FSHW | 欧李多酚促进MC3T3-E1细胞成骨分化并通过钙/AMPK信号通路抑制卵巢切除大鼠骨丢失

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Introduction

骨质疏松症（Osteoporosis，OP）是一种全身性骨骼疾病，其特征是骨量低，骨组织微结构恶化，从而导致骨脆性增加，易发生骨折。全世界约有2亿人患有OP，这对公众健康构成了相当大的威胁。临床常用双膦酸盐、雌激素、选择性雌激素受体调节剂、甲状旁腺激素类似物等化学药物，然而，这类药物长期使用的安全性存在争议。因此，从天然植物中发现有效成分是解决OP问题的有效途径。

欧李[Cerasus humilis (Bge.) Sok.]为蔷薇科樱属小灌木，其干燥成熟种仁为中药郁李仁，具有润肠通便、下气利水的功效。欧李果实外形酷似樱桃，酸甜可口，含有丰富的有机酸、多酚和微量元素等成分，为我国特有的第三代保健水果，因其高钙含量又称“钙果”。长期以来，内蒙古等不少地区居民喜食欧李果实，并认为它有保护骨骼的作用。流行病学、临床和临床前研究表明，蔷薇科水果如西梅、酸樱桃和甜樱桃中的多酚物质能显著改善骨代谢，提高骨矿物质密度，但其机制有待进一步揭示。

北京中医药大学中药学院李卫东研究团队以欧李多酚（OPE）为材料，采用小鼠胚胎成骨细胞前体细胞MC3T3-E1和卵巢切除（OVX）大鼠模型表征OPE的骨保护作用，并通过转录组分析挖掘并验证其抗OP机制。

团队后续研究表明，欧李多酚以原花青素为主，欧李原花青素通过“促调结合”改善肠钙吸收发挥抗骨质疏松作用的机制研究于2024年8月获得国家自然科学基金面上项目资助，补钙新概念未来将深入揭示。

Results and Discussion

OPE在体外促进MC3T3-E1细胞成骨分化

碱性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）是成骨细胞分化早期和中期主要标记酶。骨钙素（osteocalcin，OCN）是终末分化成骨细胞的表型标记。在成骨细胞分化后期，细胞外基质由于钙沉积会逐渐矿化，形成骨结节。细胞实验结果显示，OPE对MC3T3-E1细胞成骨分化的早期（ALP水平）、中期（ALP和OCN水平）和晚期（成骨矿化）有显著促进作用。

图1 OPE呈剂量依赖性促进成骨细胞分化

OPE在体内改善OVX诱导的大鼠OP

动物实验结果显示，OPE改善了OVX诱导的大鼠OP，显著增加了BV/TV和Tb.N水平，降低了Tb.Sp和SMI水平，增加了最大股骨负荷。

图2 OPE对OVX大鼠骨微结构和骨生物力学性能的影响

OPE促进骨形成、抑制骨吸收

破骨细胞介导的骨吸收和成骨细胞介导的骨形成之间的平衡对骨重塑至关重要。本研究表明，OPE通过调节血清中骨转化因子水平，促进成骨细胞分化，进而减少破骨细胞数量。

图3 OPE对OVX大鼠骨转化的影响

OPE改善OVX大鼠氧化应激状态

氧化应激相关生物标志物（MDA、GSH-Px、晚期氧化蛋白产物等）与绝经后OP相关。其中，高级氧化蛋白产物可抑制间充质干细胞的增殖和成骨分化。在本研究中，OPE能够改善OVX大鼠的氧化应激状态（图4）。因此，改善氧化应激状态是OPE发挥抗OP作用的机制之一。

图4 OPE对OVX大鼠氧化应激的影响

OPE激活钙/AMPK信号通路

转录组GO分析显示，OPE干预显著上调OVX下调的基因缓解能量代谢、肌肉发育、肌肉调节等方面的异常。KEGG分析显示，OVX显著降低了钙/AMPK信号通路相关基因的表达，而OPE干预促进了这些基因的表达。

电压门控Ca2+通道促进成骨分化标志物（OCN和RUNX2）的表达，促进成骨矿化。与sham组相比，OVX大鼠的CACNA1S（电压门控Ca2+通道）、P2RX5（受体操纵钙通道）和CAMKⅡβ的表达明显下调，而OPE组的表达则升高。因此，OPE可能通过激活钙通道和促进钙流入股骨细胞来发挥骨保护作用。

AMPK通路在调节细胞能量和骨代谢中发挥重要作用，促进大鼠颅骨原代成骨细胞成骨矿化，抑制骨吸收。相关研究表明，(－)-表没食子儿茶素-3-没食子酸酯、hispidulin、naringin等多酚类物质可通过激活AMPK通路抑制OVX诱导的骨质流失。在本研究中，OPE上调AMPK β2亚基的表达，表明OPE通过激活AMPK信号通路发挥骨保护作用。

OVX组AMPK通路下游的PGC-1α和GLUT4的表达下调，而OPE逆转了这一作用。PGC-1α是治疗OP和骨老化的潜在重要靶点，因为它通过抑制骨干细胞的成脂分化，从而促进骨形成。被PGC-1α激活的GLUT4是葡萄糖转运蛋白家族中最重要的转运蛋白，缺乏GLUT4会干扰成骨细胞的增殖和分化。在本研究中，OPE上调GLUT4的表达，并促进葡萄糖吸收（图7E），提示OPE可通过促进成骨细胞的葡萄糖摄取发挥骨保护作用。

图5 OVX和OPE改变了股骨组织的基因表达谱

图6差异表达基因的功能富集

图7 OPE对钙/AMPK信号通路的调控作用

如图8所示，OPE具有骨保护作用的潜在机制可能是通过调节钙通道蛋白（电压门控Ca2+通道（VGCCs）和受体操纵钙通道（ROC））的表达，促进细胞外钙内流，为骨基质的形成提供足够的底物。细胞内钙离子的增加激活CAMKII，促进AMPK磷酸化，促进成骨细胞成骨，抑制破骨细胞活化。进一步激活PGC-1α和GLUT4促进葡萄糖转运，为成骨细胞增殖和分化提供充足的能量供应。

图8 OPE通过钙/AMPK信号干预OVX诱导的OP

Conclusion

综上所述，OPE能促进MC3T3-E1细胞成骨分化，减轻OVX诱导的大鼠骨丢失。OPE对OVX大鼠的骨保护作用归因于降低氧化应激水平，激活钙/AMPK信号通路，促进骨形成。本研究结果表明，欧李多酚是一种潜在的预防和治疗OP的膳食补充剂。

第一作者

张羽师，女，北京中医药大学中药学院博士研究生，主要研究方向为中药资源功能挖掘与利用。参与国家自然科学基金面上项目一项，参与北京市自然科学基金项目一项，参与宁夏重点研发计划项目一项。以第一作者发表SCI论文3篇，参与发表中英文论文8篇。

崔清宇，女，北京中医药大学中药学院博士研究生，主要研究方向为中药资源功能挖掘与利用。参与国家自然科学基金面上项目一项，参与北京市自然科学基金项目一项，参与宁夏重点研发计划项目一项，参与校级自主课题两项，参与国家级大学生创新创业训练项目一项。以第一作者发表SCI论文3篇，参与发表中英文论文8篇。

通信作者

李卫东，男，北京中医药大学研究员、博士生导师。兼职中国经济林协会金银花分会会长、中国农业工程学会咨询工作委员会副主任委员、国家农业农村部兽药评审专家、国家林草局林草植物新品种保护评审专家、航天育种产业创新联盟专家委员会专家。研究方向：中药资源评价与品种创新、中药资源功能挖掘与利用、中药材规范化生产与质量控制。主持和参与课题70余项，在国内外刊物发表论文150余篇，专著10部。授权发明专利4件，获得植物新品种权证书9项、国家级林木良种3个、北京市林木良种2个。发布行业标准1个、团体标准1个、地方标准4个。项目“中药植物新品种转化应用助力乡村振兴”，入选教育部首批“十四五”高校科技助力乡村振兴示范工程项目典型案例。相关研究成果转化1057万元。

Chinese dwarf cherry [Cerasus humilis (Bge.) Sok.] polyphenol extract promotes osteoblastic differentiation in MC3T3-E1 cells and reduce ovariectomy-induced bone loss in rats via the calcium/AMPK signaling pathway

Yushi Zhanga,1, Qingyu Cuia,1, Lixin Wangb, Xiaoxue Wanga, Shupeng Liua, Rong Zengc, Weidong Lia,*

a School of Chinese Materia Medica, Beijing University of Chinese Medicine, Beijing 102488, China

b Qingdao Histep Health Technology Ltd., Qingdao 266000, China

c Department of Cardiology, Beijing Anzhen Hospital, Capital Medical University, Beijing 100029, China

1 Both authors contributed equally.

*Corresponding author.

Abstract

Chinese dwarf cherry (Cerasus humilis) is a fruit unique to China, which is considered to have osteoprotective effects. However, no systematic experimental characterization was available. In this study, the osteoprotective activity and mechanism of Chinese dwarf cherry polyphenol extract (OPE) was studied. In vitro, OPE stimulated the alkaline phosphatase activity in the early differentiation stage, increased the osteocalcin level in the middle differentiation stage, and induced the formation of more bone-mineralized nodules in the late osteogenic stage. In vivo, OPE improved cancellous bone structure and maximum load of the femur in ovariectomized (OVX) rats. The balance between bone formation and resorption was regulated. Oxidative stress levels in the peripheral blood, liver and femur were reduced. OPE alleviated the disturbance in energy metabolism, muscle development, and muscle regulation-related signaling pathways caused by OVX and activated the calcium/adenosine monophosphate-activated protein kinase signaling pathway. Therefore, OPE is a potential dietary supplement for the prevention and treatment of osteoporosis.

Reference:

ZHANG Y S, CUI Q Y, WANG L X, et al. Chinese dwarf cherry [Cerasus humilis (Bge.) Sok.] polyphenol extract promotes osteoblastic differentiation in MC3T3-E1 cells and reduce ovariectomy-induced bone loss in rats via the calcium/AMPK signaling pathway[J]. Food Science and Human Wellness, 2025, 14(7): 9250174. DOI:10.26599/FSHW.2024.9250174.

本文编译内容由作者提供

编辑：梁安琪；责任编辑：孙勇

封面图片：摄图网

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