番茄红素与骨质疏松症

骨质疏松是一种慢性代谢性疾病，主要与绝经后体内雌激素缺乏有关。国内外研究证实氧化应激在骨质疏松的发病机制中起重要作用，由氧化应激产生的活性氧对体内的成骨细胞和破骨细胞的活性和功能均有影响；番茄红素是自然界中存在一种很强的抗氧化剂，广泛存在于新鲜水果和蔬菜中，以前的流行病学调查、临床研究及体外细胞培养证实，番茄红素对人类的慢性疾病（如某些癌症、心血管疾病、高血压等）有预防作用，由于氧化应激在骨质疏松的发病机理中起重要作用，而番茄红素具有抗氧化功能，由此国内外学者预测食用番茄红素可预防骨质疏松症的发生，并对此进行了许多基础和临床研究。本文就目前国内外关于番茄红素对骨质疏松方面的研究做一综述。

骨质疏松症概述

在人的一生中，骨组织始终处在一个不断重建过程中，这一过程包括旧的骨组织不断被破骨细胞溶解和新的骨组织不断的由成骨细胞形成 [1，2]，在这一复杂过程中，多种细胞因子在基因的调控下参入其中并发挥重要作用。这些因子包括白细胞介素、转化生长因子、肿瘤坏死因子、集落刺激因子等。这些因子通过自分泌和旁分泌的作用，影响成骨细胞和破骨细胞的分化、增生、成熟和活化，调节骨吸收和骨重建之间的平衡，如果这一平衡被打破，使破骨细胞基因表达增加，成骨细胞基因表达不足时，则发生骨质疏松症[3]。骨质疏松主要还是一种代谢性疾病，它的基本特征是骨组织中骨量的减少和骨的微细结构退化，由此造成骨的脆性增加和极易发生骨折[5]。绝经后骨质疏松是最常见的原发性骨质疏松症，是由于体内雌激素的减少，破骨细胞的活性增加，导致骨量丢失引起的。但是，雌激素缺乏如何增加破骨细胞活性的机理还不是很清楚[6]。有报道证实细胞内活性氧（reactive oxygen species,ROS）可明显增加破骨细胞的活性而导致骨质疏松[7]，Jenny M.L等[8]通过研究指出，雌激素缺乏导致破骨细胞内硫醇抗氧化剂的浓度降低，使破骨细胞对破骨细胞基因信号的敏感性增强，而且使ROS介导的细胞因子（如IL-1、TGF-a）过度分泌，这些都使破骨细胞的活性增加，最终导致骨质疏松症的发生。

氧化应激和抗氧化剂

人体内的氧化应激状态的形成是由体内抗氧化系统的防御机能减弱或是体内活性氧产生过多的结果，活性氧(reactive oxygen species ,ROS) 是生物体内有氧代谢产生的含氧的自由基,主要包括超氧阴离子(O2-) 、羟基(-OH)和过氧化氢 (H2O2 ) [9] 。正常生理状态下,体内活性氧不断产生的同时, 也不断被体内的抗氧化剂如超氧化物歧化酶(superoxide dismutase , SOD) 、过氧化氢酶(catalase , CAT) 、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase , GSH2px) 及一些低分子量抗氧化剂清除[10]。当这种平衡由于衰老、癌症、雌激素缺乏而被打破时，由异常增多的ROS引发的氧化应激对生物机体造成一系列的氧化损伤,如攻击多聚不饱和脂肪酸引起脂质过氧化使生物膜结构、功能及细胞膜表面受体改变;损伤蛋白质的巯基和氨基使蛋白质变性、交联、酶的活性丧失;损伤DNA 导致DNA链的断裂及突变等；同时，氧化应激通过影响许多细胞因子如核因子(NF-κB)、促分裂原活化蛋白激酶(MAPKs)、P53和热休克因子（HSF）等加速细胞衰老和死亡[11，12]。

氧化应激、抗氧化剂与骨质疏松

氧化应激产生的活性氧在骨质疏松的发病机理中起重要作用。流行病学研究[13,14,15]显示某些抗氧化剂如维生素C、E和β-胡萝卜素可降低骨质疏松症的发生和减少骨质疏松症妇女发生骨折的危险。患骨质疏松症的妇女血清中抗氧化剂明显降低[16],卵巢切除后的大鼠体内的活性氧增多，而超氧化物歧化酶（SOD）等抗氧化酶减少[17]。在对绝经后骨质疏松模型大鼠的研究中，Isomura H 等指出氧化应激参与代谢性骨病如骨质疏松的病理过程，表现为模型鼠血中的碱性磷酸酶活性降低和鲑鱼降钙素含量减少[18],而近年来通过对22名骨质疏松患者体内氧化应激状态与正常同年龄组妇女的对照研究中，Yousefzadeh G等 [19]进一步证实骨质疏松患者体内处于高氧化应激状态，适量服用抗氧化剂对骨质疏松患者是有好处的。在一项对男性骨质疏松患者的骨密度和体内氧自由基及抗氧化剂的关系的研究中，Yalin S[20]发现骨质疏松患者体内的SOD水平与骨密度呈负相关，提示氧化应激在男性骨质疏松的发病机理中同样起着重要作用。为进一步揭示骨质疏松与氧化应激和抗氧化剂之间的关系，Ozqocmen S [21]等对红细胞内抗氧化剂与骨密度的关系及服用治疗骨质疏松药物后体内的氧化还原反应相关指标进行了临床对照实验，结果显示骨质疏松的妇女体内过氧化氢和谷胱甘肽过氧化酶活性明显减低，而脂质过氧化产物丙二醛（MDA）含量明显升高，说明骨质疏松的发生与体内的氧化应激的增加和抗氧剂的减少有关，而药物治疗骨质疏松的是通过降低体内的氧化还原反应和加强体内的抗氧化系统功能而起作用的。尽管以上研究已经证实氧化应激与骨质疏松存在着相关性，但关于氧化应激与骨质疏松症在细胞和分子水平上的详细作用机制还不是很清楚。

氧化应激、抗氧化剂与破骨细胞

关于破骨细胞分化增殖以及其能够促进骨的再吸收的功能受许多因素调控；有研究者[22]证明活性氧在这一过程中起着重要作用，活性氧如过氧化氢和超氧阴离子等通过细胞外信号调节激酶（ERKs）和蛋激酶的cAMP反应元件结合蛋白（PKA-CREB）途径刺激破骨细胞内核因子kB受体活化子配体（RANKL）的基因表达来调节破骨细胞的活性和促进骨吸收。Kim H等[23]研究了体内的氧化还原状态与破骨细胞和骨吸收之间的关系，他们分析体内谷胱甘肽合成酶、谷胱甘肽合成限速酶及体内总的谷胱甘肽和巯基含量，研究发现伴随着破骨细胞生成和骨吸收的加强，体内的氧化应激状态升高。而当氧化应激水平升高的一定程度时，则一直破骨细胞的生成和抑制骨吸收。因此得出结论：体内的氧化应激状态有一个极限点，在这一范围内能够有效的促进破骨细胞的形成和促进骨吸收，反之，则抑制破骨细胞的形成和抑制骨吸收。Vaaraniemi J 等[24]发现从细胞水平上研究了破骨细胞促进骨基质吸收得机制，破骨细胞通过向细胞膜与骨表面之间的吸收腔隙分泌酸和溶酶体酶类如组织蛋白酶K等而促进骨吸收的。这种促进骨吸收功能是通过破骨细胞内的抗酒石酸酸性磷酸酶（TRACP）在胞转小泡内分泌活性氧引起胶原和其他蛋白质的降解而实现的。

抗氧化剂与破骨细胞的功能也紧密相关，，Nakagawa H[25]等通过研究抗氧化剂没食子儿茶素没食子酸酯(epigallocatechingallate,EGCG)诱导破骨细胞死亡的作用作用机理时发现，EGCGS诱导破骨细胞死亡主要是通过其分子结构中的羟基抗氧化功能而起实现的。Lean J等[26]研究发现，抗氧化剂硫氧还原蛋白1（thioredoxin-1 Trx)在破骨细胞内的表达明显增高，他们用Trx表达质粒转染RAW264.7细胞后发现破骨细胞增殖能力明显增强，再用抗氧化剂谷胱甘肽过氧化物酶1 (glutathione peroxidase-1 Gpx)转染细胞后发现Trx表达和破骨细胞增殖又被抑制，通过进一步的研究，他们指出氧化剂通过刺激破骨细胞内的Trx的表达致使细胞内促进细胞增殖的细胞因子基因表达增加而促进破骨细胞增殖的。而加入抗氧化剂谷胱甘肽过氧化物等能够阻止Trx表达从而阻止破骨细胞的增殖。国外许多学者也通过体外破骨细胞的培养证明在细胞培养液中加入抗氧化剂如过氧化氢酶[27]、雌激素[28]、同型半胱氨酸 [29]等抗氧化剂也能降低细胞内活性氧的产生。由此人们推断自然界中的抗氧化剂也可能有对抗破骨细胞内的活性氧的产生，从而抑制破骨细胞骨吸收的功能。

氧化应激和抗氧化剂与成骨细胞

氧化应激能够抑制成骨细胞分化和诱导成骨细胞死亡。Arai M[30]等研究氧化应激对成骨细胞的矿化作用的影响，他们将成骨细胞MC3T3-E1细胞的培养基中加入氧化剂H2O2；发现MC3T3-E1细胞的矿化水平降低了一半，同时发现调控抗氧化物酶的转录因子Nrf2的基因表达增加，另外他们还发现骨源性标记物Runx2, ALP, 和BSP的基因表达明显低于没用H2O2处理的细胞组。这说明氧化应激是通过上调抗氧化物酶的调控基因而抑制成骨细胞的矿化功能的。中国台湾的学者Chan WH等[31]也通过向成骨细胞的培养基中加入抗氧化剂姜黄（curcumin），发现抗氧化剂能够影响成骨细胞内活性氧的产生以及细胞内ATP水平最终导致细胞核裂解和细胞死亡。Samoto H[32]等从分子水平上研究了氧化应激对成骨细胞的作用，他们用肿瘤坏死因子а（TNF-а）（10ng/ml）对骨肉瘤细胞ROS17/2.8进行处理，24小时后发现细胞内的在骨矿化中起重要作用的骨唾液蛋白（BSP）的mRNA明显降低，而用抗氧化剂N-乙酰-半胱氨酸（20Mm）进行预处理，30分钟后再加入TNFu-а则细胞内BSP的mRNA含量未见明显降低，由此可见许多物质是通过细胞内的氧化应激来影响成骨细胞的功能。Nam SH[33]等研究发现H2O2通过增加Ca2+从胞内Ca2+库的释放调节成骨细胞内Ca2+的活性，最终导致成骨细胞的死亡。Vali B[34]等研究了抗氧化剂没食子儿茶素没食子酸酯(epigallocatechingallate,EGCG)对成骨细胞的作用发现它能够阻止成骨细胞内活性氧的产生和刺激成骨细胞的分化，促进矿化结节的形成。由以上所述可见氧化应激和抗氧化剂通过多种途径影响着成骨细胞的增殖和分化，最终影响着股的形成和矿化。

番茄红素与氧化应激

番茄红素是自然界中存在有效的抗氧化剂，在人体内不能合成，饮食中番茄红素主要从新鲜蔬菜和水果中获得，其中西红柿中含量最多，其次是西瓜和紫葡萄。经过热处理的西红柿较未经处理的西红柿更有利于番茄红素的吸收，因经加热后的番茄红素由原来的全反式结构转换成顺式异构体[35]。不同国家和地区的人平均每日从食物中摄入的番茄红素的量不同，平均为8.2mg/天。一项研究表明，每天摄热入番茄红素7mg，连续服用14天，能够降低外周血淋巴细胞DNA的氧化损伤[36]。另一项研究结果显示，每天摄入30mg到75mg番茄红素对人体是安全及有益的，不会产生副作用，高于75mg/天不会对番茄红素的血药浓度产生明显影响[37]。

番茄红素是一种类胡萝卜素，因为其化学结构含有13个双键，其中11个是共轭双键，这决定了它具有强的抗氧化性，番茄红素的还原性是β-胡萝卜素的2倍，是维生素E的10倍[38]。这种强大的还原功能使它在预防人类慢性疾病方面发挥了重要作用。从最初的流行病学调查显示食用番茄红素能够减少前列腺癌的发生[36]，以后研究者通过流行病学调查和体外干预试验逐渐发现食用番茄红素不仅能够预防癌症，而且对冠心病、高血压、糖尿病、蜕变性疾病、女性不孕及神经变性性疾病也有预防作用[39]。所有这些作用都与番茄红素自身的抗氧化功能有关，包括保护原生质脂蛋白、淋巴细胞DNA、和血清蛋白免受氧化损伤[40]。基于番茄红素的抗氧化这一原理，研究者发现其在骨质疏松的防治方面同样具有重要作用。

番茄红素与破骨细胞

关于番茄红素与破骨细胞的相关研究报道的比较少，RAO等[41]研究者从大鼠股骨骨髓中提取破骨细胞进行培养，然后将不同浓度番茄红素和甲状腺激素共同或分别加入培养基中，经过观察培养基中抗酒石酸酸性磷酸酶（TRACP）及氧化代谢产物甲月替的量的变化后发现，无论甲状旁腺激素存在与否番茄红素都能抑制破骨细胞的骨吸收作用，而且这种抑制作用与其抑制破骨细胞内TRACP氧化酶系统从而抑制细胞内ROS的合成与分泌有关。我们用不同浓度番茄红素培养破骨细胞发现不同浓度的番茄红素（10-7～10-5）对破骨细胞都有影响（文章待发）。

番茄红素与成骨细胞

Kim等[42]最先在成骨样细胞SaOS-2的培养基中加入番茄红素，随着时间的延长，培养基中SaOS-2细胞数目增多，由此他们得出结论，认为番茄红素刺激成骨样细胞SaOS-2细胞的增殖呈时间依赖性，而且他们的研究结果显示番茄红素对较成熟的成骨样细胞碱性磷酸酶（成骨细胞分化标记物）活性也有刺激效应，但对幼成骨样细胞无效。我们的研究也证实不同浓度的番茄红素的番茄红素均能促进成骨细胞的增殖、碱性磷酸酶的表达及骨的矿化。关于番茄红素对成骨细胞在分子水平水平上的确切作用机制还不是很清，还需要进行更加深入的研究。

番茄红素与绝经后骨质疏松

关于番茄红素与骨质疏松的相关的临床研究报道的比较少，流行病学资料显示，食用富含番茄红素的新鲜水果和蔬菜能够显著降低发生骨质疏松症的危险[44]。最近 .Rao L.G [45]等通过对13位年龄在50-60岁之间的绝经后妇女进行了为期7天的食用含有番茄红素食物的临床试验，最后检测空腹血清中的番茄红素含量、脂质过氧化反应、蛋白巯基含量、I性胶原交联氨基末端肽（NTX，骨吸收）和骨碱性磷酸酶（骨形成）等指标的相关性，结果显示随着血清中番茄红素的增高，蛋白质氧化（蛋白巯基）明显减少，同时血中的NTX含量也明显减少。这说明番茄红素能够降低体内的氧化应激反应，从而可阻止骨质疏松症的发生。

综上所述，番茄红素通过其抗氧化功能而影响成骨细胞和破骨细胞的功能，从而能够对骨质疏松症发生发展的病理过程进行有效干预，最终阻止和减缓骨质疏松症的发生。但是，目前关于这方面的研究证据还不多，如关于番茄红素的抗氧化功能的直接作用机理还不是很清楚，而关于番茄红素的对骨质疏松的作用方面还缺少有效的动物试验和临床大样本的试验研究。目前我们也正在进行番茄红素与骨质疏松这方面的动物试验，希望在不久的将来能用饮食番茄红素疗法代替药物来治疗骨质蔬松或是成为药物治疗骨质疏松的有效的辅助治疗手段。