基于TGF-β信号通路探讨中医药治疗骨折的研究进展

Research Progress on the Treatment of Fractures with Traditional Chinese Medicine Based on the TGF-β Signaling Pathway

摘要: 骨折发病人数呈增长趋势，具有多高危并发症、高致残率、恢复期长等难点。本文通过综述近几年国内外关于TGF-β信号通路在骨折愈合以及中医药通过调控TGF-β信号通路治疗骨折方面研究文献发现，TGF-β家族在骨折愈合中发挥关键作用，其可激活TGF-β/Smad信号通路，促进成骨细胞活性和抑制破骨细胞来加速愈合，具有多成分、多途径、多靶点的优势，中药复方、单味中药及外治法均显示出促进TGF-β分泌和表达，激活成骨细胞，抑制破骨细胞的潜力。未来研究需进一步探索中医药对TGF-β信号通路的具体调控机制，开展更大规模多中心、大样本临床试验，为今后骨折的临床治疗和基础研究提供更多新思路以及详实循证依据，以优化中医药新成果转化、临床指南和方案制定。

Abstract: The number of fracture cases is on the rise, presenting challenges such as multiple high-risk complications, a high disability rate, and a long recovery period. Through reviewing literature from both domestic and international sources over the past few years concerning the TGF-β signaling pathway in bone fracture healing, and the research on traditional Chinese medicine (TCM) regulating the TGF-β signaling pathway for fracture treatment, it has been found that the TGF-β family plays a crucial role in bone fracture healing. It can activate the TGF-β/Smad signaling pathway, promote osteoblast activity, and inhibit osteoclasts to accelerate healing. This pathway offers advantages with multiple components, pathways, and targets. Traditional Chinese herbal formulas, single herbs, and external treatments all demonstrate the potential to promote TGF-β secretion and expression, activate osteoblasts, and inhibit osteoclasts. Future research needs to further explore the specific regulatory mechanisms of TCM on the TGF-β signaling pathway, conduct larger multi-center and large sample clinical trials, provide more new ideas and detailed evidence-based references for the clinical treatment and basic research of fractures in the future, and optimize the transformation of new TCM results, clinical guidelines, and protocol formulations.

1. 引言

骨折是指各种原因导致骨的完整性破坏或连续性中断，常伴有肿胀、疼痛、瘀斑、功能障碍等[1]。流行病学调查显示骨折发病人数呈增长趋势，尤其是随着经济社会发展和老龄化加重，交通伤占比高达66.7%，尤其以骨盆、胸部损伤为主，且休克占比达28%，严重并发症、致残率居高不下，加之较长的恢复期，无疑给经济、社会带来了沉重负担，直接导致患者及其家庭生活质量下降[2] [3]。如何加速及更好促进骨折愈合则是临床治疗的重点，也是目前骨折研究的热难点之一，而转化生长因子β (Transforming growth factor β TGF-β)是一种广泛存在于骨组织、血小板中的多功能蛋白多肽，属于转化生长超家族，具有多潜能，参与调控细胞分化、增殖、组织修复、基质产生和凋亡，故TGF-β家族在促进骨愈合中起着重要调控作用[4] [5]。中医药在治疗骨折方面具有明确疗效，目前研究表明中药可通过调控TGF-β而促进骨折愈合。

2. TGF-β/Smads信号传导通路

2.1. TGF-β家族

TGF-β家族分类为两个亚家族：TGF-β亚家族：包括TGF-β、激活素β链和节点蛋白；骨形态发生蛋白(BMP)亚家族：包括BMPs、生长分化因子(GDFs)和穆勒氏管抑制因子(MIF)。在哺乳动物体内，TGF-β由三个亚型构成，即TGF-β1、TGF-β2和TGF-β3。这些亚型之间具有70%~80%的同源序列，TGF-β1与TGF-β2表现出较为相似的生物效应，而TGF-β3拥有与前两者不同的生物活性[6]。其中，TGF-β1是在生物调节背景下最丰富和广泛表达的亚型。BMP则是一种从骨基质中提取的具备骨诱导潜能的蛋白质，在绝大部分脊椎动物体内均能发现它的存在。二聚体前体是TGF-β家族合成前的最初形态，蛋白酶负责它们的加工处理，经过原纤维蛋白的作用，最终形成成熟的生长因子[7]。它们以非活性的状态潜伏于细胞外基质(ECM)当中，依赖蛋白水解的介导活化而对机体发挥作用[8]。TGF-β发挥的关键作用体现在调节细胞分裂、分化和维持组织、器官正常功能和生理平衡状态等广泛生物过程中[9]。

2.2. Smads蛋白家族

Smads蛋白家族是广泛存在于人体中的一类小型蛋白，Smads被分为3种：受体调节Smads (R-Smads)，包括Smad-1、-2、-3、-5和-8；共同介质Smad (Co-Smad)，包括Smad-4，它参与多种TGF-β信号传导；抑制性Smads (I-Smads)，包括Smad-6和-7。在R-和Co-Smads的氨基端和羧基端都具有Mad同源结构域MH-1和MH-2 [10]，它们之间有一段帮助Smad蛋白的磷酸化的连接结构域，它富含脯氨酸、丝氨酸和苏氨酸。此连接区域还包含磷酸化位点，能被丝裂原蛋白激酶(MAPK)和泛素连接酶精准识别和调控。I-Smads缺乏MH1结构域但具有MH2结构域，与R-SMADs形成竞争关系，干扰R-Smad/Smad4与DNA的结合，抑制TGF-β的转录驱动和信号传导[11]。

2.3. TGF-β/Smads信号传导通路

TGF-β信号通路通过有序的分子间相互作用来实现其功能，细胞内TGF-β信号传导过程中，Smads蛋白既是主要参与者，也是目前发现的唯一TGF-β受体胞内激酶底物，当细胞表面的TGF-β受体被激活时，Smads蛋白会被招募并参与其中，帮助TGF-β信号在细胞内进行传导，而TGF-β作为关键信号分子维持着信号网络的精细平衡[12]。

TGF-β家族的每个成员都有自己的特定受体和信号传导蛋白的组合。它们与各自的跨膜丝氨酸/苏氨酸激酶相互作用，再结合I型(TGF-βRI)和II型(TGF-βRII)细胞表面受体，此过程触发形成的受体异源复合物中，II型受体在I型受体的TTSGSGSG基序的苏氨酸和丝氨酸残基上添加磷酸基团并激活I型受体[13]。激活的I型受体招募并磷酸化R-Smad蛋白(主要为Smad-2和-3)，这是Smad激活的关键事件[14]。磷酸化的蛋白随后与Smad4形成异源复合物，它进入细胞核后会与其他辅助蛋白合作，调节细胞内特定基因的表达[15]。因而该通路亦称经典TGF-β信号通路。

3. 骨折与TGF-β信号通路

3.1. 骨折愈合中的TGF-β信号通路

骨折愈合包括血肿机化期、原始骨痂形成期、骨痂改造塑形期，属于复杂、有序、完整的生物学过程，包括细胞迁移和增殖、细胞外基质的合成、新生血管形成和骨组织重塑。TGF-β家族中的促骨细胞再生因子在该生物学过程中发挥着重要作用[16]，其由骨细胞产生，在骨折愈合早期即开始表达，激活成骨细胞的骨生成作用，同时抑制破骨细胞的形成、减少骨吸收，亦可以TGF-β通过自分泌或者旁分泌的方式促进成骨，对软骨形成和软骨骨化都起到了重要作用，人体内血小板、单核/巨噬细胞、内皮细胞和成纤维细胞等诸多细胞都释放TGF-β [17]。作为细胞刺激剂，TGF-β能够通过刺激细胞增殖、加快募集骨基质物质、诱导骨细胞分化，从而促进骨折愈合。

骨折发生后，人体启动骨折愈合机制，TGF-β信号系统被激活。免疫系统接受TGF-β信号，大量释放炎症因子，TGF-β信号诱导其聚集至骨折断端部位，清除骨折病理产物，同时TGF-β信号传导至骨膜和骨内膜细胞激活其开始增殖，骨和软骨祖细胞的数量在此过程中倍增并构成骨折愈伤组织，骨折部位的骨基质再吸收后也能释放TGF-β等生长因子，触发成骨细胞分化，以新的骨基质替代和修复受损的骨基质[18]。随着新骨组织的不断重塑强化，骨折部位逐渐恢复到受损前的强度和功能[19]。骨折周围的肌肉也能分泌包括TGF-β1在内的肌因子作用于成骨、破骨细胞以维持骨稳态[20]。三种TGF-β异构体(TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3)都能降低细胞附着而增强细胞迁移[21]，也能增加胶原蛋白和纤维连接蛋白的分泌以及a3和b1整合素的表达，诱导骨形成[22] [23]。TGF-β1能调节血小板衍生生长因子(PDGF-BB)的成骨作用，避免骨组织的过度增生，间充质干细胞(MSCs)也接受它的号召，扩散至受损部位，三者协同参与骨组织的修复[24]。这成为了骨折恢复研究的一个新靶点。最新的研究表明[25]，骨折的愈合与局部成骨和成脂分化密切相关，TGF-β1可通过Wnt信号和Notch信号来调控骨髓间充质干细胞(BMSCs)，促进成骨、抑制成脂而促进愈合。

3.2. TGF-β信号通路在临床骨折中的应用

在脊柱骨折中，可以发现合并有脊髓损伤的患者血清反应因子(SRF)水平明显降低，核因子κB (NF-κB)及TGF-β1水平明显升高，三者可作为诊断标志物，同时也具备预后预测价值[26]。由于TGF-β1对较多炎症细胞具有趋化作用，随着炎症因子高迁移率族蛋白B1 (HMGB)的大量释放，机体也会随之释放更多的TGF-β1起到相互协调的作用，可以观察二者的表达水平来判断脊柱骨折后脊髓损伤的严重程度[27]。也有进一步的研究表明，可以联合运用TGF-β1和炎症因子HMGB1、NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3 (NLRP3)预估脊柱骨折合并脊髓损伤患者的预后[28]。

在创伤性骨折中，患者纤维蛋白原(Fib)、D-二聚体、糖化血清蛋白(GSP)、表皮生长因子(EGF)及TGF-β1水平均显著升高，活化部分凝血活酶时间(APTT)水平降低，可作为创伤性骨折的诊断指标[29]。下肢静脉栓塞是创伤性骨折的常见并发症，影响了患者的预后，及时地早期诊断显得尤为重要。同型半胱氨酸(Hcy)、血浆溶血磷脂酸(LPA)及TGF-β1在创伤性骨折发生下肢静脉栓塞时水平均明显升高，三者联合检测对下肢静脉栓塞早期诊断有重要的临床价值[30]。前白蛋白(PA)，可在外周血中快速检测出，当机体受创后，PA表达水平会出现明显变化。促肾上腺皮质激素(ACTH)作为应激激素，二者与TGF-β1可一同作为检测创伤性骨折患者发生下肢深静脉栓塞的敏感性指标[30]。

TGF-β1基于在骨代谢方面的作用，在骨质疏松性骨折发生过程中起到重要调节作用。血清25羟维生素D[25(OH)D]、TGF-β1、网膜素-1水平均可灵敏反映短期内骨代谢情况，三者均与骨质疏松性骨折患者MRI信号强度有关，在预测骨质疏松患者骨折风险方面均具有临床价值[31]。血清铁蛋白(SF)、TGF-β1、血清网膜素-1 (Omentin-1)与骨转换水平密切相关，亦可作为预测骨质疏松性患者胸腰椎骨折发生风险的评估指标[32]。而骨质疏松性胸腰椎骨折发生后，胰岛素样生长因子-1 (IGF-1)、TGF-β1、白细胞介素6 (IL-6)、IL-12水平则可作为评估骨质疏松性胸腰椎骨折患者预后及临床疗效的重要指标[33]。

4. 中药调控TGF-β信号通路与骨折愈合

中药治疗骨折作用明确，其在骨折愈合过程中具有多成分、多途径、多靶点的作用特点，包括促进TGF-β分泌和表达、激活成骨细胞、抑制破骨细胞、协同其他生长因子表达等。

4.1. 中药复方

中医对于骨折一般采用三期辨证治疗，早期重活血化瘀，消肿止痛，中期重接骨续筋，后期重补养气血、补肝肾、强筋骨。武怡平等通过大鼠骨折假手术造模后应用双膝骨胶宝发现其可提高TGF-β表达，促进骨形成，减少血清中骨吸收标志物Ⅰ型胶原羧基端肽(CTX-1)含量，抑制骨吸收，分析认为双膝骨胶宝通过激活TGF-β/Smad3通路，改善骨折部位的血供以及成骨、破骨细胞的平衡，实现促进骨折愈合的效果。骨折发生后局部瘀血阻滞经脉，气血不畅会影响骨折的愈合[34]。临证时需注重恢复气血的正常运行以濡养骨骼、筋肉，这是骨折前期缓解疼痛、助骨生成的关键。张远军等运用伤科九味健骨片应用于骨折模型大鼠发现可降低血清中炎症因子水平，升高骨形成因子水平，分析认为以接骨续伤、活血止痛为法的伤科九味健骨片复方可提高TGF-β、BMP2、Smad蛋白表达促进骨愈合[35]。张琳等应用活血化瘀，行气止痛为主的活血镇痛汤治疗胫骨平台骨折取得发现其可降低可溶性血管黏附分子-1 (sICAM-1)等炎性细胞黏附分子水平，从而控制炎症、缓解疼痛，同时上调TGF-β1含量，其总有效率达96.67%，骨不连发生率为0%，促进骨愈合效果显著[36]。接骨续筋胶囊的主药骨碎补和穿山龙可促进血供、骨代谢及抗炎镇痛，一项胫骨骨折的临床研究中指出，患者术后口服接骨续筋胶囊可加快骨折修复和功能复原的速度，且与血清TGF-β1水平的提高有关[37]。肾为先天之本，是骨骼生化之源，若肾精亏虚，骨骼失于滋养，则会增加骨折的风险，骨骼生化无源，则影响断骨接续。因此，补肾填髓是骨折中后期骨痂形成与骨质恢复的关键。夏可莹等[38]给老年不稳定性股骨粗隆间骨折术后的患者予以抗感染和康复训练，在此基础上加上口服补肝益肾强骨方(熟地黄、山茱萸、淮山、炒白芍、怀牛膝、自然铜、狗脊等)治疗，总有效率为94.20%，且感染、疼痛、髋关节功能恢复情况明显优于对照组。研究中发现，患者血清中促炎性因子、凝血因子及疼痛介质水平降低，VEGF以及TGF-β1、BMP-2等骨代谢相关因子水平升高，证实了补肝益肾强骨方在抗炎、止痛、调节骨代谢方面的能力。基于中医整体观念，李启义[39]以“益气活血，舒筋活络”为治则，使用由黄芪、党参、当归、丹参、川芎组成的益气活血通络汤与抗凝药物(低分子肝素Ⅲ)干预骨折大鼠，发现二者都能使软骨比例、TGF-β1蛋白量升高，纤维性骨痂比例、血液黏度降低，且二者联合应用的效果更为显著。其中的原理大致是通过改善血运，促进了TGF-β1刺激成骨的效应。具有补肾壮骨、活血化瘀功效的补肾活血壮骨汤(怀牛膝、补骨脂、白芍、黄芪、鸡血藤、熟地黄、龟板、桑寄生等)被广泛应用于骨质疏松性髋部骨折术后的治疗[40]，在常规口服补钙的基础上加予此方，其中93.62%的患者能达到疗效，能使血清骨密度指标降低，提高TGF-β1、成纤维细胞生长因子-2 (FGF-2)，刺激生成新生血管以促成骨伤修复，同时提升骨密度。

4.2. 单味中药

臭灵丹是一种菊科六棱菊属植物，在云南民间常被用于抗炎、抗肿瘤等。在一项股骨粗隆间骨折固定术后感染的研究中[41]，研究者使用臭灵丹提取物对比阿莫西林，显示肿瘤坏死因子-α (TNF-α)、IL-6这两种炎性因子及破骨细胞降解产物β-CTX水平下降，抗炎因子IL-10及PⅠNP、TGF-β、BMP-2等成骨物质含量增加，提示臭灵丹提取物可能通过TGF-β/BMPs信号通路达成调节炎症和骨代谢的治疗目的。

中药丹参能活血化瘀，通经止痛，《日华子本草》对此药的描述是：“破宿血，补新生血”。现代中医则认为丹参不仅能治疗胸痹心痛等内科疾病，对于骨伤也能发挥明确疗效。丹参酮ⅡA磺酸钠配合骨肽注射液能降低sICAM-1而控制炎症，升高VEGF、TGF-β1而改善血运和关节功能[42]。

4.3. 中医外治

除了前述内服中药治疗之外，中药外敷则能直接作用于局部骨伤部位并渗透至受损组织，同时有助于骨折部位肌肉的收缩。续骨丹就是一个经典的外敷方剂，有学者将其用于胫骨骨折的研究[43]。实验数据提示模型兔的TGF-β/BMPs通路被开启，协同bFGF共同提升了损伤部位的供血，加速了成骨因子的释放，展现出促进骨折愈合的显著效果。

5. 讨论与总结

随着骨折发生率的愈发增长，寻求积极有效的治疗方法成为医学界的研究热点，而中医药以其卓越的疗效和较高的安全性受到广泛关注。基于对TGF-β信号通路的深入研究和分子医学技术的不断发展，中医药促进骨折愈合的机制会更加清晰明了。针对当前研究现状，笔者有以下一些思考：TGF-β信号通路在骨折愈合过程中呈现多时期、多维度作用机制，仍需通过更细致的分期、分维度研究来逐步揭示，以便于制定更有针对性的治疗方案。目前的研究以中药或方剂为主，可以探索更广泛的中医疗法来靶向TGF-β信号，也可将该因子用作中医治疗骨折的疗效及预后评估的工具；基于TGF-β相关信号对中医药治疗的指示性作用，未来研究可深度聚焦于特定中药、具体成分等单一因素的作用。相信未来可以更加充分地利用TGF-β的生物效能，为更多中医传统疗法在骨折治疗领域的临床应用和基础研究提供坚实的理论支撑。

基金项目

广西自然科学基金项目：温针灸“夹脊穴”通过TGF-β1/BMP-2/Smad4通路促进胫骨干骨折愈合作用机制的应用基础研究。项目编号：2024GXNSFAA010410。

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。