ERK1/2信號(hào)通路與骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞活性及其治療的相關(guān)性研究

陳澤華 李楠

【摘 要】 細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2是絲裂原活化蛋白激酶家族中的一個(gè)重要亞型，參與骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病的整個(gè)過程，其機(jī)制與細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2可通過調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的增殖、凋亡活性有關(guān)。研究細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2與骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病機(jī)制的關(guān)系，為骨關(guān)節(jié)炎的臨床治療提供新方法和新思路。

【關(guān)鍵詞】 骨關(guān)節(jié)炎;軟骨細(xì)胞;細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶;信號(hào)通路;綜述

doi：10.3969/j.issn.2095-4174.2015.01.016

骨關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）是臨床多發(fā)的老年代謝性骨病，其病理表現(xiàn)以關(guān)節(jié)軟骨損害為主，常累及整個(gè)關(guān)節(jié)組織。大陸地區(qū)40歲以上人群原發(fā)性O(shè)A患病率46.3%，其中男性為41.6%，女性為50.4%，隨著年齡的增大而逐漸升高，本病的致殘率高達(dá)53%[1]。OA的發(fā)病機(jī)制尚不明確，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)治療遠(yuǎn)期療效尚不肯定，中醫(yī)標(biāo)本兼治，各有特色，目前中西醫(yī)結(jié)合保守治療仍為臨床常用治療方法[2]。近年來，信號(hào)通路在OA發(fā)病機(jī)制中的研究更加深入，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶（extracellular signal regulated kinase，ERK）通路在OA的發(fā)病與治療過程中有關(guān)鍵作用，現(xiàn)將其綜

述如下。

1 ERK

絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）級(jí)聯(lián)途徑是細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要途徑，它能將募集到的多種細(xì)胞外信號(hào)（如生長(zhǎng)因子、細(xì)胞因子等）磷酸化活化后逐級(jí)傳遞到細(xì)胞核，并激活多種核轉(zhuǎn)錄因子參與多種生理過程[3]。軟骨細(xì)胞的凋亡、炎癥反應(yīng)、基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）的激活等都與MAPKs信號(hào)傳導(dǎo)通路有關(guān)[4]。MAPKs家族包括c-Jun N-末端激酶（c Jun N terminal kinases，JNK）、p38激酶、ERK、大MAPK通路（BMK1/ERK5）、ERK3、ERK27、NLK和ERK8等8個(gè)亞家族。ERK是脯氨酸導(dǎo)向的絲氨酸、蘇氨酸激酶，1991年Sturgill等在哺乳動(dòng)物細(xì)胞鑒定出，它廣泛存在于哺乳動(dòng)物細(xì)胞中[5]。ERK包括兩個(gè)同源性高達(dá)90%的亞型：ERK1和ERK2，Ras和ERK相互之間構(gòu)成了一條完整Ras/Raf/MEK/ERK信號(hào)通路，并依次順序激活可參與細(xì)胞增殖和凋亡等信號(hào)傳導(dǎo)[6]。在MAPKs家族中，目前已證實(shí)，參與OA發(fā)病的有JNK、p38激酶及ERK[7]，其中ERK1/2信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路是受外界刺激時(shí)決定細(xì)胞命運(yùn)的關(guān)鍵因素，它主要是促進(jìn)增殖，調(diào)控細(xì)胞的終末分化[8]。楊豐建等[9]通過對(duì)家兔OA模型發(fā)病不同時(shí)期關(guān)節(jié)軟骨中的ERK1/2蛋白表達(dá)水平的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)蛋白激酶ERK1/2的表達(dá)水平從造模第

4周開始持續(xù)升高，說明了ERK1/2信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在OA發(fā)病過程中持續(xù)發(fā)揮作用。

2 ERK1/2對(duì)OA發(fā)病過程中關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞活性的影響

近年來研究發(fā)現(xiàn)，ERK1/2信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)在OA中呈現(xiàn)高表達(dá)[10]。ERK1/2信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路是細(xì)胞增殖和凋亡信號(hào)途徑，可被多種細(xì)胞外刺激信號(hào)激活，參與調(diào)節(jié)細(xì)胞的增殖、分化和凋亡，ERK1/2的激活使轉(zhuǎn)錄因子磷酸化來調(diào)節(jié)基因的表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞增殖，阻止細(xì)胞凋亡[11]。

2.1 ERK1/2通路與軟骨細(xì)胞的增殖 高世超等[12]指出，MAPKs家族中ERK1/2信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路是受外界刺激時(shí)決定細(xì)胞命運(yùn)的關(guān)鍵因素，ERK1/2信號(hào)通路能促進(jìn)軟骨細(xì)胞的增殖和肥大分化，導(dǎo)致軟骨鈣化和骨贅形成，從而影響OA的形成和發(fā)展。激活ERK1/2信號(hào)通路可促進(jìn)患者OA軟骨細(xì)胞增殖[13]，程亮[14]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，p-ERK1/2在OA軟骨細(xì)胞中表達(dá)水平較正常軟骨細(xì)胞呈現(xiàn)上調(diào)趨勢(shì)，同時(shí)增殖細(xì)胞核抗原（proliferating cell nuclear antigen，PCNA）在OA軟骨細(xì)胞中表達(dá)也呈上調(diào)趨勢(shì)，認(rèn)為ERK1/2通過調(diào)控PCNA而促進(jìn)OA軟骨細(xì)胞增殖。Xiao等[15]研究發(fā)現(xiàn)，血小板衍生生長(zhǎng)因子（platelet-derived growth factor，

PDGF）能夠通過激活ERK1/2途徑來促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖，抑制軟骨細(xì)胞凋亡。同時(shí)有研究發(fā)現(xiàn)，骨保護(hù)素（osteoprotegerin，OPG）也可通過誘導(dǎo)ERK的磷酸化從而促進(jìn)軟骨細(xì)胞的增殖[16]。任科偉

等[17]發(fā)現(xiàn)，上皮生長(zhǎng)因子受體（epidermal growth factor receptor，EGFR）被抑制后，周期性機(jī)械應(yīng)力促進(jìn)的軟骨細(xì)胞增殖和細(xì)胞外基質(zhì)合成均顯著降低，而且ERK1/2的磷酸化水平也下降，指出周期性機(jī)械應(yīng)力可通過激活EGFRERK1/2信號(hào)通路促進(jìn)大鼠軟骨細(xì)胞增殖和細(xì)胞外基質(zhì)合成。Shakibaei等[18]研究發(fā)現(xiàn)，姜黃素和白藜蘆醇可以通過激活ERK1/2信號(hào)通路來維持軟骨細(xì)胞的分化和生存，并且可抑制白細(xì)胞介素（interleukin，IL）-1β誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。史冰楠[19]通過淫羊藿甙對(duì)關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞增殖、凋亡的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，淫羊藿甙能通過對(duì)ERK1/2通路的激活，減少關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞分泌的NO/NOS和MMP-13，調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的增殖。復(fù)元膠囊含藥血清可促進(jìn)磷酸化ERK1/2表達(dá)、降低培養(yǎng)上清中NO水平、調(diào)節(jié)ERK1/2信號(hào)通路下游p53和caspase-3因子而抑制SNP誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞凋亡[20]。而通過活化ERK通路促進(jìn)關(guān)節(jié)軟骨增殖修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨面而達(dá)到治療OA的報(bào)道并不多見，由此可見，OA發(fā)病過程中，ERK通路的活化促進(jìn)關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的增殖分化，其結(jié)果主要是導(dǎo)致軟骨鈣化和骨贅形成。Pelletier等[21]研究發(fā)現(xiàn)，阻斷ERK1/2信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路不僅能夠有效降低關(guān)節(jié)軟骨的破壞程度，還可以減緩骨贅形成。

2.2 ERK1/2通路與軟骨細(xì)胞的凋亡 ERK1/2可以通過增加p53活性、增強(qiáng)Bax表達(dá)和通過calpain的介導(dǎo)等途徑引起細(xì)胞凋亡[22]。Gómez等[23]認(rèn)為，在OA發(fā)病過程中軟骨細(xì)胞的凋亡與花生四烯酸乙醇胺協(xié)同腫瘤壞死因子（tumour necrosis factor，TNF）-α持續(xù)激活ERK通路密切相關(guān)。IL和TNF是引起OA的主要炎性分子，TNF-α是通過MEK1/2和核因子的途徑來抑制Ⅱ型膠原和連接蛋白基因表達(dá)的，進(jìn)而干擾了關(guān)節(jié)軟骨的合成和重建，TNF-α能促進(jìn)軟骨細(xì)胞IL-1β的表達(dá)，二者產(chǎn)生協(xié)同作用，使軟骨基質(zhì)降解大于合成，導(dǎo)致軟骨破壞[24]。TNF-α通過活化ERK引起MMPs活性增加，從而加速水分的丟失、細(xì)胞外基質(zhì)的降解和細(xì)胞凋亡，ERK抑制劑又能下調(diào)TNF-α基因和蛋白質(zhì)的表達(dá)，抑制細(xì)胞凋亡[25]。IL-1β在誘導(dǎo)MMPs表達(dá)時(shí)也需要ERK信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)[26]，IL-1β和TNF-α與相應(yīng)的受體結(jié)合后，可經(jīng)MAPK途徑和核轉(zhuǎn)錄因子-κB（nuclear factor-κB，NF-κB）途徑進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，最終引起MMPs增高、自由基生成、細(xì)胞凋亡等一系列過程，降鈣素可以抑制IL-1誘導(dǎo)的大鼠膝關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞中ERK1/2通路的激活，下調(diào)MMP-13的表達(dá)，對(duì)OA軟骨細(xì)胞的損傷起到一定的預(yù)防作用[27]。Fan等[28]用ERK通路選擇性抑制劑處理成人軟骨細(xì)胞的體外實(shí)驗(yàn)顯示，ERK的抑制劑能顯著抑制IL-1β誘導(dǎo)引起的MMP-1和MMP-13表達(dá)上調(diào)及Ⅱ型膠原表達(dá)下調(diào)。王祥[29]指出，抑制ERK1或ERK2均能充分阻斷IL-1β介導(dǎo)的OA，并通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，沉默ERK1或ERK2均能顯著抑制IL-1β誘導(dǎo)人軟骨細(xì)胞高表達(dá)COX-2、MMP-3、MMP-13及促進(jìn)前列腺素E2的分泌，同時(shí)均能顯著逆轉(zhuǎn)IL-1β抑制軟骨細(xì)胞表達(dá)Ⅱ型膠原蛋白和蛋白聚糖。因此，ERK通路活化可以通過TNF-α、IL-1β等炎性因子的誘導(dǎo)使MMPs表達(dá)上調(diào)，從而加劇軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的降解，破壞關(guān)節(jié)軟骨。抑制ERK通路的活化可以降低IL-1β和前列腺素E2、NO等炎性遞質(zhì)，從而下調(diào)MMPs的表達(dá)，對(duì)關(guān)節(jié)軟骨起到保護(hù)作用。

總之，在OA的發(fā)病過程中，不同刺激因子下，ERK1/2通路活化參與軟骨細(xì)胞的多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，既可以促進(jìn)軟骨細(xì)胞的增殖、抑制軟骨細(xì)胞凋亡，同時(shí)又可以引起軟骨細(xì)胞結(jié)構(gòu)蛋白破壞、細(xì)胞外基質(zhì)降解，從而加快軟骨細(xì)胞的凋亡。

3 阻斷ERK1/2通路在OA治療過程中的應(yīng)用

中藥復(fù)方能抑制ERK的表達(dá)和磷酸化，從而抑制ERK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，同時(shí)中藥復(fù)方也能興奮此通路[30]。程潭[31]通過對(duì)大鼠OA的研究發(fā)現(xiàn)，降鈣素能有效下調(diào)磷酸化ERK1/2的表達(dá)而減少軟骨細(xì)胞中MMP-13的合成，保護(hù)關(guān)節(jié)軟骨及軟骨下骨組織，延緩OA病情進(jìn)展，以達(dá)到潛在的治療作用。阿侖膦酸鈉能通過抑制IL-1β刺激的大鼠膝關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞中p-ERK1/2通路的激活，下調(diào)MMP-13因子的表達(dá)，從而對(duì)軟骨細(xì)胞起到一定的保護(hù)作用[32]。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，ERK抑制劑PD198306治療OA療效顯著，其作用主要表現(xiàn)在能有效改善滑膜炎癥、骨贅形成和軟骨破壞[33];Prasadam等[34]也發(fā)現(xiàn)，透明質(zhì)酸聯(lián)合U0126（ERK抑制劑）的應(yīng)用可以明顯抑制ERK的磷酸化，減少RUNX2 及MMP-13 的表達(dá)，延緩軟骨細(xì)胞肥大分化及軟骨退化。

4 總結(jié)與展望

MAPK-ERK1/2通路對(duì)OA發(fā)病過程中的作用主要體現(xiàn)在調(diào)控OA軟骨細(xì)胞的增殖和凋亡，可見ERK1/2通路參與細(xì)胞多種細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，既參與了軟骨細(xì)胞的凋亡，又參與了促進(jìn)軟骨細(xì)胞的增殖、抑制軟骨細(xì)胞凋亡，因而ERK1/2特異性抑制劑在人體OA的治療會(huì)存在一定的毒副作用。通過分析ERK1/2通路對(duì)軟骨細(xì)胞增殖凋亡的調(diào)控作用，更加明確OA發(fā)病過程中骨贅形成、軟骨破壞等病理改變的原因。然而ERK1/2通路的活化對(duì)關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞存在多種調(diào)控作用，尋找合適MAPK-ERK1/2靶點(diǎn)藥物對(duì)人體OA的治療有著重要意義。

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收稿日期：2014-10-05;修回日期：2014-11-10