是参与的临床患者病例数较少。随后，Henrotin等[35]采用双盲多中心随机安慰剂对照三臂方案研究150 例膝骨关节炎患者接受姜黄素治疗后连续随访90 d，对患者的疾病活动进行整体评估和观察患者的血清sColl2-1（软骨降解的生物标志物），结果发现姜黄素可以下调软骨的分解代谢，减慢软骨结构的进程，且安全且耐受性良好，无严重不良反应。Appelboom 等[36]回顾性研究820 例临床患者口服新姜黄提取物（Flexofytol）4~6 粒/d，连续治疗6 个月以上后发现，该提取物耐受性极好，对关节活动度、疼痛和生活质量具有快速益处，且一定程度上可以减少镇痛药和抗炎药的使用。另外一项双盲前瞻性随机临床试验发现，把姜黄素作为双氯芬酸在原发性膝骨关节炎的辅助治疗中具有一定效益但无统计学意义[37]。但是其他研究发现，姜黄素植物体磷脂酰复合物（Meriva）能够有效减轻骨关节炎患者的疼痛并改善了关节功能，且比硫酸软骨素更快地起效并改善结局。随后的100 例OA 研究发现，Meriva 还可以改善一系列炎症标志物和沉降速率，因此他们认为姜黄提取物在治疗OA 方面似乎与布洛芬一样有效，且消化道不良事件较少。最新的一项研究给予患者每天口服姜黄素复合物胶囊3 次，连续12 周后，观察患者的关节痛指数、晨僵、身体机能以及对疾病的严重程度进行整体评估后发现，在12 周后即可减轻OA 患者的疼痛相关症状[38]。

关于姜黄素的治疗剂量，许多研究认为姜黄素在人体临床试验和系统评价中被认为是安全可耐受的，且长期研究未显示有毒性[39]。但在一些较高剂量（8~12 g）使用情况下发现部分受试者有轻度的恶心或腹泻现象[40]。总的来说，当改善骨关节炎所需的剂量低于2 g/d 时，尚未见有副作用的报告。

4 总结与展望

目前，骨性关节炎的发生发展机制尚未完全明确，是一个极其交错复杂的过程，但研究发现，诸如生长因子、炎性细胞因子、机械生物力学异常、氧化应激和信号通路分子等许多因素都参与该过程。幸运的是，分子医学和生物医学等基础医学和交叉学科的快速发展为软骨修复、软骨再生提供了理论基础。药物在治疗OA 过程中涉及许多信号通路的参与，并非是具有抗炎抗氧化作用就可以用于OA 的治疗，应该寻找具有特异性靶向作用的小分子药物。未来的研究方向可以针对性地寻找安全有效的药物来调节相关信号通路，预防或抑制OA 中的炎症因子以及软骨细胞修复、凋亡。

综上所述，姜黄素是一种疗效相对明确的天然药物，近些年的多项临床宏观研究展现出了其较传统药物在镇痛和功能恢复等方面的优势。另外，基础实验的微观机制研究也表明了姜黄素可以通过多条信号通路参与骨性关节炎中关节软骨和关节滑膜细胞的调节。但在目前的机制研究中，尚未有报道姜黄素在镇痛方面的机制探讨。因此，应将临床和基础研究充分结合，再辅以生物支架等组织工程学的多学科领域研究，为今后姜黄素在进一步的临床广泛应用中提供理论基础。