TGF-β 信號通路在骨關節(jié)炎中的研究進展

張磊

成縣人民醫(yī)院，甘肅 隴南 742500

骨關節(jié)炎（osteoarthritis，OA）是一種與老齡化、關節(jié)損傷等多種因素相關的常見關節(jié)退行性病變，往往會導致關節(jié)功能的衰退和患者生活質量的下降，其病變主要集中在關節(jié)滑膜和關節(jié)軟骨中。關節(jié)軟骨的功能主要由關節(jié)軟骨、鈣化軟骨和軟骨下骨三者決定，其任何改變都可能直接或間接影響關節(jié)軟骨的穩(wěn)態(tài)和功能，從而造成OA 的發(fā)生與發(fā)展。OA 的發(fā)生機制尚不明確，但OA 的發(fā)展與軟骨下骨骨重塑、異常血管增生、骨贅形成、滑膜炎癥等密切相關，此過程中生物化學信號扮演的角色不可或缺，其中轉化生長因子β（transforming growth factor β，TGF-β） 在 OA 的發(fā)生發(fā)展中起到了重要作用［1，2］。因此，本文對 TGF-β 在 OA的發(fā)生與發(fā)展中的作用進行綜述，以期為OA 的機制研究與治療提供新的思路。

1 OA 的發(fā)生與發(fā)展

OA 是最常見的關節(jié)炎之一，據統(tǒng)計，全球OA 患者約2.5 億，并且膝關節(jié)炎的患病風險可達40%［3］。OA的臨床癥狀主要有關節(jié)疼痛及腫脹、關節(jié)功能障礙等，其發(fā)病機制主要與環(huán)境和基因的相互作用及關節(jié)整體結構改變相關，如進行性的關節(jié)軟骨退變、骨重塑、骨贅形成和滑膜炎癥等，近年來也有研究證明，去分化樣等的軟骨細胞表型也是OA 發(fā)展的機制之一［4］。治療通常包括保守治療與手術治療兩種方式，但由于糖皮質激素等藥物存在副作用，長期藥物維持往往療效不佳且在臨床治療中存在著許多用藥禁忌。OA 患者的有效手術治療方式為關節(jié)置換，但關節(jié)置換手術有著高成本、高社會醫(yī)療負擔、術后并發(fā)癥嚴重等缺點。因此，對于OA 進行分子生物學研究進而尋找新的有效藥物治療靶點至關重要。近年來，學者發(fā)現了許多與OA 密切相關的生物信號分子，比如包括白介素-6、白介素-1β 在內的細胞因子，腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α），趨化因子，轉化生長因子 β（Transforming Growth Factor β，TGF-β），神經肽類激素和脂質炎癥介質（如前列腺素、白三烯）等。其中，TGF-β 作為經典且重要的信號分子，在OA 的發(fā)生發(fā)展中至關重要。

2 TGF-β 信號通路

TGF-β 超家族超過35 種，在骨骼、軟骨和滑膜組織中廣泛表達，調控著細胞的增殖、分化、新陳代謝、凋亡和細胞外基質的代謝。在OA 的發(fā)生發(fā)展中，TGF-β和骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bone morphogenetic proteins，BMPs）作為TGF-β 超家族中的一員，起著多種復雜的作用。TGF-β 有 TGF-β1、TGF-β2 和 TGF-β3 三種亞型，這三種亞型都有誘導骨髓間充質干細胞向軟骨細胞分化的潛能，進而引起蛋白聚糖的生物合成和細胞外基質的沉積。在促進軟骨形成時，TGF-β2 和TGF-β3 比TGF-β1 效率更高，可引起 2 倍的蛋白聚糖的積聚［5］。

TGF-β 信號由 TGF-β1 型和 2 型受體結合于細胞表面而啟動，其中2 型受體使1 型受體磷酸化，這兩種受體本質均為絲氨酸/蘇氨酸蛋白酶，具有高度同源性。這種復合體的下游通路具有兩種途徑，一是被稱為非經典途徑的激活磷脂酰肌醇-3 激酶途徑，另一種則是通過受體調控R-Smad 蛋白C-末端磷酸化而啟動的細胞內經典信號傳導途徑。非經典途徑包括下游的PI3K 途徑和ERK 途徑等，這些途徑不僅對SMAD 蛋白的作用有不同程度的交互作用，并且其自身也有著相應的生物學作用，在OA 患者的滑膜成纖維細胞中調節(jié)著細胞的生長（ERK）與代謝（Rac1/Cdc42）［6］。

3 TGF-β 信號與OA之間的關系

3.1 TGF-β 信號通路在OA 調控中的途徑 TGF-β信號通路在OA 的調控中主要存在兩種途徑，一是TGF-β/SMAD2/3，另一種則是 BMP/SMAD1/5/8。研究證明，TGF-β/SMAD2/3 信號通路通過激活素樣激酶5（activin-like kinase 5，ALK5）受體來誘導蛋白聚糖和2型膠原表達，這兩種產物都是細胞外基質的主要構成成分，具有維持軟骨細胞代謝、減少關節(jié)軟骨機械應力等作用，進而形成對關節(jié)軟骨的保護；而BMP/SMAD1/5/8 信號通路通過AKL1 誘導軟骨細胞末端分化，并且增加基質金屬蛋白酶-13 的表達，基質金屬蛋白酶-13是唯一能夠裂解膠原分子中三維螺旋結構的酶，且對膠原具有特異性，從而分解細胞外基質中的2 型膠原，造成對關節(jié)軟骨的破壞作用［7］。而ALK1 和ALK5 作為TGF-β 信號通路的1 型受體，兩者的比例和濃度的改變可導致信號通路傳導的異常，進而造成軟骨細胞的退變。OA 患者軟骨細胞中ALK1 受體量與MMP-13的表達相關，使用siRNA 作用于ALK1 可減少MMP-13 的表達至不可檢測的水平；而ALK5 可增加2 型膠原的表達，同樣使用siRNA 作用于ALK5 可增加MMP-13 的表達，這也進一步證實了SMAD2/3通路對于關節(jié)軟骨的保護作用和SMAD1/5/8 對關節(jié)軟骨的破壞作用［7］。并且隨著老齡化的進展，ALK1 和 ALK5 的表達均有一定程度的下調，但ALK5 的表達下調多于ALK1，造成ALK1/ALK5 的比值上升，進而導致OA 的發(fā)病率增高，這與隨著老齡化的進展OA 發(fā)病率明顯上升的結論是一致的［7］。

3.2 TGF-β 信號通路與OA 的發(fā)生發(fā)展 關節(jié)軟骨為胚胎期形成的永久性透明軟骨，主要由細胞外基質和較少的軟骨細胞組成，而細胞外基質則主要包含膠原纖維和蛋白聚糖等成分。2 型膠原是細胞外主要的膠原纖維，其水平的下降與關節(jié)軟骨的退變緊密相關。TGF-β 可通過 SMAD2/3 通路調控軟骨細胞下游PAPSS2 mRNA 的轉錄，促進OA 中軟骨細胞的分化和基質形成，導致2 型膠原和蛋白聚糖表達上調，從而誘導細胞外基質表達增加，保護關節(jié)軟骨［8］；TGF-β 還可通過SMAD2/3 通路抑制軟骨細胞的進一步分化，維持軟骨細胞的正常表型而抑制OA 的進展。

在 TGF-β 信號經典途徑中，TGF-β1 型和 2 型受體結合而成的復合物進一步激活受體調控的SMAD蛋白（receptor-regulated SMAD proteins，R-SMADs），包括SMAD2 和SMAD3，從而激活其下游通路；而在細胞質進一步中與SMAD4 和Co-SMAD 結合，進入細胞核結合于相應的DNA 結合位點而調節(jié)基因的表達，抑制軟骨細胞終末分化，促進軟骨細胞合成細胞外基質，從而阻止軟骨基質鈣化、血管浸潤，阻止OA 的發(fā)生發(fā)展。TGF-β 不僅可以通過BMP/SMAD1/5/8 信號通路降解細胞外基質和誘導軟骨細胞分化，而且其下游還存在著一些靶基因如Runx2、Mmp13，這些通路可以促進軟骨的退變，進而誘導骨關節(jié)炎的發(fā)展［9］。同時，TGF-β 信號通路還具有促進滑膜纖維化和骨贅形成的潛能［10］。有學者證明系統(tǒng)使用靶向軟骨下骨TGF-β中和抗體可以抑制TGT-β 的過度激活來阻止關節(jié)軟骨降解，進而抑制 OA 的發(fā)展［11］。

TGF-β 的濃度也與信號通路傳導的方向有關。如在人成纖維細胞中，低濃度的TGF-β（≤1ng/mL）主要激活SMAD2/3 通路，而高濃度（＞5ng/mL）則主要激活SMAD1/5/8 通路，并且 Smad2/3 和 Smad1/5/8 通路的激活對基因表達有不同的影響，并有規(guī)律地相互拮抗［1］。因此，TGF-β 的不同濃度下激活的通路與其下游的其他OA 靶基因相互影響，共同對OA 的發(fā)生發(fā)展產生綜合性調節(jié)作用，但對于人OA 來說，其綜合性作用主要表現為對關節(jié)軟骨的保護作用，所以低濃度TGF-β增補劑在OA 的治療中有著一定的應用前景。但由于OA 的發(fā)病和進展是由多種因素、多種信號分子共同作用的，所以對于OA 的治療，可能僅僅單一針對某一特定的分子生物學靶點并不能夠起到足夠有效的作用，而對于多靶點進行聯(lián)合性治療可能具有更高的臨床治療意義。

4 小結

總而言之，在骨關節(jié)炎的發(fā)生發(fā)展中，存在著許多信號通路的調控。由于骨關節(jié)炎病因不明且臨床上暫無保守治療的特效藥，所以對于OA 機制研究就顯得至關重要。與OA 的調控相關的TGF-β 信號通路主要包括 TGF-β/SMAD2/3 和 BMP/SMAD1/5/8 兩種，而在這兩種信號通路下游還有許多靶基因如RunX2、Mmp13、PAPSS2 等，抑制或促進上述通路或靶基因的表達均可對OA 的發(fā)生發(fā)展起到相應的作用，這可能為OA 的機制研究與治療提供新的思路與靶點。