H型血管鐵死亡對骨質疏松性骨關節(jié)炎的影響及調節(jié)機制研究

付長龍 梅陽陽 李西海 葉錦霞 謝新宇 邱志偉

1.福建中醫(yī)藥大學中西醫(yī)結合研究院，福建 福州 350122 2.福建省中西醫(yī)結合老年性疾病重點實驗室，福建 福州 350122 3.福建衛(wèi)生職業(yè)技術學院，福建 福州 350101

骨關節(jié)炎(osteoarthritis，OA)是一種主要由生物因素及力學穩(wěn)態(tài)異常等引起的受累關節(jié)部位結構與組織形態(tài)紊亂，致使關節(jié)功能退變乃至喪失的關節(jié)疾病，其顯著病理特點表現(xiàn)為關節(jié)處軟骨組織發(fā)生變性、退化，軟骨下骨漸進性破壞以及繼發(fā)性骨贅形成[1]。骨質疏松癥(osteoporosis，OP)作為一種與骨代謝平衡偶聯(lián)失衡密切相關的代謝性骨科疾患，其主要特征表現(xiàn)在骨量趨向降低，骨組織微結構受累破壞，骨脆性異常增加等，其病因涵蓋性別、年齡、遺傳、營養(yǎng)狀況、細胞因子及激素水平異常等[2]。而骨質疏松癥合并骨關節(jié)炎，亦稱為骨質疏松性骨關節(jié)炎(osteoporosis osteoarthritis，OPOA)，其主要以軟骨結構損傷、骨組織疏松并伴隨著骨代謝水平改變?yōu)橹饕±硖攸c。流行病學與臨床研究數據顯示[3]，絕經后婦女患有OPOA的發(fā)生率高達30%～80%[4]，且與年齡因素具有密切關聯(lián)性，即當年齡趨于增加時，OPOA的發(fā)病率也隨之不斷增高[5]。隨著全社會人口老齡化的加劇，OPOA的發(fā)病率亦呈現(xiàn)高發(fā)趨勢，嚴重危害著中老年人的健康。

目前對骨質疏松性骨關節(jié)炎的藥物治療策略主要以緩解臨床癥狀(疼痛不適等)，改善關節(jié)功能，提高骨量為主。臨床應用多以活性維生素D 類似物(α骨化醇、骨化三醇等)、雌激素受體調節(jié)劑(雷洛昔芬等)、骨吸收抑制劑(雙膦酸鹽等)、非甾體類(依托考昔等)、軟骨營養(yǎng)類(氨基葡萄糖)及其他類聯(lián)合用藥為主，其聯(lián)合應用雖在一定程度上改善OPOA患者的部分臨床癥狀，但聯(lián)合用藥的入體劑量倍增亦增加了藥物所致副作用的風險，且其聯(lián)合應用并未有效阻斷或逆轉骨質疏松性骨關節(jié)炎的病情進展[6]。鑒于H型血管(內皮細胞)在骨與軟骨損傷修復中兼具成骨和成血管偶聯(lián)功能，其形態(tài)與結構變化將影響骨質疏松、骨關節(jié)炎的損傷修復，有望成為今后治療OPOA的熱點之一。其中，H型血管鐵死亡將對骨質疏松性骨關節(jié)炎的病程將產生重要影響，現(xiàn)就其影響途徑及調節(jié)機制進行初步探討，以期為今后以H型血管鐵死亡為切入點進而防治骨質疏松性骨關節(jié)炎開辟新方向。

1 H型血管在OPOA損傷修復中的調節(jié)作用

H型血管可特異表達血小板-內皮細胞粘附分子抗體(CD31)與內皮粘蛋白抗體(endomucin，EMCN)[7]，其作為一種新的血管亞型(即H型)通常分布于發(fā)育中的長骨干骺端與骨內膜處，起初由Kusumbe團隊將研究成果刊登在《Natrue》雜志[8]，并認為此類血管可兼具成血管與成骨功能，且H型血管的分布、數量與年齡變化具有重要關聯(lián)，即伴隨增齡，出現(xiàn)此類型血管及其周圍匯集的成骨祖細胞數量銳減現(xiàn)象。亦有研究證實[9]，在大鼠骨缺損的修復進程中，H型血管主要分布在靠近生長前沿(干骺端、骨內膜等)新生骨小梁表面；而在去卵巢小鼠的骨組織中，H型血管的數量顯著減低[10]。H型血管在調節(jié)骨質疏松性骨關節(jié)炎損傷修復中的具體作用體現(xiàn)在：①成血管作用：構成H型血管的內皮細胞可促進血管新生，血管新生交匯互通后形成血管網，而血管網的主要功能是作為一個運輸營養(yǎng)物質、氧氣、代謝產物、激素、細胞因子(炎性、趨化及成骨與破骨誘導因子等)或細胞的管道[11]，通過延伸貫通于骨小梁的表面、骨外膜、骨內膜、皮質骨的哈弗氏管內干骺端軟骨及軟骨下骨的交界面上，具有滋養(yǎng)與修復損傷關節(jié)，促進軟骨及關節(jié)周圍組織的新陳代謝作用，最終可減輕軟骨退變，緩解骨量降低等病理進程[12]。②成骨作用：基于成骨細胞、破骨細胞和H型血管內皮細胞之間諸多信號分子的密切交互聯(lián)系，即“成骨和成血管偶聯(lián)”：成骨作用的發(fā)揮是一個血管依賴的過程，其原因則為H型血管內皮細胞可吸引并誘導成骨、破骨祖細胞向受損關節(jié)部位富集遷移[13]。Sojo等[14]亦研究證實，血管再生過程可先于成骨發(fā)生，而新生的血管為循環(huán)成骨、破骨細胞的前體細胞提供穩(wěn)定的通道保障，從而確保其輸送至骨損傷源部位。由此可見，在骨質疏松性骨關節(jié)損傷修復中，H型血管可促進血管網新生與成骨分化，為軟骨、軟骨下骨及塌陷受損的骨組織提供成骨介質、修復因子等，并促進軟骨與骨組織的新陳代謝，進而促進損傷修復。此外，眾多證據表明，許多骨骼的病理變化，如骨質疏松[15-16]、骨關節(jié)炎[17]等都與血管形成異常密切相關。因此，通過維持H型血管正常功能，改善其異常狀態(tài)，可能是延緩骨質疏松性骨關節(jié)炎病理進程的重要治療途徑之一。

2 H型血管鐵死亡對OPOA病理進程的影響

鐵死亡(Ferroptosis)是一種呈現(xiàn)鐵依賴性脂質過氧化反應及活性氧(ROS)聚集、過載為主要特點的新型細胞死亡模式，其可引起細胞膜斷裂，線粒體變小等改變，常涉及一系列基因異常表達和信號傳導[18]。研究發(fā)現(xiàn)[19]，通過抑制谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)活性，可阻礙并減少谷胱甘肽的合成與釋放，其所致結局則可促使ROS在膜脂內大量匯集乃至過載，進而誘發(fā)鐵死亡模式的開啟。而酯酰基輔酶A合成酶長鏈家族成員4(AcylCoA synthetase long-chain familymember4，ACSL4)作為調節(jié)鐵死亡的關鍵因素，可催化酸類物質(花生四烯酸、腎上腺酸)生成為輔酶A物質(花生四烯酰CoA、腎上腺酰CoA)，進而作為重要組分合成帶負電膜磷脂(磷脂酰乙醇胺或磷脂酰肌醇等)。Doll等[20]研究發(fā)現(xiàn)，通過敲除ACSL4基因，可有效減少GPX4 抑制劑(RSL3)誘導的細胞鐵死亡。此外，鐵代謝紊亂在介導鐵死亡過程中發(fā)揮了主導作用，一旦細胞內鐵離子超額，可催化機體形成具有代謝毒性的ROS。在骨質疏松性骨關節(jié)炎病理狀態(tài)下，H型血管在異常應力與生物因素刺激下，會出現(xiàn)局部供血受限，氧氣和營養(yǎng)物質的消耗，加之鐵代謝異常(受損的紅細胞釋放過載鐵等)又可激活Fenton 反應生成大量ROS，將引起H型血管(內皮細胞)鐵死亡發(fā)生。

在骨質疏松性骨關節(jié)炎的病理進程中，H型血管鐵死亡可能通過影響以下途徑參與對其調控。首先，H型血管鐵死亡參與對成骨和成血管偶聯(lián)功能的調節(jié)。諸多研究顯示，鐵死亡模式的啟動可加劇血管(內皮細胞)損傷。研究表明[21]，在大腦血管閉塞模型中，鐵死亡抑制劑可保護小鼠免于缺血-再灌注的損傷。另有研究證實[22]，鐵死亡誘導劑erastin(5 μmol/L濃度)可啟動并引起血管內皮細胞發(fā)生鐵死亡：光鏡下觀察顯示，啟動鐵死亡模式的血管內皮細胞核發(fā)生固縮，胞漿結構趨于完全消失，但其細胞膜結構保持光滑且完整；而電鏡下觀察可見內皮細胞線粒體固縮、縮小，鐵死亡相關蛋白GPX4表達顯著降低，而鐵死亡抑制劑Ferrostatin-1則可逆轉血管內皮細胞鐵死亡的發(fā)生。其次，H型血管鐵死亡亦可加劇OPOA關節(jié)軟骨基質穩(wěn)態(tài)失衡，進而加速軟骨變性、退化。H型血管發(fā)生鐵死亡后，其代謝產物可通過直接或間接分泌、滲透途徑，將使局部關節(jié)內及其周圍聚集過載的活性氧(ROS)及其他異常細胞因子成分。其中：①過載的活性氧(ROS)作為誘導鐵死亡模式啟動的重要因素，主要類型包括過氧化氫(H2O2)、羥基自由基(·OH)、一氧化氮(NO)自由基以及超氧陰離子等。當關節(jié)發(fā)生病變后，關節(jié)內環(huán)境紊亂失衡，伴隨關節(jié)軟骨細胞內的活性氧生成異常增多，不僅可阻礙軟骨細胞分泌細胞外基質及Ⅱ型膠原合成，其又可加劇軟骨基質降解[23]。②環(huán)加氧酶-2(cyclooxygenase-2，COX-2)作為一種代謝合成過程中的關鍵性限速酶，可將花生四烯酸初步催變轉化為前列腺素類物質。研究發(fā)現(xiàn)[24]，經應用鐵死亡抑制劑liproxstatin-1干預小鼠后，可抑制COX-2功能，而在介導軟骨退變過程中，異常表達的COX-2可誘導前列腺素 E2(PGE2)合成與釋放增加，后者不僅可誘導并啟動軟骨細胞凋亡模式，又可加強IL-1β對軟骨細胞的破壞與分解作用，從而導致軟骨基質穩(wěn)態(tài)趨于失衡[25]。

3 miRNAs介導H型血管鐵死亡對OPOA病理進程的調節(jié)

miRNAs作為一種進化保守的微小非編碼RNA，可通過結合靶基因mRNA(3'-UTR)非翻譯區(qū)域介導靶基因的轉錄后沉默，發(fā)揮負調節(jié)基因表達功能。miRNAs可廣泛參與細胞增殖、分化、死亡(凋亡、鐵死亡)等生物學效應。近年大量研究發(fā)現(xiàn)，miRNAs作為潛在治療靶點已成為前沿研究熱點之一[26]。諸多研究表明，miRNAs與血管內皮細胞損傷密切關聯(lián)，其中miRNA-9不僅可通過介導鐵死亡(ferroptosis)參與調節(jié)血管內皮細胞功能[27]，miRNA- 9還作為一種致炎因子脂多糖誘導炎癥反應的應答基因[28]，可對NF-κB轉錄因子進行調控，進而調節(jié)炎癥反應[29]。而異常細胞因子(脂多糖、TNF-α與IL-1等)可激活NF-κB經典途徑，發(fā)生活化的NF-κB p65進入細胞核，最終可引起骨關節(jié)炎反應的發(fā)生，加劇軟骨退變[30]。此外，相關研究發(fā)現(xiàn)[31-32]，miRNA17-92(主要包括miRNA-17、miRNA-18a、miRNA-19a/b、miRNA-20a、miRNA-92a)作為一種泛功能的miRNA基因簇，對血管生成及其功能的發(fā)揮具有重要調控作用。有學者證實[33]，過表達miRNA17-92可保護erastin誘導血管內皮細胞的鐵死亡，并降低lipid-ROS產生與釋放，其調節(jié)機制與干涉miRNA17-92的靶分子A20，進而抑制鐵死亡相關蛋白ACSL4密切相關。鑒于相關miRNAs對H型血管鐵死亡發(fā)揮的重要調節(jié)作用，其是否也通過介導H型血管鐵死亡進而影響骨質疏松性骨關節(jié)炎的病理進程，例如miRNA-9等是否在骨質疏松性骨關節(jié)炎動物模型中發(fā)揮雙效調節(jié)作用，即miRNA-9等不僅介導H型血管內皮細胞鐵死亡進而影響“成骨與成血管”功能，又可抑制軟骨細胞炎癥反應，延緩軟骨退變的機制尚需進一步探討與驗證。

4 小結

綜上，H型血管功能的維持與發(fā)揮將對以軟骨結構損傷、骨組織疏松并伴隨著骨代謝水平改變?yōu)橹饕±硖攸c的骨質疏松性骨關節(jié)的治療提供新思路。其中，針對H型血管鐵死亡的靶向調節(jié)有望成為延緩骨質疏松性骨關節(jié)病程的新策略。但關于H型血管鐵死亡在治療骨質疏松性骨關節(jié)的臨床與基礎研究仍需進一步開展與豐富，而其特定調節(jié)基因的功能發(fā)揮是否具有多效調節(jié)作用，尚需要深入探討；其次，基于H型血管鐵死亡途徑的靶向藥物研發(fā)可作為延緩骨質疏松性骨關節(jié)病程的重要課題之一，可運用計算機模擬或大數據分析技術初步篩選其潛在的有效藥物成分，并通過開展基礎及臨床研究進行科學驗證，對今后指導并應用于臨床治療將具有重要的價值。