骨质疏松症(osteoporosis, OP)是一种代谢性骨病，其特征是骨密度降低使得骨脆性增加，其主要发病原因是骨吸收的速度大于骨形成的速度，即骨的重塑失衡[1]。在我国50岁以上人群中OP的患病率约为19.2%,而65岁以上人群的患病率更高，达到32.0%[2],随着中国老龄人口的日益增多，OP带给卫生事业和社会的负担也越来越大。因此，寻找新的治疗靶点、开发新的治疗策略迫在眉睫。

线粒体是细胞内的一种细胞器，具有独特的线粒体基因(mtDNA),参与了多个生理过程，如活性氧(reative oxygen species, ROS)的产生、钙(Ca2+)信号转导和氧化磷酸化生成三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP),被称为细胞的“动力中心”[3],在维持细胞正常功能和生存中起着至关重要的作用[4]。近年来，关于线粒体质量控制与细胞老化和疾病之间的关系成为了研究的热点[5],维持线粒体的健康和功能对于细胞的正常运作至关重要，而线粒体功能的缺陷则会导致细胞代谢紊乱、能量不足和氧化应激等问题，进而引发多种疾病的发生和发展[6],OP也包含在其中。Langdahl等[7]研究发现，对45位参与者进行的调查显示，线粒体DNA上的一种点突变(m.3243A>g)可能与骨量有关，暗示线粒体功能障碍可能导致骨骼提前老化。OP存在异常的线粒体功能障碍机制主要包括：线粒体生物发生、线粒体动力学、线粒体自噬、线粒体氧化应激等方面。天然产物由于其副作用少、易于获得等优点在调控线粒体质量治疗OP领域被广泛关注，所以本文总结了线粒体功能质量控制与OP之间的关系并总结了部分天然产物通过调控线粒体质量控制对OP防治作用的研究，为临床防治OP提供新的研究方向。

1、天然产物与OP

天然产物是指从天然来源(植物、动物或微生物)中提取或合成的化合物，具有潜在的药理活性。天然产物与单一的化学合成药物相比具有较少的副作用[8],并能更广泛地干预骨细胞的功能，有双向调节骨质疏松症的作用，能促进OBs介导的骨形成，又可以抑制OCs介导的骨吸收[9]。因此，在治疗OP方面具有较大潜力，逐渐成为该领域的研究热点和发展方向。一些天然产物被研究发现具有调节线粒体功能和改善OP的潜力。

OP在属于中医学中的“骨痿”“骨痹”等范畴[10],其病因病机为肾虚、脾虚、血瘀，其中肾虚为发病之本，脾虚为重要病机，血瘀则为重要的病理基础[11]。线粒体作为细胞内的能量生产中心，参与氧化磷酸化过程产生细胞所需的ATP与脾的“气血生化之源”功能如出一辙。线粒体DNA承载着部分细胞遗传信息则相当于藏于肾中的“先天之精”[12]。中药是典型的药用天然产物，其中的补肾健脾以及活血化瘀之品确实有治疗OP的功能，其机制可能与调控线粒体质量有关。

2、线粒体质量控制与OP以及天然产物的干预作用

2.1线粒体生物发生

线粒体生物发生是指新的线粒体形成，主要由核DNA和线粒体DNA(mtDNA)共同调控[13],通过原有线粒体的生长和分裂形式产生新的线粒体，以补充线粒体池。过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活1-α(PGC-1α)是一种转录共激活因子，其活性受到上游信号通路腺苷酸活化蛋白激酶/沉默信息调节因子1(AMPK/SIRT1)的精准调控，随后通过调控下游核呼吸因子1/2(Nrf1/2)的活性，进一步激活线粒体转录因子A(TFAM),从而启动mtDNA的转录和复制过程。PGC-1α与线粒体呼吸调节和ATP合成密切相关，可促进线粒体生物合成，减少线粒体损伤。各种分子在PGC-1α在线粒体生物发生中形成网络，在OP相关细胞中，SIRT1/3、Nrf1/2、雌激素相关受体α(ERRα)等分子已被证明与PGC-1α相互作用，共同参与线粒体生物发生的调节[14]。这些分子之间的相互作用和调节网络对于促进线粒体的生物合成、调控线粒体呼吸以及ATP合成起着重要作用。

白藜芦醇是来自葡萄、虎杖的一种天然植物多酚[15],具有抗氧化、抗衰老等作用，研究发现白藜芦醇可以通过激活SIRT1靶点，并增加mtDNA拷贝数，增强线粒体生物发生从而促进骨膜源性MSCs的成骨分化[16]。金雀异黄素是一种异黄酮化合物，主要存在于豆类制品中，Li等[17]通过体内实验证实金雀异黄素可以通过ERRα介导的机制来调节线粒体生物合成，从而减轻卵巢切除大鼠骨髓间充质干细胞的衰老，其具体机制为金雀异黄素可以逆转MMP的下降，并上调PGC-1α、Nrf1等线粒体生物合成主要调节因子的表达。此外，金雀异黄素也可以上调SIRT3表达，并促进Parkin易位至线粒体，增加线粒体自噬。这些研究结果表明，白藜芦醇和金雀异黄素可以通过调节线粒体功能来治疗OP,这也提示天然产物在调控线粒体生物发生来治疗OP存在的潜力。

2.2线粒体动力学

线粒体动力学是线粒体通过持续的裂变和融合重新塑造的动态平衡过程，这对于维持线粒体质量和功能至关重要，线粒体融合由线粒体外膜融合蛋白1/2(Mfn1/2)及线粒体内膜视神经萎缩蛋白1(OPA1)介导，Mfn1/2是线粒体融合蛋白，位于线粒体外膜上，它们通过其末端固定在外层线粒体膜上[18]。Mfn1/2的作用是介导线粒体外膜的融合，它们促使相邻线粒体外膜之间的融合，从而形成一个连续的外膜结构，有助于维持线粒体的整体形态和功能[19]。而OPA1参与线粒体内膜的融合，OPA1定位于线粒体内膜，并通过其特定的结构域介导内膜融合。内膜融合由OPA1的多个等位变体调节，这些变体参与形成线粒体内膜嵴的结构和维持内膜的完整性[20]。总之，Mfn1/2介导线粒体外膜的融合，而OPA1参与线粒体内膜的融合。它们共同组成线粒体融合机制，维持线粒体的形态、嵴结构和内膜完整性，对细胞的正常功能和代谢过程至关重要[21]。动力相关蛋白1(dynamin-related protein-1,DRP1)是线粒体裂变的主要调节因子，它被受体蛋白募集。线粒体裂变蛋白1(Fis1)和线粒体裂变因子(MFF)被募集到外部线粒体膜的裂变位点，形成一个低聚环。在GTP水解酶的驱动下，这个低聚环逐渐收缩，导致线粒体断裂。线粒体的裂变过程可以及时清除受损的线粒体，但过度的裂变会阻止线粒体的伸长，导致细胞周期延长或停止[22]。

当线粒体融合和裂变的平衡被打破时，影响成骨细胞(OBs)和破骨细胞(OCs)的活性，进而加速OP的发生和发展。在线粒体动力学与OP的研究中，Zhang等[23]研究发现，肿瘤坏死因子α(TNF-α)可以引起线粒体产生过多的ROS,同时上调DRP1的表达。这导致线粒体膜电位崩溃，线粒体发生囊泡化和碎片化，进而导致线粒体功能下降，并抑制OBs的活性。同样也有研究发现线粒体动力学也会影响OCs的分化，DRP1的上调通过促进c-fos/活化T细胞核因子c1(NFATc1)轴的增加来增强OCs的分化[24]。

线粒体动力学的紊乱和线粒体功能异常导致骨相关疾病的发生与发展。OBs在骨组织修复与再生中起着重要作用，而线粒体的正常功能对于OBs的生存和功能至关重要。水飞蓟素是一种天然的黄酮木脂素类化合物，具有较强的抗氧化和线粒体保护特性。在OBs中，水飞蓟素可以直接下调RAGE(高级糖基化终末产物受体)的表达，维持骨形成相关蛋白L-OPA1和S-OPA1的平衡，降低线粒体氧化应激和线粒体膜电位，从而显著增加ATP产量。此外，水飞蓟宾也可以改善异常线粒体裂变/融合事件，在改善线粒体动力学方面抑制OBs的凋亡[25],从而起到抗骨质疏松的作用。

2.3线粒体自噬

线粒体自噬是一种自噬的形式，通过降解和清除细胞质中功能失调的线粒体来维持线粒体结构和功能的完整性和细胞内环境的稳定[26],PINK1/Parkin途径是线粒体自噬途径之一，当线粒体跨膜电位破坏时，PINK1被激活并定位在外线粒体膜上，随后PINK1会招募和激活Parkin蛋白，Parkin会进一步选择性地招募一些自噬受体，这些受体与线粒体结合并启动线粒体自噬的过程[27]。最近的研究发现PINK1-Parkin信号通路在OBs的分化、凋亡甚至铁死亡等方面也发挥着重要作用。Zhao等[28]研究表明NIPA2通过PGC-1α/FoxO3a/MMP信号通路调控PINK1/parkin介导的线粒体自噬，调节OBs的成熟、分化以及骨矿化能力。此外，Li等[29]研究表明PINK1/Parkin介导的线粒体自噬可以抑制氧化应激损伤诱导的OBs凋亡。Wang等[30]则发现，线粒体铁蛋白的缺乏可以通过ROS/PINK1/Parkin途径诱导线粒体自噬，增加高葡萄糖条件下的OBs铁死亡。这一系列研究进一步支持了PINK1-Parkin信号通路对OBs功能和生存的重要性，并强调了线粒体自噬在这一过程中的关键作用。

阿魏酮是一种天然的非甾体植物雌激素化合物，它作为雌激素受体激动剂，具有调节线粒体功能的作用。研究发现，阿魏酮可以降低MMP、ATP和ROS的水平，同时提高PINK1和Parkin的表达水平，诱导线粒体自噬，促进OBs的分化[31]。表没食子儿茶素-3-没食子酸酯(EGCG)是从茶叶中提取的一种天然植物多酚，研究发现，EGCG可以通过降低mtROS产生、增加ATP产生，同时对MMP和PINK1、Parkin的调控，并通过AKT和p38 MAPK途径调节线粒体自噬来抑制OCs分化[32]。阿魏酮、EGCG以及上文提到的金雀异黄素都可以通过一定的途径调控线粒体自噬来改善线粒体功能，这有望使天然产物作为线粒体自噬调节剂来维持线粒体功能，并在成为治疗OP的有效方法。

2.4线粒体氧化应激

线粒体氧化磷酸化过程中，氧气在细胞色素C氧化酶的作用下被还原为水，但仍有一小部分不完全还原为超氧自由基，这些超氧自由基经过线粒体超氧化物歧化酶的作用转化为H2O2,并释放到膜间隙和细胞质中，从而产生ROS[33]。过量的线粒体活性氧(mtROS)可能导致线粒体通透性转换孔(mPTP)的开放，这是线粒体内膜上的一个孔道，当开放时，会导致线粒体膜电位(MMP)的降低[34]。同时，过量的mtROS还可能导致凋亡蛋白的释放，进一步引发线粒体功能障碍。在骨细胞分化过程中，产生ROS的量增加，并伴随着线粒体的氧化磷酸化过程。mtROS的稳态受线粒体抗氧化剂的平衡调节，其中包括Nrf2的参与[35]。Nrf2作为一个重要的抗氧化剂响应因子，在骨细胞中调控ROS稳态的平衡。缺乏Nrf2可能导致骨细胞无法有效应对氧化应激，进而引发骨质疏松和OCs功能异常。

OP常常伴随着氧化应激和线粒体功能障碍的发生，研究发现，天然植物多酚-原花青素(PAC)可以增加Nrf2的核易位并提高下游的HO-1(血红素氧合酶-1)的表达水平。这样做有助于恢复MMP水平和减少mtROS的产生，同时促进RUNX2、骨钙素(OCN)、胶原蛋白I(COLI)等与骨骼形成相关的基因的表达。PAC通过Nrf2活化可以改善糖皮质激素诱导的OBs氧化应激和线粒体功能障碍，从而保护OBs的功能并降低OP发生的风险[36]。无独有偶，另外一项研究也证实了PAC对线粒体功能的保护作用，PAC通过恢复MMP水平和呼吸链复合物IV活性，并减少mtROS和线粒体超氧化物来改善H2O2诱导的线粒体功能障碍，抑制OBs的凋亡[37],提示PAC可能通过其抗氧化和抗凋亡作用来抑制OP的发生发展。与PAC类似，天然类黄酮山柰酚也通过恢复MMP水平以及呼吸链复合物IV活性，减少了mtROS的产生并维持Ca2+平衡，以此来保护OBs[38]。此外，传统中药藏红花中提取的藏红花素也可以恢复MMP水平，并减少了地塞米松诱导的ROS产生以及防止Ca2+过载，防止OBs的凋亡[39]。姜黄素是中药姜黄中提取的天然抗氧化剂，研究发现，姜黄素可以通过减少mtROS、增加复合物Ⅲ和辅酶Q活性、增加MMP以及通过激活AKT/GSK-3β信号通路和减弱OBs凋亡等方式，降低线粒体功能障碍，保护线粒体免受氧化应激损伤，从而对骨骼健康产生积极的影响[40]。中药三七中的活性成分三七皂苷R1(NGR1)降低了c-Jun N-末端激酶(JNK)和P-JNK的表达，增加了MMP、ATP和mtDNA的水平，降低了mtROS水平，促进了ALP、OCN、COLI、RUNX2等促进骨形成的因子的水平和活性。NGR1可以通过阻断JNK信号通路，降低氧化应激诱导的线粒体功能障碍，恢复OBs功能[41]。当然，也有部分天然产物能够调节线粒体氧化应激改善BMSCs成骨分化的作用，研究发现提取自中药黄芪的黄芪多糖能够减少mtROS,抑制铁超载诱导的BMSCs的衰老和凋亡，并促进其增殖[42]。从上述研究中不难发现，天然产物具有调节线粒体氧化应激改善OBs功能以及改善BMSCs成骨分化治疗OP的潜力，在抑制破骨方面的相关研究目前相对不足，还需进一步的探索和研究。线粒体质量控制系统在OP中的作用机制见图1,天然产物基于线粒体质量治疗OP的作用机制见表1。

图1线粒体质量控制系统在OP中的作用机制

表1天然产物基于线粒体质量治疗OP的作用机制

3、总结和展望

本文基于线粒体的生物发生、线粒体动力学、线粒体自噬以及线粒体氧化应激4个方面综述了线粒体质量控制在OP中的调控机制，并总结了部分天然产物调控线粒体质量控制干预OP的作用机制，它们主要作用于DRP1、OPA1、GSK-3b、mTOR、SIRT1/3、PGC- 1a、Nrf1/2、PINK1、Parkin等靶点，并通过介导线粒体功能障碍来调控OBs和OCs的分化、凋亡和活性以及BMSCs的成骨分化。近年来，线粒体代谢紊乱和功能障碍作为治疗慢性疾病的重要靶点，具有广阔的医学应用前景，对线粒体功能的改善和保护的药物研发是一个前沿领域，天然产物作为潜在的药物来源和研究重点正受到广泛关注。许多天然产物已被证明对线粒体具有保护和调节功能，其中包括黄酮类化合物、多酚类化合物以及来自多种植物、中草药的提取物。尽管天然产物在线粒体保护和功能改善方面显示出了潜力，但仍然存在着提取和纯化的困难、剂量和给药途径的优化等问题，且目前大部分的研究局限于动物实验，将这些天然产物的干预作用转化为临床应用，仍需要进一步的研究和临床试验，以确定其安全性、疗效和适用范围。总之，天然产物干预线粒体质量控制治疗OP的研究仍然存在挑战，不过随着技术的不断发展和研究的深入，相信天然产物在调控线粒体质量方面的研究和开发将会取得更为良好的前景和成果，成为治疗OP的有力武器。

参考文献:

[2]李志超,薛海鹏,苏辉,等.自噬相关miRNAs､lncRNAs､circRNAs在骨质疏松症中的作用[J].中国骨质疏松杂志,2022,28(11):1695-1699,1710.

[10]徐桂琴,谢雁鸣,张志斌.原发性骨质疏松症中医病名探讨[J].中国中医基础医学杂志,2009,15(9):651,655.

[11]赵宇,邱晶晶,刘树华,等.基于中医传承辅助平台研究黄宏兴教授治疗原发性骨质疏松症的用药规律[J].中国骨质疏松杂志,2021,27(9):1349-1354.

[12]黄佳纯,黄宏兴,万雷,等.脾肾-肌骨-线粒体理论探析[J].中国骨质疏松杂志,2021,27(12):1844-1847.

基金资助:国家自然科学基金面上项目(82174410); 山东省自然科学基金项目(ZR2020KH011); 山东省自然科学基金面上项目(ZR2020MH362); 全国名老中医药专家传承工作室建设项目(国中医药人教函[2022]75号);

文章来源:闫炳翰,齐硕,仇道迪等.由线粒体质量控制探讨天然产物在骨质疏松症防治中的作用[J].中国骨质疏松杂志,2024,30(01):108-113.