中藥調控NF-κB信號通路干預椎間盤退行性變的作用機制*

謝芋濤,王想福,石瑞芳,李晨旭,陳偉國,楊煥瑩,張萬乾,楊建霞,陶瑜晶,任毅

1.甘肅中醫藥大學,甘肅 蘭州 730000; 2.甘肅省中醫院,甘肅 蘭州 730050

根據流行病學調查結果顯示,在50歲以下人群中,椎間盤退行性變(intervertebral disc degeneration,IDD)的發病率男性為71%,女性為77%,在50歲以上人群中,兩性均>90%。IDD是引起下腰痛的主要原因之一[1]。現代醫學治療IDD引起的疾病,主要有保守與手術治療兩種方式,保守治療給予鎮痛藥、物理治療和消炎藥等以減輕疼痛。對癥狀藥物無反應的患者可采用手術治療來幫助緩解癥狀[2]。近年來,隨著對中藥治療IDD研究的深入,核因子-κB(nuclear factor-kappa B,NF-κB)信號通路已被證實是介導椎間盤炎癥的重要通路之一。研究發現,部分中藥能夠通過阻斷NF-κB信號通路,在退變發生的早期控制炎癥因子的表達,減輕炎癥;減少基質降解酶的表達;促進膠原和蛋白聚糖的合成;促進椎間盤細胞增殖,抑制椎間盤細胞凋亡[3-4]。這與現代醫學通過西醫藥物保守治療的目的相同。因此,本文就NF-κB信號通路及中醫藥干預NF-κB信號通路的研究進展進行綜述,為中醫藥干預IDD提供理論依據。

1 NF-κB信號通路與IDD

NF-κB是Rel蛋白家族的成員。目前,在哺乳動物中發現的Rel蛋白家族成員有5種:p65(RelA)、RelB、c-Rel、p50和p52(它們的前體分別為p105和p100,稱為NF-κB1和NF-κB2)[5]。這5種不同的蛋白平時組成各種同源二聚體或異源二聚體,有著各自的DNA靶位點,調控不同基因的轉錄與表達,也決定了NF-κB功能的多樣性[6]。雖然并非所有的二聚體復合物的生理存在和相關性都得到證實,但已有研究證明,真核細胞中存在兩種最典型的二聚體(p50/p65和p52/RelB),可上調 NF-κB基因的表達[7]。目前,公認的NF-κB信號通路激活途徑有兩種:規范途徑和非規范途徑。其中規范途徑被視為NF-κB的主要激活途徑,也是介導椎間盤慢性炎癥反應發生的主要通路,由kappa B抑制因子激酶(inhibitor of kappa B kinase,IKK)介導實現的。IKK是由兩個催化亞基(IKKα、IKKβ)和一個調節亞基(IKKγ)組成。NF-κB的抑制蛋白IκB(inhibitor of NF-κB,IκB)在哺乳動物細胞中主要包括3種:IκBα、IκBβ和IκBε。在細胞靜息狀態下,NF-κB與細胞內的IκB結合形成三聚體,阻止p50/65二聚體化并且使NF-κB失去活性,使之被隔離在細胞質中。當細胞受壓力、氧化、遺傳、機械和化學應力等刺激時,IKK被激活,而IκBα被IKK磷酸化,IκBα即從三聚體中解離出來,暴露出p50亞基上的易位信號和p65亞基上的DNA結合位點,從而激活NF-κB,迅速轉移進入細胞核,與核內DNA上的特異序列相結合,促進相關基因的轉錄[8]。

在IDD過程中,許多因素(如炎癥、氧化應激、線粒體功能障礙、機械負荷和營養缺乏)通過激活NF-κB會誘導基質降解酶[如基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)、去整合素和金屬蛋白酶(a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs,ADAMTSs)],加速髓核細胞外基質的分解[9]。此外,NF-κB異常激活會上調細胞內多種炎癥介質和趨化因子的表達,許多下游炎癥因子如白細胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)、白細胞介素-6(interleukin-6,IL-6)、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)等可以作為介導椎間盤炎癥反應的關鍵介質,加重炎癥反應。這些炎癥因子會同時促進基質降解酶的表達上調,細胞外基質降解速率增加,而合成速率降低,以及隨之而來的蛋白聚糖和Ⅱ型膠原表達減少,隨著損傷累積,導致椎間盤形態與結構改變,椎間盤高度降低、剛度增加,最終導致纖維環撕裂,退變隨之發生[10-15]。因此,NF-κB信號通路有望成為IDD的理想治療靶點,干預阻斷NF-κB信號通路對椎間盤維持正常結構、功能以及預防和治療IDD具有重要意義。

2 中醫與IDD

中醫藥是治療腰椎間盤突出癥的重要手段之一。中醫并沒有將腰椎間盤突出癥作為單一疾病,而是將其歸屬為“腰痛”等范疇。經脈痹阻、腰腹失養是腰痛的基本病機,可分虛實兩種類型。臨床多以虛證為主,而虛證多由腎虛導致。“腰者,腎之府”,腎五行屬水,腎藏精,主生長、發育、生殖。《四圣心源》記載:“腰痛者,水寒而木郁也……腎居脊骨七節之中,正在腰間,水寒不能生木,木陷于水,結塞盤郁,是以痛作。”中醫治療腰痛治則一般為補腎益精、祛風除濕、行氣活血止痛。

現代醫學研究證明,炎癥是腰痛形成和發展的主要原因之一。部分中藥含有數種抗炎鎮痛化學成分,包括多糖、脂類、揮發油等,這些成分可通過多種途徑及靶點抑制炎癥,從而發揮抗炎鎮痛作用,達到治療腰痛的效果[16]。而這與現代醫學通過非甾體抗炎藥治療IDD的作用不謀而合。綜上,中醫藥可減輕椎間盤的炎癥反應,從而改善其微環境,達到減輕患者痛苦的目的。

3 基于NF-κB信號通路防治IDD的中藥分析

目前,治療IDD的西藥主要作用是緩解腰痛,常用抗炎、止痛的非甾體抗炎藥物,雖然能在短期內改善患者癥狀,減輕疼痛,但是隨之而來的不良反應也比較明顯,例如刺激消化道,嚴重者并發消化道出血、穿孔、誘發心臟病及呼吸系統疾病等。因此,基于NF-κB通路防治IDD的中藥研究已經成為中醫藥領域的研究熱點。

3.1 單味中藥目前,臨床基于NF-κB通路研究單味中藥有效成分可分為清熱藥(氧化苦參堿、穿心蓮內酯、小檗堿、黃芩素、山竹醇、香木葉素、氧化槐果堿)、活血藥(姜黃醇、地龍提取物、西紅花酸)、補氣藥(人參皂苷Re、薯蕷皂苷、淫羊藿)、溫里藥(胡椒堿)、解表藥(葛根素)、祛風濕藥(青藤堿、石蒜堿)等6類。

清熱藥普遍苦寒,具有清熱解毒的功效,均有不同程度的抗病原微生物的作用,并且可抗多種菌類,不易產生耐藥性,部分藥物還具有抗炎、解熱、抗病毒等作用。苦參有效成分氧化苦參堿具有抗炎、抗纖維化和抗腫瘤作用以及防止心肌損傷的能力。研究發現,氧化苦參堿可通過抑制NF-κB信號通路降低產生炎癥因子和基質降解酶的表達,增加蛋白多糖和Ⅱ型膠原的表達,延緩IDD發展[17]。穿心蓮有效成分穿心蓮內酯具有祛熱解毒、消炎止痛的功效,被譽為“天然抗生素藥物”。研究發現,穿心蓮內酯可以抑制NF-κB信號通路,減弱細胞外基質變性及基質降解酶的表達,還可以緩解IL-1β誘導的人體髓核細胞凋亡[18]。因此,穿心蓮內酯能夠預防和治療IDD。黃連有效成分小檗堿具有多種藥理作用,包括抗氧化、抗炎和抗細胞凋亡等作用。研究發現,小檗堿可通過抑制IL-1β誘導的人體髓核細胞中NF-κB的活化,發揮抗細胞外基質分解代謝和抗凋亡作用,表明小檗堿是IDD的有效治療劑[19]。黃芩有“中藥抗生素”之稱,其有效成分黃芩素,具有廣泛的藥理活性,包括抗炎、抗氧化、抗糖尿病和抗高血脂的作用。黃芩素可有效阻斷 NF-κB 信號通路激活,減輕TNF-α誘導的人體髓核細胞中蛋白多糖和Ⅱ型膠原的丟失,降低基質降解酶的表達。此外,在針刺IDD模型大鼠的椎間盤內注射黃芩素顯示,其可保持椎間盤的信號和高度,減輕了細胞外基質含量的損失,改善了椎間盤的新陳代謝[20]。山竹有效成分山竹醇被證明有抗炎、抗氧化等作用,可抑制IL-1β誘導的軟骨細胞炎癥,發揮治療骨關節炎的作用,可通過抑制NF-κB信號通路來降低IL-1β刺激的大鼠髓核細胞炎癥和細胞外基質降解,達到保護椎間盤的作用,證明山竹醇可以預防IDD[21]。菊花有效成分香葉木素香葉有抗氧化、抗感染、抗休克等功效,可以抑制p65的活性,減弱 IL-1β 誘導的大鼠髓核細胞凋亡和炎癥反應,并減輕大鼠神經根性疼痛,從而治療IDD[22]。苦豆子有效成分氧化槐果堿具有抗病毒、抗腫瘤、抗炎、清熱、止痛等多種功效,可有效抑制腰椎間盤突出大鼠炎性反應,緩解IDD,并且這種作用與抑制NF-κB信號通路有關[23]。

活血藥多辛散溫通,善走血分,有疏通血脈、促進血行的功效。活血藥一般都有改善血流動力學的作用,有些藥有鎮痛抗炎作用,與改善微循環、減少炎性滲出、加強對炎性滲出物的吸收及自身的抗菌作用有關。姜黃有效成分姜黃醇具有降血脂、抗腫瘤、抗炎等作用,可阻斷NF-κB信號通路激活,減輕TNF-α誘導的大鼠髓核細胞炎癥。此外,由于姜黃醇的保護作用,可以在體內腰椎不穩定模型小鼠中形成防止椎間盤高度損失的骨贅[24]。地龍提取物含有多種活性成分,具有抗炎、鎮痛、降壓等作用,可以減少大鼠髓核細胞炎癥因子的表達、重塑髓核細胞外基質、抑制NF-κB信號通路的作用,延緩椎間盤髓核細胞的退變[25]。西紅花有效成分西紅花酸具有良好的抗炎、抗氧化等作用,一定濃度的西紅花酸可以抑制IL-1β誘導的人體髓核細胞凋亡、炎性因子產生及細胞外基質的代謝紊亂,并且是通過阻斷NF-κB信號通路實現的[26]。川芎有效成分川芎內酯具有擴張血管、抗血栓形成、抗炎解痙等作用,可阻斷髓核細胞中NF-κB通路,減輕 IL-1β 誘導的大鼠髓核細胞基質分解代謝、氧化應激和炎癥反應,減輕IDD,具有治療IDD的作用[27]。丹參有效成分丹參酮ⅡA具有改善心血管、促進組織修復和再生、抗菌、降血脂等作用。丹參酮ⅡA可阻斷NF-κB信號通路,顯著抑制IL-1β刺激的人體髓核細胞中炎癥和疼痛相關介質的表達。此外,丹參酮ⅡA可能通過抑制細胞因子和疼痛相關炎癥介質的表達來減少動物的疼痛行為[28]。

補益藥多甘溫,具有補益氣血的作用。人參有效成分人參皂苷Re,具有抗炎、抗氧化及抗癌等多種作用,可以抑制NF-κB信號通路和相關炎癥因子的表達,改善細胞外基質的合成、分解代謝的失衡,從而延緩IDD的進程[29]。山藥成分中薯蕷皂苷具有免疫調節、抗腫瘤、抗氧化、降血脂以及調脾胃等多種功效。研究顯示,NF-κB信號傳導與薯蕷皂苷抑制IL-1β激活的人體髓核細胞炎癥反應和分解代謝有關,薯蕷皂苷可抑制IL-1β觸發的炎癥因子的釋放[30]。淫羊藿有效成分淫羊藿苷具有抗炎、抗腫瘤、抗衰老等作用。淫羊藿苷可顯著緩解大鼠椎間盤源性腰痛,促進退變髓核細胞增殖、蛋白聚糖及Ⅱ型膠原蛋白合成,減少促炎因子表達,延緩椎間盤的退變[31]。淫羊藿苷可改善大鼠椎間盤病理損傷、減輕炎癥反應、抑制髓核細胞凋亡,與調控NF-κB信號通路有關[32]。

溫里藥多辛溫大熱,辛散溫通、大熱除寒,故有溫里散寒、補火助陽等功效。胡椒有效成分胡椒堿具有廣譜的抑菌性,其有效成分胡椒堿通過下調大鼠髓核細胞和椎間盤中的NF-κB活化而具有抗炎和抗分解代謝作用,胡椒堿是治療IDD的潛在藥物[33]。

解表藥多輕升浮,辛散輕揚,具有發散表邪的作用。《傷寒論》有“項背強幾幾,葛根湯主之”的理論,是現代用于治療強直性脊柱炎的根據。研究發現,葛根素通過抑制NF-κB信號通路,抑制脊髓膠質細胞活化和神經炎癥反應,治療大鼠椎間盤突出癥誘導的神經根性疼痛[34]。

祛風濕藥多辛溫燥,具有祛風除濕、解除痹痛之效。青藤常用于治療風濕痹痛、鶴膝風、歷節風、腳氣腫痛等疾病。研究顯示,青藤堿可以顯著抑制家兔骨性關節炎模型中的滑膜炎癥并延緩軟骨退變[35]。青藤堿可以通過阻止NF-κB通路激活而抑制椎間盤終板軟骨細胞炎癥及退變,是一種治療IDD潛在藥物[36]。雷公藤常用于治療風濕性關節炎,有效成分雷公藤紅素有很強的抗氧化、抗類風濕等作用。雷公藤紅素能抑制髓核細胞中NF-κB通路,減輕IL-1β誘導的人髓核細胞基質分解代謝、氧化應激和炎癥反應,還可以減輕大鼠椎間盤的退變,具有治療IDD的潛力[37]。

3.2 中藥復方及制劑中藥復方及制劑對NF-κB信號通路影響的研究多以補益肝腎、祛風除濕類為主。獨活寄生湯由獨活、川芎、甘草、當歸等組成。《備急千金要方》載:“夫腰背痛者,皆猶腎氣虛弱……或腰痛攣腳重痹,宜急服此方。”對于風寒濕三氣著于筋骨的痹證,獨活寄生湯為臨床常用的有效方劑。本方常用于治療慢性骨關節疾病且屬風寒濕痹日久、正氣不足者。研究發現,獨活寄生湯治療基質細胞衍生因子-1誘導的人髓核細胞,可以明顯降低髓核細胞中促炎因子的表達及蛋白聚糖和Ⅱ型膠原的減少,與NF-κB抑制劑(BAY11-7082)的作用效果基本相同,同樣抑制了p65的表達,減少p65核易位[38]。

芍藥甘草湯來源于《傷寒論》,由芍藥、甘草兩味中藥組成,其主要功效為調和肝脾,緩急止痛。芍藥、甘草中的成分有鎮靜、鎮痛、解熱、抗炎、松弛平滑肌的作用。網絡藥理學研究發現,毛蕊異黃酮是芍藥甘草湯治療骨性關節炎的活性藥物成分,毛蕊異黃酮可抑制IL-1β誘導的軟骨基質降解,包括基質金屬蛋白酶-3、NF-κB的下調,NF-κB也受到軟骨細胞中毛蕊異黃酮的抑制[39]。何堅等[40]將芍藥甘草湯用于寒濕型頸椎病模型兔,發現兔頸椎間盤組織p65以及血清中的促炎因子(IL-1β、IL-6、TNF-α)隨著芍藥甘草湯劑量的增大而逐漸降低,芍藥甘草湯能夠通過抑制NF-κB信號通路,減輕椎間盤炎癥損傷,起到延緩IDD的作用。

仇湘中等[41]根據臨床經驗提出“IDD引起的腰腿痛從肝論治”的觀點,在《醫宗金鑒》中“補肝湯”的基礎上加減,配伍出由當歸、川芎、白芍、熟地黃、炒酸棗仁、杜仲、延胡索、蜈蚣、全蝎、甘草組成的補肝健腰方,有養血柔肝、活血化瘀、通絡止痛之效,能夠有效改善腰部疼痛及患肢麻木疼痛的癥狀。臨床研究發現,補肝健腰方具有抗炎、鎮痛和調節免疫的作用,對IDD的損傷具有較好的修復作用[42]。補肝健腰方治療IDD模型大鼠,可能通過降低TNF-α及NF-κB表達,阻斷NF-κB信號通路,達到延緩IDD過程的作用[43]。

杜仲腰痛丸是甘肅省中醫院治療腰椎間盤突出癥的常用藥物,具有較好的臨床療效,主要由鹽杜仲、醋延胡索、土鱉蟲等藥物組成。諸藥合用,具有活血消腫、通絡止痛、壯腰健腎之效。藥理學研究顯示,該方具有增強機體免疫調節、改善微循環、抗炎鎮痛、抑制炎癥滲出等作用,對促炎因子及p65表達的抑制均優于雙氯芬酸鈉組,可明顯抑制NF-κB信號通路的激活,減緩人髓核細胞的退變[44]。

4 結語

綜上所述,NF-κB在免疫、炎癥反應、細胞生長、存活和發育過程中發揮關鍵作用。中藥能夠通過多途徑、多靶點的作用特點在防治疾病中發揮自己獨特的優勢,在疾病各個階段做到及時有效的治療,同時減輕患者的痛苦。

通過總結發現,中藥可以不同程度干預NF-κB的活化,阻斷細胞中IκBα磷酸化,減少p65的核轉移,下調促炎因子(IL-1、IL-6和TNF-α等)的大量釋放,減輕炎癥反應,降低基質降解酶(MMPs、ADAMTSs等)的表達,使聚集蛋白多糖和Ⅱ型膠原的表達基本恢復到正常水平,改善椎間盤代謝的紊亂,達到治療IDD的目的。

目前,基于NF-κB信號通路中藥治療IDD相關性研究尚存在一些不足:(1)目前研究主要通過單味藥的有效成分展開,但NF-κB信號通路較為復雜,該通路涉及的細胞因子較多,目前的研究還未完全清楚中藥的具體作用環節。此外,由單味中藥帶來的不良反應是否作用于NF-κB信號通路也未被證實。(2)雖然臨床上大多運用中藥復方治療IDD,但臨床復方的藥效與作用機制研究尚不充足。(3)IDD是由多因素共同作用的結果,目前IDD動物模型大多通過手術造模、促炎因子誘導為主,這些都不能完全模擬人體內IDD的復雜過程,因此藥物的療效和作用機制可能存在偏差。

IDD的機制復雜,仍須進一步分析各種細胞因子在IDD中的作用及相互關系,為IDD的防治提供理論依據。中藥單味藥和復方成分的復雜,對準確評價藥物的療效留下了許多研究空間。這都是未來廣大臨床和科研工作者需要解決的問題,從而可為IDD的治療提供更多的選擇方案。