信號通路在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病機(jī)制中的研究進(jìn)展▲

蔡偉松 李皓桓

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院骨外科，湖北省武漢市 430060，電子郵箱：caiweisong@whu.edu.cn)

【提要】骨關(guān)節(jié)炎是一種多因素引起的慢性退行性骨關(guān)節(jié)疾病，表現(xiàn)為關(guān)節(jié)軟骨破壞、骨贅形成、滑膜炎癥和關(guān)節(jié)腔隙變窄。越來越多的研究表明，信號通路在骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生、發(fā)展過程中起重要作用。本文就相關(guān)信號通路在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病機(jī)制中的研究進(jìn)展做一綜述。

骨關(guān)節(jié)炎是發(fā)病率較高的慢性疾病之一，其以關(guān)節(jié)腫痛畸形、活動(dòng)障礙為主要臨床表現(xiàn)，嚴(yán)重者可導(dǎo)致殘疾。有研究顯示，由骨關(guān)節(jié)炎引起的殘疾風(fēng)險(xiǎn)在男、女性中分別約為40%和47%，在肥胖人群中比例更高[1]。骨關(guān)節(jié)炎的病因包括關(guān)節(jié)損傷、生物力學(xué)異常、肥胖、衰老和遺傳等，但骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機(jī)制目前尚未完全清楚，關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞破壞、細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)降解和合成障礙以及關(guān)節(jié)周圍軟組織退變是該病發(fā)生的重要因素。大量研究表明信號通路與骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)，相關(guān)信號通路包括絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)、Wnt、核因子κB(nuclear factor κB，NF-κB)、Notch、轉(zhuǎn)化生長因子β(transforming growth factor β，TGF-β)/骨形成蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)等。本文就相關(guān)信號通路在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病機(jī)制中的研究進(jìn)行綜述，以期為骨關(guān)節(jié)炎的研究及診治提供理論依據(jù)。

1 MAPK信號通路

MAPK是由絲氨酸/蘇氨酸激酶組成的促分裂原活化蛋白激酶信號通路，可以通過細(xì)胞外刺激(如細(xì)胞應(yīng)激、黏附)、神經(jīng)遞質(zhì)和細(xì)胞因子等激活。軟骨降解在骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病中起著重要作用。軟骨細(xì)胞中MAPK信號通路的異常激活可促進(jìn)炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致軟骨基質(zhì)降解酶的釋放，從而加速軟骨退化。MAPK信號通路是軟骨降解的主要途徑，其涉及軟骨細(xì)胞的增殖、凋亡、分化以及與炎性因子直接或間接相關(guān)的炎癥反應(yīng)，包括細(xì)胞內(nèi)信號通路的機(jī)械應(yīng)激刺激、傳遞轉(zhuǎn)錄因子信號及調(diào)節(jié)軟骨退化的病理過程[1]。MAPK信號通路作為多信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的中心點(diǎn)，由三級信號級聯(lián)通路組成，包括細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinase，ERK)1/2、c-Jun N端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)及p38-MAPK[2]。

p38-MAPK家族由p38α、p38β、p38γ和p38δ四個(gè)成員組成，其在骨關(guān)節(jié)炎軟骨破壞中起樞紐作用。細(xì)胞因子、炎性因子、機(jī)械應(yīng)力等因素均可以激活p38-MAPK信號通路，而p38-MAPK信號通路的激活與細(xì)胞凋亡、肥大、鈣化、炎癥等多種生物學(xué)效應(yīng)密切相關(guān)。p38-MAPK在誘導(dǎo)基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)13的表達(dá)中起著關(guān)鍵作用，而MMP13的表達(dá)可導(dǎo)致Ⅱ型膠原的降解，從而促進(jìn)軟骨損傷[3-4]。白細(xì)胞介素(interleukin，IL)-1β是骨關(guān)節(jié)炎首要的致病因子之一，其可通過刺激產(chǎn)生磷酸化的p38-MAPK來合成大量NO，進(jìn)而激活p38-MAPK信號通路并促進(jìn)軟骨細(xì)胞產(chǎn)生IL-1轉(zhuǎn)化酶和IL-1β，增加前列腺素E2(prostaglandin E2，PGE2)及環(huán)氧化酶-2(cyclooxygenase-2，COX-2)的水平，引起軟骨損傷。腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α，TNF-α)可介導(dǎo)多種炎癥過程，可以與p38-MAPK形成正反饋環(huán)路，p38-MAPK的活化可促進(jìn)TNF-α的表達(dá)，過度表達(dá)的TNF-α可誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞凋亡[5]。Sun等[6]發(fā)現(xiàn)p38-MAPK信號傳導(dǎo)抑制劑SB203580可以抑制人骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞的凋亡和促炎細(xì)胞因子的表達(dá)。

ERK在骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞分化和增殖中發(fā)揮著重要介導(dǎo)作用。Boileau等[7]在狗骨關(guān)節(jié)炎模型實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，PD980959(一種ERK通路抑制劑)可通過Ras獨(dú)立機(jī)制抑制ERK1/2的激活，從而減少M(fèi)MP的產(chǎn)生，進(jìn)而起到保護(hù)關(guān)節(jié)軟骨的作用。Prasadam等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在體外培養(yǎng)的軟骨細(xì)胞中，聯(lián)合使用絲裂原活化蛋白激酶-細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶抑制劑(U0126)和透明質(zhì)酸，可明顯降低ERK的磷酸化水平，減少軟骨細(xì)胞退行性標(biāo)志物(MMP-13、血小板結(jié)合蛋白基序的解聚蛋白樣金屬蛋白酶5)和肥大標(biāo)志物(X型膠原、Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2)產(chǎn)生的數(shù)量，減輕軟骨細(xì)胞退化及肥大化。

JNK是MAPK家族重要成員之一，由JNK1、JNK2和JNK3三種基因編碼。JNK信號通路可被炎癥細(xì)胞因子和應(yīng)激因子激活。Ismail等[9]研究小鼠關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞聚集蛋白聚糖降解時(shí)發(fā)現(xiàn)，由炎性細(xì)胞因子IL-1誘導(dǎo)的降解主要由解聚蛋白樣金屬蛋白酶5介導(dǎo)，并且顯著依賴于細(xì)胞內(nèi)信號分子JNK-2的活化。

2 Wnt信號通路

Wnt信號通路包括經(jīng)典的Wnt/β-連環(huán)蛋白(β-catenin)信號通路以及三條非經(jīng)典信號通路(平面極細(xì)胞信號通路、Wnt/Ca2+信號通路、調(diào)節(jié)紡錘體定向和不對稱細(xì)胞分裂信號通路)。研究表明，Wnt信號通路在胚胎骨骼形成、組織修復(fù)、纖維化和關(guān)節(jié)穩(wěn)態(tài)中起著重要作用，與細(xì)胞增殖、遷移和分化密切相關(guān)[10]。Wnt通路中的關(guān)鍵分子包括β-catenin、糖原合成酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β)和Wnt3a，其中β-catenin是Wnt/β-catenin信號通路的核心成分，是上游分子發(fā)揮功能的前提條件。Wnt/β-catenin信號通路由Wnt配體與卷曲受體和共受體低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白(low-density lipoprotein receptor-related protein，LRP)5/6結(jié)合而觸發(fā)，然后GSK-3β磷酸化LRP5/6，引起LRP5/6募集Axin復(fù)合物并導(dǎo)致β-catenin降解減少，從而使細(xì)胞質(zhì)β-catenin轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核激活靶基因，參與細(xì)胞增殖。研究發(fā)現(xiàn)[11]，用補(bǔ)骨脂素處理的軟骨細(xì)胞中Wnt-4、卷曲配體-2、β-catenin和G1/S-特異性周期蛋白D1的基因表達(dá)和蛋白水平顯著上調(diào)，GSK-3β表達(dá)下降，表明通過激活Wnt/β-catenin信號通路可促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖。但在另一項(xiàng)研究中，抑制Wnt信號通路可通過促進(jìn)對軟骨細(xì)胞的抗代謝作用和滑膜成纖維細(xì)胞的抗纖維化作用而降低創(chuàng)傷性骨關(guān)節(jié)炎模型中疾病的嚴(yán)重程度[12]。Blom等[13]研究發(fā)現(xiàn)在自發(fā)性骨關(guān)節(jié)炎小鼠和膠原酶誘導(dǎo)的骨關(guān)節(jié)炎小鼠中，Wnt和Wnt相關(guān)基因的表達(dá)水平在關(guān)節(jié)軟骨和滑膜中均發(fā)生改變；在這些基因中，Wnt1-誘導(dǎo)信號通路蛋白1(Wnt1-inducible signaling pathway protein 1，WISP1)的表達(dá)顯著增加。WISP1可調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中MMP和軟骨聚集蛋白聚糖酶的表達(dá)，并可誘導(dǎo)關(guān)節(jié)軟骨退化[13-14]。Shi等[15]通過慢病毒載體(LV-Wnt5a-RNAi)遞送Wnt-5a的小干擾RNA可以阻止骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞中Ⅱ型膠原的降解。Gibson等[16]研究發(fā)現(xiàn)，Wnt-7a可抑制IL-1β誘導(dǎo)的MMP和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶基因表達(dá)；Wnt-7a是一種在骨骼發(fā)育中起關(guān)鍵作用的蛋白質(zhì)，可以減弱骨關(guān)節(jié)炎小鼠模型中MMP活性并促進(jìn)關(guān)節(jié)軟骨完整性。

3 NF-κB信號通路

NF-κB是一類構(gòu)成轉(zhuǎn)錄因子家族的蛋白分子，由促炎細(xì)胞因子、趨化因子、應(yīng)激相關(guān)因子和ECM降解產(chǎn)物刺激激活。NF-κB分子廣泛參與免疫、壓力反應(yīng)、炎性疾病、細(xì)胞增殖和細(xì)胞死亡。哺乳動(dòng)物NF-κB亞家族包含4種蛋白質(zhì)：RelA或p65，RelB，c-Rel，NF-κB1或p50。在未受刺激的條件下，NF-κB二聚體在細(xì)胞質(zhì)中與IκB分子結(jié)合以無活性的形式存在。當(dāng)受到刺激時(shí)，IκB將被IκB激酶(IκB kinase，IKK)磷酸化，并通過泛素-蛋白酶體系統(tǒng)進(jìn)行降解，使NF-κB異二聚體轉(zhuǎn)位進(jìn)入細(xì)胞核而觸發(fā)誘導(dǎo)與關(guān)節(jié)破壞相關(guān)基因的表達(dá)，導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生與發(fā)展[17]。NF-κB信號通路是骨關(guān)節(jié)炎軟骨降解進(jìn)程中的關(guān)鍵分子途徑，其通過促進(jìn)MMP-1、MMP-2、MMP-3等多種降解酶的分泌及促進(jìn)COX-2、NO、一氧化氮合酶等分解代謝因子的合成，從而加劇骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞的凋亡和軟骨的炎癥反應(yīng)[18]。Dai等[19]研究發(fā)現(xiàn)，錦葵花色素通過抑制大鼠骨關(guān)節(jié)炎模型中的NF-κB信號通路降低IL-1β、IL-6、TNF-α和MMP的表達(dá)，從而減弱骨關(guān)節(jié)炎誘導(dǎo)的疼痛和炎癥。Tang等[20]也發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)NF-κB信號通路可以降低IL-1β誘導(dǎo)的ECM代謝失衡、促炎細(xì)胞因子產(chǎn)生、細(xì)胞活力和細(xì)胞凋亡。微小RNA(microRNA，miRNA)是介導(dǎo)骨關(guān)節(jié)炎的主要危險(xiǎn)因素之一，Zhou等[21]通過前十字韌帶橫切建立骨關(guān)節(jié)炎大鼠模型，當(dāng)向骨關(guān)節(jié)炎大鼠注射miRNA-27慢病毒過表達(dá)載體時(shí)，IL-6、IL-8、MMP-9和MMP-13的表達(dá)水平均下降，說明miRNA-27的上調(diào)可通過靶向抑制NF-κB信號通路來抑制骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生。Hu等[22]發(fā)現(xiàn)，miRNA-26a/26b和NF-κB信號通路靶向巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶4水平的上升可以調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞中IL-1β誘導(dǎo)的ECM降解過程，從而減弱骨關(guān)節(jié)炎小鼠模型的病情進(jìn)展。

4 Notch信號通路

Notch信號通路能夠平衡軟骨基質(zhì)代謝，調(diào)控軟骨細(xì)胞增殖分化，維持軟骨細(xì)胞表型。Notch信號傳導(dǎo)通路的組成包括4個(gè)受體(Notch 1-4)、5個(gè)配體(Delta-like l，3，4及Jagged1，2)和CSL蛋白。最近的研究表明，Notch信號通路在發(fā)育過程中作為軟骨ECM分解代謝和合成代謝潛在的分子調(diào)節(jié)劑，對骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展至關(guān)重要[23]。Park等[24]研究發(fā)現(xiàn)，Notch信號通路的激活可能促進(jìn)骨關(guān)節(jié)炎滑膜細(xì)胞和軟骨細(xì)胞中炎癥相關(guān)分子的產(chǎn)生。Hosaka等[25]研究發(fā)現(xiàn)，Notch/無毛重組結(jié)合蛋白抑制因子/多毛增強(qiáng)子-1信號通路在關(guān)節(jié)炎發(fā)展中起著重要的調(diào)節(jié)作用，過表達(dá)Notch胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域(Notch intracellular domain，Notch-ICD)可增加小鼠原代軟骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞系MMP13和血管生成因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)的表達(dá)，而通過注射Notch信號通路抑制劑則可以減弱上述效應(yīng)。有研究發(fā)現(xiàn)，Notch 1、2受體定位于正常小鼠和人關(guān)節(jié)軟骨的細(xì)胞表面，并且在關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞高表達(dá)，但是在退化的軟骨中其在細(xì)胞核高表達(dá)[26]。

5 TGF-β/BMP信號通路

TGF-β/BMP信號通路在人軟骨細(xì)胞退變過程中起重要的作用。TGF-β信號通路主要通過結(jié)合激活素受體樣激酶5、激活Smad2/3磷酸化來發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)[27]；BMP信號通路則與細(xì)胞表面激活素受體樣激酶1結(jié)合，通過激活Smad1/5/8發(fā)揮作用。研究發(fā)現(xiàn)[28]，TGF-β/Smad3信號通路可降低人類軟骨細(xì)胞中的miRNA-140活性。miRNA-140缺失可導(dǎo)致骨骼發(fā)生異常并且加速軟骨細(xì)胞肥大化[29]。近期研究結(jié)果顯示，在骨關(guān)節(jié)炎大鼠模型中通過上調(diào)TGF-β1 抑制TGF-β1/Smad信號通路可以防止軟骨損傷，改善骨關(guān)節(jié)炎[30]。Blaney Davidson等[31]研究顯示，特異性提高軟骨細(xì)胞BMP2水平并不能改變骨關(guān)節(jié)炎模型小鼠軟骨損傷的過程，但可導(dǎo)致骨贅形成的嚴(yán)重惡化。

6 小 結(jié)

綜上所述，以上信號通路在骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機(jī)制中起著重要作用，各信號通路之間相互協(xié)調(diào)與影響，主要參與炎癥反應(yīng)、軟骨細(xì)胞的增殖和凋亡、ECM的合成和降解等。通過研究這些信號通路，找到通路中上游或者下游的效應(yīng)因子，將會(huì)為骨關(guān)節(jié)炎的靶向治療提供明確的方法和途徑。