天然免疫介導(dǎo)凋亡-炎癥途徑參與骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病的研究進(jìn)展

周炎，劉世清

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院骨科，湖北 武漢 430060)

骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis，OA)是多種因素作用于滑膜、關(guān)節(jié)囊、軟骨及軟骨下骨，以慢性滑膜炎、關(guān)節(jié)軟骨退變及軟骨下骨重塑為特點(diǎn)的退行性骨關(guān)節(jié)疾病[1]。流行病學(xué)調(diào)查顯示，美國50歲以上人群中因OA引起的重度疼痛及功能受限約占23%?；诹笮姓^(qū)劃的中國40歲以上人群原發(fā)性O(shè)A總體患病率為46.3%[2]。隨著社會(huì)老齡化進(jìn)程及肥胖的日益加重，OA發(fā)病率逐年增加，導(dǎo)致患者身體殘疾及生活質(zhì)量降低，給患者帶來沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，OA已經(jīng)演變成為嚴(yán)重的社會(huì)問題，值得廣泛關(guān)注。

長期以來，許多學(xué)者致力于關(guān)節(jié)軟骨生理、病理及軟骨細(xì)胞代謝等方面的基礎(chǔ)研究，并在OA病因及病理機(jī)制方面達(dá)成了一定共識(shí)。目前普遍認(rèn)為OA與遺傳因素、年齡、體重及外傷等因素有關(guān)，其病理改變主要涉及關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞外基質(zhì)降解、軟骨細(xì)胞凋亡及軟骨成分自身免疫反應(yīng)等[3]，軟骨細(xì)胞凋亡及炎癥機(jī)制在OA中扮演著重要的角色。近年來，隨著研究的逐漸深入，OA在分子生物學(xué)方面的發(fā)病機(jī)制越來越引起學(xué)者們的關(guān)注，由機(jī)體天然免疫系統(tǒng)介導(dǎo)的慢性、低度炎癥反應(yīng)在OA發(fā)病機(jī)制中的作用逐漸成為研究熱點(diǎn)[4]，開辟了OA研究的新領(lǐng)域，將使我們更加全面地認(rèn)識(shí)OA，為OA早期防治提供新思路。

1 天然免疫系統(tǒng)與OA密切相關(guān)

過去十余年，對(duì)OA發(fā)病機(jī)理的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了漸進(jìn)而根本的轉(zhuǎn)變，OA不再僅僅被認(rèn)為是由于自身正常磨損所致典型的退行性疾病，而是由多種危險(xiǎn)因素共同參與及相互作用引起，其中低度及慢性炎癥反應(yīng)起著至關(guān)重要的作用，尤其在OA早期階段表現(xiàn)更為突出。近年研究提出，OA所表現(xiàn)的低度及慢性炎癥反應(yīng)是由機(jī)體天然免疫系統(tǒng)激發(fā)，同時(shí)伴有關(guān)節(jié)局部組織損傷及代謝功能紊亂[5]。

不同于獲得性免疫系統(tǒng)，天然免疫系統(tǒng)是機(jī)體天然免疫細(xì)胞和分子在識(shí)別病原體及其產(chǎn)物或體內(nèi)損傷、衰老、突變細(xì)胞等抗原性異物后，發(fā)生活化并有效吞噬殺傷病原體或體內(nèi)"非己"抗原性異物，產(chǎn)生非特異性免疫保護(hù)作用的過程[6]。而對(duì)于OA表現(xiàn)的炎癥及其他病理學(xué)改變，天然免疫系統(tǒng)作為機(jī)體抵御的第一道防線是如何發(fā)揮作用呢？Scanzello等[7]研究表明由創(chuàng)傷、勞損及退變等因素引起的軟骨細(xì)胞及細(xì)胞外基質(zhì)的損傷相關(guān)分子模式(damage-associated molecular patterns，DAMPs)，可激活機(jī)體天然免疫系統(tǒng)，從而調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)炎癥反應(yīng)及促進(jìn)損傷組織的修復(fù)。在OA形成過程中，DAMPs作為內(nèi)源性分子可傳導(dǎo)信號(hào)至天然免疫細(xì)胞，通過與細(xì)胞膜上多種模式識(shí)別受體(pattern recognition receptors，PRRs)相互作用，引起關(guān)節(jié)無菌性炎癥反應(yīng)，并觸發(fā)機(jī)體的保護(hù)作用[8]，其中，Toll樣受體(Toll like receptors，TLRs)為最主要的PRRs。通過激活蛋白-1、環(huán)磷酸腺苷反應(yīng)元件結(jié)合蛋白、干擾素調(diào)節(jié)因子及核轉(zhuǎn)錄因子-κB(nuclear factor-κB，NF-κB)的作用，被激活的TLRs可導(dǎo)致促炎細(xì)胞因子釋放，并證實(shí)與滑膜炎、軟骨退變及OA易感性密切相關(guān)[7]。研究表明，人體軟骨細(xì)胞中可檢測到TLRs表達(dá)，在OA患者關(guān)節(jié)軟骨及滑膜組織中TLR2及TLR4表達(dá)量明顯升高，且經(jīng)TLRs激動(dòng)劑刺激后，軟骨細(xì)胞中基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteases，MMPs)、一氧化氮(nitric oxide，NO)及前列腺素E2表達(dá)明顯升高，并激活巨噬細(xì)胞的活性，導(dǎo)致軟骨退變加速[9]。

補(bǔ)體系統(tǒng)是先天免疫的另一個(gè)重要組成部分，由30多種血漿和膜結(jié)合蛋白組成，可通過經(jīng)典途徑、替代途徑和凝集素途徑激活，但都會(huì)聚到C5b到C9形成的補(bǔ)體膜攻擊復(fù)合體中。補(bǔ)體系統(tǒng)的主要生物學(xué)功能是識(shí)別“異物”顆粒和大分子，并通過調(diào)理或裂解促進(jìn)其消除[10]。在OA患者滑膜及滑液組織成分中，均可檢測到補(bǔ)體成分的沉積，OA軟骨細(xì)胞通過上調(diào)IL-1β和TNF-α等促炎細(xì)胞因子，亦可合成補(bǔ)體成分[11]。由于軟骨重塑和修復(fù)失調(diào)而導(dǎo)致軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的釋放，以及軟骨細(xì)胞凋亡改變等OA特征性病理改變，可能是通過激活補(bǔ)體系統(tǒng)來完成，軟骨細(xì)胞產(chǎn)生的補(bǔ)體可以與滑膜來源的補(bǔ)體協(xié)同作用，可顯著增強(qiáng)OA的病理性反應(yīng)[12]。研究表明，在內(nèi)側(cè)半月板切除小鼠模型中，敲除補(bǔ)體途徑(C5和C6)組分，可減輕OA關(guān)節(jié)軟骨損傷，而敲除CD59保護(hù)素可促進(jìn)野生型小鼠的關(guān)節(jié)軟骨退行性改變[12]。通過阻斷補(bǔ)體激活的策略已成為OA治療的潛在靶標(biāo)，但是否需要補(bǔ)體慢性抑制以及這種抑制可能產(chǎn)生的不良影響尚未清楚，有待進(jìn)一步探討。

作為天然免疫細(xì)胞的重要成員，被DAMPs及補(bǔ)體活化的巨噬細(xì)胞及肥大細(xì)胞與OA發(fā)病密切相關(guān)。OA關(guān)節(jié)滑膜組織中被激活的巨噬細(xì)胞通過產(chǎn)生白細(xì)胞介素-1β(interleukin，IL-1β)、淋巴毒素-α及MMPs等細(xì)胞因子，廣泛參與OA軟骨組織破壞及骨贅形成[13]。OA滑膜組織中也存在被激活的肥大細(xì)胞，肥大細(xì)胞數(shù)量越多，滑膜炎癥和結(jié)構(gòu)損傷程度越高[14]。此外，OA滑膜組織肥大細(xì)胞的類胰蛋白酶活性高于正?；そM織，肥大細(xì)胞類胰蛋白酶釋放到關(guān)節(jié)滑液中，刺激纖維母細(xì)胞的增殖和促炎細(xì)胞因子的釋放，導(dǎo)致OA發(fā)病[15]。另一種典型的肥大細(xì)胞介質(zhì)是組胺，與類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎(rheumatoid arthritis，RA)相比，OA滑膜組織肥大細(xì)胞的組胺含量接近或更高，但組胺釋放量較低[16]，肥大細(xì)胞及其介導(dǎo)因子在OA發(fā)病中的確切作用尚不清楚。

脂肪細(xì)胞可產(chǎn)生許多脂肪因子，包括瘦素、抵抗素、脂聯(lián)素和減脂素，它們作為OA的生物標(biāo)志物，在某些情況下，可能通過上調(diào)MMPs和蛋白聚糖酶介導(dǎo)關(guān)節(jié)軟骨破壞[17]。在OA患者關(guān)節(jié)滑液中瘦素的濃度高于血清中的濃度，與嚴(yán)重OA患者的體重指數(shù)(body mass index，BMI)顯著相關(guān)，與相同年齡和BMI的男性相比，女性關(guān)節(jié)腔內(nèi)具有更高的瘦素濃度，這些結(jié)果高度提示關(guān)節(jié)內(nèi)瘦素水平可能有助于增加女性O(shè)A發(fā)病率，瘦素介導(dǎo)的信號(hào)通路對(duì)于調(diào)節(jié)代謝引發(fā)的炎癥反應(yīng)至關(guān)重要[18]。脂聯(lián)素作為一種脂肪細(xì)胞因子具有維持能量代謝內(nèi)穩(wěn)態(tài)、調(diào)節(jié)免疫平衡、調(diào)控細(xì)胞增殖的作用，為先天免疫系統(tǒng)與新陳代謝之間建立了額外聯(lián)系，與OA發(fā)病呈負(fù)相關(guān)性[19]。

天然免疫系統(tǒng)被DAMP-PRR信號(hào)途徑激活后，產(chǎn)生一系列炎性介質(zhì)，啟動(dòng)正常的免疫應(yīng)答，從而開啟關(guān)節(jié)軟骨組織自我修復(fù)之旅，同時(shí)DAMP-PRR信號(hào)長期異?；罨l(fā)的炎癥反應(yīng)，可加重軟骨組織的損傷。天然免疫系統(tǒng)在OA發(fā)生發(fā)展中具有雙向調(diào)節(jié)作用，可能成為OA發(fā)病機(jī)制中重要的組成部分，值得深入研究及探討。

2 天然免疫重要分子-表面活性蛋白D(surfactant protein D，SP-D)在OA中的異常表達(dá)及功能

生物體在長期種系發(fā)生及進(jìn)化過程中逐漸形成的天然免疫體系，主要由屏障結(jié)構(gòu)、天然免疫細(xì)胞、天然免疫分子組成。SP-D是起初在肺組織中發(fā)現(xiàn)的一種重要天然免疫分子，主要由Ⅱ型肺泡細(xì)胞和呼吸性細(xì)支氣管上Clara細(xì)胞分泌并儲(chǔ)存于板層小體，屬于凝集素蛋白家族成員，為親水性蛋白，在維持肺免疫功能、參與宿主防御、清除機(jī)體凋亡細(xì)胞及調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)等方面發(fā)揮著重要作用[20]。SP-D是一種膠原凝集素，分子量約為43 000 Da，其一級(jí)結(jié)構(gòu)由鈣離子依賴的碳水化合物識(shí)別區(qū)域(carbohydrate recognition domain，CRD)、氨基酸末端區(qū)、頸區(qū)及膠原樣區(qū)四部分組成，三級(jí)結(jié)構(gòu)為3個(gè)單位的膠原樣區(qū)以并聯(lián)形式相連的三聚體，四級(jí)結(jié)構(gòu)由4個(gè)三聚體以二硫鍵形式交聯(lián)形成十字形結(jié)構(gòu)[21]。近年來，在肺外如腎臟、腸系膜上皮、胰腺、膽囊、鼻黏膜、前列腺及生殖系統(tǒng)中，紛紛檢測到SP-D表達(dá)。體外研究證實(shí)SP-D具有參與介導(dǎo)調(diào)節(jié)多種免疫細(xì)胞如巨噬細(xì)胞、單核細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞、肥大細(xì)胞和樹突細(xì)胞等功能[22]。近期Zhou等[23]研究發(fā)現(xiàn)，人及大鼠軟骨組織中檢測到SP-D表達(dá)，且正常軟骨組織中的表達(dá)量高于OA軟骨組織。

研究發(fā)現(xiàn)，在RA患者關(guān)節(jié)滑液中SP-D表達(dá)升高，其來源主要由滑膜深層的血管內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生[25]；血清SP-D在RA患者不同階段及健康個(gè)體中呈現(xiàn)晝夜變化趨勢；SP-D基因編碼的多態(tài)性與RA侵襲性及患者吸煙史密切相關(guān)，在有吸煙史的侵襲性RA中，血清SP-D表達(dá)顯著降低；表明SP-D在體現(xiàn)RA發(fā)病機(jī)制方面，可能在激發(fā)機(jī)體天然免疫系統(tǒng)及調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)炎癥反應(yīng)等方面扮演著重要的角色[26]。SP-D可抑制硝普鈉(Sodium nitroprusside，SNP)誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞凋亡，在體內(nèi)發(fā)揮對(duì)大鼠關(guān)節(jié)軟骨組織的保護(hù)作用[23]。通過敲除SP-D基因或過表達(dá)，觀察小鼠體內(nèi)凋亡細(xì)胞清除速率，發(fā)現(xiàn)SP-D過表達(dá)小鼠體內(nèi)的清除速率明顯高于SP-D敲除小鼠，提示SP-D具有清除凋亡細(xì)胞的功能[27]。通過盲腸結(jié)扎穿孔術(shù)后膿毒癥誘導(dǎo)急性胰腺炎及腎損傷時(shí)，SP-D基因敲除小鼠中胰腺細(xì)胞及腎小管上皮細(xì)胞凋亡率及血清促炎細(xì)胞因子明顯高于野生型小鼠[28-29]。SP-D可降低由肺炎誘導(dǎo)的膿毒癥小鼠小腸上皮細(xì)胞凋亡，減少促炎細(xì)胞因子釋放，達(dá)到保護(hù)腸道屏障的功能[30]，由膽囊產(chǎn)生的SP-D可釋放到腸道內(nèi)，與腸道共生的菌群選擇性結(jié)合，維持腸道免疫內(nèi)穩(wěn)態(tài)[31]。SP-D可調(diào)節(jié)小鼠睪丸免疫環(huán)境，通過抑制睪丸免疫炎性反應(yīng)，讓精子更好獲能，提升精子的生殖功能[32]。在內(nèi)毒素誘導(dǎo)的大鼠腦室周圍白質(zhì)軟化實(shí)驗(yàn)研究中，SP-D通過降低少突膠質(zhì)細(xì)胞凋亡及低髓鞘化，達(dá)到腦神經(jīng)功能保護(hù)作用[33]。SP-D可特異性結(jié)合TLR4胞外受體結(jié)構(gòu)域，從而抑制TLR4表達(dá)及炎癥因子釋放，維持表面活性物質(zhì)穩(wěn)態(tài)，介導(dǎo)先天性防御、清除凋亡細(xì)胞及調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)[34]。

軟骨細(xì)胞凋亡是OA關(guān)節(jié)軟骨的特征性病理學(xué)改變，主要表現(xiàn)為軟骨細(xì)胞皺縮、核染色體固縮、DNA碎裂、質(zhì)膜囊泡及凋亡小體形成，并伴有軟骨基質(zhì)鈣化及降解。軟骨細(xì)胞凋亡發(fā)生率與軟骨基質(zhì)損耗及破壞程度具有高度一致性，確立了軟骨細(xì)胞凋亡機(jī)制在OA發(fā)生發(fā)展過程中的重要地位。另一方面，多種促炎因子如IL-1β、IL-6、腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF)-α等已被證實(shí)在OA發(fā)病進(jìn)程中起關(guān)鍵性作用，可導(dǎo)致軟骨細(xì)胞合成與分解代謝失平衡，使軟骨細(xì)胞成分、結(jié)構(gòu)及功能發(fā)生改變，共同促進(jìn)OA炎癥的發(fā)生、發(fā)展，現(xiàn)如今OA已被確認(rèn)為是一種炎性疾病[35]。研究證實(shí)SP-D與OA發(fā)生發(fā)展存在重要的相關(guān)性，SP-D通過抑制軟骨細(xì)胞凋亡[23]，并可能通過降低促炎性細(xì)胞因子釋放，在OA發(fā)病過程中扮演著抗凋亡及抗炎角色，起到保護(hù)關(guān)節(jié)軟骨的作用。

3 SP-D參與調(diào)節(jié)OA軟骨細(xì)胞凋亡-炎癥的可能機(jī)制

TLR信號(hào)級(jí)聯(lián)包含許多蛋白質(zhì)，如骨髓分化初級(jí)反應(yīng)蛋白88(myeloid differentiation primaryresponse gene 88，MyD88)及NF-κB，它們的活性均由S-亞硝基化來調(diào)節(jié)[36]。SP-D中具有高親和力的CRD識(shí)別區(qū)域與一種可溶性形式復(fù)合體TLR4和髓樣分化蛋白-2(myeloid differentiation protein-2，MD-2)相互作用，可抑制脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)與TLR4/MD-2胞膜受體結(jié)合，阻止TLR4二聚化，從而下調(diào)TNF-α表達(dá)及抑制NF-κB通路活化[37]。SP-D的寡聚結(jié)構(gòu)是其關(guān)鍵的功能基團(tuán)，其CRD識(shí)別區(qū)域與炎癥抑制受體-信號(hào)調(diào)節(jié)蛋白-1α(signal regulatory protein-1α，SIRP-1α)進(jìn)行相互作用，通過激活蛋白酪氨酸磷酸酶-1(tyrosine-protein phosphatase-1，SHP-1)來抑制NF-κB通路活化，是SP-D另一種調(diào)節(jié)機(jī)制[38]。

NF-κB是一種能特異性結(jié)合相關(guān)基因啟動(dòng)子或增強(qiáng)子的真核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子，廣泛參與調(diào)控細(xì)胞增殖、分化、周期、凋亡及炎性反應(yīng)等過程，是Rel基因家族重要成員。NF-κB家族包括Rel(c-Rel)、RelA(p65)、p50、p52及RelB五種亞基。在靜息狀態(tài)下，無活性NF-κB以潛在狀態(tài)分布于胞漿中，并與抑制因子結(jié)合成為異源多聚體P50-P60-IκBα(IκBβ)。在多種因素的刺激下，IκBα從三聚體中游離出來，p50亞基上的易位信號(hào)及p56亞基上DNA結(jié)合位點(diǎn)被充分暴露，使異二聚物顯示出NF-κB活性，并易位入細(xì)胞核，結(jié)合到啟動(dòng)子/增強(qiáng)子區(qū)域，激活靶基因，發(fā)揮其調(diào)控作用[39]。研究證實(shí)，激活NF-κB信號(hào)通路可促進(jìn)IL-6、TNF-α、MMPs等多種炎性及降解因子的轉(zhuǎn)錄，調(diào)控Caspase-3、Bcl-2及Bax表達(dá)，廣泛參與調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞炎癥及凋亡過程，引起軟骨基質(zhì)降解，在OA發(fā)病機(jī)制中具有重要作用[40]。在OA發(fā)生發(fā)展過程中，SP-D異常表達(dá)對(duì)OA軟骨細(xì)胞凋亡及炎癥的影響，可能存在凋亡-炎癥信號(hào)TLR4/MyD88/NF-κB通路介導(dǎo)SP-D抑制OA軟骨細(xì)胞凋亡及炎癥的關(guān)鍵分子事件，有待深入探討。

綜上所述，從天然免疫系統(tǒng)及天然免疫分子SP-D介導(dǎo)OA發(fā)病及調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞凋亡及炎癥角度，闡明OA發(fā)生發(fā)展的分子機(jī)制，有利于深化天然免疫系統(tǒng)與OA發(fā)病機(jī)制的關(guān)系，有望成為揭示OA發(fā)生發(fā)展的一種新機(jī)制，為建立可能的干預(yù)手段尋找到新的靶點(diǎn)。