植物来源天然小分子化合物防治骨质疏松症的研究进展

植物来源天然小分子化合物防治骨质疏松症的研究进展
魏金星，王诺鑫，罗熠，许艳，肖建辉△
摘要：骨质疏松症是一种以骨量减少、骨质量下降和骨微结构退化为特征的全身性骨病，其病因主要是骨代谢障碍，即破骨细胞的过度形成，导致骨吸收增加和成骨形成不足所致。

传统中草药等植物来源的天然小分子化合物由于来源丰富、结构多样、不良反应少等特性可作为预防和治疗骨质疏松症的替代药物。

本文综述了近年来发现的具有骨保护作用的植物来源的天然小分子化合物的研究进展，以期为预防和治疗骨质疏松药物的开发提供新思路。

关键词：骨质疏松；成骨细胞；破骨细胞；植物药；天然小分子化合物；成骨分化
中图分类号：R681.4文献标志码：A DOI：10.11958/20202154
Research progress on prevention and treatment of osteoporosis with plant-derived natural
small molecular compounds
WEI Jin-xing,WANG Nuo-xin,LUO Yi,XU Yan,XIAO Jian-hui△
Zunyi Municipal Key Laboratory of Medicial Biotechnology&Guizhou Engineering Technology Research Center for Translational Medicine,the Affiliated Hospital of Zunyi Medical University,Zunyi563003,China
△Corresponding Author E-mail:**************.cn
Abstract:Osteoporosis is a systemic metabolic chronic bone disease characterized by reduced bone mass,decreased bone quality and degraded bone microstructure.It is mainly caused by bone metabolism disorder,that is,the increased bone resorption and insufficient bone formation resulted from the excessive formation of osteoclasts.Natural small-molecule compounds derived from traditional Chinese herbs and other plants can be used as alternative medicine for the prevention and treatment of osteoporosis due to their advantages such as rich sources,diverse structures and few adverse effects.This article outlines the research progress on plant-derived natural small molecule compounds against osteoporosis in recent years,with a view to providing new ideas for the development of drugs and the prevention and treatment of osteoporosis.
Key words:osteoporosis;osteoblasts;osteoclasts;herbal drugs;natural small molecule compounds;osteogenic differentiation
基金项目：国家自然科学基金资助项目（81660363）；贵州省高层次创新性人才支持计划（黔科合人才［2015］4028号）；贵州省科技基金重点项目（黔科合［2017］1422号）
作者单位：遵义医科大学附属医院，遵义市医药生物技术重点实验室&贵州省转化医学工程研究中心（邮编563003）
作者简介：魏金星（1994），女，硕士在读，主要从事干细胞分化方面研究
△通信作者E-mail：**************.cn
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（2020-07-02收稿2020-09-10修回）
（本文编辑李鹏）
综述
骨质疏松症是常见的系统性骨病，其特征是骨量低下、骨组织微结构退化、骨骼脆性增加，具有高致残、高致死风险［1］。

我国是骨质疏松症的高发国家。

随着全球老龄化进程日益加快，骨质疏松将成为全球性公共健康问题［2］。

骨质疏松症的防治成为亟待解决的问题。

目前，治疗骨质疏松症的药物主要分为基本补充剂、骨吸收抑制剂、骨形成促进剂等几类［3］，但均存在相应的缺点，在增加骨量或防止骨质流失方面的作用相对较小［4］，寻找更安全有效的药物对防治骨质疏松具有重要意义。

近年来，有机化学和现代药理学揭示了来源于植物中药材用于防治骨质疏松症的物质理论基础，并发现大量能诱导成骨细胞分化，预防破骨细胞形成或分化的天然小分子化合物。

本文综述了近年来具有骨保护和防止骨质流失作用的植物来源天然小分子化合物的研究进展，为研究防治骨质疏松症药物及方法提供新思路。

1萜类化合物
萜类化合物是一类结构多样、数量丰富的天然小分子化合物。

萜类化合物具有抗炎、抗癌和神经保护等作用［5］，多种萜类化合物具有防止骨质流失作用，是潜在的防治骨质疏松症候选药物。

1.1去氢木香内酯去氢木香内酯是天然的倍半萜烯内酯，来源于雪莲根，具有抗炎、抗溃疡、抗肿瘤和免疫调节特性。

在体外，去氢木香内酯可降低核因子（NF）-κB受体激动剂（RANKL）诱导的NF-κB 磷酸化水平，抑制破骨细胞的形成及钛颗粒在体内引起的颅骨溶解，缓解脂多糖（LPS）诱导的炎性骨质疏松模型的骨流失［6］。

研究表明，去氢木香内酯可以通过抑制NF-κB抑制蛋白α（IκBα）降解和NF-
κB家族成员之一p65/RelA磷酸化，使RANKL介导的活化T-细胞核因子1（NFATc1）表达受抑，从而抑制破骨细胞分化，降低去卵巢（OVX）诱导的骨丢失［7］。

进一步研究结果提示，去氢木香内酯通过下调NFATc1基因表达，抑制破骨细胞形成过程中整合素β3表达，减弱破骨细胞迁移能力，并抑制其生长；同时，通过下调破骨细胞中蛋白激酶C-β（PKC-β）表达调节溶酶体生成的主要转录因子（TFEB）稳定性，抑制破骨细胞溶酶体生成，逆转OVX诱导的骨流失［8］。

综上，去氢木香内酯主要经NF-κB通路抑制破骨细胞生成，防止骨流失。

1.2双氢青蒿素双氢青蒿素（Dihydroartemisinin，DHA）是黄花蒿中活性成分青蒿素的衍生物，属于倍半萜内酯类化合物，具有抗癌、抗真菌和免疫调节等
生物学活性，是目前最有效的抗疟药。

最新研究报道，DHA可通过激活人骨髓间充质干细胞（BMSCs）中Wnt/β-连环蛋白（β-catenin）和细胞外调节蛋白激酶（ERK）1/2信号通路促进其向成骨细胞分化［9］。

同时，还可以促进活性氧（ROS）积累和释放，引起线粒体膜电位降低，增加促凋亡蛋白与抗凋亡蛋白比值（Bax/Bcl-2），释放细胞色素C和凋亡诱导因子（AIF）到细胞质中，激活半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3（caspase-3），诱导细胞凋亡，进而抑制破骨细胞形成，有效防止LPS诱导的炎症性骨丢失［10］。

此外，
DHA通过抑制蛋白激酶B（AKT）/酪氨酸专一性蛋白激酶（SRC）途径下调破骨细胞相关基因，预防钛粒子对骨的溶解，以及抑制MDA-MB-231乳腺癌细胞中AKT的激活，使癌细胞增殖、迁移和侵袭能力受损，并有效防止乳腺癌诱发的骨溶解［11］。

综上，DHA能促进细胞向成骨细胞分化、抑制破骨细胞形成，明显改善炎症所致骨丢失，对骨质疏松症具有一定的防治作用。

2香豆素类
香豆素类化合物存在于大约150种植物中，分布于30个不同的科，最重要的有芸香科、伞形科、藤黄科、忍冬科、木犀科等［12］。

研究发现香豆素类化合物除具有抗凝血、抗人免疫缺陷病毒（HIV）、抗氧化、抗炎等多种作用以外，同时具有抗骨质疏松症潜力。

2.1蛇床子素蛇床子素是一种天然香豆素，是药用蛇床子、当归中的主要活性成分，具有抗细胞凋亡、抗炎、抗肿瘤、抗菌、抗过敏、抗骨质疏松等生物活性［13］。

蛇床子素可以增强小鼠胚胎成骨细胞前体细胞（MC3T3-E1）中碱性磷酸酶（ALP）的活性和矿化作用，通过激活环磷酸腺苷（cAMP）/环磷酸腺苷效应元件结合蛋白（CREB）通路促进成骨细胞分化［14］。

此外，蛇床子素可提高BMSCs自噬水平，促进其向成骨细胞分化，经蛇床子素预处理的BMSCs治疗OVX小鼠能明显促进其新骨形成，改善小鼠骨密度［13］。

2.2香柑内酯香柑内酯是一种从佛手柑精油、其他柑橘精油和柚子汁中分离得到的天然抗炎和抗肿瘤物质。

在糖尿病联合骨桥蛋白（OPG）敲除所致骨质疏松症模型中，香柑内酯可通过激活磷脂酰肌醇-3激酶（PI3K）/AKT，应激活化蛋白激酶（JNK）/丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）和NF-κB等通路，抑制白细胞介素（IL）-1β、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、干扰素-γ（IFN-γ）等炎症细胞因子的释放及破骨细胞的增加，避免骨结构破坏［15］。

同时，香柑内酯还可抑制RANKL诱导的破骨细胞相关转录因子NFATc1和快
速反应基因（c-fos）表达，进而阻止成熟的破骨细胞对骨的再吸收，抑制OVX引起的骨质疏松症［16］。

此外，香柑内酯可提高糖尿病小鼠血清总无机磷含量及股骨质量，血清中骨钙素（OCN）和ALP水平，下调骨组织中抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）的含量，改善骨微结构，但不影响小鼠血糖、糖化血红蛋白或血清胰岛素的水平［17］。

2.3补骨脂素补骨脂素是一种从补骨脂种子中分离得到的香豆素类化合物。

研究报道其有抗氧化、抗抑郁、抗癌、抗菌和抗病毒等作用［18］，能显著降低巨噬细胞集落刺激因子（M-CSF）和RANKL诱导的破骨细胞中磷酸化快速反应基因（c-jun）表达和核转位水平，抑制AKT并激活活化蛋白1（AP-1），从而抑制破骨吸收［19］。

此外，补骨脂素可通过调节肌醇需求激酶1（IRE1）-凋亡信号调节激酶1（ASK1）-
JNK信号通路促进骨质疏松患者成骨细胞的增殖，降低其凋亡水平［20］。

由此可知，补骨脂素可作为一种有效的成骨诱导剂应用于骨质疏松症的治疗。

3黄酮类
黄酮类化合物是植物中最常见的一类天然小分子化合物，广泛存在于水果、蔬菜中，具有抗氧化、抗过敏、抗癌和抗病毒等多种生物活性［21］。

黄酮类化合物在体内外骨形成中亦可发挥积极作用。

3.1柚皮苷柚皮苷是一种多甲氧基类黄酮，存在于柑桔类水果中，具有抗氧化、抗炎、抗凋亡和抗骨质疏松等多种生物活性［22］。

柚皮苷通过激活Akt/ IRE1-ASK1-JNK信号通路促进骨修复，并可预防糖皮质激素诱导的股骨头坏死及骨丢失［23］。

研究发现，柚皮苷能促进炎症性肠病大鼠ALP、Runt相关转录因子2（Runx2）等成骨相关基因表达，并使骨髓匀浆中过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）及丙二醛（MDA）含量下调，通过阻断氧化应激来促进骨形成，防止骨丢失［22］。

此外，负载柚皮苷的壳聚糖纳米粒能促进骨形成蛋白的分泌，还能促进BMSCs 的增殖和向成骨细胞分化［24］。

3.2淫羊藿苷淫羊藿苷是一种从淫羊藿中提取的黄酮类物质，具有雌激素样作用。

结合运动治疗，淫羊藿苷可通过雌激素受体（ER）α/AKT/β-catenin 通路显著预防OVX诱导的骨丢失，增加成骨细胞分化和矿化能力［25］。

淫羊藿苷除了可通过ER信号通路调节Runx2、Ⅰ型胶原（COLⅠ）和骨形成蛋白2（BMP-2）的表达促进大鼠BMSCs的增殖及向成骨细胞分化外，还可以通过此通路抑制脂肪细胞相关标志物过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARγ）和CCAAT/增强子结合蛋白α（C/EBPα）的表达抑制BMSCs成脂分化，加强成骨细胞分化［26］。

此外，淫羊藿苷可通过增加AKT磷酸化水平，促进糖原合成酶激酶-3β（GSK-3β）Ser9位点磷酸化，使GSK-3β失活，导致β-catenin核易位，促进成骨作用并抑制PPARγ表达，包封淫羊藿苷的脂质体静脉滴注也可明显改善OVX小鼠骨密度和骨微结构［27］。

3.3槲皮素槲皮素多存在于蔬菜、水果中，具有抗氧化、抗过敏、免疫调节等特性［28］。

槲皮素还能通过抑制TNF-α激活NF-κB，减少β-catenin失活，促进成骨细胞分化，体内实验进一步验证了槲皮素可改善OVX大鼠骨微结构，增加骨负荷和弹性［29］。

此外，与阿仑膦酸钠相比，槲皮素治疗不会影响骨质疏松症动物肾脏、肝脏和卵巢的MDA和谷胱甘肽（GSH）水平，且能够明显改善股骨皮质骨结构，可作为阿仑膦酸盐在维甲酸诱导的骨质疏松症治疗中的有效替代品［30］。

由此可见，槲皮素对维甲酸诱导的骨质疏松症具良好的治疗作用。

4生物碱
生物碱是一类重要的植物次生代谢化合物，有超过12000种不同的结构，形成了一个非常庞大的次生化合物群，具有化学结构和功效多样性［31］。

天然植物生物碱及其合成衍生物因其镇痛、抗痉挛和杀菌作用而被广泛使用。

4.1石蒜碱石蒜碱是一种从东方传统药材石蒜中提取的吡咯并菲啶环型生物碱，毒性较低，具有抗炎、清除自由基、抗病毒等生物活性，低浓度时对癌细胞有选择性抑制作用。

LPS可诱导破骨细胞ROS 积累，通过氧化瞬时受体电位阳离子通道（TRPML1）促进转录因子EB（TFEB）核定位，脂化自噬标志物微管相关蛋白轻链3（LC3），促进细胞自噬，诱导破骨细胞分化，而经石蒜碱治疗，可显著降低细胞线粒体活性氧（mROS）和细胞质活性氧（cROS）含量，下调TFEB在细胞核的表达水平，抑制自噬导致的破骨细胞分化，并且其可通过mROS/ TRPML1/TFEB轴抑制LPS诱导的炎症性骨丢失［32］。

4.2胡椒碱胡椒碱是一种源自黑胡椒的生物碱，具有抗癌、镇痛、抗炎和抗氧化等特性。

研究报道，胡椒碱可激活AMP依赖的蛋白激酶（AMPK）信号，增加MC3T3-E1细胞中ALP活性和生物矿化，增强Runx2及成骨相关基因的表达，刺激细胞向成骨细胞分化，此外，胡椒碱还可以通过Wnt/β-catenin信号通路减少破骨细胞数量，明显改善OVX小鼠骨微细结构和生物力学性能，逆转雌激素缺乏所致骨小
梁退变［33-34］。

因此，胡椒碱可作为一种替代补品或功能性食品成分用于防治骨质疏松症。

4.3青藤碱青藤碱是一种从青藤中提取的单体生物碱，多用于关节炎、免疫失调等疾病的治疗。

青藤碱对破骨细胞过度活动所致的骨质疏松具有积极的治疗作用。

有研究发现青藤碱可影响间充质干细胞中前列腺素E2（PGE2）表达，增加OPG/RANKL比率，抑制破骨细胞分化［35］。

青藤碱可抑制乳腺癌细胞MDAMB-231诱导的破骨细胞分化和骨吸收，直接有效激活IL-8水平，抑制NFATc1和c-jun活化，最终抑制破骨细胞形成，防止乳腺癌细胞侵蚀骨细胞［36］。

5酚类
天然多酚在水果、坚果、蔬菜、豆类中含量丰富。

临床前研究和流行病学数据表明，植物酚类可降低患糖尿病、神经退行性疾病和心血管疾病的风险，对骨质疏松症同样具有延缓作用［37］。

5.1丹酚酸B丹酚酸B是从草本植物丹参中提取的亲水性酚类化合物，因具有保护心脏、神经、胃、肾脏和肝脏等药理活性而备受关注。

在OVX骨质疏松模型中，补充不同剂量的丹酚酸B可显著抑制
OVX诱导的体质量增加及血清中TNF-α、IL-1β、IL-6等炎症标志物水平，增加股骨密度，明显改善股骨骨干的最大负荷、刚度、最大应力等参数［38］。

最新研究表明，丹酚酸B可通过调节转录因子NF-E2相关因子2（Nrf2）和血红素氧合酶I（HO-I）水平促进Runx2和调控成骨相关转录因子（OSX）的表达，上调下游基因COL-1、胰岛素样生长因子（IGF）-1和OCN，调节成骨细胞功能和活性，降低醋酸泼尼松龙对成骨细胞的影响，预防使用醋酸泼尼松龙引起的骨丢失［39］。

在体外实验中，丹酚酸B可增加BMSCs 中一氧化氮（NO）量，促进ALP活性及OPG的表达，增加成骨细胞分化阶段OPG/RANKL转录水平的比值，进而促进BMSCs向成骨细胞分化，防止骨质流失［40］。

5.2白藜芦醇白藜芦醇是一种从红葡萄、花生中提取的天然多酚成分，具有抗肿瘤、清除自由基、抗炎、保护心血管等药理作用。

白藜芦醇可通过抑制PI3K/AKT信号，上调叉头框蛋白O1（FoxO1）的转录活性，减轻过氧化氢（H2O2）诱导的RAW264.7细胞氧化损伤和抑制破骨细胞生成，抑制OVX大鼠RANKL的产生，阻止骨小梁微结构的恶变［41］。

白藜芦醇可通过调节NAD-依赖性去乙酰化酶Sirtuin-1（SIRT1）/FoxO1信号通路抑制过氧化氢诱导的成骨细胞氧化应激损伤，抑制细胞凋亡。

而且，它还能上调OVX小鼠SIRT1水平和增强抗氧化应激能力，减少骨丢失［42］。

此外，白藜芦醇可降低骨质疏松大鼠股骨RANKL/OPG的比值及IL-23、IL-17A、IL-1β、
TNF-α等细胞因子的表达，轻度增加骨密度［43］。

5.3香草酸香草酸是一种二羟基苯甲酸衍生物，在当归根、龙涎香树皮和马齿苋果实中含量较高，具多种生物活性。

研究报道香草酸能抑制RAW264.7破骨前细胞向破骨细胞分化，保护OVX小鼠的骨骼免受破骨细胞的降解［44］。

也有研究发现，在大鼠成骨细胞UMR106细胞中，香草酸可通过有丝分裂原活化蛋白激酶（MEK）/ERK介导的ER信号通路，刺激UMR106细胞向成骨细胞分化，抑制破骨细胞形成，发挥骨保护作用［45］。

6展望
天然小分子化合物在抗骨质疏松方面有应用前景，可通过促进成骨细胞增殖分化以及抑制炎症和破骨细胞形成，预防骨质流失而发挥抗骨质疏松作用。

其刺激新骨形成并调节骨代谢平衡的作用可作为当前骨质疏松症药物治疗的重要补充。

部分天然小分子化合物的作用已在动物模型中得到证实，甚至已在治疗人骨质疏松方面取得成效。

然而，天然小分子化合物仍然存在靶点尚不明确、分子信号调控网络不清晰等问题。

今后可重点研究天然小分子化合物治疗骨质疏松症的作用靶点及分子机制、构效关系、化学结构改造及安全性问题，为临床治疗提供更坚实的理论依据。

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（2020-07-27收稿2020-09-04修回）
（本文编辑李志芸）。