轉化生長因子β/Smad信號通路和骨關節(jié)炎研究進展

喬虎軍 王國祥 郝鑫

1 蘇州大學體育學院（蘇州 215021）

2 哈爾濱體育學院（哈爾濱 150008）

骨關節(jié)炎（osteoarthritis，OA）是以關節(jié)組織成份、結構和功能退行性改變?yōu)樘卣鞯穆躁P節(jié)疾病，主要涉及關節(jié)軟骨損傷并累及軟骨下骨和周圍結構（例如軟骨下骨病變、骨贅和滑膜炎癥等）。OA的發(fā)病部位主要包括膝關節(jié)、髖關節(jié)、手指關節(jié)、頸部、肩關節(jié)、肘關節(jié)、脊椎關節(jié)以及容易被忽視的踝關節(jié)和足等，通常伴有疼痛、腫脹和關節(jié)僵硬等。根據統(tǒng)計，全球已經有超過3.6億人口患有OA[1]，并呈現出一定的性別和年齡特點。美國的一項數據顯示OA發(fā)生的概率和年齡趨勢成正相關，并且提示性別可能成為一個危險因素，超過45歲的女性有著較高的膝骨關節(jié)炎（knee osteoarthritis，KOA）發(fā)病率[2]。超過60歲以后，受OA困擾的女性更是將近男性的兩倍。作為發(fā)達國家主要的致殘疾病之一，OA患者中有80%存在運動局限性，25%患有殘疾[3]。

導致OA的因素是多方面的，例如遺傳或基因突變等先天因素，體重增加引起的機械負荷過大、疾病引起的繼發(fā)性炎癥反應、過量體育運動或機械撞擊引起的創(chuàng)傷、年老發(fā)生的軟骨退行性改變等后天因素[4，5]。雖然這些因素在OA發(fā)生和發(fā)展過程中的影響機制已經開始被探索和認識，但仍缺乏有效的干預措施來阻止或減緩OA的發(fā)展進程。研究表明，轉化生長因子β（transforming growth factor-β，TGF-β）/Smad信號通路參與早期軟骨形成，調節(jié)軟骨細胞內穩(wěn)態(tài)，影響軟骨細胞表型特征。TGF-β/Smad信號通路與OA的病理變化有著密切的聯系。充分理解TGF-β/Smad信號通路的分子機制，有助于探索治療OA的潛在靶點。因此，本文根據國內外相關研究對TGF-β/Smad信號通路與軟骨細胞以及OA的關系進行綜述。

1 TGF-β/Smad信號通路

1.1 TGF-β 及其受體

TGF-β屬于TGF-β超家族成員，參與細胞增殖、識別、分化和凋亡等過程，并在哺乳動物早期發(fā)育和調節(jié)免疫應答過程中起到一定的調控作用。TGF-β在人類中有三種結構相似的亞型（TGF-β1、TGF-β2和TGF-β 3），它們擁有84%～92%的高度同源性，并被不同的基因所編碼。首先，TGF-β基因編碼形成前體分子（perpro-TGF-β），其主要由隱性相關肽（LAP）、成熟的TGF-β蛋白和一個信號肽等部分構成。信號肽在內質網中被切除后形成無活性的pro-TGF-β。隨后通過弗林蛋白酶在反式高爾基體中進一步加工，最終成熟的TGF-β從LAP中分離出來。但這兩種多肽仍以非共價鍵的形式形成復合體（small latency complex，SLC），抑制成熟TGF-β的活性。然后，TGF-β可以通過蛋白酶水解（纖溶酶，MMP-2，MMP-9）、活性氧化物質（ROS）刺激、血小板反應蛋白-1（TSP-1）與LAP相互作用、酸性環(huán)境刺激或者與整合素的相互作用等方式而激活[6]。

TGF-β超家族有三種受體，分別為Ⅰ型（ALK1-7）、Ⅱ型（TβRⅡ，ActRⅡ，ActRⅡb，BMPRⅡ和MISRⅡ）和Ⅲ型共同受體（CD109、內皮因子、β-蛋白聚糖）。其中Ⅰ型受體和Ⅱ型受體都是單通道跨膜受體，是含有特殊絲氨酸/蘇氨酸激酶結構域特征的糖蛋白。信號傳導過程中，Ⅰ型受體不能直接和配體分子結合，但可以在配體分子存在下和Ⅱ型受體形成親和力比較高的受體復合物。Ⅱ型受體自身具有多個磷酸位點，具有持續(xù)的激酶活性，因而可以在兩種受體結合后激活Ⅰ型受體，進而啟動下游通路。Ⅲ型共同受體中的β-蛋白聚糖是一種沒有蛋白激酶活性的蛋白多糖，可以增加配體和另外兩種受體的親和力。此外，作為TGF-β超家族的共同受體，β-蛋白聚糖參與TGF-β超家族配體的運輸，是信號輸出的決定因素[7]。

1.2 Smad

Smad蛋白處于TGF-β/Smad信號通路的核心位置，在信號傳導以及調控下游目標基因轉錄過程中扮演重要角色。已知的哺乳動物Smad蛋白家族包括Smad1、Smad2、Smad3、Smad4、Smad5、Smad6、Smad7和Smad8（有報道稱為Smad9）。根據其特有的構造和功能，將Smad蛋白分為R-Smad，Co-Smad和Ⅰ-Smad。這些蛋白在TGF-β超家族發(fā)起的Smad信號通路中發(fā)揮不同的功能。R-Smad包括Smad1、Smad2、Smad3、Smad5和Smad8，統(tǒng)稱為受體調節(jié)Smad蛋白，可以和具有激酶活性的Ⅰ型受體相互作用而激活。Smad4被稱為公用型Co-Smad蛋白，可以為所有的R-Smad提供輔助，其主要功能就是協(xié)助信號分子進入細胞核。Ⅰ-Smad是一類對TGF-β超家族信號傳導起到抑制作用的Smad蛋白，主要包括Smad6和Smad7。其可以干擾R-Smad同受體或Smad4的結合，進而對TGF-β超家族Smad依賴性信號途徑發(fā)揮調節(jié)或抑制作用[8]。

1.3 TGF-β /Smad信號通路的分子機制

如圖1，TGF-β/Smad信號通路主要是TGF-β信號分子，細胞膜表面Ⅰ型和Ⅱ型絲氨酸/蘇氨酸跨膜受體以及細胞內效應物質Smad通過特異性膜結合的方式傳導。研究表明，Ⅰ型受體ALK決定何種R-Smad被磷酸化，是信號傳遞的重要環(huán)節(jié)。該特異性主要由Ⅰ型受體β-折疊結構中β4和β5之間的環(huán)和R-Smad蛋白中L3環(huán)之間的相容性決定。典型的TGF-β/Smad信號路徑為TGF-β/ALK5/Smad2，3，然而越來越多的研究發(fā)現TGF-β還可以通過ALK1/Smad1，5，8途徑傳導信號。兩條信號通路分別在軟骨細胞終末分化過程中發(fā)揮相反作用[9]。研究證實，TGF-β/Smad2，3信號傳導有利于維持軟骨細胞內穩(wěn)態(tài)，而TGF-β/Smad1，5，8信號通路則會引起軟骨細胞肥大[5，10]。

如圖1所示，活化后的TGF-β先后和兩種受體結合，并在細胞膜表面形成異源四聚體受體復合物。然后，具有持續(xù)性激酶活性的TβRII在受體復合物中磷酸化ALK1或ALK5，使ALK1或ALK5活性得到激活。受體復合物在細胞膜表面通過clathrin蛋白介導的內吞作用而進入細胞質[11]。進入細胞后，活化的Ⅰ型受體（ALK5或ALK1）可以和Smad2，3或Smad1，5，8短時間結合，并使其磷酸化。接下來，Smad2，3或Smad1，5，8從受體復合物中分離并和Co-Smad相互作用，形成具有功能的三聚體并進入細胞核內[12]。然后，三聚體復合物和帶有轉錄因子的目標DNA相互作用并招募不同的復合物，進而激活不同的基因組[13]。

圖1 TGF-β介導的Smad信號路徑

2 TGF-β/Smad信號通路與軟骨細胞

2.1 軟骨細胞形成

軟骨細胞可以分為早期軟骨細胞形成階段和軟骨細胞肥大階段：早期以轉錄因子Sox9上調，軟骨細胞外基質Ⅱ型膠原蛋白和聚集蛋白多糖沉積為特征；肥大階段則以軟骨細胞體積增大，軟骨細胞外基質重塑、終末分化標志物成骨轉錄因子Runx2、肌細胞促進因子MEF2C、MMP-13、X型膠原蛋白、堿性磷酸酶（ALP）以及印度刺猬蛋白（Ihh）等增加為特征[14-16]。

軟骨細胞形成于胚胎發(fā)育期的間充質細胞，同時伴有環(huán)磷酸腺苷（cAMP）、TGF-β、纖連蛋白、神經細胞粘附分子（N-CAM）、N-鈣粘蛋白等物質增加[14]。間充質細胞先后分化為骨祖細胞和成軟骨細胞（此時胞外基質和纖維不斷形成），最后形成兩種主要的軟骨細胞，即關節(jié)軟骨細胞和生長板軟骨細胞。早期軟骨細胞形成階段，關節(jié)軟骨細胞和生長板軟骨細胞擁有共同的細胞表型特征。然而，兩種細胞什么時候開始形成特有的表型特征并不十分清楚。它們最顯著的區(qū)別在于，關節(jié)軟骨細胞不會像生長板軟骨細胞一樣進入肥大前狀態(tài)。即關節(jié)軟骨細胞終末分化被抑制形成永久性透明軟骨。然而，骨關節(jié)炎發(fā)展期間，關節(jié)軟骨中的軟骨細胞表型發(fā)生變化，形成類似于僅在終末分化期的軟骨細胞表型。

TGF-β/Smad2，3信號通路可以促進軟骨細胞Ⅱ型膠原蛋白和聚集蛋白多糖的形成[17，18]。事實證明此信號通路在軟骨細胞擴增以及形成軟骨樣組織過程中發(fā)揮重要作用。其潛在機制是TGF-β/Smad2，3信號通路上調轉錄因子Sox9，增加軟骨細胞外基質分子。在骨髓間充質干細胞形成軟骨的研究過程中發(fā)現，Smad3和Smad4比Smad2發(fā)揮更為重要的作用[19]。

Sox9是早期軟骨細胞、生長板軟骨細胞和關節(jié)軟骨細胞形成過程中的重要轉錄因子，在軟骨細胞分化的不同階段發(fā)揮不同的作用[20]。大量研究表明，Sox9可以促進軟骨特異性基質分子（Ⅱ型膠原蛋白和聚集蛋白多糖）的形成。染色體免疫共沉淀測序分析發(fā)現，在早期軟骨細胞形成過程中（肥大階段前），Sox9的目標基因幾乎包括了所有的軟骨細胞外基質分子以及眾多軟骨特異性調節(jié)因子[21，22]。事實證明，Sox9和Sox5/Sox6相互協(xié)作，通過刺激超級增強子促進軟骨細胞外基質沉積，進而驅動軟骨形成[21，23]。研究發(fā)現TGF-β1可以促進Sox9mRNA和Sox9蛋白表達[24，25]，而且可以分別通過兩條獨立的信號通路p38和Smad2，3調節(jié)Sox9的磷酸化和穩(wěn)定[26]。組蛋白去甲基化酶（KDM4B）減少會降低Sox9啟動子和Smad3的結合，推測組蛋白去甲基化酶（KDM4B）是Smad依賴性激活Sox9不可缺少的一部分[27]。

2.2 軟骨細胞內穩(wěn)態(tài)

軟骨細胞形成后，TGF-β/Smad2，3信號通路有助于維持軟骨細胞內穩(wěn)態(tài)，抑制軟骨細胞肥大標志物的產生。軟骨細胞終末分化階段受到轉錄因子Runx2的嚴格調控。Sox9可以通過與Runx2直接作用或通過介導NKx3.2/BaPx1抑制Runx2。此外，Sox9通過與GLI2/3結合，影響X型膠原蛋白基因上游的增強子，抑制X膠原蛋白的產生[28]。通過重組腺相關病毒感染，實現骨髓間充質干細胞TGF-β和Sox9共表達發(fā)現，Ⅱ型膠原蛋白和聚集蛋白多糖顯著增加，并伴有明顯的細胞擴增、DNA合成以及軟骨細胞形成活動，同時肥大樣標志物Ⅰ型和X型膠原蛋白降低[29]。

體外培養(yǎng)的原代牛軟骨細胞，經過BMP9處理后引起Smad1，5磷酸化且伴有下游基因bAlpl表達，并在1周內形成肥大的軟骨細胞。此現象在少量TGF-β1存在下得到抑制，表明TGF-β1在維持軟骨細胞表型過程中具有重要作用[30]。通過腺病毒轉染兔關節(jié)軟骨細胞的方式實現TGF-β1過表達，聚集蛋白多糖和Ⅱ型膠原蛋白增加，Ⅰ型膠原蛋白減少，軟骨細胞形態(tài)也從長梭形恢復成圓形或橢圓型[31]。此外，TGF-β1過表達顯著增加Sox9 mRNA，并且抑制肥大標記物X型膠原基因COL10A1和礦化標記物MMP-13的產生。

基質金屬蛋白酶抑制因子-3（tissue inhibitor of metalloproteinase-3，TIMP-3）對軟骨起到一定的保護作用，可以抑制MMP-1、MMP-2、MMP-3、MMP-9及MMP-13等基質金屬蛋白酶對軟骨基質的降解。TGF-β/Smad2，3信號通路可以刺激軟骨細胞TIMP-3的表達[32]。這一結論進一步被證實，同時強調細胞外調節(jié)蛋白 激 酶1（extracellular signal-regulated kinase 1，ERK1）在TGF-β誘導TIMP-3表達過程中發(fā)揮重要的調節(jié)作用[33]。

ALK1和ALK 5的比值升高會造成OA樣軟骨細胞表型。推測TGF-β/Smad信號通路由Smad2，3過渡到以Smad1，5，8傳導為主，進而形成一種類似于發(fā)生在骨關節(jié)炎以及老化軟骨細胞中的終末分化軟骨細胞表型。有關研究表明，ALK5的減少會導致軟骨細胞內穩(wěn)態(tài)受到破壞從而引起軟骨細胞終末分化[15]。OA和老齡模型鼠膝關節(jié)軟骨中ALK1/ALK 5比值均升高，鼠軟骨細胞中增加ALK1或抑制ALK5均引起MMP-13表達增加，造成OA樣軟骨細胞表型[34]。通過誘導小鼠軟骨ALK5特異性缺失，導致其產生OA樣軟骨細胞表型，并伴有軟骨退化、滑膜增生和骨贅產生等現象。同時，軟骨細胞中合成代謝和分解代謝相關因子表達失衡，軟骨細胞過度凋亡[35]。此外，敲除小鼠ALK5基因，PRG4mRNA和蛋白水平均降低。

人軟骨細胞中，ALK5可以促進TGF-β1刺激下PAI-1、纖連蛋白和Ⅱ型膠原蛋白等物質的產生，ALK1發(fā)揮相反作用[36]。同時發(fā)現，TGF-β1可引起Smad1，5磷酸化，條件是需要ALK1和ALK5共同參與。ALK5可能在Smad1，5磷酸化過程中扮演更為重要的角色。通過LDN-193189抑制ALK1，2，3并沒有影響TGF-β1誘導的Smad2和Smad1，5磷酸化或下游靶基因表達。相反，通過SB-505124抑制ALK4，5，7則阻礙了TGF-β 1刺激下Smad2和Smad1，5的磷酸化以及下游的轉錄活動[37]。該研究表明，ALK4，5，7在Smad1，5和Smad2，3磷酸化過程中都發(fā)揮重要作用。結果同時表明，Smad1，5的磷酸化可能并不需要ALK1，2，3的參與，這和以往的研究結論ALK1，2，3，6可以磷酸化Smad1，5，8相矛盾，確切結論有待更多的研究來驗證。

綜上所述，TGF-β/Smad2，3信號通路可以增加軟骨細胞Sox9、TIMP-3、Ⅱ型膠原蛋白和聚集蛋白多糖等物質，并對Runx2、X型膠原蛋白和MMP-13等物質起到一定抑制作用。當ALK1/ALK 5比值升高，TGF-β/Smad1，5，8信號通路發(fā)揮主導作用，MMP-13表達增加，PAI-1、纖連蛋白和Ⅱ型膠原蛋白等物質降低，導致OA樣軟骨細胞表型。ALK 5可能在TGF-β發(fā)起的Smad2，3和Smad1，5，8兩條信號通路中都發(fā)揮作用，其具體機制仍不清楚。

3 TGF-β/Smad信號通路與OA

3.1 基因突變與OA

隨著全基因組關聯分析的快速發(fā)展，TGF-β/Smad信號通路中相關分子的遺傳突變與OA之間的聯系已有報道。有研究發(fā)現，TGF-β1 rs1982073C＞T變異可能會增加骨折、骨質疏松和OA的易感性[38]。此外，有報道稱TGF-β1突變可能會引起恩格爾曼綜合癥[39，40]。恩格爾曼綜合癥是一種以漸進性皮質增厚和長骨硬化為特征的進行性骨干發(fā)育不良疾病。骨硬化被認為與OA的發(fā)展有關。

相比TGF-β，Smad3基因突變與OA的聯系得到了更多報道。Smad3由位于15號染色體長臂2區(qū)1帶至2帶區(qū)間的Smad3基因控制，包括9個外顯子和8個內含子。通過對527名歐洲患者分析發(fā)現，Smad3基因內含子區(qū)域的單核苷酸多態(tài)性與膝關節(jié)骨關節(jié)炎和髖關節(jié)骨關節(jié)炎發(fā)生率有關[41]。國內的一項研究也發(fā)現，Smad3基因遺傳突變可能誘發(fā)膝關節(jié)骨關節(jié)炎和手部骨關節(jié)炎[42]。Smad3基因rs12901499位點，GA、GG基因表型以及變異G和膝關節(jié)骨關節(jié)炎的發(fā)生率升高有顯著相關性[43]。類似的研究結果在髖關節(jié)骨關節(jié)炎患者中得到證實[44]。此外，通過限制性片段長度多態(tài)性聚合酶鏈反應（PCR-RFLP）技術分析112名膝關節(jié)骨關節(jié)炎患者和120名健康對照者基因型發(fā)現，OA組Smad3rs12102171 TT型和rs2289263 GG型要明顯高于健康對照組[45]。

動脈瘤-骨關節(jié)炎綜合征（AOS）被描述為一種由Smad3基因突變引起的常染色體顯性遺傳病，其表現為動脈瘤、動脈分層和動脈迂曲，并有早發(fā)性骨關節(jié)炎，輕度顱面、骨骼和皮膚異常等特征[46]。通過分析8個AOS家庭（8種Smad3基因突變）共計45名患者的臨床表現發(fā)現，在接受放射學檢測的26位AOS患者中有25位被確認為OA[47]。到目前為止，已經在Smad3基因中發(fā)現了29種不同的外顯子突變[48]。突變位點遍布整個基因，尤其在外顯子6區(qū)域存在較高的突變率。大多數突變發(fā)生在Smad3基因MH2結構域中，該變化將阻礙Smad3和Smad4的寡聚化以及Smad依賴性轉錄激活。然而，也有部分研究發(fā)現Smad3基因突變攜帶者（AOS患者）沒有出現OA癥狀[49，50]。由于突變是在心臟疾病背景下研究的，未發(fā)現OA癥狀有可能是源于不完整的診斷方法。以上發(fā)現表明，TGF-β/Smad信號通路中相關分子的遺傳變異與OA的發(fā)展密切相關。

3.2 TGF-β /Smad信號通路與OA軟骨損傷治療研究

TGF-β/Smad信號通路受到干擾可能誘發(fā)軟骨損傷。軟骨細胞中TGF-β1受到microRNA-483-5p抑制后，聚集蛋白多糖和Ⅱ型膠原蛋白mRNA含量都降低，MMP-13和Runx2mRNA水平均升高[51]。Ⅱ型TGF-β受體對維持正常軟骨細胞表型不可缺少[52]，通過誘導Ⅱ型受體基因缺失導致關節(jié)軟骨中Runx2，Mmp13和Adamts5表達上調以及基因缺失小鼠漸進的OA發(fā)育[53]。特異性敲除小鼠Ⅰ型受體ALK5得到類似的結果[38]：軟骨分解代謝因子過度生成，合成代謝因子表達降低，發(fā)生OA樣軟骨損傷。同樣，Smad3基因敲除（Smad3-/-）小鼠也逐漸發(fā)展為終末期OA表型[54]。以上研究結果提示如何恢復TGF-β/Smad信號通路平衡可能成為減緩OA軟骨損傷的關鍵。TGF-β/Smad信號分子作為OA軟骨損傷治療的重要研究內容，研究重點主要集中在TGF-β。收集OA晚期患者受損半月板，對提取出的細胞進行TGF-β3刺激，結果顯示Runx2顯著下降，Smad2，3、P-Smad2、Sox9明顯增加[55]。

通過誘導TGF-β表達促進OA軟骨細胞的合成代謝，增加Ⅱ型膠原蛋白和蛋白多糖的產生并抑制X型膠原蛋白形成[56]。同樣，誘導TGF-β表達促進體外培養(yǎng)的OA軟骨重塑，增加TIMPs表達，抑制OA軟骨中X膠原蛋白、MMP-13、甲狀旁腺激素相關肽（PTHrP）和β-連環(huán)蛋白（β-catenin）等物質的形成。此外，ALK1和ALK5的表達均增加且保持良好的ALK1/ALK5平衡。

采用軟骨細胞介導的TGF-β1基因療法（TG-C）對動物（兔、羊）OA模型進行干預治療，特定劑量下Ⅱ型膠原蛋白增加并發(fā)現再生軟骨[57]。TG-C初期臨床實驗發(fā)現，注射軟骨細胞12個月后，一位患者可見新生軟骨組織，12位患者在關節(jié)炎指數、關節(jié)僵硬評分、疼痛感和關節(jié)活動方面均有不同程度改善[58]。

TGF-β1可以刺激軟骨細胞淺區(qū)蛋白（SZP）的表達[59，60]。SZP又稱為潤華素或蛋白多糖4（PRG4），這些蛋白由表面區(qū)軟骨細胞和滑膜分泌，起到潤滑關節(jié)的作用，所以SZP在軟骨表面的累積對關節(jié)穩(wěn)態(tài)十分重要。免疫印記法和酶聯免疫吸附實驗證實，淺表層軟骨細胞表面的粘多糖影響TGF-β1對SZP積累的刺激[61]。抑制Smad3磷酸化可以抑制TGF-β1誘導的SZP剪接作用以及SZP蛋白的表達，說明SZP可變剪接以及蛋白表達受到TGF-β/Smad2，3信號通路調控[59]。

3.3 增強TGF-β /Smad信號傳導可能加重OA

鑒于TGF-β/Smad信號通路在維持正常軟骨細胞功能過程中發(fā)揮的重要作用，給予外源性TGF-β治療OA軟骨損傷的報道并不少見。然而，研究者發(fā)現TGF-β表達過高也可能會產生一定的負面作用。增強TGF-β/Smad信號傳導可能誘發(fā)與OA有關的軟骨損傷、軟骨下骨病變和滑膜纖維化等病理變化。有學者發(fā)現OA關節(jié)軟骨中TGF-β1/Smad2，3信號增強，通過敲除TβRⅡ抑制該信號通路則會使軟骨損傷減輕[62，63]。此外，通過抑制不同OA動物模型中TGF-β1活性可以減輕OA病理特征并減緩關節(jié)軟骨的退化[64]。另外一項研究也發(fā)現，TGF-β1過多表達會削弱TGF-β 1/Smad信號通路對OA的緩解作用，抑制TGF-β1活性則減輕軟骨損傷[65]。此外，通過研究自發(fā)性OA模型發(fā)現軟骨退行性病變可能與TGF-β/Smad信號通路改變有關[66]。結果顯示隨著年齡的增長，關節(jié)軟骨pS-mad2，3水平下降，而pSmad1，5，8水平上升。衰老機制可能調控TGF-β/Smad信號通路，使其從Smad2，3偏向Smad1，5，8通路[67]，提示過度的TGF-β活動可能加速軟骨的退化。

隨著近年來對OA病理機制的不斷研究，學者們開始關注軟骨下骨和OA的聯系，并將軟骨和軟骨下骨視為一個整體的功能單位。傳統(tǒng)觀點認為緊鄰軟骨下骨板的鈣化層是兩者不能通過的屏障，事實證明軟骨和軟骨下骨間存在相互串擾，軟骨下骨板上的孔隙可能成為串擾的路徑[68]。尤其是在發(fā)生OA后，軟骨下骨板上的孔隙增加[69，70]，這種串擾可能會更加強烈。推測OA發(fā)生后，滑液中的代謝因子異常，并通過軟骨下骨板的孔隙相互滲透，造成軟骨和軟骨下骨間的相互作用[68]。關節(jié)中異常的TGF-β表達可能同時影響關節(jié)軟骨和軟骨下骨，研究指出活化的TGF-β可以促進間充質干細胞向骨重塑位點轉移，耦合骨吸收和骨形成[71]。OA發(fā)生過程中軟骨下骨異常重塑可能與此有關。研究認為TGF-β1會產生類骨樣小島和異常骨組織并改變軟骨下骨微結構[64]。一項關于膠原誘導性關節(jié)炎的研究證實，軟骨下骨病理變化與異常的TGF-β1活性有關，而且在軟骨下骨中發(fā)現較高的pSmad2，3水平[72]。推測TGF-β/Smad信號通路可能在OA軟骨下骨病變中發(fā)揮一定作用。

持續(xù)的TGF-β信號活動可能導致多種組織的纖維化，例如肝臟、肺部、心臟、腎臟、骨和皮膚等[71]。同樣，TGF-β過度表達可能引起滑膜纖維化[73]。賴氨酸羥化酶2b（LH2）與骨關節(jié)炎纖維化成正相關，研究發(fā)現TGF-β可以通過ALK5/Smad2，3信號傳導誘導PLOD2/LH2產生。Blaney等向小鼠關節(jié)注射介導TGF-β的腺病毒載體2周后，滑膜寬度是對照組的2.5倍，Ⅰ型骨膠原的表達量是對照組的2.45倍，這些指標說明TGF-β導致滑膜纖維化[74]。同樣是通過腺病毒載體實現關節(jié)TGF-β1過表達，Watson等發(fā)現裸鼠膝關節(jié)出現了嚴重的纖維化[75]。提示TGF-β1可能是關節(jié)纖維化的誘導因子。

此外，有研究提出，軟骨細胞中TGF-β通過ALK5/Smad2，3依賴性信號傳導方式刺激神經營養(yǎng)因子（NGF）表達。OA疼痛和NGF成正相關，這可能揭示了OA中潛在的非炎性疼痛的來源[76]。

3.4 TGF-β /Smad信號通路可作為治療OA的潛在靶標

綜上所述，增強的TGF-β/Smad信號傳導可能促進OA的發(fā)展，如何抑制其信號傳導可能成為治療OA的重要內容。為此，眾多研究者進行了不斷的探索。Xue等通過慢病毒載體介導shRNA敲除Smad4，從而抑制TGF-β/Smad信號傳導[77]。體內和體外研究結果顯示，敲除Smad4可以抑制波形蛋白、α-SMA、collagenⅠ、collagen III、Lama1和Timp1等纖維化標志物的產生。Zhen GH等通過多種手段干擾TGF-β/Smad信號傳導，不同程度地減輕了ACLT模型鼠的OA癥狀[64]。軟骨下骨局部進行TGF-β1中和抗體處理后，減輕了異常軟骨下骨形成和關節(jié)軟骨退化；關節(jié)內注射TβRI抑制劑后，穩(wěn)定軟骨下骨結構，減輕軟骨退變；誘導性敲除TβRII后，軟骨蛋白多糖丟失減少，軟骨鈣化減輕，MMP-13和collagen X得到抑制。Chen等證實通過特異性基因敲除TβRII或使用TβRII抑制劑均可以減輕OA（DMM模型）引起的軟骨退變[62]。Fang等發(fā)現成年小鼠退行性踝軟骨中TGF-β1和pSmad2，3水平升高，TβRII基因敲除可以減輕踝軟骨退變[63]。此外，Blaney Davidson等[74]通過向小鼠膝關節(jié)注射IL-1的方式誘導軟骨損傷，并注射表達TGF-β和Smad7的腺病毒載體進行干預。結果顯示，Smad7可以減輕TGF-β引起的滑膜纖維化，同時不影響TGF-β對軟骨的修復。

綜上，TGF-β/Smad信號通路和OA的具體關系仍然沒有定論。全基因組分析證明TGF-β和Smad3基因突變可能誘發(fā)與OA相關的疾病。干擾TGF-β/Smad信號傳導誘發(fā)OA的研究不在少數。然而，隨著研究的深入，部分學者得出了相矛盾的結論。例如，TGF-β/Smad信號通路可能引起軟骨損傷、軟骨下骨病變以及滑膜纖維化等OA癥狀。而且，研究者嘗試多種手段以阻斷TGF-β/Smad信號傳導的方式治療OA，并得到了較理想的治療效果。因此，TGF-β/Smad信號通路和OA的具體關系仍需要更多的實證研究來確定。

4 小結

目前研究表明，TGF-β/Smad信號通路參與早期軟骨細胞形成，并在維持軟骨細胞內穩(wěn)態(tài)過程中發(fā)揮重要作用。TGF-β信號分子I型受體ALK1和ALK5的比值升高會影響軟骨細胞內穩(wěn)態(tài)，甚至造成OA樣軟骨細胞表型。TGF-β/Smad信號通路異常可能誘發(fā)OA樣軟骨損傷，加劇OA癥狀。然而，也有證據表明過強的TGF-β/Smad信號傳導可能誘發(fā)軟骨損傷、軟骨下骨病變和滑膜纖維化等疾病。筆者推測TGF-β/Smad信號通路具有一定的時間和空間特征（不同組織），在不同時間和空間產生不同的生物學效果。因此，充分理解OA的發(fā)病機制，掌握OA后關節(jié)內不同組織中TGF-β/Smad信號通路相關分子的變化規(guī)律并恢復其上下游分子的平衡可能為治療OA提供一定思路。隨著全基因組關聯分析的發(fā)展，可篩選與早發(fā)性OA有關的遺傳變異（例如Smad3），為早期發(fā)現易感患者，理解發(fā)病機制，預防和治療OA提供依據。TGF-β/Smad信號通路和OA的關系仍沒有十分明確，需要更多的研究來闡明。