“筋骨并重”视阈下鸢尾素对肌骨衰减的异病同治作用

刘晏东,邓强,李中锋,彭冉东,王雨榕,杨镇源,郭铁峰,罗林钊

(1.甘肃中医药大学中医临床学院,甘肃 兰州 730000;2.甘肃省中医院脊柱疾病诊疗中心,甘肃 兰州 730050)

肌肉减少症(Sarcopenia,SP)、骨质疏松症(Osteoporosis,OP)及肌少-骨质疏松症(Osteosarcopenia,OS)存在较高的致残率及致死率,严重威胁着人类健康,已在世界范围内引起广泛关注[1]。医学界最初将SP和OP视为两种相互独立的疾病,但随着对肌骨交互功能研究的深入,越来越多证据表明SP等肌肉病变的发生会增加罹患OP等骨骼疾病的风险,反之OP也会增加SP的患病率,且二者的共病会进一步加剧原有的负面健康结局,有学者将这种关系描述为“危险的二重奏”[2]。目前该类疾病的治疗难点在于可同时靶向肌肉和骨骼的药物尚不足,现有疗法只能单独治疗SP或OP,由此产生较多的疗效及安全问题[3]。

“筋骨并重”理论起源于隋代巢元方所著的《诸病源候论》[4],是针对骨伤疾病的治疗原则,该理论注重在肌、骨衰减类疾病中肌骨同治,而不是肌病治肌、骨病医骨,对肌骨衰减疾病(SP、OP及OS)的防治具有重要指导意义[5]。

鸢尾素作为一种肌因子,可同时靶向肌肉与骨骼,对逆转肌骨衰减具有独特的优势[6]。鸢尾素是在骨骼肌收缩后,由过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子-1α(PGC-1α)控制下,通过含Ⅲ型纤连蛋白域蛋白5(FNDC5)裂解进入到循环中的一种活性肽[7]。这种新兴的肌因子最早在2012年由Boström等提出[8],并以古代女神Irisin命名。Irisin在古希腊神话中担任众神之间的使者,这与鸢尾素作为肌肉与骨骼间的桥梁作用相似。因此,本文探讨“筋骨并重”视阈下鸢尾素对肌骨衰减的异病同治作用,以期为肌骨衰减疾病的防治提供新思路。

1 “筋骨并重”理论与肌骨衰减疾病

1.1 发微“筋骨并重”

起初,“筋骨并重”理论旨在强调伤科疾病治疗时需注重硬组织与软组织并重。正如隋代巢元方在《诸病源候论》中记载:“夫金疮始伤之时,半伤其筋,荣卫不通,其疮虽愈合,后仍令痹不仁也”[4],此时,“筋骨并重”主要作为伤科骨折的治疗原则[5]。清代著名医家黄元御也提出了“治骨先治筋,治筋先治肉”的处理法则。他在《四圣心源》中提出:“水性降润(“骨”失其常),渗之以土气(调整“肉”),皆气化自然之妙也”[9],其意指骨病不能只着眼于骨,更要注重筋肉的气血运行等问题,反之亦然。此时的“筋骨并重”理论已被逐渐用作防治肌骨衰减的指导思想。而经过后世医家不断发展补充,该理论演变为一种防治多种慢性筋骨病的指导思想体系。中医术语之“筋”与现代解剖学范畴下的筋膜或肌腱有所不同,其含义更加广泛,系指肌肉、肌腱、神经、血管和骨膜等一切软组织,具有联属关节、络缀形体、支配身体活动、营养和重建骨骼的作用[10]。骨骼为人一身主干,是支撑躯体和保卫内脏的总支架,是筋肉的附着点和杠杆,若骨骼强度发生衰变,则筋肉动力失去平衡[11]。所以,筋骨的关系可以概括为:“筋束骨,骨张筋;筋骨相连,骨折筋损”[12]。1.2 “筋骨并重”与肌骨衰减疾病的治疗SP古称“肉萎”,OP古称“骨萎”或“骨枯”,若SP与OP共同发生,则被称为“骨枯肉陷”。“骨”和“肉”是人体运动系统内相对应的两个重要部分,二者在结构上紧密相连,在功能上相互协调、相互为用,在病理上相互影响。而二者在人体的位置、功能、营养供给和协调作用诸方面,又远较其他脏器密切[13]。《灵枢·经脉》中记载:“骨为干,脉为营,筋为刚,肉为墙”[14],意指筋、肉,即广义的“肉”如果恢复正常生理功能,那么“骨”的问题也就迎刃而解了;若“骨”保持正常的强度亦有利于肌肉的润泽和饱满。“筋骨并重”理论以中医学中的阴阳、五行、藏象学说及整体观念为基础。从阴阳上讲,柔润之“肉”为阴,刚强之“骨”为阳。筋骨并重,即是强调从阴阳两方面着手来达到“阴平阳秘”。从藏象学说而言,脾主肌肉,通过运化水谷精微以化生气血,并传输于全身肌肉,以使肌肉发达丰满,壮实有力,强调了调后天(脾)以补先天(肾)的治疗作用。肾主骨髓,藏纳五脏六腑水谷之精气,精气充则髓实骨壮。脾之升降有序需借助肾阳之温煦,以布散营养至肌肉四肢,体现了先天对后天的温养作用。脾肾亏虚被认为是该类疾病的基本病机,健脾补肾是治疗SP、OP以及OS的根本大法,这也是“筋骨并重”治疗原则的具体体现。所以在肌骨衰减病变的治疗中只有重视筋骨并重,才能使肌骨达到“和”的平衡状态,即骨正筋柔、肌丰骨壮[15]。

1.3 “筋骨并重”理论与肌骨关系现代研究

现代研究表明SP和OP之间存在生物学关联,首先,SP与OP的复杂串扰以肌肉和骨骼的双向交流为基础。骨骼和肌肉作为旁分泌或内分泌器官,共同确保二者之间的通信,如骨骼肌分泌的肌因子(鸢尾素、卵泡抑素和肌抑素)对骨骼重塑有直接影响;骨骼分泌的骨因子(FGF23、前列腺素E2,转化生长因子β、骨钙素和硬化素等)也会反向影响骨骼肌的新陈代谢[16]。此外,肌肉和骨骼具有部分重合的生物学信息,如甘氨酸-N-酰基转移酶、甲基转移酶样蛋白21C、PGC-1α和肌细胞增强因子-2的多态性等[17],这说明他们在发病途径上可能具有一定共通点。这意味着发生在肌肉组织中的生理病理现象可被骨骼组织所感知和响应,反之亦然。肌骨之间的串联共病为肌骨衰减疾病的“筋骨并重”和“异病同治”提供了现实基础[18-19]。

2 鸢尾素与肌骨衰减疾病治疗

基于肌骨衰减疾病之间的复杂串扰,治疗过程中采用“筋骨并重”的治疗方案具有重要意义。鸢尾素是由肌肉细胞中FNDC5基因编码的多肽激素。当受到刺激时,FNDC5基因会转录成mRNA,然后通过剪接形成前体蛋白,最终经过蛋白酶切割而释放出鸢尾素[20]。现代研究表明,重组鸢尾素可通过上调转录因子和基质蛋白来减少骨骼和骨骼肌的质量损失并加速肌纤维损伤和骨折的愈合,说明鸢尾素可以作为耦合肌肉和骨骼的新兴途径,是“筋骨并重”治则理论的体现,在肌骨衰减疾病的防治中具有十分重要意义[10]。

2.1 鸢尾素的分子构成

2.1.1 氨基酸序列 鸢尾素包括20种天然氨基酸,其中丝氨酸、赖氨酸、精氨酸和半胱氨酸的含量较高。鸢尾素的氨基酸序列为112个氨基酸残基,其中含有一个信号肽序列和一个成熟肽序列。信号肽序列位于N端,长度为27个氨基酸残基。这段序列主要用于将前体蛋白定向到内质网或高尔基体进行修饰和加工[21]。信号肽序列通常会被剪切掉,不参与最终的活性部分。成熟肽序列位于C端,长度为85个氨基酸残基。这段序列是鸢尾素的活性部分,具有调节能量代谢、抑制脂肪堆积等作用。成熟肽序列主要由α-螺旋和β-折叠组成,并形成一个紧密的核心区域和稳定的外围结构[22]。

2.1.2 二级结构 鸢尾素的二级结构主要由α-螺旋和β-折叠组成。α-螺旋是一种稳定的蛋白质结构,它由蛋白质链上的氨基酸残基以右手螺旋形式排列而成。这种结构可以增强蛋白质的稳定性,并且有助于保持其特定的三维构象[23]。在鸢尾素中,α-螺旋结构占据了大部分的空间,使得蛋白质更加紧密地折叠起来。β-折叠是由蛋白质链上的氨基酸残基以平行或反平行方式排列而成的片段。这种结构通常位于蛋白质的表面,能够提供一些功能性区域,例如结合其他分子或者参与信号传导等[24]。

2.1.3 三维结构 鸢尾素的三维结构是由α-螺旋和β-折叠相互作用而形成。在空间中,鸢尾素呈现出一个球状的分子结构,其中包含了许多重要的功能性区域。在鸢尾素的三维结构中,存在着四个不同的结构域:A、B、C和D。这些结构域之间通过某些连接段进行联系,并且共同构成了整个蛋白质的立体结构[25]。其中,A和B结构域主要由α-螺旋结构组成,它们位于鸢尾素的N端部分,并且与其他结构域相连。C和D结构域则主要由β-折叠结构组成,它们位于鸢尾素的C端部分,并且参与到了鸢尾素的生物学活动中。此外,在鸢尾素的三维结构中还存在着一些关键的氨基酸残基,例如半胱氨酸和色氨酸。这些氨基酸残基能够形成特定的化学键或者环境,从而影响鸢尾素的结构和功能[26]。

2.2 鸢尾素对肌骨衰减疾病的防治作用

2.2.1 鸢尾素对肌再生的作用 鸢尾素可能是SP的潜在生物标志物和有前景的治疗靶点。骨骼肌由糖酵解肌纤维(白色)和氧化肌纤维(红色)组成,占健康个体总质量的40%左右,参与机体运动、能量消耗和全身代谢稳态。SP的特征是骨骼肌力量、质量和功能的进行性丧失,从而影响患者的生活质量[27]。研究发现,SP与纤维特异性衰老有关,而运动已被证明可以通过逆转蛋白质稳态变化来增强骨骼肌的质量和功能。但由于衰老、卧床等各种原因致使机体运动能力下降,大部分老年人难以实现足够的运动训练,久而久之形成运动量不足和骨骼肌减少的恶性循环[28]。PGC-1α和FNDC5是骨骼肌运动的两个主要调控基因,分别调节蛋白和鸢尾素的前体。而鸢尾素是肌肉与其他组织和器官之间的潜在桥梁,主要负责能量代谢,并作为肌肉质量的积极调节因子。该因子可由运动诱导产生,以自分泌方式发挥功能,以延缓去神经支配诱导的肌萎缩并促进骨骼肌生长[29]。其深层机制是运动通过激活由PPARGC1A基因编码的PGC-1α,从而调节相关因子的转录活性,并参与调节线粒体生物发生、血管生成以及脂肪和碳水化合物代谢基因的表达以促进肌肉生成[30]。Guo等[31]长期对衰老小鼠腹腔注射重组鸢尾素蛋白证明,鸢尾素给药可通过泛素-蛋白酶体系统抑制肌肉特异性环指蛋白1、肌萎缩蛋白Fbox-1和肌肉生长抑制素减少肌肉萎缩。

鸢尾素抗肌肉萎缩的深层机制可能是通过改善能量代谢、优化自噬、增强细胞稳态、促进线粒体质量控制、减少活性氧(ROS)产生和减轻炎症反应来实现[31]。有研究表明,鸢尾素还可通过增强卫星细胞活化、减少蛋白质降解、防止组织纤维化和坏死以及改善肌膜稳定性从而减少SP的发生[32]。如经过重组鸢尾素处理的C2C12细胞肌管显示出特异性线粒体转录因子的表达增加,这些转录因子与线粒体含量和耗氧量的增加有关。Wu等[33]研究发现D-半乳糖诱导的骨骼肌成纤维细胞中鸢尾素表达显著降低,而鸢尾素给药可通过PI3K/Akt通路抑制骨骼肌成纤维细胞过度沉积来抑制骨骼肌纤维化。除此之外,鸢尾素也通过增加小鼠C1C12细胞中TFAM、PPARGC1A和NRF4的基因表达以及UCP2、GLUT12基因和蛋白表达来刺激线粒体的生物发生[34]。另外,鸢尾素可通过多种细胞内信号通路来实现对成肌分化、肌母细胞融合以及成骨细胞增殖发挥生物学效能,如MAPK、AMPK、PI3K/AKT、STAT3和IL-6信号通路,但鸢尾素信号传导的确切下游仍需要进一步研究[35]。

2.2.2 鸢尾素对骨稳态的作用 骨骼是一种高度活跃的动态组织,可不断适应微观变化以促进微结构重塑。当骨形成和骨吸收之间的平衡被打破,骨吸收超过骨形成时,会导致骨矿盐含量和骨密度降低,形成OP。鸢尾素对于骨骼的作用主要包括促进骨组织的形成和修复、增强骨质量、骨密度以及减缓骨质流失速度。Xue等[36]研究发现鸢尾素缺乏可加速OP的病理进展。Colaianni等[37]通过为小鼠注射重组鸢尾素发现,鸢尾素可防止骨质流失并加速骨折的愈合,提示鸢尾素具有骨合成和骨保护作用。鸢尾素逆转OP的作用可能是通过双向调节成骨和破骨细胞来完成,但其对成骨细胞的作用似乎更为明显。具体而言,鸢尾素可通过激活转录因子4(ATF4)和胶原蛋白Ⅰ来刺激成骨细胞分化和其活性[38]。此外,鸢尾素还被证明可增加成骨细胞转录调节因子的表达,如Runt相关转录因子2(RUNX2)、Osterix/SP7。鸢尾素还可通过增加成骨细胞分化标志物,如碱性磷酸酶、骨钙素、骨桥蛋白以及钙沉积等促进成骨[39]。此外,Xue等[36]研究证明鸢尾素可通过与膜受体整合素αV结合来调节ERK/STAT3信号通路,并进一步上调骨代谢BMP/Smad通路,促进骨髓间充质干细胞的成骨分化。Xu等[40]研究发现用鸢尾素治疗OP后,相关炎症因子表达有所下降,骨转换标志物(如RUNX2)的基因表达水平上调,成骨细胞凋亡减少,Nrf2表达增加以及炎症小体NLRP3的表达受到抑制。

在抑制骨吸收方面,动物实验结果显示,体内缺乏鸢尾素的小鼠破骨细胞相关基因表达增加,包括抗酒石酸酸性磷酸酶、基质金属蛋白酶9等。而鸢尾素对破骨细胞也具有双重作用,一是通过成骨通路增加骨保护素(OPG)的表达以减少破骨细胞的增殖和活化;二是直接作用于破骨前体细胞以抑制其破骨作用[41]。需要注意的是,Ma等[42]发现鸢尾素虽然促进了破骨前体细胞的增殖,但同时也下调了NF-κB信号通路并且激活了p38和JNK信号通路,从而抑制了破骨细胞的活化。鸢尾素也可以通过减少RANKL和NFATC1信号通路诱导的破骨细胞分化来减少破骨形成。但鸢尾素对破骨细胞的作用仿佛存在一种时间或剂量依赖性关系,研究发现,短期鸢尾素给药(7 d)可促进破骨细胞增殖,而长期鸢尾素给药(2个月),可在一定程度上减少破骨细胞的形成[43]。

3 筋骨并重-异病同治-鸢尾素

筋骨并重-异病同治-鸢尾素三者相互联系,密不可分,三者关系层层递进,共同组成防治肌骨衰减疾病的完整理论体系[5]。首先,“筋骨并重”理论是治疗肌骨衰减疾病的指导思想,而异病同治是治疗肌骨衰减疾病的具体法则[44]。其次,可以将“异病同治”中的“异病”理解为SP与OP两种不同的疾病,而将“同治”理解为筋骨并重的防治方法。最后,鸢尾素具有促进肌再生和骨稳态的双重作用,所以在治疗肌骨衰减疾病方面具有中医学范畴“筋骨并重”的内涵[19]。总而言之,鸢尾素的发现为筋骨并重视阈下利用“异病同治”法则防治SP和OP提供了分子层面的新见解,也为古老的“筋骨并重”理论和“异病同治”法则赋予了现代医学意义,并使其迸发出新的活力。

4 小结

对肌肉-骨骼串扰的深入了解开启了对该类疾病治疗新模式的探索,这意味着新的治疗方法应该同时针对骨骼和肌肉。鸢尾素在机体生理、病理代谢中具有多方面作用,部分研究特别强调它在肌-骨轴上的作用,认为其可通过多种途径保护骨骼肌与骨骼,且机制存在重合。“筋骨并重”理论、“异病同治”法则以及肌因子鸢尾素之间看似毫无联系,实则共同构成肌骨衰减疾病的防治体系。换言之,鸢尾素可在“筋骨并重”理论的思想指导下,按照“异病同治”法则有效防治肌骨衰减类疾病。这是中医经典防病治病理论与现代分子研究的有机结合,也是慢性肌骨疾病治疗的新策略和新方法。基于“筋骨并重”理论的健脾补肾法治疗筋骨疾病是否通过调控鸢尾素发挥作用具有一定研究前景,此外,还需要对鸢尾素靶向肌骨系统的深层起效机制和通路进行更多的基础研究,以确定其长期安全性和有效性。应以何种形式将鸢尾素应用至临床中、如何人工合成高质量鸢尾素以及鸢尾素与其他类型激素或因子的协同作用仍然是有争议的问题,需要进一步的研究来解决这些问题。以上研究将有助于就鸢尾素治疗SP、OP及OS建立科学共识。在未来,深入探索鸢尾素在恢复骨骼质量和逆转肌肉萎缩方面的功效对于将鸢尾素确定为一种对SP和OP双重有益的分子很有必要。