SDF-1/CXCR4及下游信號(hào)通路在骨性關(guān)節(jié)炎病程中的作用

何映紅 李彥林 向耀宇 陳泳佳 楊驍

昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)科（昆明655031）

近年來(lái)，骨性關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）在老年人群體中的發(fā)病率逐年上升，且逐漸年輕化，傳統(tǒng)治療方法只能通過抑制炎癥因子、改善關(guān)節(jié)腔微環(huán)境、置換關(guān)節(jié)等方式從癥狀及表觀上間接治療，但效果有限，未能從根本上阻斷OA 發(fā)展。隨著對(duì)骨性關(guān)節(jié)炎和類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎（rheumatoid arthritis，RA）的不斷深入研究，發(fā)現(xiàn)基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1/CXC 趨化因子受體4 型（stromal cell derived factor-1/ chemokine receptor-4，SDF-1/ CXCR4）信號(hào)通路在這兩種疾病進(jìn)程中發(fā)揮重要作用。OA 通常被稱為退行性關(guān)節(jié)病，但這種說(shuō)法并不完整，因?yàn)镺A 不僅僅是一個(gè)磨損過程，而是由受累關(guān)節(jié)內(nèi)的大量炎癥介質(zhì)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)組織異常重塑，致使關(guān)節(jié)軟骨退化，同時(shí)軟骨細(xì)胞不能修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)，導(dǎo)致組成和結(jié)構(gòu)的變化。然而，關(guān)節(jié)軟骨不是該疾病中唯一受影響的關(guān)節(jié)內(nèi)組織。OA 軟骨下骨通過間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖和軟骨細(xì)胞的分化表現(xiàn)出重塑和微結(jié)構(gòu)變化，使軟骨下骨增厚、關(guān)節(jié)邊緣中骨贅形成［1］。此外，免疫細(xì)胞滲入OA 滑膜，增強(qiáng)促炎介質(zhì)的產(chǎn)生，這種滑膜炎也會(huì)導(dǎo)致軟骨細(xì)胞基質(zhì)失調(diào)，從而使軟骨退化，半月板損傷及韌帶退化［2］，導(dǎo)致疼痛、畸形和功能喪失。而所有的這些過程都涉及有關(guān)信號(hào)分子的傳遞。目前的研究［3-4］表明，SDF-1/CXCR4 在骨性關(guān)節(jié)炎的進(jìn)展中發(fā)揮重要作用，SDF-1 與其受體結(jié)合后使其C 末端的酪氨酸殘基被磷酸化，激活多種下游信號(hào)通路，從而促進(jìn)OA 的發(fā)生與發(fā)展。

1 MAPK 在OA 中的作用

磷酸特異性免疫印跡證實(shí)SDF-1α 激活軟骨祖細(xì)胞中的所有三種絲裂原活化蛋白激酶通路（mitogen activated protein kinase pathway，MAPK），包括ERK1/2 通路，JNK 通路和P38 通路［5］。創(chuàng)傷后關(guān)節(jié)炎的研究發(fā)現(xiàn)SDF-1 可激活p38 和ERK1/2通路，它們是激活蛋白-1（activator protein-1，AP-1）活性的有效誘導(dǎo)劑，AP-1 對(duì)酒石酸抗性酸性磷酸酶（tartrate-resistant acid phosphatas，TRAP），基質(zhì)金屬蛋白酶（matrixmetalloproteinase-9，MMPs）和組織蛋白酶K（cathepsin K，CK）的表達(dá)至關(guān)重要［6］，而TRAP 和CK 是破骨細(xì)胞的特異性標(biāo)志物，也就是說(shuō)，SDF-1 可以通過激活A(yù)P-1 增加破骨細(xì)胞的分化，促進(jìn)骨質(zhì)吸收，降低骨質(zhì)鈣含量，從而增加骨質(zhì)疏松的風(fēng)險(xiǎn)［3］。在亞細(xì)胞水平，SDF-1 激活p38和Erk1/2 信號(hào)通路，其一方面誘導(dǎo)細(xì)胞周期蛋白D1 促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖，另一方面激活Runx2，增加MMP-13 生成的量，促進(jìn)軟骨細(xì)胞向末端成熟和凋亡［7］。顳下頜關(guān)節(jié)OA的研究證明激活ERK 信號(hào)通路有助于誘導(dǎo)基質(zhì)金屬蛋白酶的產(chǎn)生［8］。Erk1/2信號(hào)通路的激活可以誘導(dǎo)許多蛋白激酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)，并將細(xì)胞外信號(hào)傳遞到細(xì)胞中［9］。磷酸化的ERK1/2 進(jìn)入細(xì)胞核并觸發(fā)轉(zhuǎn)錄因子和MMPs（包括MMP-3 和MMP-13）的活性，這有助于OA 病程啟動(dòng)和進(jìn)展過程中細(xì)胞外基質(zhì)的降解，引起一系列可調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡的細(xì)胞反應(yīng)［10］。此外，p38 的激活，刺激軟骨細(xì)胞分泌基質(zhì)金屬蛋白酶13（MMP-13），MMP-13 可降解人OA 中的Ⅱ型膠原蛋白和聚集蛋白聚糖，從而誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞死亡［11］。SDF-1 激活p38 通路使得血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）表達(dá)上調(diào)，促進(jìn)滑膜血管形成，增加滑膜炎癥因子和巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)，加重OA 的炎癥［5］。同時(shí)軟骨及軟骨下骨血管形成增加，加劇軟骨細(xì)胞肥大及軟骨下骨贅形成增加，加重OA 晚期關(guān)節(jié)退變的速度［12］。但軟骨祖細(xì)胞的條件培養(yǎng)試驗(yàn)表明VEGF 表達(dá)基本上僅被p38 特異性抑制劑阻斷，而不能被ERK 和JNK 特異性抑制劑阻斷，所以軟骨祖細(xì)胞中的VEGF 表達(dá)反應(yīng)依賴于p38 活化，但不依賴于ERK 或JNK 通路激活［5］。MAPK 級(jí)聯(lián)信號(hào)通路（ERK1/2 和p38）信號(hào)通路激活后，可以調(diào)節(jié)環(huán)加氧酶2的表達(dá)［10］，COX-2促進(jìn)花生四烯酸轉(zhuǎn)化生成前列腺素2，并在關(guān)節(jié)中誘導(dǎo)關(guān)節(jié)炎發(fā)生［13］，故PGE2 被認(rèn)為是關(guān)節(jié)炎病癥中炎性疼痛的主要原因［14］。

2 PI3K/AKT 在OA 發(fā)展中的作用

CHEN 等［15］研究發(fā)現(xiàn)：SDF-1α 激活CXCR4 受體并引起磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）/Akt 途徑的激活，PI3K/Akt 在人OA滑膜成纖維細(xì)胞的IL-6 表達(dá)中起重要作用，該途徑增強(qiáng)c-Jun 與AP-1 位點(diǎn)的結(jié)合并導(dǎo)致IL-6 的反式激活，使IL-6表達(dá)的上調(diào)，IL-6是3種主要的炎性細(xì)胞因子之一，和IL-1β和TNF-α一起，與炎癥引起的軟骨損傷有關(guān)，IL-6 通過作用于軟骨生理學(xué)的合成代謝和分解代謝機(jī)制而對(duì)軟骨造成損害［16］。PI3K 抑制劑能夠有效抑制SDF-1a 指導(dǎo)的IL-6 產(chǎn)生，但MAPK抑制劑卻無(wú)此抑制作用，結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了PI3K/Akt 的顯性失活突變體，抑制了SDF-1a對(duì)IL-6 產(chǎn)生，而不是通過MAPK 途徑抑制IL-6 表達(dá)［15］。此外，IL-6 還被證明是促進(jìn)破骨細(xì)胞分化的趨化因子［17］。

PI3K 還可能調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞的凋亡：在壞死性凋亡過程中通過PI3K 的自磷酸化使混合譜系激酶結(jié)構(gòu)域樣蛋白MLKL 磷酸化導(dǎo)致MLKL 從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)至質(zhì)膜［18］，促使質(zhì)膜碎片化，促進(jìn)凋亡。然而，也有研究［19］證明PI3K/Akt 信號(hào)傳導(dǎo)被認(rèn)為是NF-κB 信號(hào)傳導(dǎo)途徑的主要上游元件，也就是說(shuō)PI3K/AKT 是通過調(diào)節(jié)NF-kB 信號(hào)通路來(lái)增強(qiáng)軟骨細(xì)胞凋亡的。細(xì)胞凋亡與OA 組織中軟骨破壞程度和基質(zhì)分解代謝高度相關(guān)［20］。與MAPK 級(jí)聯(lián)信號(hào)通路一樣，PI3K/AKT 信號(hào)通路激活后，可以調(diào)節(jié)環(huán)加氧酶2 的表達(dá)［10］，促進(jìn)PEG2 關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)中誘導(dǎo)，加重關(guān)節(jié)疼痛［13，21］。同時(shí)研究證明，PI3K/AKT 信號(hào)通路和MAPK 級(jí)聯(lián)信號(hào)通路（ERK1/2 和p38）激活后，可使活性氧（reactive oxygen species，ROS）生成增加，而諸多證據(jù)表明人類各種疾病中的細(xì)胞損傷導(dǎo)致氧化應(yīng)激增加ROS 產(chǎn)生，這些影響是通過與MMPs 的相互作用介導(dǎo)的［22］。在OA中活性氧參與調(diào)節(jié)涉及軟骨退化的生化因子的產(chǎn)生，它們可能通過激活MMPs減少基質(zhì)成分合成直接或間接地對(duì)所有基質(zhì)組分造成損害。

3 NF-κB 在OA 發(fā)展中的作用

在體外軟骨細(xì)胞培養(yǎng)試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)：SDF-1/CXCR4 軸可能是軟骨細(xì)胞中核轉(zhuǎn)錄因子-κB（Nuclear Factor-κB，NF-κB）信號(hào)傳導(dǎo)的其中一個(gè)主要上游調(diào)節(jié)因子［7］?；罨疊 細(xì)胞的NF-κB 家族在廣泛的生物學(xué)過程中具有重要作用，包括細(xì)胞存活，增殖，分化，凋亡，衰老，炎癥和免疫反應(yīng)［23］。NFκB 信號(hào)通路通過各種作用廣泛參與OA 病理生理學(xué)，并在衰老和炎癥期間在OA 軟骨細(xì)胞中被激活。NF-κB 途徑是致細(xì)胞外基質(zhì)分解代謝作用的中樞調(diào)節(jié)劑，介導(dǎo)軟骨細(xì)胞的炎癥反應(yīng)中的關(guān)鍵事件并導(dǎo)致細(xì)胞外基質(zhì)損傷和軟骨侵蝕［24］。

NF-κB 途徑對(duì)誘導(dǎo)各種炎癥相關(guān)因子至關(guān)重要：肽聚糖和LPS（TLR-2 和4 的配體），以依賴于NF-κB 的方式分別刺激軟骨細(xì)胞增加MMP-1，3 和13 的表達(dá)，以及上調(diào)NO 產(chǎn)生［25］。而NO 可以激活MMPs，增加蛋白多糖降解，減少IL-1 受體拮抗劑的產(chǎn)生并介導(dǎo)軟骨細(xì)胞凋亡［26］。此外，根據(jù)劑量和特定的氧化還原衍生物的研究，NO 還可以對(duì)OA 進(jìn)展產(chǎn)生負(fù)面和正面影響，特定的NO 衍生物維持NF-κB 活化以響應(yīng)促炎刺激和其他形式的NO 抑制其誘導(dǎo)［27］。除此之外，NF-κB 通路還可誘導(dǎo)IL-6，IL-1，TNFα，COX-2 等軟骨細(xì)胞表達(dá)炎癥相關(guān)基因［28］，這些誘導(dǎo)的細(xì)胞因子進(jìn)一步激活信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)。COX-2 參與導(dǎo)致PGE2 合成的連續(xù)酶促反應(yīng)，PGE2 通過與關(guān)節(jié)組織中存在的EP2 和EP4 PGE2 受體結(jié)合，在軟骨退化和OA 進(jìn)展中起重要作用，導(dǎo)致軟骨退化增加和OA 軟骨中的軟骨細(xì)胞肥大［29］。PGE2 還參與IL-1β 誘導(dǎo)的MMP-2 表達(dá)和活化［30］，并誘導(dǎo)關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞凋亡。在這些促炎因子中，IL-1β 和TNF-α 主要參與炎癥，通過引發(fā)一系列導(dǎo)致分解代謝增加和軟骨細(xì)胞肥大的事件在軟骨降解中發(fā)揮重要作用。

在體外軟骨細(xì)胞培養(yǎng)研究中還發(fā)現(xiàn)：SDF-1/CXCR4 激活NF-κB 信號(hào)傳導(dǎo)，NF-κB 被激活后可產(chǎn)生細(xì)胞周期蛋白D1 和MMP-13 。此外，該試驗(yàn)表明SDF-1 激活p38 和Erk1/2 和NF-kB 信號(hào)通路，這些信號(hào)通路對(duì)軟骨細(xì)胞的增殖和成熟有不同的影響。其中，p38 MAP 激酶和NFkB 對(duì)SDF-1 介導(dǎo)的MMP-13 誘導(dǎo)至關(guān)重要，而MEK/Erk 途徑僅部分參與。相反，MEK/Erk 和NF-κB 在SDF-1 誘導(dǎo)細(xì)胞周期蛋白D1 中起關(guān)鍵作用，但p38 MAP 激酶途徑的作用有限［7］。

4 JAK/STAT 在OA 發(fā)展中的作用

ANTONIO 等［31］分析了JAK/STAT 途徑的SDF-1a 激活，發(fā) 現(xiàn)SDF-1 與CXCR4 結(jié)合 后，JAK2 和JAK3 與CXCR4 結(jié)合并且可通過轉(zhuǎn)磷酸作用以Gai 非依賴性方式激活，證明JAK2 和JAK3 都被激活并與CXCR4 相關(guān)，這種激活使得STAT 家族轉(zhuǎn)錄因子的幾個(gè)成員的募集和酪氨酸磷酸化成為可能。同時(shí)他們的研究表明JAK/STAT 途徑的激活是CC 和CXC 趨化因子的一般信號(hào)傳導(dǎo)途徑。JAK/STAT 信號(hào)傳導(dǎo)的激活對(duì)于使OA 進(jìn)展為滑膜關(guān)節(jié)衰竭的慢性炎癥狀態(tài)永久化是至關(guān)重要的。該領(lǐng)域目前的研究揭示了在這些條件下調(diào)節(jié)異常細(xì)胞存活，細(xì)胞凋亡和基質(zhì)金屬蛋白酶基因活性的分子機(jī)制［32］。

人和牛的軟骨細(xì)胞模型實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，JAK/STAT 在調(diào)節(jié)組織金屬蛋白酶組織抑制因子（tissue inhibitor of metalloproteinase，TIMP）和MMPs 中起重要作用，TMIP 在關(guān)節(jié)組織中廣泛表達(dá)，能夠抑制MMP，具有抑制軟骨在吸收的潛力［33］，軟骨細(xì)胞通過JAK/STAT 調(diào)節(jié)MMP-TIMP 平衡，當(dāng)信號(hào)通路受損，MMP-TIMP 失衡，MMP 表達(dá)過多，軟骨退化加速，關(guān)節(jié)炎便會(huì)進(jìn)展加快［34］。見圖1。

圖1 SDF-1/CXCR4 及其下游信號(hào)信號(hào)通路傳導(dǎo)圖Fig.1 The graph of signal path in SDF-1/CXCR4 and the downstream signal

CXCR4 結(jié)合激活的下游信號(hào)通路并不是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，而是相互交錯(cuò)，互相影響。因此SDF-1與CXCR4 的結(jié)合后激活多種下游信號(hào)通路，涉及多種細(xì)胞因子，形成復(fù)雜的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，可誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)、趨化反應(yīng)、粘附，以及分泌基質(zhì)金屬蛋白酶、血管生成因子、白細(xì)胞介素、腫瘤壞死因子等，從而發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)，調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖，分化，存活和凋亡。SDF-1/CXCR4 信號(hào)通路與OA 中的各種病理事件有關(guān)。這些包括增加的炎癥，血管生成和骨和軟骨破壞，其參與風(fēng)濕性疾病的發(fā)展。通過OA的體外和體內(nèi)模型證明SDF-1 在這些相關(guān)過程中起關(guān)鍵作用。

5 總結(jié)與展望

鑒于SDF-1/CXCR4 信號(hào)通路在骨性關(guān)節(jié)炎的進(jìn)展中具有重要作用，目前越來(lái)越多的學(xué)者將治療骨性關(guān)節(jié)炎的目光放在了阻斷SDF-1/CXCR4 信號(hào)通路上。因此，在已有幾種疾病的臨床試驗(yàn)中正在研究阻斷CXCR4 受體的新治療劑的功效和安全性，AMD3100 和TN14003 等阻斷SDF-1/CXCR4通路的藥物目前正用于治療OA 的前期研究，這些藥物作為治療OA 的更為精準(zhǔn)的靶向藥物提供了一種很有前景的治療方法。另外SDF-1/CXCR4 及其下游信號(hào)通路網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)龐大的信息庫(kù)，與人體多種疾病相關(guān)，隨著研究的不斷深入，未來(lái)將會(huì)從組織、細(xì)胞、分子等層面系統(tǒng)深入研究SDF-1/CXCR4 信號(hào)通路調(diào)控骨性關(guān)節(jié)炎軟骨退變效果及分子機(jī)理，OA 的病因和機(jī)制也會(huì)越來(lái)越明晰，這對(duì)于無(wú)論是OA 的早期診斷或是治療都極大的進(jìn)步，也為研發(fā)高效安全的骨性關(guān)節(jié)炎靶向治療藥物提供依據(jù)，從而使針對(duì)SDF-1/CXCR4 乃至其下游信號(hào)通路的拮抗劑將會(huì)有越來(lái)越多的發(fā)現(xiàn)，為臨床治療OA 提供全新的理念，豐富傳統(tǒng)的單一的手術(shù)治療OA 的方式。為延緩OA 進(jìn)展提供新的思路，而OA 的治療也將隨著研究的進(jìn)展更趨完善。