虫草素在骨质疏松症中的骨保护作用

The Bone-Protective Effect of Cordycepin in Osteoporosis

摘要: 骨质疏松是绝经后的妇女和老年人面临的一个主要临床问题，其本质在于骨重塑(bone remodeling)失衡，即成骨细胞(osteoblast)介导的骨形成与破骨细胞(osteoclast)介导的骨吸收之间的动态平衡被打破，导致骨骼脆性增加，发生骨折的概率升高，这会造成身体残疾、医疗费用升高、生活质量受损等后果。目前研究发现炎症、氧化应激、骨稳态失衡等因素会严重影响骨骼的生理功能，从而引发骨质疏松等骨类疾病。因此，找到合适的药物对骨类疾病进行预防和修复尤为重要。虫草素是从蛹虫草内提取出来的活性物质，具有抗炎、抗氧化、改善代谢紊乱等多个功能，并且有多项研究发现虫草素对骨具有明显的修复作用。因此，本篇综述对虫草素在骨质疏松症中的骨保护作用进行梳理，从抗炎、抗氧化、调节骨稳态和骨源细胞因子多个方面进行论述，为治疗骨类药物的研制和开发提供更多的理论依据。

Abstract: Osteoporosis is a major clinical issue faced by postmenopausal women and the elderly. Its essence lies in the imbalance of bone remodeling, where the dynamic equilibrium between osteoblast-mediated bone formation and osteoclast-mediated bone resorption is disrupted. It leads to increased skeletal fragility and a higher likelihood of fractures, resulting in disability, higher medical costs, and a reduced quality of life. Recent studies have found that factors such as inflammation, oxidative stress, and imbalance of bone homeostasis significantly impact bone physiology, contributing to the onset of bone diseases like osteoporosis. Therefore, it is crucial to identify suitable drugs for the prevention and repair of bone diseases. Cordycepin, an active substance extracted from Cordyceps sinensis, has anti-inflammatory, antioxidant, and metabolic regulatory properties. Several studies have shown that cordycepin exerts significant bone-repairing effects. This review examines the bone-protective effects of cordycepin in osteoporosis, focusing on its mechanisms involving anti-inflammation, antioxidant activity, modulation of bone homeostasis, and bone-derived cytokines, providing a theoretical foundation for the development and design of therapeutic agents for bone diseases.

1. 引言

骨骼系统不仅构成人体的结构支架，还具有着重要的生理功能。骨质疏松及其相关骨折是老年人发病和死亡的常见原因之一[1]，主要影响绝经后的女性和老年人[2]，虽然男性的骨折发生率低于女性，但发生骨折后的死亡率却更高[3]。骨质疏松症在首次发病前通常无明显症状，因此也被称为“无声的疾病”[1]，这使得其预防尤为重要。骨质疏松症主要源于成骨细胞骨形成与破骨细胞骨吸收之间的失衡，其发病机制还与氧化应激和炎症等因素密切相关[4]。有研究发现，虫草素可通过抑制RANKL诱导的破骨细胞分化来改善骨代谢平衡[5]，并通过下调促炎细胞因子[6]、缓解氧化应激[7]等途径改善骨质疏松。此篇综述中，将围绕虫草素对骨质疏松症的药理作用进行论述，以期为骨质疏松的治疗提供新的思路。

2. 虫草素与骨质疏松症

虫草素是一种核苷类似物(3'-脱氧腺苷)，是大多数虫草中发现的主要活性物质，具有抗炎、抗氧化、免疫调节等多种生物活性[8]。有研究表明，通过虫草素治疗可以清除破骨细胞生成过程中ROS的产生，并通过上调干扰素调节因子-8 (INF-8)、抑制活化T细胞核因子c1 (NFATc1)的活性来抑制破骨细胞生成，从而防止骨质流失[9]。虫草素也可以通过促进成骨细胞矿化并减弱破骨细胞的分化来改善成骨细胞与破骨细胞之间的不平衡，以治疗骨类疾病[10]。在一些炎症性疾病中，包括炎症性骨质疏松、骨关节炎等等，促炎性细胞因子，如肿瘤坏死因子-α (TNF-α)和白介素-6 (IL-6)水平显著升高，而炎症状态可能会促进骨重塑过程中破骨细胞的骨吸收作用。有研究显示，虫草素可以通过下调TNF-α和IL-6的水平，来减弱炎症对破骨细胞骨吸收的作用，从而维持骨代谢的平衡[6]。这说明虫草素对维持骨平衡具有积极的调节作用，可以作为预防和治疗骨骼类疾病的潜在开发药物。

3. 虫草素在骨质疏松症中的预防和修复作用

3.1. 抗炎作用

在骨骼重塑过程中，免疫系统在维持骨稳态中发挥着重要作用，而慢性炎症在很大程度上会破坏这种平衡[11]。与炎症相关的细胞因子，如肿瘤坏死因子-α (TNF-α)和白细胞介素-1β (IL-1β)，可以激活核因子κB (NF-κB)和丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号通路，促进受体活化因子配体(RANKL)和巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF)的表达，并抑制骨保护素(OPG)的表达，导致破骨细胞生成增多、骨重塑失衡[4]，此外，TNF-α还能通过上调Dickkopf-1 (DKK1)的表达来抑制Wnt信号通路，从而导致成骨细胞分化降低[12]。炎症反应会增加破骨细胞数量，增强骨质流失，进而引发骨质疏松等骨相关疾病。虫草素具有良好的抗炎作用，可通过减少炎症产物、抑制促炎因子表达等方式减轻炎症反应[13]，从而改善缓解炎症引起的骨代谢紊乱。体内研究表明，在炎症性骨质疏松症(IMO)大鼠模型中，对大鼠进行检测，发现血浆I型胶原C端交联肽(CTX)、丙二醛(MDA)、中性粒细胞(PMN)、IL-1β、TNF-α和硝酸盐水平显著升高，而血清骨钙素(OC)水平显著降低。给予IMO大鼠20 mg/kg虫草素干预后，上述指标得到明显改善[6]。然而，仍需进一步研究以验证其临床应用的潜力。此外，有研究报道，10 μg/mL虫草素可以消除20 ng/mL TNF-α诱导的细胞死亡。这一作用通过抑制IκBα的磷酸化以及后续REL-A的释放和核易位，阻断TNF-α介导的NF-κB信号传导实现[14]。上述研究结果表明，虫草素有潜力有助于缓解炎症引起的骨质疾病。虽然已有多项研究证实虫草素在抗炎方面具有显著作用，但其在骨代谢方面的潜力尚未被充分挖掘，其在炎症性骨疾病中的更多分子机制亦有待进一步阐明。

3.2. 调节骨稳态

骨稳态是指骨骼在一定条件下维持稳定状态的能力。骨质疏松症中的骨丧失主要源于骨吸收与骨形成之间的失衡。因此，调节成骨细胞和破骨细胞的活性被认为是治疗骨质疏松症的关键策略[15]，体外实验研究表明，虫草素能够有效促进小鼠来源的MC3T3-E1成骨细胞分化和基质矿化，并且抑制小鼠巨噬细胞系RAW264.7诱导的破骨细胞的形成及吸收活性[10]。在大鼠闭合性股骨骨折模型中，虫草素能促进骨髓间质干细胞的成骨功能，并能通过缺氧促进股骨闭合性骨折模型的骨折愈合[16]，提示虫草素在骨质疏松引起的骨折治疗中可能具有良好的促进作用。此外，在酒精诱导股骨头坏死的模型中，酒精显著抑制人骨间充质干细胞(hBMSCs)中碱性磷酸酶(ALP)的活性，降低骨形态发生蛋白2 (BMP2)的基因表达，并减少了hBMSCs中钙的形成，而用1 µg/mL和10 µg/mL的虫草素进行干预后，这些变化得到了减弱，并通过CT影像学观察，提示虫草素可能成为预防酒精诱导股骨头坏死发展的潜在方法[17]，但仍需进一步的研究来验证其临床应用。在去卵巢大鼠(骨质疏松症)模型中发现，虫草素干预可降低骨吸收标志物的水平，同时提高骨钙素(OC)含量，减少骨质流失[18]，但是否对人体有效仍需进一步研究。综上所述，虫草素可以通过促进成骨细胞矿化和抑制破骨细胞分化，来调节骨稳态，从而改善骨质疏松的症状。然而，关于虫草素调节骨质疏松和骨稳态之间的具体作用机制缺乏深入研究报道，为此仍需要更多的实验来进行完善。

3.3. 抗氧化作用

目前，大多数针对骨质疏松症的研究主要集中在成骨细胞或破骨细胞的功能和分化上，这两个过程都被认为受到了活性氧(ROS)的影响调节。除了ROS本身的有害作用外，ROS还可以作为第二信使参与信号传导发挥作用[19]，有研究表明，虫草素可以通过对ROS的抑制和NF-κB的活性降低，从而下调TNF-α的产生[20]。ROS的过量生成会增加破骨细胞形成，同时减少成骨细胞产生、降低成骨细胞活性，导致骨结构改变和骨丧失[4]，在体外实验中发现，虫草素能够清除小鼠破骨细胞生成过程中产生的ROS，在卵巢切除(OVX)小鼠模型中，给予10 mg/kg的虫草素可以减少小鼠体内的骨质流失，改善骨微结构，并恢复骨矿化[9]。在BMSC体外模型中，过氧化氢(H₂O₂)诱导的成骨抑制作用，可以通过虫草素处理得到缓解。在OVX小鼠中，虫草素通过激活Wnt信号通路对氧化应激引发的成骨抑制具有保护作用[7]。以上研究结果表明，通过使用虫草素预防骨质疏松症可能与改善氧化应激具有紧密联系，但在关于虫草素在骨质疏松中的氧化应激具体作用及机制尚未充分阐明，仍需进一步探索。

3.4. 调节骨源细胞因子

骨源细胞因子(Bone-derived cytokines)是由骨组织分泌的生物活性肽或蛋白，在机体中分布并调节骨骼的新陈代谢和全身的稳定性，主要包括硬化蛋白、骨钙素(OCN)、成纤维细胞生长因子23 (FGF23)和脂钙蛋白2 (LLN2) [21]。对82例骨质疏松患者的检测结果显示，FGF23水平与骨小梁骨显微结构之间存在显著的负对数相关[22]。在OVX小鼠模型中发现，与对照组相比，OVX小鼠体内OCN的基因表达显著下降[23]。此外，OCN也可以作为骨形成标志物，用来判断骨形成情况[24]，以上结果表明，骨源细胞因子和骨重塑之间存在密切关联，并有极大可能成为骨质疏松症的检测指标。在诱导牙髓干细胞成骨分化的实验中，用虫草素处理牙髓干细胞和未处理组进行比较，发现虫草素组中的ROX2、Cl1A1、和OCN基因表达均显著增加[25]。在用酒精诱导人骨髓间充质干细胞(hBMSCs)股骨头坏死的模型中发现，酒精抑制了OCN的基因的表达，而这种抑制在使用1 µg/mL和10 µg/mL的虫草素进行干预后，这种抑制得到了缓解[17]。以上研究表明虫草素可以通过影响骨源细胞因子的表达来改善骨损伤，但是骨源细胞因子在调节内平衡和骨骼功能障碍引起的病理反应方面的作用尚不十分清楚，还需要进一步研究来探讨其潜在机制。

4. 抗骨质疏松的药物

4.1. 骨质疏松药物的作用方式

现今有许多生物制剂作用于治疗骨类疾病，用于治疗骨质疏松的药物主要包括双膦酸盐和地诺单抗，这些药物能够通过降低破骨细胞的活性和数量来减少骨吸收，从而增加骨骼密度，但这也间接地减少了骨的形成，使骨骼无法恢复到最初的状态[26]。除此之外还有其他生物制剂，例如特立帕肽，这是一种由甲状旁腺分泌的多肽激素，通过调节甲状旁腺素(pth)受体，诱导干细胞和骨内层细胞分化为成骨细胞，调节骨稳态。该药在2002年由美国FDA首次批准用于骨质疏松以及高风险骨折的治疗[27]。Romosozumab是一种IgG2单克隆抗体，通过与硬化素蛋白结合并抑制其活性，来促进骨形成并抑制骨吸收，从而提高骨密度和降低骨折发生率[28]。采用以上药物治疗骨质疏松症，其本质还是通过调节骨形成和骨吸收之间的平衡来实现的。有多项研究表明，虫草素对骨稳态同样有良好的调节作用，这使得虫草素具有很大潜能成为治疗骨质疏松症的药物。

4.2. 虫草素抗骨质疏松药物的开发潜能

研究表明，虫草素可能通过诱导骨形成、抑制破骨细胞分化等多个机制改善骨稳态，从而对骨质疏松起保护作用。在体外实验中，用虫草素处理离体的大鼠骨髓间充质干细胞(rBMSCs)可以降低骨细胞减少Dickkopf相关蛋白1 (DDK-1)的表达，并通过Wnt/β-catenin通路与Apelin-13协同作用，发挥成骨作用，促进大鼠骨髓间充质干细胞(rBMSCs)向成骨方向分化[29]。此外，用虫草素处理关节炎患者身上分离出的人脂肪间充质干细胞，发现虫草素可以抵消TNF-α引起的细胞死亡，并促进脂肪干细胞向成骨分化[30]，这提示虫草素可能通过促进干细胞向成骨细胞分化，从而为修复骨质疏松等疾病带来的骨质损伤和丧失提供潜力。还有研究发现，用蛹虫草提取物(CME)和虫草素处理RAW 264.7细胞，可以抑制其破骨细胞生成相关基因的表达[5]。在大鼠闭合性股骨横行骨折内固定模型中，采用腹腔注射的方式给予虫草素治疗，虫草素呈现剂量依赖性显著降低血清内IL-1β、IL-6和TNF-α的水平，以及组织中丙二醛(MDA)和过氧化氢酶(CAT)的含量，提示虫草素可能通过抑制氧化应激和炎症反应来促进大鼠的骨折愈合和骨骼修复[31]。此外，在诱导的小鼠骨关节炎模型中发现，虫草素壳聚糖微球(CM-虫草素)和光交联的透明质酸甲基丙烯酸酯水凝胶(HAMA)联合应用可以缓解小鼠模型中骨关节炎退行性变化[32]，这也为骨质疏松治疗后的防护工作提供了帮助。总之，虫草素对于骨质疏松的保护作用是多方面的，其机制还需要进一步探索。

5. 小结与展望

通过本综述，我们总结了虫草素通过抗炎、抗氧化、调节骨稳态和骨源细胞因子多个方面对骨的影响，更清楚地认识了虫草素对骨质疏松等骨类疾病的防治与保护中的作用，以及在骨类疾病发生后的修复作用。尽管虫草素虽然具有多方面的药理作用，但是和骨之间的研究还在不断发展，很多潜在机制还有待发掘。例如，虫草素可以促进骨折愈合，但其在骨折愈合过程中的具体作用机制尚不明确。现今常采用的骨质疏松模型大多是用OVX小鼠建立，而对于炎症诱导以及其他原因诱导的骨质疏松模型的研究还不充分，虫草素在不同病因所导致的骨质疏松症的影响是否存在差异，还有待进一步研究和验证。这些问题的解决将有助于更好地揭示虫草素在骨类疾病中的预防和修复作用，并为治疗骨类药物的研制和开发提供更多的理论依据。

NOTES

^*共同第一作者。

^#通讯作者。