SDF-1信號在骨關節(jié)炎中的作用

鄧純博

（沈陽醫(yī)學院附屬中心醫(yī)院運動創(chuàng)傷骨科，遼寧 沈陽110024）

骨關節(jié)炎（osteoarthritis，OA）是世界上最常見的關節(jié)疾病，是老年人致殘的主要原因之一，給社會經(jīng)濟帶來了巨大的挑戰(zhàn)［1］。衰老、肥胖、性別、吸煙、遺傳、炎癥等原因，以及生物學或生物力學的變化參與或者加速了OA的發(fā)生［2］。軟骨變性曾被認為是OA的主要病理改變，但越來越多的研究表明，OA的病理改變累及整個關節(jié)，不僅涉及軟骨，還累及軟骨下骨、骨髓、半月板、韌帶、肌肉［3-4］。眾多研究結(jié)果表明，多種生長因子和細胞因子在關節(jié)軟骨的發(fā)育和維持中起著重要的作用，但在OA發(fā)展中的作用仍未完全闡明［5-6］。

基質(zhì)細胞衍生因子-1（SDF-1）又稱趨化因子12（CXCL12），是CXC趨化因子家族的成員。SDF-1及其同源CXC受體4（CXCR4）在各種組織中有基礎性表達［7］。近年來，SDF-1參與OA和類風濕關節(jié)炎（RA）的病理機制受到廣泛關注。許多研究表明，SDF-1信號通路可能是OA中關節(jié)軟骨破壞的代謝調(diào)節(jié)劑［8-9］。SDF-1還參與OA軟骨下骨的病理變化［10］。也有研究表明，SDF-1能夠協(xié)同骨形態(tài)發(fā)生蛋白2（BMP2）誘導間充質(zhì)干細胞向軟骨細胞分化，促進軟骨細胞增殖和成熟［11-12］。向關節(jié)腔內(nèi)注射人半月板干細胞（hMeSPC）可在SDF-1/CXCR4信號通路作用下促進半月板修復，延緩OA的發(fā)展［13］。這些研究表明，SDF-1在OA的長期復雜病理學中的作用仍然存在爭議，需要深入研究。本文綜述了SDF-1信號通路在OA病理過程中對關節(jié)軟骨和軟骨下骨的調(diào)節(jié)機制，以及SDF-1在軟骨修復中的作用機制。

1 SDF-1信號通路的作用

1.1 SDF-1/CXCR4信號通路 SDF-1在人腦、肺、心臟、結(jié)腸、腎臟、肝臟、骨骼肌、骨髓等組織中廣泛表達，SDF-1在歸巢循環(huán)干細胞到局部正常和受損組織中起著重要作用［14-16］。CXCR4既往被認為是SDF-1的唯一受體。作為G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR），CXCR4的活化過程是由與細胞膜胞質(zhì)側(cè)的異源三聚體G蛋白的耦合來介導。異源三聚體G蛋白由Gα、Gβ和Gγ亞基組成，在其基礎狀態(tài)下，與鳥嘌呤核苷酸GDP結(jié)合［14］。CXCR4與SDF-1的細胞外結(jié)構(gòu)域結(jié)合誘導受體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，Gα亞基結(jié)合的GDP被GTP替換，Gα亞基從三聚體解離成單體，與cAMP或IP3等細胞效應酶結(jié)合，激活不同的信號轉(zhuǎn)導途徑，如ERK1/2、p38、SAPK/JNK、AKT、mTOR和Bruton酪氨酸激酶（BTK）等，導致各種生物反應發(fā)生，如調(diào)控細胞存活、增殖和趨化，增加細胞內(nèi)Ca2+的釋放，調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄等［17］。SDF-1的作用因不同組織、不同細胞而不同。

1.2 SDF-1/CXCR7信號通路 趨化因子受體7（CXCR7）是由R D C1編碼的7次跨膜受體，已被確定為SDF-1的第二個受體，并與腫瘤生長和轉(zhuǎn)移有關［18］。與CXCR4相比，CXCR7與SDF-1具有更高的親和力，在動物模型中發(fā)現(xiàn)CXCR7參與了細胞存活、細胞黏附和腫瘤的發(fā)展等各種重要生物過程的調(diào)節(jié)［18］。CXCR7是一種非經(jīng)典的GPCR，無法激活G蛋白，其主要作用機制包括：（1）SDF-1/CXCR7結(jié)合后，招募β-抑制蛋白2，激活促分裂原活化蛋白激酶，介導相關信號通路；（2）CXCR7與CXCR4形成異二聚體CXCR7/CXCR4，與SDF-1結(jié)合介導細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導；（3）可作為SDF-1的“清道夫”，降低SDF-1水平，進而弱化CXCR4活性［19］。然而，SDF-1/CXCR7/CXCR4和其他信號通路之間的串擾較復雜，CXCR7的功能仍有爭議［19］。目前，少有關于CXCR7與OA的報道。

2 SDF-1含量變化與OA

關節(jié)軟骨、骨組織在代謝轉(zhuǎn)化過程中釋放代謝產(chǎn)物進入血液、尿液、關節(jié)液中，檢測相關生物學標記物能夠反映軟骨及骨的代謝程度，不僅能夠早期篩查、診斷疾病，而且能夠用于疾病的分期、分級和療效的評估。盡管OA生物學標記物的相關研究眾多，但還沒有任何一種生物學標記物經(jīng)過充分驗證、系統(tǒng)應用，而成為診斷OA的金標準。SDF-1與OA密切相關，反映在OA的各組織中。

2.1 OA患者體液中SDF-1的含量變化 有研究發(fā)現(xiàn)，OA患者血液和關節(jié)液中的SDF-1水平明顯高于正常組，表明SDF-1可能與OA的發(fā)生密切相關［8，20］。Kanbe等［8］研究發(fā)現(xiàn)，OA患者滑液中SDF-1蛋白水平是正常對照組的3.57倍。SDF-1存在于滑膜內(nèi)襯細胞、血管上皮細胞和骨髓中，而不在軟骨組織中表達；OA患者行滑膜切除術或全膝髖關節(jié)置換術（TKR）后，血清中SDF-1水平與手術前相比降低了5.1倍［20］。OA患者滑液中SDF-1水平與OA嚴重程度呈正相關。Xu等［21］根據(jù)Kellgren和Lawrence（KL）分級系統(tǒng)對OA患者嚴重程度進行放射學分級，研究發(fā)現(xiàn)，OA患者的血清SDF-1水平顯著高于健康對照組；KL4級的OA患者滑液中SDF-1水平顯著高于KL2和KL3級患者，KL3級的OA患者滑液中SDF-1水平顯著高于KL2級患者，表明OA患者滑液中SDF-1水平與OA嚴重程度呈正相關；然而，不同KL級OA患者血清中SDF-1水平?jīng)]有顯著差異，研究結(jié)果表明滑液中的SDF-1水平可能是OA進展的替代生物標志物。He等［22］研究發(fā)現(xiàn)，OA患者的血漿SDF-1水平與KL分級呈正相關，多變量分析顯示，血漿SDF-1≥10.5 ng/ml（OR=6.76，95%C I：3.88～12.53，P＜0.01）和 滑液中SDF-1≥15.0 ng/ml（O R=8.45，95%C I：3.23～18.22，P＜0.01）是OA的高危因素。

動物實驗研究也發(fā)現(xiàn)了相似結(jié)果。通過切斷前交叉韌帶的創(chuàng)傷后OA小鼠模型中觀察到血清中SDF-1α水平升高［23］。在一項關于豚鼠OA的研究中發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)傷性OA的SDF-1濃度高于自發(fā)性OA組，創(chuàng)傷性OA和自發(fā)性OA之間的生物標志物存在差異［24］。但Thomas等［25］研究發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)傷性OA組豚鼠與自發(fā)性12月齡OA組豚鼠之間SDF-1水平無顯著差異。

2.2 OA患者軟骨下骨SDF-1的含量變化 軟骨下骨做為軟骨的支撐結(jié)構(gòu)，主要生物學作用是吸收應力、緩沖震蕩并將軟骨的負荷傳遞到骨小梁。近年來研究發(fā)現(xiàn)軟骨下骨結(jié)構(gòu)、骨密度的變化與OA的發(fā)生密切相關。軟骨下骨已經(jīng)成為治療OA新的靶點［26-27］。在OA的早期階段，軟骨下骨微損傷，軟骨下骨厚度減少；在OA晚期，軟骨下骨板增厚，軟骨下骨小梁骨硬化［26］。研究人員發(fā)現(xiàn)軟骨下骨超微結(jié)構(gòu)改變發(fā)生在OA的早期，且先于關節(jié)軟骨發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，軟骨下骨退變可進一步損傷關節(jié)軟骨，加速OA的發(fā)展［27］。在OA軟骨下骨的研究中，SDF-1的含量變化尚未明確。Chen等［10］發(fā)現(xiàn)，膝關節(jié)置換樣本中OA越嚴重，軟骨下骨中SDF-1含量越高；在OA大鼠研究中發(fā)現(xiàn)，SDF-1受體阻滯劑AMD3100治療組的軟骨損傷較少。Lisignoli等［28］研究發(fā)現(xiàn)，從OA患者軟骨下骨提取的成骨細胞含有較低的CXCR4，但SDF-1可顯著誘導成骨細胞的增殖；在軟骨下骨重建區(qū)域的成骨細胞可表達SDF-1和CXCR4。

2.3 SDF-1含量增高的相關機制 滑液中SDF-1由滑膜成纖維細胞合成和分泌，CXCR4在滑膜和軟骨細胞表面表達［8，29］。滑液中SDF-1濃度升高是由于在OA和RA條件下刺激滑膜成纖維細胞合成增多所致，并且SDF-1可顯著增加滑膜成纖維細胞中CXCR4 mRNA含量和表面表達［29］。

目前尚不清楚軟骨下骨中SDF-1/CXCR4表達的變化是否早于軟骨，軟骨下骨中SDF-1水平的變化是否加速了早期OA的發(fā)生。因此，未來應研究SDF-1水平隨OA發(fā)展的時空變化。

3 SDF-1信號通路在OA病理過程中的作用機制

3.1 對細胞外基質(zhì)的調(diào)控機制 軟骨穩(wěn)態(tài)取決于細胞外基質(zhì)蛋白的合成和分解代謝。Ⅱ型膠原蛋白（COL-Ⅱ）為軟骨提供網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，確保其他膠原蛋白類和非膠原蛋白的穩(wěn)定性，并為軟骨提供拉伸強度；多種聚集蛋白聚糖在膠原蛋白網(wǎng)格中形成聚集體，具有較高的負電荷和水結(jié)合能力，為軟骨提供可壓縮性和彈性的機械性能，聚集蛋白聚糖的降解被認為是早期OA的關鍵事件［30］。蛋白水解酶如基質(zhì)金屬蛋白酶（MMP）和聚集蛋白聚糖酶家族調(diào)節(jié)細胞外基質(zhì)蛋白如COL-Ⅱ和聚集蛋白聚糖的分解代謝，而軟骨細胞合成新的細胞外基質(zhì)蛋白以確保細胞外基質(zhì)的動態(tài)平衡［30］。

軟骨細胞中MMP和聚集蛋白聚糖酶的過度表達加速了軟骨退變［30］。MMP-13在OA軟骨中過多表達，是OA相關事件的關鍵誘導因子［9］。早期臨床研究發(fā)現(xiàn)，滑膜切除術后可顯著降低血清中SDF-1、MMP-13和MMP-9的含量，并且發(fā)現(xiàn)SDF-1以劑量依賴方式增加軟骨細胞中MMP-9和MMP-13的釋放［20］。Chiu等［9］發(fā)現(xiàn)，SDF-1可促進軟骨細胞分泌MMP-13；SDF-1與軟骨細胞表面CXCR4受體結(jié)合，激活胞外信號調(diào)節(jié)激酶（ERK）和下游轉(zhuǎn)錄因子c-Fos和c-Jun，導致MMP-13啟動子上激活蛋白1（AP-1）的激活，從而導致OA的軟骨破壞。SDF-1通過激活創(chuàng)傷后OA大鼠中的NF-κB、MAPK和Wnt/β-catenin信號途徑，上調(diào)聚集蛋白聚糖酶的表達，抑制SDF-1/CXCR4信號通路可降低軟骨細胞中聚集蛋白聚糖酶的表達，減輕軟骨變性［31］。

3.2 對炎癥因子的調(diào)節(jié)機制 滑膜和軟骨中炎性細胞因子的表達與OA的關節(jié)軟骨結(jié)構(gòu)改變的進展有關［29，32］。Chen等［29］發(fā)現(xiàn)SDF-1結(jié)合CXCR4激活PI3K-Akt-c-Jun-AP-1信號通路，增加人滑膜成纖維細胞中IL-6的產(chǎn)生。Li等［33］通過體外細胞實驗研究發(fā)現(xiàn)，SDF-1可促進OA軟骨細胞釋放炎性細胞因子IL-1β。IL-1β不僅抑制COL-Ⅱ和聚集蛋白聚糖的表達，還刺激MMP-1、MMP-3和MMP-13的釋放，并誘導IL-6的產(chǎn)生［32］。IL-6聯(lián)合IL-1β和抑瘤素可上調(diào)MMP-1和MMP-13的表達，并降低COL-Ⅱ的表達［32］。Wang等［34］研究發(fā)現(xiàn)，SDF-1/CXCR4軸拮抗劑AMD3100可以劑量依賴性地減弱實驗誘導的大鼠顳下頜關節(jié)骨關節(jié)炎（TMJOA）的嚴重程度以及MMP-3和MMP-9的表達，并提示SDF-1-CXCR4軸在實驗TMJOA中起著促進炎癥作用。miR-22-3p與軟骨退變程度相關，在OA軟骨組織中表達下調(diào)；實驗研究表明，miR-221-3p上調(diào)抑制了SDF-1/CXCR4信號通路，進而阻止了IL-1β誘導的軟骨細胞細胞外基質(zhì)降解［35］。

3.3 對軟骨下骨重建的調(diào)節(jié)機制 Dong等［23］發(fā)現(xiàn)SDF-1信號促進破骨細胞形成，并通過激活包括ERK和p38在內(nèi)的MAPK信號通路，促進抗酒石酸酸性磷酸酶、組織蛋白酶K和MMP-9的表達，促進破骨細胞的形成，加速軟骨下骨吸收，導致軟骨下骨質(zhì)量減少，在OA早期破壞軟骨下骨的結(jié)構(gòu)。Yang等［36］發(fā)現(xiàn)通過激活顳下頜關節(jié)的骨髓間充質(zhì)干細胞（BMSCs）中的Wnt5a/Ror2信號傳導，可激活Ca2+/NFAT通路，促進SDF-1的表達，加速破骨細胞前體的遷移和分化，增加破骨細胞活性，導致骨小梁丟失。然而，也有研究發(fā)現(xiàn)，SDF-1具有促進成骨的作用，參與軟骨下骨結(jié)構(gòu)的重構(gòu)。Lisignoli等［28］通過免疫組化分析發(fā)現(xiàn)SDF-1和CXCR4在OA的軟骨下骨重塑區(qū)的成骨細胞中均有表達，可上調(diào)成骨細胞Col-I mRNA和堿性磷酸酶mRNA的表達，并促進成骨細胞增殖，從而促進軟骨下骨的重建。Chen等［10］發(fā)現(xiàn)膝關節(jié)置換樣本中OA越嚴重，軟骨下骨中SDF-1含量越高；體外細胞實驗證實，SDF-1/CXCR4通過Erk信號通路促進BMSCs向成骨分化。

3.4 SDF-1的其他作用機制 有研究發(fā)現(xiàn)，OA和類風濕關節(jié)炎的滑液中SDF-1的含量明顯高于正常對照組，高濃度的SDF-1誘導軟骨細胞死亡而非凋亡，CXCR4受體拮抗劑可抑制軟骨細胞死亡，但不能改變軟骨細胞凋亡率和凋亡蛋白酶caspase-3的水平；此外，SDF-1以劑量和時間依賴性方式刺激p38 MAPK（絲裂原活化蛋白激酶）活性，p38 MAPK抑制劑SB203580可以消除SDF-1對軟骨細胞死亡的誘導［37］。血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）可顯著影響軟骨細胞增殖、凋亡、代謝，促進細胞釋放MMP和其他介質(zhì)，導致軟骨基質(zhì)降解；還可促進關節(jié)炎血管侵襲和骨贅形成［38］。Wang等［38］發(fā) 現(xiàn)，OA軟 骨 細胞 過 表達SDF-1促進了p38 MAPK激活，從而促進VEGF表達，SDF-1和CXCR4在軟骨祖細胞中的共表達表明它們可以維持VEGF的過表達。Kim等［39］通過體外培養(yǎng)胚胎原代軟骨細胞和脛骨骨塊發(fā)現(xiàn)，SDF-1誘導p38、Erk1/2 MAPK和IκB的磷酸化，p38、Erk1/2 MAPK和NF-κB信號傳導與SDF-1誘導的Runx2和MMP-13的表達相關，Runx2和MMP-13是軟骨細胞成熟的標志物，表明SDF-1可促進軟骨細胞的增殖和成熟，因此其可能對關節(jié)軟骨具有負面影響并促進OA進展。

4 SDF-1對OA的修復作用

SDF-1可以介導干細胞/前體細胞歸巢至損傷器官，在促進損傷組織器官修復的過程中發(fā)揮重要作用。SDF-1可激活間充質(zhì)干/祖細胞（MPCs）中的Smad和Erk通路，促進Sox9和Runx2的表達（分別為軟骨分化的早期和晚期所需的關鍵轉(zhuǎn)錄因子），協(xié)同BMP-2促進MPCs向軟骨細胞分化，阻斷SDF-1信號通路會抑制BMP-2誘導的MPCs向軟 骨細 胞分 化的 能力［40］。Shen等［13］發(fā)現(xiàn)，SDF-1能夠增強hMeSPCs的遷移，而AMD3100抑制了SDF-1對hMeSPCs的趨化作用；hMeSPCs的移植能顯著降低Col-Ⅰ和Col-Ⅹ（OA標志物）的表達，并促進Col-Ⅱ的表達，從而有效地保護關節(jié)軟骨。Lu等［41］的TMJOA動物研究發(fā)現(xiàn)，SDF-1/CXCR4和RANTES/CCR1信號協(xié)同作用可以募集移植的BMSCs至TMJOA小鼠的軟骨區(qū)，從而改善由蛋白多糖和膠原蛋白減少引起的軟骨基質(zhì)松弛，并且可以逆轉(zhuǎn)軟骨降解，AMD3100可以抑制這種作用。在軟骨缺損實驗中，重組人SDF-1α（rhSDF-1α）可募集軟骨祖細胞（CPCs）至軟骨缺損區(qū)，與空白對照組相比，含有rhSDF-1α的軟骨缺損區(qū)產(chǎn)生的新軟骨顯示出明顯更大的界面強度，機械性能與天然軟骨相當，并且新生軟骨的細胞形態(tài)、蛋白聚糖密度和超微結(jié)構(gòu)與天然軟骨相似［42］。軟骨或滑膜中具有干細胞，但在原位基質(zhì)環(huán)境中，硫酸皮膚素和其他蛋白多糖抑制細胞黏附和遷移，從而限制部分缺陷的軟骨自發(fā)修復，含有SDF-1的Col-Ⅰ支架調(diào)控軟骨來源的間充質(zhì)干細胞和滑膜來源的間充質(zhì)干細胞的遷移和黏附，定向遷移至軟骨缺損部位，促進部分厚度缺損的軟骨自我修復，而無需細胞移植［43］。

SDF-1促進OA軟骨修復的作用與之前所述的SDF-1促進OA軟骨退變的作用似乎相矛盾。合理的解釋是在OA的某一病理階段或外在條件用下，SDF-1才能夠發(fā)揮修復軟骨、延緩OA發(fā)展的作用。SDF-1的保護作用還具有一定的局限性：（1）SDF-1主要是通過募集外源性干細胞促進軟骨修復。而大部分OA患者為老齡患者，其自身干細胞的數(shù)量和分化能力有限，如沒有移植外源性干細胞，SDF-1對軟骨修復的作用大大減弱。（2）SDF-1在OA形成后的重建過程中發(fā)揮作用，能否在OA的早期發(fā)生保護作用，尚無相關報道。在各種實驗模型中無法真正地反映OA的真實過程，SDF-1如何發(fā)揮作用，還需深入研究。

綜上所述，在OA發(fā)生的早期，SDF-1通過調(diào)節(jié)相關促炎細胞因子和MMP的釋放，降解軟骨細胞外基質(zhì)，破壞軟骨細胞外基質(zhì)的動態(tài)平衡，加速關節(jié)軟骨的退變。同時在軟骨下骨病變的過程中，SDF-1可能先后調(diào)節(jié)破骨細胞和成骨細胞，參與了軟骨的結(jié)構(gòu)破壞和重塑過程。當OA形成，軟骨發(fā)生損傷、退變時，在特定的條件下SDF-1能夠動員干細胞、祖細胞或調(diào)控相關保護因子，參與軟骨的修復、重建，延緩OA的發(fā)生。因此，能否在OA的早期階段，通過啟動SDF-1信號通路的保護作用，以防止關節(jié)軟骨結(jié)構(gòu)改變和推遲軟骨退變是未來研究的重點。