新型程序性細胞死亡對骨關(guān)節(jié)炎軟骨基質(zhì)穩(wěn)態(tài)影響之初探

付長龍 葉錦霞 林潔 葉銀燕

【摘 要】 細胞焦亡、鐵死亡是區(qū)別于傳統(tǒng)細胞凋亡、壞死、自噬的兩種新型細胞程序性死亡方式，兩者具有不同的生物學(xué)特征，對骨關(guān)節(jié)炎軟骨基質(zhì)穩(wěn)態(tài)的調(diào)控方式、作用特點亦有區(qū)別。通過細胞焦亡、鐵死亡對骨關(guān)節(jié)炎軟骨基質(zhì)穩(wěn)態(tài)的影響及可能作用途徑進行初步探討，為進一步防治骨關(guān)節(jié)炎開辟新方向。

【關(guān)鍵詞】 骨關(guān)節(jié)炎;細胞焦亡;鐵死亡;軟骨基質(zhì)

骨關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）是一種常見的慢性進展性關(guān)節(jié)疾病[1]，起因于生物因素及力學(xué)異常失穩(wěn)等引起的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)與組織形態(tài)紊亂，最終致關(guān)節(jié)軟骨功能退變甚至喪失。OA的發(fā)病率隨年齡的增長而增加[2-3]，隨著全社會人口老齡化的加劇，OA的發(fā)病率明顯增高，嚴重危害中老年人的健康。目前，對OA的發(fā)病原因及促成機制已形成了較為全面的認識，但伴隨西醫(yī)學(xué)在分子生物學(xué)、基因組學(xué)、蛋白組學(xué)等領(lǐng)域的深入研究，對OA病理機制的認識仍需進一步完善。

1 軟骨基質(zhì)穩(wěn)態(tài)異常對OA的影響

軟骨細胞及其分泌的細胞外基質(zhì)（ECM）成分（如膠原、蛋白聚糖等）是構(gòu)成并維持關(guān)節(jié)軟骨正常功能的重要組成部分。作為關(guān)節(jié)軟骨中特有細胞類型，軟骨細胞可不斷形成新的軟骨基質(zhì)成分，而軟骨基質(zhì)的合成與分解代謝的動態(tài)平衡則維系著關(guān)節(jié)軟骨保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與功能的發(fā)揮。在OA的病理進程中，軟骨細胞的凋亡與軟骨基質(zhì)的過度丟失協(xié)同加劇了OA的關(guān)節(jié)軟骨退變[4-5]。關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)穩(wěn)態(tài)異?？芍庇^印證OA軟骨退變程度。OA發(fā)生后，其主要病理改變體現(xiàn)在關(guān)節(jié)軟骨的退變。在OA早期階段，關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)內(nèi)的膠原纖維出現(xiàn)漸進性退化、變性乃至降解，蛋白多糖數(shù)量不斷減少，引起關(guān)節(jié)承重面發(fā)生異常（變薄、龜裂或粗糙不平）;到發(fā)展期，軟骨裂紋會延伸至軟骨邊緣，并引起鄰近間質(zhì)膠原等非軟骨部分發(fā)生病理性改變;至晚期，關(guān)節(jié)軟骨出現(xiàn)廣泛開裂與纖維化，軟骨分區(qū)性結(jié)構(gòu)態(tài)被打破，軟骨細胞成簇集中且不規(guī)律生長，軟骨表層退化呈現(xiàn)出的粗糙裂紋延伸至鈣化層，同時伴有蛋白多糖大量丟失以及Ⅱ型膠原崩解，最終引起關(guān)節(jié)及其附屬結(jié)構(gòu)與功能的整體性損壞與缺失，導(dǎo)致關(guān)節(jié)穩(wěn)態(tài)失衡[6-7]。因此，維持軟骨基質(zhì)穩(wěn)態(tài)，對延緩OA病理進程具有重要意義。

2 新型程序性細胞死亡對OA軟骨基質(zhì)穩(wěn)態(tài)的影響

2.1 軟骨細胞焦亡對OA軟骨基質(zhì)穩(wěn)態(tài)的影響 細胞焦亡是近年發(fā)現(xiàn)的一種細胞死亡模式，其特征性表現(xiàn)為細胞腫脹裂解、細胞膜溶解（胞質(zhì)內(nèi)容物釋放到細胞外），同時有染色體DNA斷裂現(xiàn)象，是區(qū)別于細胞凋亡和細胞壞死的一種新型死亡模式。細胞焦亡有兩個途徑，一是依賴Caspase-1的焦亡途徑，二是非Caspase-1依賴的焦亡途徑。焦亡過程中胞膜溶解導(dǎo)致細胞內(nèi)包括白細胞介素-1β（IL-1β）在內(nèi)的炎性因子釋放到細胞外[8]。炎癥小體由細胞內(nèi)的模式識別受體（PRR）參與組裝的多蛋白復(fù)合物，可識別病原體相關(guān)分子模式（PAMP）和損傷相關(guān)分子模式（DAMP），進而激活Caspase-1;即核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3（NLRP3）作為炎性體NLR家族重要成員，是目前結(jié)構(gòu)和功能最為明確的炎性小體，由NLRP3、接頭蛋白ASC及Caspase-1前體組成，當接受活化信號刺激后，ASC可通過使結(jié)構(gòu)域相互作用的方式分別募集NLRP3和Caspase-1前體，從而介導(dǎo)Caspase-1激活及促炎因子如IL-1β與IL-18等釋放，誘導(dǎo)依賴Caspase-1的經(jīng)典細胞焦亡發(fā)生[9]。

NLRP3炎性體介導(dǎo)依賴Caspase-1的經(jīng)典細胞焦亡發(fā)生后，會促使IL-1β和IL-18的前體加工裂解，轉(zhuǎn)變成為成熟的活性形式。研究表明，IL-1β在OA的發(fā)病過程中起重要作用，包括加速關(guān)節(jié)軟骨破壞，促進軟骨纖維化等。IL-1β通過對軟骨細胞和滑膜細胞刺激使其產(chǎn)生基質(zhì)金屬蛋白酶（MMPs），同時MMPs抑制劑的表達被減少，使基質(zhì)中的Ⅱ型膠原和蛋白聚糖減少，加速關(guān)節(jié)軟骨的破壞;Ⅱ型膠原和蛋白聚糖的合成受到抑制則加速軟骨纖維化發(fā)展。除此之外，胞外基質(zhì)中的前列腺素E2（PGE2）促進了IL-1β分解軟骨細胞，破壞軟骨，而IL-1β以誘導(dǎo)環(huán)氧化酶-2（COX-2）過表達促進PGE2的生成。細胞基質(zhì)中的一氧化氮（NO）含量增加也與IL-1β關(guān)系密切。誘導(dǎo)型一氧化氮合酶（iNOS）受IL-1β刺激增加NO的合成，NO抑制Ⅱ型膠原α1鏈mRNA的表達，使Ⅱ型膠原合成減少，并激活MMPs，破壞ECM。IL-18可刺激TNF-α、IL-1β的釋放，進而協(xié)調(diào)促進MMPs生成，并加速降解Ⅱ型膠原和蛋白聚糖，破壞軟骨ECM，破壞軟骨細胞基質(zhì)穩(wěn)態(tài)[10]。MCC950作為一種強效的NLRP3炎癥小體抑制劑，可抑制Caspase-1加工處理和IL-1β分泌[11]。因此，通過調(diào)控NLRP3炎性體介導(dǎo)依賴Caspase-1的經(jīng)典細胞焦亡對OA的炎癥反應(yīng)程度與預(yù)后起重要的作用。

2.2 鐵死亡對OA軟骨基質(zhì)穩(wěn)態(tài)的影響 鐵死亡（Ferroptosis）是近年來發(fā)現(xiàn)的一種新型細胞死亡模式，與細胞凋亡、自噬、程序性壞死等死亡方式存在較大差別，其主要由鐵依賴性脂質(zhì)過氧化和活性氧（ROS）誘導(dǎo)損傷引起細胞膜斷裂，線粒體變小等改變，其顯著特征表現(xiàn)為鐵和ROS聚集、過載，并涉及一系列基因異常表達和信號傳導(dǎo)[12]。DIXON等[13]研究發(fā)現(xiàn)，小分子erastin（愛拉斯汀）可通過抑制質(zhì)膜上的胱氨酸-谷氨酸交換體，降低細胞對胱氨酸的獲取，使得谷胱甘肽過氧化物酶4（GPX4）的底物，即谷胱甘肽（GSH）合成受阻，進而引發(fā)膜脂ROS的積累和鐵死亡。酯酰基輔酶A合成酶長鏈家族成員4（ACSL4）是調(diào)節(jié)鐵死亡的關(guān)鍵因素，其作用可將花生四烯酸和腎上腺酸分別合成為花生四烯酰CoA和腎上腺酰CoA，參與磷脂酰乙醇胺或磷脂酰肌醇等帶負電膜磷脂的合成。DOLL等[14]研究發(fā)現(xiàn)，通過敲除小鼠和人類細胞中ACSL4基因，可有效減少erastin和GPX4抑制劑（RSL3）誘導(dǎo)的細胞死亡率。而鐵代謝紊亂在介導(dǎo)鐵死亡過程中發(fā)揮了主導(dǎo)作用。正常水平的鐵對維持生物體機能發(fā)揮至關(guān)重要的作用，其可通過參與氧運輸、DNA生物合成和作為輔酶參與三羧酸循環(huán)和電子傳遞鏈，進而對三磷酸腺苷合成產(chǎn)生影響;但隨著細胞內(nèi)鐵離子過載超額，又可催化機體形成具有代謝毒性的ROS。DOLMA等[15]以RAS突變的鐵死亡敏感細胞和對照組對比發(fā)現(xiàn)，前組細胞有增高的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1和降低的轉(zhuǎn)鐵蛋白，即鐵蛋白輕鏈（FTL）和鐵蛋白重鏈1（FTH1），這一現(xiàn)象說明鐵死亡敏感細胞中鐵攝入增多，而儲存能力降低，鐵超載誘導(dǎo)細胞死亡。

參與鐵死亡過程的重要標志物對OA軟骨基質(zhì)穩(wěn)態(tài)的影響：①GSH在鐵死亡中扮演了重要的角色，它是一種含有GSH的多肽，可消除ROS的毒性作用，是最重要的細胞抗氧化劑之一。已有研究報道，GSH對軟骨細胞基質(zhì)具有保護作用[16]。具體體現(xiàn)在GSH可減輕Cu2+-過氧化氫（H2O2）誘導(dǎo)的關(guān)節(jié)軟骨蛋白聚糖的降解，進而發(fā)揮軟骨保護作用[17];另有研究發(fā)現(xiàn)，隨著軟骨細胞內(nèi)GSH水平不斷下降，軟骨細胞受活性氧的毒性作用越大，軟骨基質(zhì)受損越嚴重[18]。②ROS是引起鐵死亡的使動因素，常見類型包括超氧陰離子、H2O2、羥基自由基（OH）以及NO自由基等。當關(guān)節(jié)病變時，為應(yīng)對出現(xiàn)的高氧分壓和炎癥狀態(tài)，關(guān)節(jié)軟骨細胞內(nèi)的ROS合成增多，造成軟骨基質(zhì)損傷[19]。研究表明，軟骨細胞經(jīng)150 μmol·L-1的H2O2誘導(dǎo)24 h后，關(guān)節(jié)軟骨細胞中Ⅱ型膠原、黏多糖基質(zhì)成分水平顯著降低，而可降解基質(zhì)中Ⅱ型膠原成分中的MMP-13與加速降解基質(zhì)中蛋白聚糖成分的含血小板結(jié)合蛋白基序的解聚蛋白樣金屬蛋白酶5水平顯著升高[20]。OA發(fā)生后，關(guān)節(jié)腔內(nèi)環(huán)境紊亂失衡，致使軟骨細胞失去正常的代謝、合成及自我修復(fù)功能，進而引起軟骨細胞受損;而隨著炎癥反應(yīng)升級，iNOS生成并被釋放，活化的iNOS又可誘導(dǎo)精氨酸發(fā)生氧化并產(chǎn)生NO。相關(guān)研究表明，關(guān)節(jié)炎患者的關(guān)節(jié)滑液及血清中具有較高表達量的iNOS和NO[21]。NO對生物機體來說是一把“雙刃劍”，即一種重要的生理和病理媒介，首先，NO是存在于細胞間的重要通訊物質(zhì)，其可通過傳遞信息，參與生命體內(nèi)一系列生理反應(yīng);此外，較高水平表達的NO可通過細胞毒作用或介導(dǎo)凋亡途徑造成軟骨細胞的損害或退變， 具體機制為NO可通過阻斷軟骨細胞基質(zhì)中膠原與蛋白多糖的合成，并激活MMPs表達與釋放，進而加速軟骨基質(zhì)中膠原與蛋白多糖成分降解，引起軟骨細胞結(jié)構(gòu)框架坍塌;NO也介導(dǎo)了經(jīng)典NO凋亡途徑，較高濃度的NO可直接抑制軟骨細胞增殖活性，誘發(fā)軟骨細胞發(fā)生糖酵解，引起軟骨細胞內(nèi)能量代謝功能紊亂，并加速其正常膜性結(jié)構(gòu)的分解破壞，最終引起軟骨質(zhì)量下降和進行性退化[22-23]。③COX-2作為一種關(guān)鍵性限速酶，其可誘導(dǎo)花生四烯酸協(xié)同生成PG。研究發(fā)現(xiàn)，實驗小鼠經(jīng)liproxstatin-1（鐵死亡抑制劑）注射處理后，COX-2功能可顯著下調(diào);在OA病理進程中，通過過表達COX-2基因，可使PG含量升高，而后者可強化IL-1β對關(guān)節(jié)軟骨細胞的破壞作用，協(xié)同加速軟骨基質(zhì)穩(wěn)態(tài)失衡[24]。

此外，IL-1β可誘導(dǎo)NO的生成與釋放，NO作為介導(dǎo)細胞凋亡的重要媒介，又可抑制軟骨細胞Ⅱ型膠原α1鏈基因表達，進而阻止Ⅱ型膠原的生成，同時亦可活化MMPs等，最終引起軟骨細胞退變。而伴隨ROS的聚集、過載釋放，又可協(xié)調(diào)促進MMPs生成，并加速降解Ⅱ型膠原和蛋白聚糖，破壞軟骨ECM，進而破壞軟骨細胞基質(zhì)穩(wěn)態(tài)[25]。因此，通過調(diào)控軟骨細胞鐵死亡過程主要信號分子表達對OA軟骨基質(zhì)穩(wěn)態(tài)發(fā)揮重要作用。

3 小 結(jié)

綜上所述，細胞焦亡與鐵死亡對骨關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生重要影響，但兩種新型程序性死亡方式引起關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)穩(wěn)態(tài)異常的關(guān)鍵調(diào)控靶點、所涉及的重要交叉信號通路及關(guān)鍵非編碼長鏈RNA或微小RNA的微觀調(diào)節(jié)介質(zhì)尚未明確。今后可運用基因芯片篩選關(guān)聯(lián)基因，開展靶基因的轉(zhuǎn)基因動物實驗，并通過功能驗證（基因沉默與過表達）進一步明確發(fā)揮關(guān)鍵作用的基因類型;其次在藥物治療方面，可通過生物信息學(xué)或網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)構(gòu)建、分析有效中醫(yī)藥組方藥物中關(guān)鍵成分與兩種新型程序性死亡方式內(nèi)在關(guān)聯(lián)性及對OA軟骨基質(zhì)穩(wěn)態(tài)的影響。

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收稿日期：2019-09-16;修回日期：2019-10-31