染料木素(Genistein)又称5, 7, 4-三羟基异黄酮、染料木黄酮、金雀异黄素等，是主要从大豆、三叶草、葛根、槐花、染料木(金雀花)和广豆根等豆科植物中提取出来的活性成分。染料木素作为大豆异黄酮中主要成分，其结构与雌激素相似，因此被称为“植物雌激素”。由于雌激素缺乏是绝经后妇女骨质疏松的重要病因，故染料木素是目前抗骨质疏松植物药的研究热点之一[1]。美国国家骨质疏松基金会(NOF)的《最新指南》指出，染料木素对绝经后妇女的骨骼健康十分有益，是FDA认为安全但仍需要更多抗骨质疏松临床数据的唯一植物活性成分[2]。本文主要综述染料木素抗骨质疏松的作用及其机制的研究进展。
1 染料木素抗骨质疏松作用及机制染料木素抗骨质疏松作用涉及促进成骨细胞增殖、分化和骨形成，抑制破骨细胞增殖、分化和骨吸收等机制。此外，染料木素作为一种“植物雌激素”，在体内与雌激素受体(estrogen receptors, ER)结合产生双向调节作用，是一种较为理想的具有选择性雌激素受体调节活性的天然化合物。
1.1 促进成骨细胞增殖、分化和骨形成功能在成骨细胞中存在许多与成骨分化和骨形成相关的生物大分子，如Ⅰ型胶原酶(collagen type Ⅰ，Col-Ⅰ)、骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)、骨钙素(osteocalcin, OC)、runt-相关转录因子2(runt-related tanscription factor 2，Runx2，又称为CBFA1)等。新近研究表明，染料木素对成骨细胞作用的主要机制及信号转导均涉及此类分子，详述如下：
(1)过氧化物酶体增殖物激活受体γ(peroxisome proliferator-activated receptorγ，PPARγ)是人骨髓基质干细胞(BMSC)分化方向的关键调节因子，PPARγ对BMSC成脂分化的调节直接影响到成骨细胞的分化[3]。研究表明，染料木素在低浓度(≤1 μm)时相当于PPARγ的抑制物，能促进BMSC成骨分化抑制成脂分化，高浓度(>1 μm)时，染料木素对BMSC的作用则相反[4]；此外，高浓度染料木素对Runx2、Col-Ⅰ和OC的表达有抑制作用，用高浓度(20μm)染料木素和GW9662(PPARγ抑制物)处理BMSC，则可去除这种抑制现象，从而促进成骨细胞增殖、分化。结果提示，染料木素可通过PPARγ这一机制促进成骨细胞增殖、分化功能[3, 5]，但其涉及的详细调控机制尚不清楚。
(2)BMP是促进骨形成和诱导成骨细胞分化的最重要的细胞外信号分子之一，可通过激活Smads蛋白信号转导和调节成骨基因转录而发挥其促进成骨作用。Runx2可在前成骨细胞、成骨细胞、前软骨细胞和前肥大软骨细胞中表达，其作为BMP2/Smad5的靶基因，是成骨细胞分化和骨骼发育的重要调节因子。众所周知，BMP受体信号通路通过Smad1/5/8促进成骨分化、形成，而Smad6/7则抑制BMP信号通路[6-7]。采用hBMSCs为实验模型，发现染料木素能够提高BMSC中碱性磷酸酶(alkaline phosphatase, ALP)的活性，促进hBMSCs增殖、分化。进一步研究发现，染料木素能明显增加Smad1/5表达，同时降低Smad6/7的表达，这些结果表明染料木素能通过BMP/Smads/Runx2这一分子机制来发挥其促成骨作用[8]。
(3)核因子κB(nuclear factor-kappa B，NF-κB)和激活蛋白-1(activator protein-1，AP-1)是参与调节成骨细胞分化、矿化重要的两个转录因子。据报道，以MC3T3-E1和大鼠原代颅骨细胞为实验模型，用10μm的染料木素处理，发现染料木素能够促进ERK1/2、JNK1/2和p38丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)的磷酸化，磷酸化的ERK1/2和p38/MAPK能够激活NF-κB，促使NF-κB从细胞质转移到细胞核[9]。由于磷酸化激活的JNK1/2能够使c-Jun诱导AP-1的转录活性，而NF-κB和AP-1在细胞核与ERα的5'端启动子区结合后激活ERα基因转录，ERa则诱导BMP、Col-Ⅰ及OCN基因表达，从而促进成骨细胞增殖、分化与矿化[9]。结果说明，染料木素可通过MAPK/NF-κB/AP-1通路发挥其促成骨细胞功能，但该作用机制仍需要在整体动物模型进一步验证。
1.2 抑制破骨细胞增殖、分化和骨吸收功能NF-κB通路对破骨形成分化乃至骨重建至关重要。成骨细胞与破骨细胞之间通过核因子κB受体活化因子配体(RANKL)和RANK受体或骨保护素(osteoprotegerin，OPG，是RANKL的诱骗受体)相互联系，因此RANKL、RANK和OPG这3种蛋白在NF-κB通路中发挥关键作用[10]。现研究表明，低浓度染料木素在体外能明显增加成骨相关因子ALP、OCN和OPG的表达，使RANKL的表达和RANK/OPG的比率下降[11-13]。NF-κB信号通路被RANKL、TNF-α或IL-1激活后能够诱导破骨基因分化，延长破骨细胞寿命并增加骨吸收[5]。染料木素可直接抑制TNF-α诱导的破骨分化，同时抑制由NF-κB上调引起的2个转录因子c-Fos和NFATcl的表达，进而抑制骨吸收[14]。此外，染料木素作为酪氨酸激酶抑制物，能阻遏酪氨酸激酶-NF-κB激活通路，抑制IL-1(破骨激活因子)的活性和组织蛋白酶K蛋白(破骨吸收关键蛋白酶)的表达[15]。前述研究结果表明，染料木素能够通过NF-κB通路发挥其抑制破骨细胞骨吸收作用。此外，染料木素能够介导细胞内钙离子信号途径，并且抑制蛋白激酶和酪氨酸激酶，从而引起破骨细胞凋亡，进而抑制骨吸收[16, 17]。也可以通过抑制DNA拓扑异构酶Ⅱ的活性来减少破骨细胞形成[18]。
1.3 染料木素的雌激素样作用染料木素作为一种“植物雌激素”，其结构与内源性雌激素(如17β-Estradiol)结构相似，具有雌激素样作用。在人体中，雌激素受体有2种，分为雌激素受体ɑ(ERɑ)和雌激素受体β(ERβ)。除生殖系统外，在成骨细胞、破骨细胞以及骨髓基质细胞等上均存在ER。其中，ERɑ主要表达在骨干骨细胞，ERβ在骨干骨细胞中表达极低；ERβ在松质骨骨细胞中有明显表达，在破骨细胞的胞核和胞质中也有表达[19]。染料木素与ERβ的亲和力大于与ERα亲和力，但其发挥抗骨质疏松作用的主要作用受体是ERα，因此ERα是染料木素发挥骨保护作用的主要受体亚型[20]。此外，植物雌激素在体内结合ER具有双向调节作用，即在不同情况下表现出雌激素样或抗雌激素作用(低浓度促进，高浓度抑制)，是一种较为理想的雌激素替代药物[18]。染料木素与雌激素在治疗绝经后骨质疏松上相比，对子宫内膜和乳腺也没有明显的副作用[21-22]，但也有研究报道低浓度染料木素有刺激人宫颈癌细胞增殖的作用[23]，导致不同实验结果原因可能与雌激素受体在生殖系统和骨组织分布不同，染料木素与雌激素受体ɑ、β亲和力不同，以及染料木素的作用浓度的高低有关[24]。
2 染料木素联合用药作用近年来，许多文献研究报道染料木素与其他药物联用可提高其抗骨质疏松活性，为其临床联合用药提供了线索。用MC3T3细胞为实验模型，结果显示染料木素与胡萝卜素联合可提高成骨细胞中ALP活性，并通过促进成骨分化保持骨转换平衡，其效果比两药单独使用效果更好[25]。用CD-1雌性小鼠为实验模型，实验包括Sham组、卵巢切除(OVX)组、OVX给药组分为碳酸钙、维生素D3联合染料木黄酮的高、中、低剂量组以及单纯染料木黄酮组、雌激素组(E2)。给药6周, 测定小鼠骨密度(BMD)、骨矿含量(BMC)、骨生物力学和骨代谢生化指标。发现低剂量植物雌激素染料木黄酮与钙、维生素D3联合应用对卵巢切除小鼠的刺激子宫生长作用小。低剂量植物雌激素染料木黄酮与钙、维生素D3联合应用增加小鼠BMD, 改善骨生物力学参数, 促进骨形成和抑制骨吸收, 降低了染料木黄酮的用量, 并且较雌激素安全[26]。用氨甲蝶呤(methotrexate，MTX)复制大鼠骨髓肥胖模型，结果发现给予染料木素和(或)鱼油不仅能够促进大鼠成骨细胞分化能力，增加成骨细胞数量，保持骨体积，还能够预防MTX引起的骨髓肥胖，抑制破骨细胞因子的表达，减少破骨细胞的数量，进而防止骨丢失[27]。这些研究结果提示，染料木素与其他药物联用可提高其抗骨质疏松作用外，还可能可以用于防止其他因素引起的骨质疏松症，但联合用药的机制仍需要更进一步实验研究。
3 染料木素体内代谢研究染料木素是带芳香环的三苯基化合物，在分子的相对两极带有两个酚羟基，结构与分子量与雌二醇类似，在成人体内染料木素可被肠道细菌转换成雌马酚、去甲基安哥拉紫檀素以及对乙苯酚，这些代谢产物可经肝肠循环被吸收到肝脏，绝大多数在肾脏被灭活[28]。研究染料木黄酮在♀、♂大鼠体内的药代动力学参数，大鼠灌胃给予染料木黄酮, 高效液相色谱分析血浆及不同组织中染料木黄酮和其葡萄糖醛酸结合物。发现药物在卵巢和子宫中的分布明显高于睾丸，在其他组织器官内的分布未检测到明显差异。与♂大鼠相比，♀性大鼠对染料木黄酮的吸收多、葡糖醛酸结合量高，使染料木黄酮的半衰期延长。表明染料木黄酮在大鼠体内被吸收和代谢的量不仅和剂量有关, 而且与性别有关[29]。用40 mg·kg-1剂量的染料木素给大鼠灌胃，研究染料木素在大鼠体内的药代动力学，结果发现因吸收不佳及过强的首过效应，染料木素的生物利用率不高[30]，有研究报道可通过提高染料木素的溶解度和渗透速率来改善染料木素的小肠吸收及体内活性[31]。目前，国内外对染料木素的药物动力学研究尚处于初期阶段，如何提高染料木素的生物利用度以及染料木素的体内传递过程还有待进一步研究，研究方法与手段还有待进一步改善。
4 结语骨质疏松是一种发病率和致残率日益增高的疾病，故抗骨质疏松新药一直都是国内外研究的热点。染料木素作为一种安全有效的“植物雌激素”，在体内可选择性结合ER，发挥防治骨质疏松作用，其机制可能是通过PPARγ、BMP/Smads/Runx2、MAPK/NF-κB/AP-1等信号通路促进成骨细胞增殖、分化以及矿化；同时，又可通过NF-κB通路及细胞内钙离子信号途径发挥其抑制破骨细胞骨吸收作用。此外，染料木素来源丰富，提取工艺简单，有利于工业化生产，在长期治疗过程中毒副作用较小，具有较好的临床应用前景，但染料木素的生物利用率不高，在体内吸收率较低，还需要进一步研究染料木素的最佳给药途径和最适作用浓度。随着研究的不断深入，染料木素有望成为抗骨质疏松症的临床用药。
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