基于Wnt信號(hào)通路與骨關(guān)節(jié)炎的研究進(jìn)展

蔣總 陳琳英 盧向陽(yáng) 蘭維婭 李宇 蔡鑫 樊梅 唐芳 馬武開(kāi) 周靜

(1貴陽(yáng)中醫(yī)藥大學(xué),貴州 貴陽(yáng) 550002；2貴陽(yáng)中醫(yī)藥大學(xué)第二附屬醫(yī)院風(fēng)濕免疫科)

骨關(guān)節(jié)炎(OA)是一種發(fā)病率與年齡呈正相關(guān)的慢性漸進(jìn)性關(guān)節(jié)退行性病變〔1,2〕，不論種族、性別，臨床主要表現(xiàn)雖各有差異，但總離不開(kāi)關(guān)節(jié)疼痛、腫脹和活動(dòng)受限等。OA是一種發(fā)病機(jī)制尚未明確、發(fā)病率逐漸升高的疾病，仍然缺乏有效的藥物及物理治療〔3〕，目前治療主要以緩解關(guān)節(jié)疼痛和減少關(guān)節(jié)致殘率為目標(biāo)，已然成為醫(yī)療經(jīng)濟(jì)的一大負(fù)擔(dān)。OA的基本病理改變?yōu)殛P(guān)節(jié)軟骨變性、硬化，軟骨代償反應(yīng)后經(jīng)骨化形成骨贅、韌帶退化和變形半月板(膝蓋)和關(guān)節(jié)囊肥大〔4〕。近年研究發(fā)現(xiàn)，OA是在各種理化因子和生物學(xué)改變的共同作用下，導(dǎo)致關(guān)節(jié)及其附屬物炎癥的病變過(guò)程，因此，就關(guān)于OA的發(fā)病機(jī)制的研究顯得尤為重要。從基因序列研究中發(fā)現(xiàn)Wnt信號(hào)通路在OA的病程中起著主要的作用，Wnt信號(hào)通路持續(xù)激活，在軟骨形成的不同階段發(fā)生作用〔5〕，通過(guò)調(diào)控成骨和破骨細(xì)胞的平衡從而調(diào)節(jié)軟骨代謝，從而參與OA進(jìn)展。因此通過(guò)對(duì)Wnt信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的進(jìn)一步研究，尋求Wnt與OA的發(fā)病機(jī)制的關(guān)系，從中找尋有效的治療靶點(diǎn)，為防治OA開(kāi)辟新的思路。

1 Wnt信號(hào)通路

Wnt信號(hào)通路廣泛存在于各種生物體中，自1982年Nusse等〔6〕研究發(fā)現(xiàn)Wnt基因以來(lái)，超過(guò)60位基因逐漸被發(fā)現(xiàn)與該通路相關(guān)。隨著Wnt信號(hào)通路的不斷研究深入，目前認(rèn)為與Wnt基因相關(guān)的信號(hào)通路主要有4條，即激活核內(nèi)靶基因表達(dá)的Wnt/β-catenin信號(hào)通路、參與JNK的激活及細(xì)胞骨架重排的平面細(xì)胞極性通路、激活磷脂酶C和蛋白激酶C的Wnt/Ca+通路、調(diào)節(jié)紡錘體方向和非對(duì)稱細(xì)胞分裂的胞內(nèi)通路。Wnt/β-catenin信號(hào)通路是一種獨(dú)特的信號(hào)通路，可調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)炎的發(fā)展，并且該特定通路中的分子可能起作用。Wnt信號(hào)通路是一類主要由β-catenin介導(dǎo)的、多種蛋白參與的高度保守的信號(hào)通路，主要成分包括：分泌蛋白Wnt家族、跨膜受體Frizzled家族、酪氨酸蛋白激酶Ⅰ散亂蛋白(Dsh或Dvl)、糖原合成酶激酶(GSK)-3、結(jié)腸腺瘤息肉蛋白(APC)、Axin、β-catenin及轉(zhuǎn)錄因子T細(xì)胞因子(TCF)/淋巴增強(qiáng)因子(LEF)家族等〔7〕。在Wnt信號(hào)通路中，β-catenin的濃度直接決定了Wnt信號(hào)通路的激活與否。當(dāng)β-catenin的濃度較低時(shí)，β-catenin與Axin、GSK-3、APC等形成復(fù)合體，使細(xì)胞核內(nèi)的β-catenin磷酸化且結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，從而使β-catenin不能進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)，導(dǎo)致核內(nèi)的Wnt相關(guān)靶基因的表達(dá)受抑制，Wnt信號(hào)傳導(dǎo)失活；當(dāng)β-catenin的濃度較高時(shí)，細(xì)胞外的Wnt蛋白發(fā)出信號(hào)，Wnt蛋白與受體卷曲蛋白(Fz)及配體LRP5、LRP6結(jié)合，激活Wnt信號(hào)通路，Wnt信號(hào)從核外開(kāi)始轉(zhuǎn)移，進(jìn)一步使細(xì)胞質(zhì)中的Dsh或活化，使Axin、GSK-3及β-catenin所形成的復(fù)合物瓦解，隨著瓦解的、逐漸非磷酸化的β-catenin在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)累計(jì)引起濃度梯度的改變，與細(xì)胞核中的TCF片段結(jié)合，引起Wnt相關(guān)靶基因的表達(dá)，參與各種生理病理的改變〔8〕(如圖1)。其中，Axin作為Wnt/β-catenin信號(hào)通路的蛋白支架，無(wú)論Wnt信號(hào)通路是否激活都起著相當(dāng)重要的作用，對(duì)維持Wnt信號(hào)通路的空間結(jié)構(gòu)起著重要作用，其可與GSK-3β、APC、酪氨酸蛋白激酶Iα、β-catenin等結(jié)合形成復(fù)合體，使GSK-3β失活，直接參與β-catenin磷酸化、降解、維持穩(wěn)定性的全過(guò)程，起最主要的負(fù)性調(diào)節(jié)作用〔9〕。

圖1 Wnt/β-catenin信號(hào)通路調(diào)控示意圖

2 Wnt信號(hào)通路與關(guān)節(jié)軟骨

2.1關(guān)節(jié)軟骨與軟骨細(xì)胞 關(guān)節(jié)軟骨僅見(jiàn)于關(guān)節(jié)部分組織，由于缺乏血管、神經(jīng)末梢、淋巴管，因此關(guān)節(jié)軟骨損傷很難再次修復(fù)。關(guān)節(jié)軟骨主要由軟骨細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)組成，軟骨細(xì)胞僅占組織總體積的2%～5%，軟骨細(xì)胞外基質(zhì)主要由膠原蛋白組成，其中膠原蛋白Ⅱ是最豐富的。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞是軟骨細(xì)胞的始源，間充質(zhì)干細(xì)胞大部分分化為軟骨細(xì)胞，一部分分化為成纖維細(xì)胞，少部分直接分化為成骨細(xì)胞。軟骨細(xì)胞進(jìn)一步分化為成纖維細(xì)胞與肥厚性軟骨細(xì)胞，其中肥厚性軟骨細(xì)胞通過(guò)分化轉(zhuǎn)移形成成骨細(xì)胞，成纖維細(xì)胞可分化轉(zhuǎn)移為脂肪細(xì)胞和再分化為軟骨細(xì)胞，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為肥厚性軟骨細(xì)胞再轉(zhuǎn)移為成骨細(xì)胞，進(jìn)一步形成關(guān)節(jié)軟骨，其中任何一個(gè)轉(zhuǎn)化途徑失調(diào)均會(huì)導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨生成減少(圖2)。此外，軟骨細(xì)胞也會(huì)隨著人的年齡增加而出現(xiàn)細(xì)胞衰老，由于細(xì)胞耗竭而進(jìn)入細(xì)胞周期，阻滯連續(xù)細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中的增殖能力，導(dǎo)致軟骨再生障礙〔10〕。

2.2Wnt信號(hào)通路與軟骨細(xì)胞的損傷 OA的發(fā)生是由于骨平衡被打破，關(guān)節(jié)軟骨的進(jìn)一步喪失甚至軟骨硬化。軟骨細(xì)胞的成熟與凋亡是導(dǎo)致OA的關(guān)鍵〔11〕，Wnt信號(hào)通路通過(guò)調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的合成與分解〔12〕，抑制軟骨細(xì)胞向軟骨增殖分化的Wnt-1、Wnt-7a、Wnt-14，跟隨著Wnt信號(hào)的激活與否激活相關(guān)的表達(dá)引起軟骨細(xì)胞的轉(zhuǎn)化與否，如由促分裂素原活化蛋白激酶和AP1信號(hào)傳導(dǎo)Wnt-7a可誘導(dǎo)軟骨抑制作用。有研究發(fā)現(xiàn)，在退變的軟骨細(xì)胞中β-catenin表達(dá)水平明顯上升〔13〕，這就說(shuō)明Wnt信號(hào)通路可能介導(dǎo)關(guān)節(jié)軟骨的破壞，進(jìn)而導(dǎo)致關(guān)節(jié)炎癥的發(fā)生。其中，Wnt/β-catenin信號(hào)下游通路可能在關(guān)節(jié)組織中通過(guò)控制軟骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞中起重要作用，比如說(shuō)基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)和MMP的過(guò)度表達(dá)在軟骨細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中的軟骨聚集蛋白聚糖酶可以導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨退化。β-catenin過(guò)表達(dá)可以刺激MMP-2、MMP-3、MMP-7、MMP-9、MMP-13及ADAMTS5的表達(dá)增加〔14〕，其中，最廣泛存在的MMP-2對(duì)維持關(guān)節(jié)軟骨結(jié)構(gòu)與代謝相當(dāng)重要〔15〕,再次最重要的MMP參與軟骨退化是MMP-13，目前已經(jīng)在關(guān)節(jié)軟骨破壞的患者中發(fā)現(xiàn)高表達(dá)的MMP-13，可作為OA關(guān)節(jié)軟骨損傷標(biāo)志物〔16〕。

圖2 軟骨細(xì)胞分化

β-catenin的表達(dá)可刺激MMPs和骨形態(tài)發(fā)生蛋白的表達(dá)增加，可引起軟骨基質(zhì)的降解，加速軟骨細(xì)胞的凋亡導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨破壞〔17〕。

2.3Wnt信號(hào)通路與軟骨細(xì)胞的保護(hù) Dickkopf 相關(guān)蛋白(DKK)被認(rèn)為通過(guò)抑制Wnt信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與LRP5/6和另一種受體Kremen結(jié)合。DKK通過(guò)中斷Wnt-Frizzled-LRP三元復(fù)合物的形成來(lái)抑制Wnt信號(hào)通路與LRP5/6的相互作用，特別是破壞經(jīng)典Wnt信號(hào)通路。DKK-1為Wnt/β-catenin信號(hào)通路中重要的拮抗因子之一，通過(guò)抑制DKK-1可使損傷的關(guān)節(jié)軟骨逆轉(zhuǎn)〔18,19〕，Axin作為Wnt/β-catenin的負(fù)性調(diào)節(jié)因子，其表達(dá)的強(qiáng)度可直接影響軟骨細(xì)胞的增殖分化與凋亡〔20,21〕。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)β-catenin的表達(dá)對(duì)軟骨細(xì)胞的增殖分化與凋亡有著密切的關(guān)系。軟骨細(xì)胞中β-catenin信號(hào)可以以某種方式調(diào)節(jié)骨重塑依賴于RANKL/骨保護(hù)素(OPG)。OPG是一個(gè)誘餌受體與RANK競(jìng)爭(zhēng)〔22〕,它與RANKL結(jié)合在一起基質(zhì)/成骨細(xì)胞前體細(xì)胞，但不會(huì)將信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)到破骨細(xì)胞譜系細(xì)胞，這些細(xì)胞應(yīng)該相互作用與基質(zhì)/成骨細(xì)胞前體細(xì)胞接受RANKL信號(hào)。以這種方式，OPG對(duì)破骨細(xì)胞發(fā)揮抑制分化作用〔23〕。不同RANKL和OPG的表達(dá)方式對(duì)軟骨細(xì)胞中的破骨細(xì)胞呈現(xiàn)出不同的調(diào)控作用〔24〕。

3 Wnt信號(hào)通路與OA

3.1Wnt信號(hào)的異常激活 OA主要是由于關(guān)節(jié)軟骨的破壞、變形，缺乏神經(jīng)感覺(jué)纖維的無(wú)菌性炎癥，軟骨病變是OA的核心〔25,26〕，關(guān)節(jié)軟骨自身修復(fù)是一個(gè)緩慢的過(guò)程，由于衰老、異常機(jī)械負(fù)載、遺傳易感性、創(chuàng)傷或炎癥進(jìn)一步損傷關(guān)節(jié)軟骨，使得關(guān)節(jié)軟骨成骨和破骨不平衡，因此關(guān)節(jié)炎癥會(huì)愈發(fā)加重。軟骨細(xì)胞的成熟與凋亡是導(dǎo)致OA的關(guān)鍵，Wnt信號(hào)通路通過(guò)調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的合成與分解〔27〕，維持其平衡。在Wnt信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中任何一步傳導(dǎo)途徑發(fā)生障礙都可導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨形成與破壞發(fā)生異常反應(yīng)。其異常情況大致可分為三類：①在Wnt信號(hào)途徑細(xì)胞核內(nèi)外的相關(guān)蛋白、轉(zhuǎn)錄因子親和力異常導(dǎo)致該途徑關(guān)閉或局部途徑異?；钴S〔28〕;②過(guò)多的Wnt信號(hào)使整個(gè)途徑都異?；罨?，破骨細(xì)胞進(jìn)行不必要的增殖，造成成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞平衡被打破，導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨喪失〔29〕；③在Wnt信號(hào)不足時(shí)Wnt信號(hào)通路理應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，但參與Wnt通路的其他細(xì)胞因子異?；罨矔?huì)使Wnt信號(hào)通路活化，導(dǎo)致細(xì)胞及機(jī)體不正常反應(yīng)。如APC、Axin等，這些細(xì)胞突變使β-catenin在細(xì)包膜外過(guò)度表達(dá)進(jìn)一步向細(xì)胞核內(nèi)的轉(zhuǎn)移，激活Wnt信號(hào)通路〔30〕。

3.2Wnt信號(hào)通路與OA 在Wnt信號(hào)通路中，上游細(xì)胞因子Wnt分子,APC,GSK-3和Axin的功能障礙不能與β-catenin結(jié)合形成復(fù)合體，導(dǎo)致β-catenin的過(guò)量表達(dá)，使Wnt信號(hào)通路異常激活，進(jìn)一步加重OA病程。研究表明，任何負(fù)性調(diào)節(jié)Wnt/β-catenin信號(hào)通路的調(diào)節(jié)因子均可影響軟骨細(xì)胞向成骨細(xì)胞的轉(zhuǎn)化，Axin作為該信號(hào)通路的支架蛋白，對(duì)該通路的激活與否起著重要的轉(zhuǎn)導(dǎo)作用。研究發(fā)現(xiàn)，在退變的軟骨細(xì)胞內(nèi)觀察到β-catenin表達(dá)顯著增高，另外，與骨折病人相比，OA患者軟骨細(xì)胞培養(yǎng)液中β-catenin表達(dá)也顯著升高，從而推斷Wnt/β-catenin可能與軟骨代謝明顯相關(guān)〔31,32〕。Wnt通路中的關(guān)鍵分子包括β-catenin、APC、GSK-3β、Dsh等結(jié)合形成復(fù)合體，影響成骨細(xì)胞的分裂、分化和成熟，導(dǎo)致骨形成不足〔33〕，Wnt誘導(dǎo)分泌蛋白(WISP)-1和WISP1基因過(guò)度表達(dá)OA患者的骨贅形成明顯相關(guān)。此外，Wnt下游因子MMPs及其他促炎因子及介質(zhì)如前列腺素E2和一氧化氮(NO)等，會(huì)誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞表型的喪失與凋亡。這些發(fā)現(xiàn)表明促炎介質(zhì)是軟骨退化的重要介質(zhì)。MMP家族中，MMP-3，MMP-8，MMP-13和MMP-13聚集蛋白聚糖酶等促炎介質(zhì)參與軟骨的退化，特別是ADAMTS-5，已經(jīng)被認(rèn)定為帶有軟骨記錄損害的標(biāo)志〔34〕。

3.3肥胖與OA 肥胖已經(jīng)成為OA的獨(dú)立危險(xiǎn)因素〔35〕，當(dāng)Wnt信號(hào)在前脂肪細(xì)胞中被激活時(shí)，它會(huì)抑制轉(zhuǎn)錄因子C/EBPa和PPARc的表達(dá)和抑制脂肪生成；此外，調(diào)節(jié)脂肪細(xì)胞形成的Wnt5a與酪氨酸激酶樣孤兒受體結(jié)合，促進(jìn)脂肪細(xì)胞的活化，增進(jìn)脂肪形成〔36〕。除了Wnt之外，轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β途徑在脂肪細(xì)胞分化的調(diào)節(jié)中起主要作用，Wnt信號(hào)通路也參通過(guò)抑制PPARgamma與CEBPalpha與相關(guān)脂肪代謝，引起肥胖，與OA的發(fā)生密切相關(guān)〔37〕。

4 展 望

目前，OA的診斷僅基于臨床癥狀和影像學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于發(fā)病機(jī)制尚缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，尚無(wú)統(tǒng)一的治療方案，均為緩解疼痛和延緩關(guān)節(jié)破壞，而人工關(guān)節(jié)置換是晚期最成功的治療方案。迫于當(dāng)前的實(shí)時(shí)要求，這必然使人們有興趣轉(zhuǎn)向疾病過(guò)程的早期診斷、預(yù)防及治療。Wnt信號(hào)通路對(duì)OA并不僅限于對(duì)軟骨細(xì)胞的影響，可用于解釋OA復(fù)雜的生理病理，并確定合適的藥物治療新靶點(diǎn)。通過(guò)對(duì)Wnt/β-catenin信號(hào)通路研究發(fā)現(xiàn)OA發(fā)病機(jī)制，為關(guān)節(jié)炎的治療干預(yù)提供額外的見(jiàn)解，為研究這些基因在關(guān)節(jié)軟骨水平上的分子機(jī)制及新的治療靶點(diǎn)提供了機(jī)會(huì)。但是就目前的研究技術(shù)而言，Wnt信號(hào)相關(guān)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的實(shí)驗(yàn)研究均建立在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)上，尚未有人體相關(guān)研究的報(bào)道。