天津中医药  2026, Vol. 43 Issue (8): 1080-1088

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董家豪, 陈涛, 夏一锋, 等.
DONG Jiahao, CHEN Tao, XIA Yifeng, et al.
川芎嗪基于miR-20b调控骨关节炎软骨下骨血管-成骨耦联的作用机制研究进展
Research progress on the mechanism of tetramethylpyrazine in regulating"vascular-osteogenic coupling"in osteoarthritis subchondral bone via miR-20b
天津中医药, 2026, 43(8): 1080-1088
Tianjin Journal of Traditional Chinese Medicine, 2026, 43(8): 1080-1088
http://dx.doi.org/10.11656/j.issn.1672-1519.2026.08.17

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收稿日期: 2026-03-04
川芎嗪基于miR-20b调控骨关节炎软骨下骨血管-成骨耦联的作用机制研究进展
董家豪1 , 陈涛2 , 夏一锋1 , 余伟杰2 , 彭中钰2 , 龙远1 , 赵凌睿1     
1. 云南中医药大学第一临床医学院,昆明 650500;
2. 云南省中医医院,昆明 650021
摘要:骨关节炎软骨下骨“血管-成骨耦联”失衡是疾病进展的关键病理环节,涉及VEGF信号介导的血管生成亢进与骨形态发生蛋白2(BMP2)/Smad1信号调控的成骨分化失调。文章基于中医药“整体调节”理论,首次提出川芎嗪可能通过靶向微小RNA miR-20b,协同调控上述双信号轴,恢复软骨下骨稳态的创新假说。文中系统梳理证据表明,miR-20b可抑制表皮生长因子(VEGF)通路并激活BMP2/Smad1通路,而川芎嗪兼具有抑制血管生成、促进成骨及调节miRNA表达的多重药理活性。该假说为阐释中药“多靶点”干预复杂疾病提供新范式,并为骨关节炎的疾病修饰治疗提供潜在靶点与候选药物,未来需借助基因编辑动物模型、单细胞组学及靶向递送系统进一步验证其机制,推动中医药现代化与精准治疗融合发展。
关键词骨关节炎    软骨下骨    血管-成骨耦联    川芎嗪    微小RNA-20b    

骨关节炎(OA)是一种以关节软骨进行性退变、软骨下骨异常重塑及滑膜炎症为主要病理特征的慢性退行性关节疾病。随着全球人口老龄化加剧,其发病率持续攀升,已成为导致中老年人群疼痛、功能障碍乃至残疾的主要原因之一,给社会医疗卫生与经济体系带来日益沉重的负担。长期以来,学术研究的焦点多集中于关节软骨本身的病理改变。然而,随着对OA疾病本质认识的深化,其已被重新定义为一种累及整个关节器官的复杂疾病。在此框架下,软骨下骨作为关节重要的力学支撑与生物学调控结构,其核心作用日益凸显。研究表明,在OA早期,软骨下骨即出现微结构紊乱、代谢异常及生物力学性能的显著改变。这些变化并非仅被动反映关节退变,更能通过改变关节应力分布、释放多种炎症介质及调控软骨-骨微环境对话,主动参与并驱动软骨退变的进程。因此,系统阐释软骨下骨病理重塑的分子机制,已成为揭示OA发生发展关键环节、探寻具有疾病修饰作用的治疗新靶点的重要研究方向。

在软骨下骨复杂的病理重构过程中,“血管-成骨耦联”失衡近年来逐渐成为一个受到高度关注的理论范式,为理解软骨退变与骨异常重塑之间的内在联系提供了新颖的视角。生理状态下,血管生成与成骨活动紧密耦联,有序的血管长入为骨形成输送必需的营养物质、氧气及定向细胞,维持骨代谢平衡。而在OA病理环境下,软骨下骨区出现异常活跃的血管增生与神经长入,这种失控的“血管侵入”打破了原有的耦联平衡,直接促进了异常的骨重建、骨硬化及疼痛信号的产生。其中,血管内皮生长因子(VEGF)的过表达被认为是驱动病理性血管生成的核心分子,而骨形态发生蛋白2(BMP2)/Smad1信号通路的失调,则主导了成骨分化与骨形成过程的失衡。两者在时空上的协同紊乱,构成了“血管-成骨耦联”失衡的分子基石。然而,现有研究多集中于对各通路进行独立探讨,对于是否存在一个能够协同调控VEGF与BMP2/Smad1信号的上游关键节点,从而在更高层面干预这一失衡过程,目前尚缺乏系统性的阐释。

基于上述研究背景,一个关键的科学问题随之浮现:能否在OA软骨下骨紊乱的调控网络中,寻找到一个单一的关键分子节点(例如特定的微小RNA),能够同时且协调地调控VEGF信号轴与BMP2/Smad1信号轴,从而实现对“血管-成骨耦联”失衡的根本性干预?近年来的研究提示,某些具有多靶点调控特性的微小RNA,如miR-20b,可能同时参与血管生成与成骨分化的调控网络,具备成为此类枢纽节点的潜力。与此同时,从中药宝库中发掘具有多靶点、整体调节作用的活性成分,为干预此类复杂病理网络提供了独特思路。川芎嗪作为传统活血化瘀中药川芎的代表性活性单体,已被多项研究证实具有改善微循环、抑制病理血管生成、抗炎及调节骨代谢等多重药理效应。那么,川芎嗪是否可能通过靶向调控miR-20b等潜在关键节点,进而协同调节VEGF与BMP2/Smad1信号通路,恢复“血管-成骨耦联”的生理平衡,从而发挥其软骨下骨保护及延缓OA进展的作用?本文旨在梳理相关证据链,以期为OA的中医药防治研究提供新的理论视角与干预策略。见图 1

注:在 OA 中,miR-20b 低表达,导致 VEGF 信号亢进(促进病理性血管生成与骨吸收)和 BMP2/Smad1 信号抑制(损害成骨分化),引发血管-成骨耦联失衡。川芎嗪可能通过上调 miR-20b,协同抑制VEGF 通路并激活 BMP2/Smad1 通路,从而恢复耦联平衡与软骨下骨稳态。图片使用 Procreate、Microsoft PowerPoint 及 Adobe Illustrator 2022 绘制。 图 1 川芎嗪基于miR-20b调控VEGF/BMP2双信号轴恢复软骨下骨稳态的示意图 Fig. 1 Schematic diagram of the hypothesis for tetramethylpyrazine restoring subchondral bone homeostasis via regulating VEGF/BMP2 dual signaling axes based on miR-20b
1 软骨下骨代谢失衡:OA进展的“引擎” 1.1 软骨下骨结构与功能的生理学基础

软骨下骨不仅是关节的力学承重结构,更是一个高度动态、多细胞协同调控的生物学微环境,对于维持关节稳态具有至关重要的作用。在分子调控层面,软骨下骨内各类细胞通过复杂的信号网络实现功能耦联。例如,破骨细胞前体在低氧诱导因子-1α(HIF-1α)的精密调控下分化为成熟破骨细胞,该过程一旦失衡,将直接导致软骨下骨异常重塑。动物实验证实,此种异常可表现为小鼠模型髁突关节面结构畸变及纤维软骨层代偿性增厚 [1]。同时,骨髓脂肪组织(BMAT)作为重要的内分泌与旁分泌器官,通过分泌脂联素、瘦素等多种脂肪因子,深度参与调控成骨与破骨活动的平衡。最新的单细胞转录组学研究进一步揭示,由PRRX1、SNAI2、TWIST1等转录因子构成的调控网络,驱动脂肪细胞发生扩增并向纤维化表型转化,此机制被认为是导致OA进程中软骨下骨硬化的关键环节之一 [2-3]。此外,VEGF介导的病理性血管侵入,会破坏软骨-骨界面的完整性,而新型生物材料如钙盐负载的甲基丙烯酸明胶(GelMA)水凝胶,则可通过诱导局部血肿形成,有效阻断异常血管的侵入,为维持该界面的稳定提供了新的干预思路 [4-5]

1.2 OA中软骨下骨的病理演变:从早期骨吸收到晚期骨硬化

随着研究视角从局部软骨扩展到整个关节器官,软骨下骨在OA发生与发展中的核心驱动作用日益明晰。其病理改变不仅与OA进展深度关联,甚或可能先于关节软骨的显著病变而发生,这使其成为OA早期诊断与干预的潜在关键靶点 [6-7]。从组织病理学动态演变的角度观察,OA中的软骨下骨病变呈现鲜明的双相性特征:早期阶段以破骨细胞活性亢进所致的骨吸收增强、骨量减少及微结构破坏为主;进展至晚期,则转变为以异常成骨活动为主导的骨硬化性改变 [8-9]。这一演变过程并非孤立发生,而是机械负荷失衡、慢性低度炎症微环境、代谢紊乱及衰老等多重因素作用的结果 [10]

在OA发病早期,软骨下骨重塑异常突出表现为破骨细胞介导的过度骨吸收。研究证据表明,在前交叉韧带横断(ACLT)诱导的小鼠OA模型中,术后1周即可观察到软骨下骨区域的快速骨丢失,此过程伴随破骨前体细胞内蛋白激酶Bβ(Akt2)信号通路的显著激活 [11]。无独有偶,在颞下颌关节OA模型中,关节盘位移可通过激活受激活调节正常T细胞表达和分泌因子(RANTES)-CC趋化因子受体(CCRs)-Akt2信号轴,强力驱动破骨细胞分化,导致早期软骨下骨量急剧下降 [12]。这种骨吸收亢进状态与关节局部滋生的炎症微环境密不可分,促炎细胞因子如白细胞介素(IL)-1β能够通过上调核因子-κB受体活化因子配体(RANKL)/骨保护素(OPG)的比例,进一步刺激破骨细胞的生成与活化 [13]。此外,伴随衰老进程出现的表观遗传改变、线粒体功能障碍等细胞衰老特征,也被证实能够异常激活破骨细胞,从而加剧软骨下骨的早期破坏。需要特别指出的是,早期的软骨下骨丢失不仅削弱了其力学支撑与缓冲功能,还会通过释放如VEGF等一系列生物活性分子,促进软骨下骨与软骨交界区域的异位血管生成,从而破坏软骨-骨界面的天然屏障,加速关节退变 [14-15]

1.3 代谢失衡的核心表现:耦联失调与微环境紊乱

软骨下骨代谢失衡构成OA病理进程的核心环节,其本质在于骨重塑过程中破骨与成骨活动的失耦联、血管生成与骨形成的失同步,最终导致微结构损毁与生物力学性能的恶化,形成加速关节整体退化的恶性循环。在OA早期,破骨细胞活性异常升高引发过度骨吸收,形成骨小梁稀疏、微骨折累积的区域。作为代偿反应,局部的异常骨形成则导致骨赘增生和软骨下骨板增厚硬化,最终形成“软骨下骨硬化伴囊性变”这一典型病理征象 [16]。这种结构性改变显著降低了骨骼的弹性与减震能力,并通过改变关节面的应力分布,对上方软骨产生异常力学刺激,从而进一步加速软骨的降解 [17-18]

此种代谢失衡的深层机制与软骨下骨独特的病理微环境密切相关。在OA关节相对缺氧的环境中,HIF-1α扮演了代谢重编程的关键角色。HIF-1α的稳定表达可增强糖酵解途径并抑制氧化磷酸化,促使软骨下骨内的各类细胞(如骨细胞、成骨细胞前体等)转向无氧代谢模式。这种能量代谢模式的转变不仅影响细胞的正常功能与存活,其导致的乳酸堆积和细胞外基质酸化,还会进一步恶化局部微环境,影响骨基质矿化 [19-20]。同时,细胞内部的稳态维持机制也遭受破坏,例如线粒体未折叠蛋白反应(UPRmt)的缺陷会加剧线粒体质量控制(MQC)系统的崩溃,使得软骨下骨细胞更易发生功能紊乱与凋亡 [21]。此外,表观遗传层面的调控异常,如特定基因位点DNA甲基化模式的改变,通过调控GATD3A等与骨代谢相关基因的表达,从另一个维度扰乱了软骨下骨的代谢稳态 [22-23]

2 VEGF与BMP2/Smad1信号轴:软骨下骨代谢失衡的双向调节枢纽 2.1 VEGF信号轴:驱动病理性血管生成与异常骨吸收的核心通路

VEGF信号通路在OA软骨下骨的病理重塑中居于枢纽地位,其功能失衡是导致病理性血管生成与异常骨吸收的关键分子事件。该通路的作用远不止于促血管生成,更深度参与了骨微环境的整体重构。研究证实,VEGF的异常高表达可直接驱动血管新生,并可通过激活下游如HIF-1α等关键分子,加剧骨组织代谢与结构的病理性改变,从而加速骨吸收进程 [24]。在OA动物模型及临床样本中,VEGF的过度表达与滑膜及软骨下骨区异常的血管浸润高度相关。这种失控的血管侵入破坏了软骨-骨界面的天然屏障,导致基质降解酶(如MMP-13等)大量释放,并促进IL-1β、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)等促炎因子的聚集,共同构成了一个促分解代谢的微环境,最终引发并加剧软骨下骨的异常吸收与关节结构的进行性破坏 [25-26]。值得注意的是,VEGF的生物学效应具有鲜明的“双刃剑”特性:在生理性骨修复过程中,其通过激活磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)-蛋白激酶B(Akt)等生存与增殖信号通路,为骨再生提供必要的血管化支持;而在OA等病理状态下,VEGF信号持续异常活化,则可能通过调控叉头框O(FoxO)转录因子或激活MAPK级联反应等途径,转而促进破骨细胞分化与活化,加剧骨的病理性吸收 [27]

2.2 BMP2/Smad1信号轴:调控成骨分化与骨形成稳态的核心网络

BMP2/Smad1信号通路作为调控骨骼发育与代谢的核心传导机制,在维持成骨分化程序与骨形成稳态方面发挥着不可替代的主导作用。该通路的激活始于BMP2配体与细胞膜表面的Ⅰ型(主要为BMPR1A、BMPR1B)和Ⅱ型(BMPR2)受体结合,形成活性的受体复合物,进而特异性磷酸化下游信号分子Smad1/5/8。磷酸化的Smad1/5/8与通用的Smad4结合形成复合体,转位至细胞核内,通过直接或间接调控Runt相关转录因子2(Runx2)、Osterix(OSX)等成骨关键主控转录因子的表达,精确启动并驱动间充质干细胞向成骨细胞谱系分化 [28]。大量研究证实,BMP2/Smad1通路的信号强度与持续时间,直接决定了碱性磷酸酶(ALP)、骨钙素(OCN)、Ⅰ型胶原(COL1A1)等成骨标志基因的表达水平,从而调控骨基质的合成与矿化进程 [29-30]。此外,该通路并非孤立运作,而是与WNT/β-catenin、丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)等其他重要骨代谢信号通路存在广泛的交叉对话(crosstalk),共同构成一个精密的调控网络,以协调骨吸收与骨形成之间的动态平衡 [31-32]。例如,在C2C12肌源性细胞成骨分化模型中,BMP2/Smad1信号的激活能显著诱导碱性磷酸酶活性升高及钙化结节形成,而Kielin/脊索蛋白样蛋白(Kcp)等辅助因子的共表达可进一步放大此效应,提示辅助调节因子对于该通路功能输出的精细调控具有重要潜力。

2.3 VEGF与BMP2信号网络的交互对话

在OA复杂的病理网络中,VEGF与BMP2信号通路之间的协同与拮抗关系,构成了理解软骨下骨“血管-成骨耦联”失衡的分子核心。VEGF作为强有力的促血管生成因子,在OA早期即被异常激活,驱动病理性血管从软骨下骨向钙化软骨层甚至深层软骨侵入。这一过程不仅带来了炎症细胞与因子,破坏了关节内的免疫豁免状态,还通过上调多种基质金属蛋白酶(MMPs)的表达,直接加速软骨基质的降解 [33]。与此同时,BMP2作为诱导成骨分化的核心信号分子,其在OA关节中的异常表达与空间分布紊乱,被认为能够驱动残留的软骨细胞向肥大表型分化,并促进软骨内骨化过程,从而导致关节间隙进行性狭窄及边缘骨赘的异常增生 [34-35]

尤为关键的是,这两条核心通路之间存在动态且复杂的交互对话,其平衡的打破是OA进展的重要驱动力。研究表明,VEGF与BMP2的信号活动常呈现此消彼长的负向调控关系。例如,在轴向脊柱关节炎(axSpA)的治疗模型中,有效的抗炎治疗在降低滑膜VEGF水平的同时,伴随着局部BMP2表达的上调,提示两者在病理微环境中可能存在相互抑制的反馈机制 [36]。这一原理在组织工程骨修复中得到进一步应用验证:采用双层3D生物打印支架对VEGF与BMP2进行时空序贯性释放(先促血管化后促成骨),可显著优化血管新生与骨形成的耦联效率,而单一因子的持续释放则易导致血管过度增生或异位钙化等不良后果 [37]。从分子机制层面探究,VEGF可通过激活Notch等信号通路,间接抑制BMP2/Smad所诱导的成骨分化基因程序;反之,BMP2信号也能通过下调VEGF受体2(VEGFR2)的磷酸化水平,对血管生成活动施加负性调控 [38-39]。因此,在OA的软骨下骨区域,VEGF信号的病理性亢进与BMP2/Smad1信号的功能紊乱或反馈失调,共同导致了“血管生成过度而有序成骨不足”的失耦联状态,这一机制很可能是推动软骨下骨硬化、囊变及关节结构破坏不断加剧的核心环节。见图 2

注:在病理状态下,VEGF信号通路过度激活,驱动病理性血管生成与骨吸收,而BMP2/Smad1成骨信号通路则相对抑制或功能紊乱。两条通路间存在复杂的负向交互对话(如通过Notch等),其平衡被打破是“血管-成骨耦联”失衡的分子基础。图片使用Procreate、Microsoft PowerPoint及Adobe Illustrator 2022绘制。 图 2 OA软骨下骨中VEGF与BMP2/Smad1信号轴交互对话及失衡模式图 Fig. 2 Schematic diagram of the crosstalk and imbalance between VEGF and BMP2/Smad1 signaling axes in OA subchondral bone
3 miR-20b:协调血管生成与成骨分化的双向调节枢纽 3.1 miR-20b对VEGF信号轴的靶向抑制与“活血化瘀”的分子内涵

在微小RNA(miRNA)介导的复杂基因调控网络中,miR-20b因其对血管生成关键通路的精准调控而备受关注。作为VEGF信号通路的上游关键调节因子,miR-20b展现出显著的靶向抑制潜能,其机制蕴含了中医“活血化瘀”治法中“祛除瘀滞、通达脉络”的现代生物学内涵。研究表明,miR-20b-5p可通过直接结合VEGF或其核心上游调控因子——缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)的mRNA 3’-非翻译区(3’-UTR),促进其降解或抑制其翻译,从而在转录后水平实现对VEGF信号通路的负向调控。例如,在早期膝OA大鼠模型中,关节腔内给予miR-20b-5p激动剂可显著下调软骨及软骨下骨组织中HIF-1α与VEGF的蛋白表达水平,同时有效减轻软骨基质的降解与流失。该实验不仅证实了miR-20b-5p通过抑制病理性VEGF信号对关节软骨的保护作用,也为从“微观活血化瘀”角度干预OA血管异常增生提供了直接分子依据 [40]

3.2 miR-20b对BMP2/Smad1信号轴的正向激活:促成骨分化的机制探索

值得注意的是,与对VEGF信号的抑制作用不同,miR-20b对BMP2/Smad1信号通路表现出明确的正向调控活性。这种对成骨分化关键通路的促进作用,揭示了其作为“双向调节枢纽”的独特价值,为理解骨骼代谢平衡及组织修复提供了新颖视角。现有研究揭示,miR-20b激活BMP2/Smad1轴的机制是多层次的:一方面,它可直接靶向并抑制BMP信号通路的天然负调控因子,如BMP受体2型(BMPR2)的特定亚型或细胞内抑制蛋白(例如Smad6/7),从而解除对BMP2/Smad1信号的“刹车”效应,增强通路活性 [41-42];另一方面,miR-20b可能通过影响组蛋白修饰或DNA甲基化等表观遗传机制,间接增强BMP2基因启动子区域的活性,促进其转录表达,形成正向放大环路 [43]。这种通过“移除抑制”和“增强启动”的双重策略来促进成骨信号,体现了生物调控的精巧与高效。未来研究需进一步阐明miR-20b在不同细胞类型(如间充质干细胞、成骨细胞、内皮细胞)及不同病理阶段调控BMP2/Smad1信号的时空特异性,并探索开发基于纳米技术的靶向递送系统,以实现对软骨下骨微环境内miR-20b水平的精准时空干预。

综上所述,miR-20b展现出了同时、反向调节VEGF与BMP2/Smad1这两条核心信号通路的独特能力:一方面抑制病理性血管生成,另一方面促进生理性成骨分化。这种“一核双调”的特性,使其成为恢复OA软骨下骨“血管-成骨耦联”平衡极具潜力的关键分子节点,也为中药多靶点、整体调节的作用原理提供了可能的现代诠释。

4 川芎嗪:一个基于miR-20b枢纽调控的多靶点软骨下骨稳态调节剂

基于前文对软骨下骨“血管-成骨耦联”失衡机制的阐述,以及miR-20b作为潜在调控枢纽的生物学特性,笔者提出假说:中药川芎的主要活性单体川芎嗪,可能通过上游调控miR-20b的表达或活性,进而协同抑制病理性VEGF信号与促进生理性BMP2/Smad1信号,从而恢复软骨下骨代谢平衡,发挥延缓OA进展的作用。以下将围绕这一假说框架,系统梳理与整合其相关的药理学与分子生物学证据。见图 3

注:证据表明,miR-20b可抑制VEGF轴并激活BMP2轴。川芎嗪被证实具有抑制VEGF、激活BMP2/Smad及调控miRNA表达的多重活性。本假说的核心(虚线框所示)是川芎嗪可能特异性地通过上调miR-20b来协同发挥上述双重调控作用,此环节有待直接实验验证。图片使用Procreate、Microsoft PowerPoint及Adobe Illustrator 2022绘制。 图 3 miR-20b作为双向调控枢纽的作用机制及川芎嗪的多靶点药理证据整合 Fig. 3 Schematic diagram of the mechanism of miR-20b as a dual-regulatory hub and the integration of multi-target pharmacological evidence of tetramethylpyrazine
4.1 川芎嗪的多靶点药理活性及其在骨科疾病中的应用基础

川芎嗪是活血化瘀药川芎中分离得到的主要有效生物碱成分,其化学结构明确,是现代中药药理研究的典范。近年来,研究发现TMP展现出跨系统的广泛药理活性,涵盖抗炎、抗氧化应激、抑制细胞凋亡、改善微循环及神经保护等多个方面,这为其在心血管、神经退行性疾病及慢性炎症性疾病中的应用奠定了基础。值得关注的是,通过结构修饰(如与查尔酮或磺酸类化合物形成共晶或衍生物)可显著改善其水溶性与生物利用度,并增强其靶向活性 [44]。例如,将川芎嗪基团引入查尔酮骨架后所得的衍生物,通过双重抑制环氧合酶-2(COX-2)和5-脂氧合酶(5-LOX),表现出强效的抗炎活性,其效能优于部分传统非甾体抗炎药 [45]。在骨科疾病领域,TMP的应用深刻体现了“活血化瘀,通络止痛”的中医治则。数据挖掘分析显示,在治疗气滞血瘀型筋骨痹痛的方剂中,川芎及其活性成分的出现频率位居前列,常与当归、牛膝等药物配伍,构成复方多靶点治疗网络 [46]。现代药理学研究进一步揭示,TMP能够通过调控核因子-κB(NF-κB)、MAPK等关键炎症信号通路,发挥抗炎与骨保护作用 [47]。这种固有的多靶点、多效应特性,与miR-20b能够同时调控血管生成与成骨分化双重网络的潜能高度契合,为本文提出的整合性调控假说提供了理论依据。

4.2 川芎嗪抑制病理性血管生成:与VEGF信号轴的关联

川芎嗪抑制异常血管生成的作用是其“活血化瘀”功效在现代医学中的具体体现之一,此效应与精准干预VEGF信号通路密切相关。研究表明,TMP能有效下调VEGF及其受体(如VEGFR2)的表达与磷酸化水平,从而抑制内皮细胞的增殖、迁移与管腔形成,阻遏病理性血管新生 [48]。在OA的病理背景下,研究进一步发现,TMP与miR-20b-5p的过表达在抑制滑膜及软骨下骨病理性血管新生方面具有协同效应。其联合作用机制与共同抑制VEGF/Notch1信号通路轴有关,具体表现为关节局部血管密度、炎性细胞浸润程度以及VEGF、Notch1蛋白表达的同步显著降低(P < 0.05)。尤为重要的是,TMP与miR-20b-5p的联合干预效果显著优于单一治疗(P < 0.05),这强烈提示,TMP可能通过某种机制(如影响miRNA表达)增强了其对血管生成信号的抑制能力,即存在表观遗传层面的协同增效 [49]。这一发现为阐释TMP“化瘀”的微观机制及开发其联合治疗方案提供了新颖的实验依据。

4.3 川芎嗪促进成骨分化与骨形成:与BMP/Smad信号轴的关联

在“生新骨”或“壮骨”层面,川芎嗪表现出明确的促成骨分化活性,其分子机制主要归因于对骨形态发生蛋白(BMP)/Smad经典成骨信号通路的正向调控。其作用模式与硫酸乙酰肝素(HEP)等天然多糖通过激活BMP通路促进软骨骨化的机制有异曲同工之处 [50]。具体而言,TMP能够显著上调成骨关键诱导因子BMP2的表达,进而激活下游信号转导子Smad1/5/8的磷酸化及其与Smad4的复合物核转位,最终驱动核心转录因子Runx2的表达,从而系统性地启动并推动成骨分化程序。

此外,川芎嗪对骨代谢的调控呈现出中医“阴阳平衡”思想般的“双向调节”特性。它不仅能通过激活BMP/Smad等通路促进骨形成,还能通过抑制NF-κB等破骨细胞分化关键信号通路,有效减少破骨细胞的生成与骨吸收活性 [51]。这种同时增强“成骨”与抑制“破骨”的双重药理作用,使其能够更全面地调控骨重建过程,有利于恢复骨代谢稳态,因此在防治骨质疏松及OA相关骨结构异常中展现出独特潜力。

4.4 川芎嗪对微小RNA表达的调控:聚焦miR-20b的枢纽假说

微小RNA(miRNA)作为基因表达的表观遗传调控关键节点,其表达谱的改变广泛参与疾病进程。川芎嗪的多种药理效应,被认为与其调控特定miRNA表达的能力密切相关。研究表明,TMP可通过下调miR-297c-5p,进而上调紧密连接蛋白occludin的表达,从而减轻血脑屏障损伤 [52]。在慢性肾病模型中,川芎嗪也被发现可通过影响m6A RNA甲基化修饰来调节鸟氨酸脱羧酶1(Odc1)mRNA的稳定性,从而抑制肾小管上皮细胞的铁死亡。这些证据共同表明,TMP具备通过调节miRNA网络来影响下游靶基因通路、从而干预细胞功能与命运的能力。

聚焦于本假说的核心,即“川芎嗪→miR-20b→ VEGF/BMP2轴”这一调控链条。虽然现有证据分别支持:1)川芎嗪可调控多种miRNA;2)川芎嗪能抑制VEGF信号;3)川芎嗪可激活BMP2信号。然而,将这三者因果串联,特别是将miR-20b确立为川芎嗪发挥上述双重调节作用的关键枢纽分子,尚需更为直接和系统的实验证据予以验证。未来研究需要在确切的OA细胞与动物模型中,验证川芎嗪是否特异性地调控软骨下骨区域内miR-20b的表达。并进一步通过miR-20b的功能缺失(敲低)或功能获得(过表达)实验,观察其是否能阻断或模拟川芎嗪对VEGF及BMP2信号的双向调节作用。

5 总结与展望 5.1 研究总结

本研究围绕OA软骨下骨“血管-成骨耦联”失衡的关键病理机制,系统梳理了VEGF与BMP2/Smad1双信号轴紊乱的分子基础,并在此背景下,构建“川芎嗪–miR-20b-双信号轴”整合调控假说。该假说的提出,将中药单一活性成分、枢纽性非编码RNA与复杂信号网络有机联结,也为从“系统修复”角度干预OA提供了新的理论视角与研究范式。

本研究的核心内容体现在以下3个方面。1)将中医“活血化瘀、筋骨并治”理念与“血管-成骨耦联”现代病理概念相融合,提出通过调控单一枢纽分子(miR-20b)实现双信号轴协同干预的新策略,为理解中药多靶点、整体性调节作用提供了具象化的分子模型。2)提出“川芎嗪→上调miR-20b→抑制VEGF通路/激活BMP2通路→恢复软骨下骨稳态”的因果假说链条,为后续功能验证与机制探究提供了逻辑框架。3)推动从“单一通路靶点”向“网络枢纽调控”的研究思路转变,为中医药现代化研究,特别是中药复方或单体在多系统、多靶点疾病中的作用机制阐释,提供可借鉴的分析路径。

5.2 当前局限与挑战

1)核心机制有待直接验证:假说中川芎嗪对软骨下骨局部miR-20b的特异性调控作用,以及miR-20b是否为其发挥疗效的必需分子,尚缺乏体内外功能增益与缺失实验的直接证据。2)细胞与时空特异性不清:川芎嗪调控作用的主要效应细胞类型(如成骨前体细胞、内皮细胞或骨细胞)及其在OA不同病理阶段的动态规律,亟待明确。3)体内递送与疗效转化困难:如何实现川芎嗪或miR-20b模拟物在软骨下骨病灶部位的高效、靶向递送,并在整体动物模型中验证其确切的关节结构与功能保护作用,是走向临床应用的现实瓶颈。

5.3 未来研究方向

为应对上述挑战,推动假说从理论走向实践,笔者构建了“机制验证-系统解析-转化探索”的研究路线,旨在为后续研究提供参考。

第一,利用细胞特异性Cre工具鼠构建OA模型,结合miR-20b敲低或过表达挽救实验,在体验证其在川芎嗪调控网络中的枢纽地位及核心效应细胞。第二,采用单细胞及空间转录组学技术,系统描绘川芎嗪干预前后软骨下骨微环境的细胞图谱与分子网络动态变化,无偏倚地揭示其系统调节效应。第三,设计并优化针对软骨下骨的靶向递送系统(如外泌体或微环境响应型水凝胶),并探索川芎嗪与康复力学或补肾壮骨类中药的联合治疗策略,评估协同增效潜力,推动其向临床疾病修饰疗法发展。

通过上述多层次、递进式的实证研究,本假说有望发展为一项机制相对明确、策略具有整合性的OA治疗新方案,不仅有助于深化中医药理论的现代科学内涵,也为治疗OA提供新的思路。

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Research progress on the mechanism of tetramethylpyrazine in regulating"vascular-osteogenic coupling"in osteoarthritis subchondral bone via miR-20b
DONG Jiahao1 , CHEN Tao2 , XIA Yifeng1 , YU Weijie2 , PENG Zhongyu2 , LONG Yuan1 , ZHAO Lingrui1     
1. The First Clinical Medical College, Yunnan University of Chinese Medicine, Kunming 650500, China;
2. Yunnan Provincial Hospital of Traditional Chinese Medicine, Kunming 650021, China
Abstract: The imbalance of"vascular‐osteogenic coupling"in the subchondral bone is a pivotal pathological link in the progression of osteoarthritis (OA), involving hyperactivity of angiogenesis mediated by the vascular endothelial growth factor (VEGF) signaling pathway and dysregulation of osteogenic differentiation governed by the bone morphogenetic protein 2 (BMP2) /Smad1 signaling axis. Grounded in the"holistic regulation"theory of traditional Chinese medicine (TCM), this study proposes, for the first time, an innovative hypothesis that tetramethylpyrazine (TMP, ligustrazine) may restore subchondral bone homeostasis by targeting microRNA miR‐20b to synergistically regulate the aforementioned dual signaling pathways. A systematic review of the evidence indicates that miR‐20b can inhibit the VEGF pathway and activate the BMP2/Smad1 pathway, while TMP exhibits multiple pharmacological activities, including suppressing angiogenesis, promoting osteogenesis, and modulating miRNA expression. This hypothesis provides a novel paradigm for elucidating the"multi‐target"intervention strategy of Chinese herbal medicine in complex diseases and offers potential therapeutic targets and a candidate drug for disease‐modifying OA therapy. Future research should employ gene‐edited animal models, single‐cell omics, and targeted delivery systems to further validate this mechanism, thereby fostering the integrated development of TCM modernization and precision medicine.
Key words: osteoarthritis    subchondral bone    vascular‐osteogenic coupling    tetramethylpyrazine    microRNA‐20b