Ползи и механизми на полизахаридите от китайски лечебни билки за терапия срещу остеопороза

Контакт: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 Имейл:audrey.hu@wecistanche.com

Shan shan Lei a,1, Jie Su d,1, Yang Zhang a,1, Xiao wen Huang a, Xu ping Wang a, Min Cong Huang b,*, Bo Li c,*, Dan Shou a,d,**
a * Катедра по медицина, Zhejiang Academy of Traditional Chinese Medicine, Hangzhou, Zhejiang 310007, PR China
b * Център за оценка на безопасността, Медицински колеж Хангжу, Хангжу, Zhejiang 310053, НР Китай
c * Zhejiang University of Technology, Hangzhou, Zhejiang 310014, НР Китай
d * Китайски медицински университет Zhejiang, Hangzhou, Zhejiang 310053, НР Китай

Резюме

Остеопорозата е системно метаболитно костно заболяване с нарастваща честота. Китайските лечебни билки имат дълга история за лечение на костни заболявания. Полизахаридите са важна категория фитохимикали в китайските лечебни билки и техните ползи за здравето са увеличили интереса на обществеността. Многобройни проучвания показват, че полизахаридите проявяват антиостеопорозни ефекти чрез балансиране на костната резорбция и образуването на кост, но подробните ефекти и механизми не са систематично обобщени. Извършихме цялостен преглед на литературата, за да консолидираме проучванията за периода 2000–2021 г., като извършихме електронни търсения в базите данни PubMed, CNKI, VIP и Wanfang. Общо полизахаридите от 19 вида китайски лечебни билки в 54 проучвания са показали защитни свойства на костната хомеостаза. In vivo и in vitro експерименти показват, че полизахаридите имат свойства при лечението на постменопаузална остеопороза, сенилна остеопороза и индуцирана от глюкокортикоиди вторична остеопороза, особено постменопаузална остеопороза. Освен това редица сигнални пътища, като Wnt/-catenin сигнален път, BMP/SMAD/RUNX2 сигнален път, OPG/RANKL/RANK сигнален път, път на апоптоза и транскрипционни фактори, се регулират от полизахариди и участват в подобряването на костите хомеостаза. Този преглед ще осигури по-добро разбиране на антиостеопорозните ефекти на полизахаридите и съпътстващите модулации на сигналните пътища.

Ключови думи:Полизахариди, китайски лечебни билки, механизми, костна хомеостаза

Китайската лечебна билка--Cistanche е добра за лечение на остеопороза

1. Въведение

Остеопорозата е системно метаболитно костно заболяване, характеризиращо се с влошаване на микроархитектурата, ниска костна маса и повишен риск от фрактури. Според резултатите от първото епидемиологично проучване за остеопороза, проведено от Националната здравна комисия на Китай през 2018 г., честотата на разпространение на остеопорозата при жени над 50 години достига 32,1 процента, докато тази при жени над 65 години е 51,6 процента. Приблизително 10 милиона души на възраст над 50 години в Съединените щати имат остеопороза, а 34 милиона души са изложени на риск от това заболяване. В Обединеното кралство 50 процента от жените над 50 години и 20 процента от мъжете страдат от остеопоротични фрактури [1]. Крехката фрактура, причинена от остеопороза, може да доведе до повишена заболеваемост и смъртност, което води до огромна социална тежест [2].

Известно е, че дисбалансът в костната хомеостаза се причинява от остеопороза в по-голяма степен медиирана от остеокластите костна резорбция, отколкото от остеобластно медиирано образуване на кост. Много фактори водят до костна хомеостаза, но основният механизъм е дисбаланс между остеобластите и остеокластите, включително (i) намалена остеобластна (OB) диференциация и активност, което води до намалено костно отлагане; (ii) повишена диференциация и активност на остеокласти (OC), което води до прекомерна костна резорбция; и (iii) възпаление и оксидативен статус [3]. В допълнение, функциите на OB и OC се регулират от различни транскрипционни фактори и сигнални пътища.

В Китай няколко китайски лечебни билки, които имат функции за облекчаване на ставите и укрепване на костите и мускулите, са били използвани за лечение на остеопороза от стотици години. Полизахаридите са един от основните активни компоненти на много китайски лечебни билки, като Polygonatum sibiricum Delar. ex Redoute, Angelica sinensis (Oliv.) Diels и Morinda Officinalis Как. Междувременно е доказано, че полизахаридите имат множество функции, като антиоксидант [4], имуномодулация [5] и функции против умора [6]. Към днешна дата множество проучвания показват, че полизахаридите проявяват антиостеопорозни ефекти чрез балансиране на костната резорбция и образуването на кост, но подробните ефекти и механизми не са систематично обобщени.

В този преглед събрахме общо 54 проучвания на полизахариди за борба с остеопорозата от 2000 до 2021 години и бяха изследвани полизахариди от 19 вида китайски лечебни билки. Тези проучвания включват 25 експериментални проучвания in vivo и 40 експеримента in vitro. Експерименталният животински модел включва овариектомирани (OVX) плъхове, SAMP6 мишки и индуцирана от глюкокортикоиди остеопороза (GIOP) риба зебра. MCET3-E1 клетки, BMSCs, дексаметазон-индуциран OB и RANK-индуциран BMM клетъчни модели са били широко използвани in vitro експерименти. Механизмите на суровите полизахариди или пречистените полизахариди за борба с остеопорозата са фокусирани върху ОВ или ОК пролиферация, диференциация, включително експресия на транскрипционни фактори, възпалителни фактори, сигнални пътища като Wnt/-катенин сигнален път, BMP/SMAD/RUNX2 сигнален път, OPG/RANKL/RANK сигнален път и т.н. Прегледахме антиостеопорозните ефекти и механизми на полизахаридите от 19 вида китайски лечебни билки и ги обобщихме в таблица 1.

2. Полизахариди, извлечени от китайски лечебни билки за лечение на остеопороза

Сред 19-те вида билки 13/19 са от частта на коренището, 1/19 от цвета, 2/19 от частта на листата, 1/19 от частта на плода и 2/19 от гъбата. Всички доказателства за полизахаридите от тези китайски лечебни билки за подобряване на костната хомеостаза и ограничаване на костната загуба са докладвани в следващите параграфи.

2.1. Полизахариди, извлечени от коренища на китайски лечебни билки

Achyranthes bidentata Blume (AC, "Niu xi"), Morinda Officinalis How (MO, "Ba-Ji-Tian"), Curculigo orchioides Gaertn (CO, "Xian Mao"), Cynomorium solarium Rupr. (CY, "Suo yang"), Cistanche deserticola Ma (CD, "Rou Cong Rong") и Cibotium barometz (L.) J. Sm (CB, "Gou Ji") са китайски лечебни билки, които "тонизират бъбреците и укрепват костите" и се прилагат специално за лечение на постменопаузална остеопороза. Съобщава се, че основните активни съединения на полизахаридите имат точни благоприятни ефекти за борба с остеопорозата при OVX модели на плъхове. Съобщава се, че суровите полизахариди от AC [7,8], MO [9–11], CO [12], CY [17] и ABPB-3 [13] (пречистен полизахарид от AC) увеличават костите минерална плътност (BMD), подобряват биомеханичните индекси на бедрените кости при OVX плъхове и регулират микроархитектурата на трабекуларната кост след непрекъснато приложение в продължение на почти 3 месеца. Междувременно ABPB-3 може също така да повиши серумния остеокалцин (OCN) [13], костния глутаматен протеин (BGP) и нивата на дезоксипиридинол в урината (DPD) [15]. В in vitro експеримент, полизахаридите от CB (CBP) и нов хомогенен хетерополизахарид COP70–3 от CO повишават активността на алкалната фосфатаза (ALP) и повишават скоростта на минерализация [12] [16]. Друг пречистен полизахарид, COP90–1, от CO насърчава пролиферацията и диференциацията на първичен миши OB [17]. Освен това, два нови полизахарида от ABW50-1 и ABPB-3 от AC значително повишават костната маса в моделите на риба зебра GIOP [18] [13]. Полизахаридите от CD (CDP) забележително подобряват хистопатологичното увреждане на костите и насърчават образуването на нова кост в SAMP6 мишки [45].

Astragali Radix (AS, "Huang qi"), Angelica sinensis (Oliv.) Diels (AN, "Dang Gui") и Hedysarum Polyporus Hand.-Mazz. (HP, "Hong qi") са китайски лечебни билки, които "допълват Чи и подхранват кръвта". Съобщава се, че AS полизахаридите (ASP) могат да обърнат намаляването на костната маса, да увеличат серумната ALP и BGP и да регулират биомеханичните показатели на бедрената кост при OVX мишки и плъхове с индуцирана от Dex и предизвикана от стрес остеопороза в зависимост от дозата начин [20,21]. Полизахаридите от AN (ANP) увеличават броя на трабекулите и насърчават възстановяването на костно увреждане при плъхове с диабет тип 2. Проучване in vivo, 40 mg/L ASP увеличава броя на калциевите възли и активността на ALP в BMSCs, индуцирани от 25,5 mmol/L глюкоза [22]. ANP и полизахаридите от HP (HPP) изглежда подобряват пролиферацията на ОВ и повишават активността на ALP по дозозависим начин [23,24].

Polygonatum sibiricum Delar. ex Redoute (RP, "Huang Jing") и Dendrobium officinale Kimura et Migo (DO, "Tie pi shi hu") са китайски лечебни билки, които "подхранват Ин". Проучванията in vivo показват, че полизахаридите от RP (RPP) могат значително да повишат цялостната BMD и да подобрят костната трабекуларна микроструктура на OVX плъхове след непрекъснато приложение [25,26] и биха могли също така да подобрят симптомите при модел на остеопоротична фрактура [27]. DO полизахаридите (DOP) предотвратяват разграждането на трабекуларната микроструктура и подобряват BS/TV, Tb. N, и намаляването на Tb.Sp модел на индуцирана от възрастта остеопороза [28]. По същия начин ежедневното приложение на полизахариди от Gastrodia elata Bl. (GA, "Tian ma") и Saposhnikovia divaricata (Turcz.) Schischk. (SA, "Fang Feng") също повишава BMD [29,30] и серумните нива на Ca2 плюс, Mg2 плюс и P2− [31] в OVX модела.

Cistanche tubolosa ползи

2.2. Полизахариди, извлечени от листата на китайски лечебни билки

Epimedium brevicornum Maxim (EB, "Yin Yang Huo") е много популярно листо, традиционно използвано за лечение на костни заболявания и дисфункция на половите жлези в китайската медицина от хиляди години. ЕБ може да облекчи симптомите след менопаузата и да инхибира остеопорозата и други болести, свързани със загуба на костна маса. Скорошно in vitro проучване показа, че EB полизахаридът (EBP) може да стимулира и подобри пролиферацията и диференциацията на OB клетки, индуцирани от дексаметазон [32].

Hairyvein Agrimonia Herb and Bud (AP, "Xian he cao") принадлежи към Rosaceae и се използва като китайско лекарство за лечение на диабет и аритмия. Водоразтворим полизахарид (APP-AW) е изолиран от AP и три сулфатирани производни (S1, S2 и S3) от APP-AW могат да инхибират апоптозата в индуциран от дексаметазон OB модел [33].

2.3. Полизахариди, получени от гъби и гъби от китайски лечебни билки

Китайската медицина на Poria cocos (Schw.) Wolf. (PO, „Fu ling“) се използва за ежедневна диета и лекарства в Китай и други азиатски страни от древни години. Като класически антиоксидантен агент, PO наскоро показа ползи за лечение на ангина пекторис, хипертония и костен метаболизъм. PO полизахаридът (POP) е активно и основно съединение, извлечено от PO. Проучване in vivo показва, че лечението с POP нарушава индуцираното от RANKL образуване на OC в RAW264.7 и BMMS клетки по дозозависим начин и отслабва резорбционната активност [34].

Polystictus versicolor (L.) Fr. (TV, "Yun Zhi") е една от най-популярните медицински гъби от Coriolus Versicolor (L. ex Fr.) Quel поради различните си биологично активни компоненти. Доказано е, че полизахаропептидите от TV (TVP) имат имунорегулаторни функции при нормални и тип I захарен диабет (DM) плъхове. Скорошно проучване показа, че TVP е ефективно лечение на остеопороза при плъхове със захарен диабет. В сравнение с моделната група, TVP смекчава предизвиканото от DM влошаване на костите, както е определено чрез увеличаване на костния обем на проксималната тибия, трабекуларния брой и здравината на бедрената кост (11 процента максимално натоварване, 22 процента скованост и 14 процента модул) и чрез намаляване на феморалната кортикална порьозност с 25 процента [35].

2.4. Полизахариди, извлечени от други китайски лечебни билки

Lycium chinense Miller (LY, "Gou qi"), принадлежащ към Lycium barbarum L., е широко разпространен в северозападен Китай и е записано, че плодовете му играят роля при намесата в метаболизма след менопаузата. Модели на гризачи на постменопаузална остеопороза, предизвикана от дефицит на естроген и остеопороза, предизвикана от дексаметазон, показват, че LYP може да осигури ефективно лечение на остеопороза. Проучванията in vivo показват, че LY полизахаридът (LYP) значително се повишава

лумбална BMD и сухото тегло на бедрените кости при OVX плъхове след лечение в продължение на 12 седмици, подобрена трабекуларна костна структура и намалена лакунална абсорбция [24]. Освен това, LYP също повишава калция в кръвта, съдържанието на ALP и BMD при плъхове с индуцирана от глюкокортикоиди остеопороза [36].

Carthamus Flos (SF, "Hong Hua") от Carthamus tinctorius L. се използва като китайско лекарство за лечение на инсулт и коронарна болест на сърцето. Съвременните фармакологични експерименти също показаха, че полизахаридите, изолирани от SF (SFP), притежават потенциална терапевтична стойност за лечение на несъвършена остеогенеза и остеопороза. Проучванията in vitro показват, че SFP може в зависимост от дозата да повиши пролиферацията на първичния OB и минерализацията и че това подобрение е придружено от повишена активност на ALP и експресия на синтез на колаген [37].

3. Механизъм, чрез който полизахаридите подобряват костната хомеостаза чрез регулиране на ОВ и ОК

3.1. Механизъм, чрез който полизахаридите насърчават остеобласт-медиираното костно образуване

ОВ преминават през четири етапа на образуване на кост, включително остеобластна пролиферация, съзряване на извънклетъчния матрикс, минерализация на извънклетъчния матрикс и остеобластна апоптоза. Много фактори, като сигнални пътища и транскрипционни фактори, могат да регулират тези етапи и в крайна сметка да регулират образуването на кост. Тук обобщаваме транскрипционните фактори и сигналните пътища, чрез които полизахаридите влияят върху образуването на кост при ОВ. Механизмите на OB-медиирано костно образуване и полизахаридната регулация на OB функцията, които участват в нашето изследване, са показани на Фиг. 1 и 2.

Фиг. 1. Обобщени механизми на остеопороза, които са включени в нашето изследване. Насърчаване (→), инхибиране (⊥). В BMSCs, свързването на Wnt протеини с мембранно свързани frizzles рецептори и LRP5/6 ко-рецептор инициира комплекс Axin1, инхибира убиквитинирането и разграждането на -катенин и ускорява неговата транслокация в ядрото [38]. Този ядрен -катенин се свързва с и ко-активира членовете на фамилията транскрипционни фактори (TCF/LEF) на Т-клетъчния фактор/лимфоидния фактор, активиращи целевите гени надолу по веригата, като Runx2 и Osterix (Osx), като по този начин води до промоция за диференциация и пролиферация на ОВ [32]. DKK-1 инхибира свързването на Wnt към frizzled рецепторите и LRP5/6, сигналният път wnt/-catenin е блокиран. В OB костните морфогенетични протеини (BMP) се свързват с BMP рецептора (BMPR), активират SMAD1/5/8 протеини, които навлизат в ядрото, след което регулират генната експресия на RUNX2. Runx2 може да се комбинира с ядро-свързващ фактор, за да образува хетероложна димерна структура и след това да се свърже с ДНК, предизвиквайки експресията на гени, свързани с образуването на кост, като Osx, костен глутаматен протеин (BGP) и ALP. PIP3, произведен чрез активиране на PI3K, се свързва с PH домейна в N-края на Akt, премества Akt към плазмената мембрана, която катализира Akt ser473 и фосфорилирането на Thr308 сайтове. След активиране на Akt, той насърчава експресията на низходящите проапоптотични фактори на bax-2, каспаза 3 и инхибира антиапоптотичния фактор на BCL-2. В пре-OC, IL-1, IL-6 и TNF-активен NF-κB, който подобрява транслокацията на NF-κB в ядрото, което индуцира диференциация от pre-OC към OC. В OC, IL-6 се свързва с рецептора на интерлевкин 6 (IL-6R), TNF- се свързва с TNF-рецептора (TNFR), RANKL се свързва с RANK и допълнително набира фактори, свързани с TNFR (TRAFs) за иницииране на сигнални каскади надолу по веригата, включително NF-κB фосфорилиране, p38 фосфорилиране, JNK и ERK1/2. Крайният резултат от RANKL-RANK сигнализирането е активирането на остеокластите транскрипционни фактори, като NF-κB, активаторен протеин 1 (AP{ {55}}), протоонкогенен протеин (FOS) и активиран ядрен фактор на активирани Т-клетки (NFATc1). NFATc1 индуцира експресията на остеокласти-специфични гени като устойчива на тартарат кисела фосфатаза (TRAP) и катепсин К (Ctsk), което води до диференциация и насърчава съзряването на OC.

Фиг. 2. Резюме на полизахаридите и възможните механизми, които участват в лечението на остеопороза. ACP: полизахарид от Achyranthes bidentata Blume; ASP: полизахарид от Astragali Radix; ANP: полизахарид от Angelica Sinensis (Oliv.) Diels; APP: полизахарид от Hairyvein Agrimonia Herb and Bud; COP: полизахарид от Curculigo orchioides Gaertn; CYP: полизахарид от Cynomorium songaricum Rupr; CDP: полизахарид от Cistanche deserticola Ma; CBP: полизахарид от Cibotium barometz (L.) J. Sm; DOP: полизахарид от Dendrobium officinale Kimura et Migo; EBP: полизахарид от Epimedium brevicornum Maxim; WSS25: полизахарид от Gastrodia elata Bl.; HPP: полизахарид от Hedysarum Polyporus Hand.-Mazz.; LYP: полизахарид от Lycium chinense Miller; MOP: полизахарид от Morinda Officinalis How; POP: полизахарид от Poria cocos (Schw.) Wolf.; RPP: полизахарид от Polygonatum sibiricum Delar. бивш Редут; SAP: полизахарид от Sap oshnikovia divaricata (Turcz.) Schischk.; SFP: полизахарид от Carthami Flos.; TVP: полизахарид от Polystictus Versicolor (L.) Fr.

3.1.1. Транскрипционни фактори

Остеогенната диференциация на BMSCs се регулира от различни транскрипционни фактори, като свързан с Runt транскрипционен фактор 2/основен свързващ фактор 1 (Runx2/Cbfa1) и остерикс. Cbf 1, известен също като полиомавирусен енхансер-свързващ протеин 2 A (PEBP2 A) или фактор 3 на остра миелоидна левкемия (AML3), е транскрипционен фактор на семейството на runt структурни гени. Osterix, критичен фактор, който контролира целите надолу по веригата при образуването на кост, е важен регулатор на диференциацията на OB и е най-ранният и най-специфичен маркер за диференциация на OB.

MOP-медиираната серумна интервенция на BMSCs в продължение на 14 дни повишава експресията на Cbf 1 mRNA и насърчава остеогенната диференциация [39]. Друго проучване показа, че експресията на Cbf 1 mRNA в OB на калта на плъх се регулира нагоре след третиране с воден екстракт от Morinda Officinalis и MOP-съдържащ серум за 72 часа и ефектът на MOP е по-добър от ефекта на водния екстракт на Morinda Officinalis [40]. MOP, приложен на плъхове с OVX остеопороза в продължение на 30 дни, повишава експресията на тибиалните гени Cbf 1 и DMP1 [10]. Нов инулин фруктан MOW90-1, изолиран от MO90, регулира нагоре експресията на Runx2 и Osterix и насърчава пролиферацията, диференциацията и минерализацията на MC3T3-E1 клетки [14].

Скорошно in vitro проучване оцени ефекта на HPP върху остеогенната диференциация на MC3T3-E1 остеобластни клетки и установи, че HPP регулира активността на ALP по дозозависим начин и повишава експресията и транскрипционната активност на Runx2 и Osterix, два главни гена на ОВ диференциация [24]. Liao et al установиха, че ANP може значително да регулира нагоре експресията на иРНК на CyclinD1, Runx2 и Osterix [22,23]. ASP също повишава експресията на CyclinD1 и насърчава пролиферацията [41].

3.1.2. Wnt/-катенин сигнален път

Сигналният път на Wnt/-катенин играе важна роля в самообновяването, насочената диференциация, преостеобластната пролиферация, образуването на OB и апоптозата на BMSC. В процеса на насърчаване на диференциацията на ОВ, Wnt контролира гените за диференциация на ОВ чрез регулиране на нивото на -катенин в BMSC. Активираното Wnt сигнализиране може да насърчи агрегацията на -катенин, което води до ОВ диференциация и образуване на кост. Експресията на Wnt3a и Wnt10b в BMSCs може да активира Wnt/-катенин сигналния път и да насърчи пролиферацията на BMSCs [42]. DKK-1 е инхибитор на Wnt сигналния път, инхибира образуването на кост и води до остеопороза, докато антагонизирането на DKK-1 може да увеличи костната маса [43].

MOP повишава скоростта на пролиферация на ОВ in vitro, повишава активността на ALP и намалява експресията на протеин на DKK-1 [44]. По-нататъшно in vivo изследване на молекулярните механизми зад антиостеопорозния ефект на CDP показва, че отслабването на костната дегенерация е свързано с активиране на Wnt/-катенин сигналния път [45]. Интервенцията на RPP подобри активността на ALP на BMSCs по дозозависим начин, значително повиши способността за минерализация на клетките, значително увеличи експресията на гени ALP, Runx2 и Osteocalcin в BMSCs, значително повиши експресията на -catenin и насърчи високата експресия на местата за свързване на TCF. Механизмът може да е свързан с активиране на Wnt/-катенин сигналния път и насърчаване на диференциацията на BMSCs в OB [46], но RPP няма ефект върху BMP пътя. Констатациите също показват, че RPP насърчава диференциацията и минерализацията на ОВ чрез регулиране на ERK/GSK-3 / -катенин сигналния път [47]. Li et al. установи, че BMP9 е директната мишена на miR-152 и ASP може да регулира надолу експресиите на miR- 152 и да насърчи регулирането нагоре на BMP9, като по този начин активира PI3K/AKT и Wnt/-catenin пътека за сигнализиране в BMSC [ 41]. ASP облекчава предизвиканата от оксидативен стрес остеопороза чрез регулиране на сигналния път на FoxO3a/Wnt2/-catenin [48]. LYP-медиираният серум активира експресията на Wnt протеини, свързани със сигналния път - катенин и Wnt10b насърчава диференциацията на BMSCs в OB и увеличава минерализираните възли [49].

екстракт от Cistanche tubolosa: лечение на диабетни заболявания

3.1.3. BMP/SMAD/RUNX2 сигнален път

BMP/SMAD сигнализиращият път играе важна роля в активирането на транскрипцията на ген за образуване на кост. Костен морфогенетичен протеин II (BMP2), член на TGF-суперсемейството, е силно експресиран в OB и регулира диференциацията както in vitro, така и in vivo [50]. BMP свързва хетеродимерни рецептори, за да активира SMAD протеини, които трансактивират остеокластогенни гени или директно, или чрез Runx2 [51]. Runx2 е целевият ген надолу по веригата на механизма за трансдукция на сигнала BMP2/Smad и транскрипционен фактор, необходим за остеобластогенезата. Runx2 може да се комбинира с ядро-свързващ фактор, за да образува хетероложна димерна структура и след това да се свърже с ДНК, предизвиквайки експресията на гени, свързани с образуването на кост, като COL-І, BGP и ALP.

Huang et al изолираха два нови полизахарида, CBP70-1-1 и CBP70-1-2, от коренища на Cibotium barometz и установиха, че те могат да стимулират пролиферацията на ОВ при ниска концентрация. CBP70-1-1 при 3,93 и 7.86 μM и CBP70–1-2 при 1,73 и 6,92 μM значително повишават активността на ALP и минерализирани възли в MC3T3-E1 клетки. Освен това, CBP70-1-2 повишава експресията и транскрипционната активност на BMP2, а повишената експресия на BMP2 впоследствие стимулира гена Smad1 надолу по веригата. Фосфорилирането на Smad1 се увеличава, което допълнително стимулира остеогенния маркерен ген Runx2 за насърчаване на образуването на кост [50].

Друго проучване демонстрира, че CEP може да подобри информацията за костите чрез регулиране на протеиновата експресия на BMP2/Smad1 и Smad5/Runx2 [52]. Chen et al установиха, че Gastrodia elata Bl. полизахарид WSS25 може да инхибира експресията на BMP2/Smad1 пътища и да инхибира остеокластичната диференциация [29]. RPP стимулира образуването на кост при OVX плъхове чрез повишаване на нивата на ALP, OPG и BGP и протеиновата експресия на BMP2 [26]. АРР усилва активността на ALP, насърчава пролиферацията и диференциацията на ОВ и повишава ОВ диференциращите маркерни протеини BMP2, Runx2, Osterix и Osteocalcin. Молекулярният механизъм е свързан с повишената експресия на miR-70 [53] и регулиране на Wnt/-катенин сигналния път [54].

3.1.4. Медиирани от антиапоптоза пътища

Апоптозата, форма на програмирана клетъчна смърт, играе централна роля в тъканната хомеостаза и дерегулацията на апоптозата е замесена в множество патологични състояния [55]. Протеините от семейството Bcl-2 имат про- или антиапоптотични активности и регулират митохондриалния път на апоптоза чрез контролиране на пермеабилизацията на митохондриалната външна мембрана (MOMP). MOMP е основното събитие в присъщия апоптотичен път. Bax, който участва в образуването на MOMPs, води до освобождаване на съдържанието на митохондриалното междумембранно пространство в цитоплазмата. Освободеният цитохром c се свързва с цитозолен протеин, съдържащ домен за набиране на каспаза (CARD), за да образува апоптозома и впоследствие да набира множество молекули прокаспаза-9, като накрая активира каспази надолу по веригата като каспаза-3. Антиапоптозните протеини на Bcl-2 блокират клетъчната смърт чрез предотвратяване на активирането и хомо-олигомеризацията на Bax [56]. Освен това протеинът Bax се регулира чрез фосфорилиране по Akt-зависим начин и това събитие на фосфорилиране инхибира ефектите на Bax върху митохондриите, като го поддържа в цитоплазмата [57].

Глюкокортикоидите се използват широко за лечение на възпалителни заболявания и водят до приблизително 30 процента апоптоза на ОВ клетки при пациенти с остеопороза, причинена от прекомерно приложение на глюкокортикоиди. Водоразтворим полизахарид (APP-AW) е изолиран от Agrimonia pilosa и три сулфатирани производни (S1, S2 и S3) от APP-AW инхибират апоптозата в индуциран от дексаметазон OB модел [33], обръщат увеличението на Bax , цитохром и каспаза-3 и намалена експресия на Bcl-2 и c-Myc протеин в MC3T3-E1 клетки. Проучване in vitro показа, че MOP инхибира OB апоптозата, индуцирана от изцяло транс ретиноева киселина [58]. Изглежда, че SFP предпазва OB клетките от индуцирана от дексаметазон апоптоза, вероятно поради ефекта му върху обръщане на активирането на каспаза-3 и разцепването на PARP [37]. EBP е регулирал нагоре експресията на Bcl-xl и Bcl-2 и е намалил експресията на Bax и каспаза-3 чрез сигналния път PI3K/Akt/mTOR при индуциран от дексаметазон ОВ [32].

3.1.5. Пътища, медиирани от оксидативен стрес

Повишаването на реакцията на оксидативен стрес по време на стареенето може да бъде важен фактор, причиняващ остеопороза. Оксидативният стрес е патологично състояние, което предполага свръхпроизводство на реактивни кислородни видове (ROS) при условия, когато тяхното елиминиране е намалено. Като индикатор и регулатор на оксидативно увреждане, пътят на свързания с ядрения фактор еритроиден 2- фактор 2 (Nrf2)/хем оксигеназа 1 (HO-1), който предпазва от оксидативно увреждане и клетъчна смърт, е бил основен фокус на изследванията в продължение на много години. Проучване in vivo показа, че DOP може да спаси индуцираното от H2O2- превключване на съдбата на диференциация на BMSC и да увеличи експресията на Nrf2, HO-1 и Nqo1 [28].

3.1.6. Насърчава специфичната за костта матрица и костната минерализация

Костният сиалопротеин (BSP), остеопонтинът и остеокалцинът са фенотипни маркери за зряла ОВ и важни маркери за минерализация на матрицата. Остеопонтинът се секретира от ОВ и участва в минерализацията на костния матрикс, който може да се комбинира с хидроксиапатит през област, богата на аспарагинова киселина и участва в минерализацията на костния матрикс. BSP, основен извънклетъчен неколагенен матричен протеин в костната тъкан, локализиран в минерализираната матрица, може да насърчи нуклеацията на хидроксиапатитната минерализация in vitro и да увеличи включването на калций и образуването на нодули. Остеокалцинът, произведен и секретиран почти изключително от OB, се свързва с Ca2 plus и е отговорен за минерализацията на костния матрикс [59].

MOP (50 ug⋅mL-1) стимулира клетъчната пролиферация на MC3T3-E1, насърчава секрецията на колаген тип 1 (COL-І) и остеокалцин и засилва активността на ALP [60]. RPP подобрява биомеханичните свойства и BMD на остеопорозната фрактура при плъхове чрез намаляване на съдържанието на костна ALP, TRAPa и TNF- при остеопороза на плъхове [25] и повишаване на нивата на ALP, OPG и BGP и протеиновата експресия на BMP2 [ 26]. Пречистен полизахарид ABW70-1, изолиран от radix achyranthis bidentatae, насърчава пролиферацията на MC3T3-E1 клетки, повишава активността на ALP, образуването на минерални нодули и генната експресия на Osterix, Osteocalcin и BSP, и насърчава остеогенна диференциация [8].

Cistanche tubulosa благоприятства костите

3.2. Механизъм, чрез който полизахаридите инхибират костната резорбция, медиирана от остеокласти

Костната резорбция е резултат от взаимодействието между активирания ОК и костния матрикс. Ролята на OC в костната резорбция включва главно четири етапа: остеокластна адхезия и поляризация, подкисляване на микросредата на костната резорбция, разграждане на костния матрикс и транспорт на ендоцитоза. В процеса на остеокластна адхезия и поляризация, прекурсорите на остеокластите се набират към повърхността на костта под действието на -интегрин и се диференцират в OC, стимулиран от M-CSF, RANKL и цитокини. В този процес транскрипционните фактори и цитокините като IL-1 и IL-6 също могат да насърчат диференциацията. Впоследствие OC генерира киселинна микросреда между клетката и повърхността на костта [61] и зрелите OC отделят различни ензими, включително протеин киназа К, матрични металопротеинази (MMP) и устойчива на тартарат кисела фосфатаза [62], за да се разградят костната матрица. Механизмите на костна резорбция, медиирана от остеокласти и полизахаридната регулация на OC функцията, които участват в нашето изследване, са показани на Фиг. 1 и 2.

3.2.1. Транскрипционни фактори

Диференциацията на OC се регулира от различни транскрипционни фактори. По време на остеокластогенезата, NFATc1, който принадлежи към NFAT транскрипционното суперсемейство, е общоприето като основен транскрипционен фактор, който регулира RANKL-индуцираната остеокластогенна генна експресия [63]. NFATc1 е ядрен транскрипционен фактор нагоре по веригата, който играе ключова роля в регулирането на експресията на много специфични за остеокласти гени [64], като устойчива на тартарат кисела фосфатаза (TRAP), 3- интегрин, катепсин К (Ctsk), и MMP-9, които участват в регулирането на диференциацията, сливането и активирането на остеокластите. Междувременно Ctsk и MMP-9 разграждат органичната костна матрица и допринасят за резорбтивната активност на костите [65].

Проучване in vivo показа, че WSS25 (GAP) може да инхибира остеокластичната диференциация в ранния стадий и да инхибира експресията на специфичните за образуването на остеокласти гени TRAP, NFATc1, MMP-9 и CtsK в RANKL-индуцирани RAW264.7 клетки по дозозависим начин [29]. Допълнителни изследвания установиха, че молекулярният механизъм на WSS25 при образуването на остеокласти е чрез инхибиране на експресията на пътя на BMP2/Smad1 [29]. RPP регулира надолу остеокластичната активност по дозозависим начин, включително намалена експресия на TRAP, MMP-9, CtsK и NFATc1 в RANKL-индуцирани RAW264.7 клетки [66]. В допълнение, RPP регулира надолу експресията на miR-1224 и ключовата насочваща молекула Limd1 в сигналния път на Hippo в макрофаги, получени от костен мозък (BMM) [67]. Освен това, in vitro изследване показа, че CDP инхибира индуцираната от RANKL диференциация на остеокластите от BMMs и потиска сливането на остеокластите чрез инхибиране на резорбционната активност на хидроксиапатит и понижаване на нивата на мРНК на маркера на остеокластите на NFATC1, MMP9, Ctsk и TRAP [19]. Друго проучване съобщава, че RPP също регулира надолу експресията на специфични гени, включително TRAP, MMP-9, CtsK и NFATc1, по време на образуването на OC [66].

3.3.2. OPG/RANKL/RANK сигнален път

Системата на оста OPG/RANKL/RANK е ключов фактор в регулирането на диференциацията на остеокластите и костната резорбция [68]. Рангът, известен също като член 11а на суперсемейството на TNFR, играе решаваща роля в остеокластогенезата. RANKL се свързва с класирането и допълнително набира фактори, свързани с TNFR, за да инициира низходящи сигнални каскади, включително p38, JNK и ERK. Крайният резултат от RANKL-RANK сигнализирането е активирането на остеокластни транскрипционни фактори като NF-κB, активаторен протеин 1 (AP- 1), цикличен аденозин монофосфат отговорен елемент-свързващ протеин (CREB) и активиран t-ядрен фактор -1 (NFATc1), всички от които индуцират експресията на маркери за остеокласти, като TRAP, 3 интегрин и CtsK [69]. OPG е член на суперсемейството на TNF рецепторите и е известен също като инхибиторен фактор на остеокластогенезата (OCIF), който може конкурентно да антагонизира RANKL, като по този начин инхибира диференциацията на OC [70].

ACP дозозависимо повишени маркери за костно образуване на серумен OC и BAP и намалени маркери за костна резорбция на серумен TPACP5b, NTX и CTX при OVX плъхове и механизмът може да е свързан с увеличаване на експресията на OPG и RANK протеин в тъканта на костния мозък и намаляването на експресията на RANKL, което води до инхибиране на костната резорбция [7]. Освен това, ACP инхибира RANKL-индуцираното фосфорилиране на MAPK пътя [71]. CYP [15] повишава серумното ниво на OPG и намалява RANKL и съотношението RANKL/OPG при OVX модел на плъхове с остеопороза. ASP повишава серумното ниво на OPG, намалява RANKL и съотношението RANKL/OPG и значително намалява нивата на TNF- и IL-2, което води до инхибиране на активността на диференциация на остеокласти [20,21].

3.3.3. ERK/JNK сигнален път

ERK/JNK сигнализиращият път е включен в клетъчната пролиферация и диференциация, а активираният от фосфорилиране ERK1/2 се премества от цитоплазмата към ядрото, което медиира транскрипционното активиране на AP-1, c-Fos и c-Jun и насърчава разпространението и диференциацията на OC. Регулирането надолу на p38, ERK и JNK инхибира експресията на NFAcT1 и c-Fos при RANKL-индуцирана остеокластогенеза. Лечението с ERK или JNK инхибитори значително намалява броя на производството на OC и IL-6 [72]. Потенциалните механизми на POP в остеокластогенезата бяха съпоставени с JNK и ERK сигнални пътища (потиснато ERK1/2 фосфорилиране, STAT3 и JNK1/2 експресия) [34]. За да се потвърди ефективното лечение на остеопороза, са необходими допълнителни in vivo изследвания.

3.3.4. Регулирани възпалителни фактори

Много възпалителни фактори насърчават диференциацията на OC чрез медииране на експресията на RANKL [73]. TNF- е мощен индуктор на костна резорбция и играе важна роля в костния метаболизъм, който може директно да индуцира образуването на OC от прекурсори OC в присъствието на M-CSF или отсъствието на RANKL чрез активиране на NF-κB сигнализиране [74] и индуцират RANK експресия в OC прекурсори [75]. Провъзпалителният цитокин IL-1 е мощен стимулатор на OC диференциация и костна резорбция чрез индуциране на RANKL експресия [76]. IL-6 индуцира остеокластогенеза и активиране на OC чрез индуциране на RANKL експресия в OB и стромални клетки [77].

Zhu и др. установи, че MOP намалява серумните нива на експресия на IL-6 и TNF [10]. Ren и др. показват, че прилагането на LYP в продължение на 90 дни значително намалява съдържанието на IL-6 в серума [78]. ASP има защитен ефект върху костната загуба при OVX мишки чрез значително намаляване на концентрациите на TNF- и инхибиране на остеокластогенезата [20]. След лечение с ASP, повишените нива на TNF- и IL-2 бяха значително намалени в модел на плъх с индуцирана от дексаметазон остеопороза и противовъзпалителният ефект беше свързан с регулирането на чревната флора [21]. Прилагането на SA полизахарид (SAP) в продължение на 70 дни значително намалява серумните нива на IL-6 и TNF- [30,31]. Други съобщават, че RPP може да инхибира костната резорбция чрез намаляване на съдържанието на TRAPa и серумния IL-1, IL-6 и TNF- при остеопоротични плъхове [25,27].

Cistanche tubulosa против остеопороза

4. Изводи

В заключение, експериментите in vivo и in vitro показаха, че полизахаридите имат свойства за лечение на постменопаузална остеопороза, сенилна остеопороза и индуцирана от глюкокортикоиди вторична остеопороза, особено постменопаузална остеопороза, чрез насърчаване на диференциацията и активността на ОВ и намаляване на диференциацията и активността на ОК. Механизмите, чрез които полизахаридите подобряват костната хомеостаза, включват основно Wnt/-catenin сигнален път, BMP/SMAD/RUNX2 сигнален път, OPG/RANKL/RANK сигнален път, ERK/JNK сигнален път, апоптозен път и транскрипционни фактори. Този преглед ще осигури по-добро разбиране на антиостеопорозните ефекти на полизахаридите и модулирането на сигналните пътища, което е полезно за предоставяне на теоретична основа на полизахаридите за клинично приложение.

5. Бъдещи перспективи

Няколко проучвания недвусмислено демонстрираха полезните ефекти на полизахаридите върху остеопорозата in vitro и in vivo експерименти. Понастоящем, въпреки че няма докладвани клинични изследвания за лечение на остеопороза с полизахариди от китайски лечебни билки, много клинични приложения на полизахаридите са изследвани и оценени при лечението на други заболявания, като тумор [79], тип 2 Диабет [80]. Сред тях полизахаридът Poria cocos, полизахаридът Astragali Radix и полизахаридът Lycium chinense Miller са одобрени от CFDA като суровини. Китайските лечебни билки, обобщени в тази статия, имат дълга история в клиничното лечение на костни заболявания, in vitro и in vivo експерименти също показват, че полизахаридите, извлечени от тези билки, имат ефект върху пациенти с остеопороза. Ето защо считаме, че по-нататъшни клинични изследвания за потвърждаване на техния антиостеопорозен ефект ще помогнат за насърчаване на развитието на полизахаридите от билки за китайска медицина във функционални храни или лекарства.

Въпреки това, в процеса на разработване на полизахариди от китайски лечебни билки, има няколко точки, които трябва да бъдат разгледани и проучени допълнително. Първо, полизахаридите притежават характеристиките на голямо молекулно тегло и сложна структура, необходимо е допълнително проучване за изследване на връзката между биологичната активност на полизахаридите и химичните структури.

Освен това трябва да се обърне повече внимание на ефекта на полизахаридите върху чревната флора на стомашно-чревния тракт. Полизахаридите са представени от тяхната ниска бионаличност, която зависи от разграждането, протичащо на ниво метаболизъм при първо преминаване и абсорбция от стомашно-чревния тракт [81]. Многобройни проучвания са установили, че стомашно-чревният тракт участва във възникването и развитието на остеопорозата [82–84]. Дали и как полизахаридите участват в костния метаболизъм чрез регулиране на чревната флора все още не е ясно и може да представи нова полизахаридна стратегия за лечение на остеопороза.

Благодарности

Изследователската работа беше подкрепена финансово от Националната научна фондация на Китай (№ 82003977, 81803760, 82004022), Проекта на Фонда за отлични млади таланти на провинция Жеджианг за традиционна китайска медицина (№ 2020ZQ011) и Големите проекти на традиционната китайска медицина в Провинция Zhejiang (2018ZY003), Програма за изследване на основното обществено благосъстояние на провинция Zhejiang (LGF20H060006), Програма за медицински и здравни науки и технологии на провинция Zhejiang (2020KY507).

Китайската лечебна билка--Cistanche е добра за лечение на остеопороза

От: „Ползи и механизми на полизахаридите от китайски лечебни билки за лечение на остеопороза“ отShan shan Lei a, et al.

---Международен журнал за биологични макромолекули 193 (2021) 1996–2005 г.