膝骨性關(guān)節(jié)炎關(guān)鍵信號通路的研究進展

張虎林 喻琳△ 王亮 汪小敏 謝澤慧

膝骨性關(guān)節(jié)炎(Knee Osteoarthritis，KOA)是一種臨床上多見的膝關(guān)節(jié)退行性疾病，膝關(guān)節(jié)軟骨退化、軟骨下骨結(jié)構(gòu)改變并伴有骨贅形成是其典型的特征，臨床主要表現(xiàn)為膝關(guān)節(jié)腫痛、僵硬、畸形和正常關(guān)節(jié)活動受限。據(jù)統(tǒng)計[1]60歲以上的人群中有高達50%的人患KOA，且伴隨人口老齡化程度的增加日漸加劇。KOA的發(fā)病機制尚不明確，研究顯示年齡、肥胖、創(chuàng)傷和遺傳基因等與KOA的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[2]。近年來，KOA的發(fā)病研究以信號通路為切入點已成為趨勢，與KOA相關(guān)的信號通路有Wnt通路、Notch通路、NF-κB通路、PI3K/Akt/mTOR通路、OPG/RANK/RANKL通路、TLRs通路、MAPK 通路、SDF-1/CXCR4通路、JNK通路等，其中研究深入且較為關(guān)鍵的有Wnt通路、Notch通路、NF-κB通路、PI3K/Akt/mTOR通路、OPG/RANK/RANKL通路，各自在KOA中調(diào)控關(guān)節(jié)軟骨的增殖及分化、加重炎癥反應(yīng)、提高機體自噬水平、維持關(guān)節(jié)軟骨的合成與降解平衡方面發(fā)揮著重要作用，通過調(diào)控各信號通路可停止甚至逆轉(zhuǎn)KOA的發(fā)生發(fā)展，對KOA的治療具有重要意義。本文就有關(guān)KOA關(guān)鍵信號通路進行綜述，以期更好地指導(dǎo)KOA的科研及臨床應(yīng)用。

1 Wnt信號通路

1.1 Wnt通路組成及其傳導(dǎo)

Wnt信號通路于1982年由Nusse首先發(fā)現(xiàn)并報道[3]，其分為Wnt/β-catenin通路、Wnt/Ca2+通路、Wnt/PCP(平面極細胞)信號通路和調(diào)節(jié)紡錘體的方向以及非對稱性細胞分裂的胞內(nèi)通路。Wnt蛋白配體和低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白(LRP)5/6以及跨膜受體卷曲蛋白(Frz)三者結(jié)合后，經(jīng)典的Wnt/β-catenin通路即被激活，與此同時，Dishevelled蛋白(DVL)開始活化，軸蛋白(Axin)與LRP5/6在胞質(zhì)尾區(qū)結(jié)合形成復(fù)合體，糖原合酶激酶-3β(GSK-3β)是Axin的主要成分，其活性被DVL抑制，進而導(dǎo)致β-catenin蛋白降解減少，可以穩(wěn)定地進入細胞核內(nèi)，與T細胞因子/淋巴增強因子(TCF/LEF)在核內(nèi)形成復(fù)合物作用于下游靶基因，參與細胞的增殖[4]。Wnt信號通路的配體眾多且與骨關(guān)節(jié)病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，其中Wnt1、Wnt3a、Wnt4、Wnt5a、Wnt6、Wnt7b、Wnt10a、Wnt11和Wnt16均參與骨的代謝。研究顯示，骨量顯著降低與骨細胞中Wnt1的缺失有緊密聯(lián)系，而Wnt1的大量表達會使成骨細胞(OB)數(shù)量增加，進而促進骨的形成，Wnt3a、Wnt4、Wnt11和 Wnt16通過抑制破骨細胞(OC)的生成進而減少骨吸收，Wnt5a通過刺激OB分泌白介素6(IL-6)使OC的生成增加，增加骨的吸收。

1.2 Wnt信號通路與KOA的關(guān)系

Wnt通路的過度激活會導(dǎo)致細胞外基質(zhì)的降解進而促進KOA的發(fā)生，通過抑制該通路可起到保護關(guān)節(jié)軟骨延緩KOA發(fā)展的作用。Wnt通路是軟骨發(fā)育和骨重塑的重要機制，在四條Wnt信號通路中，Wnt/β-catenin通路與KOA的關(guān)系最為密切[5]。Wnt/β-catenin通路中的核心蛋白β-catenin被上游的Wnt家族蛋白激活后，會導(dǎo)致關(guān)節(jié)內(nèi)軟骨的丟失[6]。Zhou等[2]在一項膠原酶誘導(dǎo)和自發(fā)性關(guān)節(jié)炎小鼠模型實驗中發(fā)現(xiàn)Wnt和Wnt相關(guān)基因Wnt1-誘導(dǎo)信號通路蛋白1(WISP1)增加相對比較明顯，WISP1可上調(diào)關(guān)節(jié)軟骨細胞及巨噬細胞中的基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)和蛋白聚糖酶(Aggrecanase)，前者通過降解Ⅱ型膠原導(dǎo)致關(guān)節(jié)細胞外基質(zhì)的破壞，后者引起蛋白聚糖降解，二者最終促進KOA的形成。而Gao等[7]的研究發(fā)現(xiàn)，在KOA患者中，Wnt抑制因子1(WIF-1)的表達水平與進行性關(guān)節(jié)損傷負相關(guān)，通過激活Wnt/β-catenin通路抑制因子，可以使軟骨細胞凋亡及軟骨破壞有效減緩。西藥氟西汀、維拉帕米等通過抑制Wnt/β-catenin通路的活性減少降解酶的表達，對關(guān)節(jié)軟骨起到保護作用，中藥淫羊藿以及經(jīng)方獨活寄生湯等降低MMP1、MMP3、MMP13、Wnt5a以及β-catenin的表達保護軟骨，進而減少KOA的發(fā)生[7]。因此，未來可針對Wnt/β-catenin通路關(guān)鍵的靶基因進行系統(tǒng)研究，探究其相關(guān)因子在KOA中發(fā)揮的具體作用，更明確地認識其與KOA的關(guān)系，從而尋找新的治療方向和藥物靶點。

2 Notch信號通路

2.1 Notch信號通路組成及其傳導(dǎo)

Notch基因于20世紀初由遺傳學(xué)家Mohr研究果蠅體內(nèi)基因時首次發(fā)現(xiàn)并命名，而后的研究發(fā)現(xiàn)Notch信號通路是存在于包括人類在內(nèi)的多種生物體內(nèi)的一條相對保守的傳導(dǎo)通路，其信號具有不可放大性且精確調(diào)控細胞的初始分化過程。 Notch信號通路組成包括Notch1、2、3、4四個同源受體，和DLL1、3、4及Jagged1、2五個配體以及胞內(nèi)效應(yīng)分子[8]，其傳導(dǎo)途徑分為經(jīng)典和非經(jīng)典傳導(dǎo)，相鄰兩個細胞的受體與配體結(jié)合標志著經(jīng)典Notch通路的激活，Notch受體分別被金屬蛋白酶和γ-分泌酶酶切釋放出胞外和胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域，然后以DNA異二聚體的形式和轉(zhuǎn)錄因子DSL形成復(fù)合體，使下游的靶基因Hes1、Hes5等呈活化狀態(tài)，進而對關(guān)節(jié)軟骨細胞的分化及凋亡產(chǎn)生影響。研究證實，Notch通路可通過調(diào)控骨組織中OB與OC含量來維持人體骨量的平衡，OB數(shù)量的下降與Notch1、Notch2的活性丟失和Hes1、Hes5的激活有關(guān)，Notch2和DLL1促進OC的生成，Notch1和Jagged1對OC的生成起抑制作用[9-10]。

2.2 Notch與KOA的關(guān)系

Notch信號的失衡是KOA發(fā)生發(fā)展的重要原因之一，通過抑制Notch信號的過表達可減緩KOA的發(fā)展。KOA的發(fā)生機制與關(guān)節(jié)軟骨細胞的凋亡有著明顯的關(guān)聯(lián)，Notch信號通路在軟骨細胞增殖、分化、凋亡方面起著重要的調(diào)控作用[11]。研究發(fā)現(xiàn)相對于正常關(guān)節(jié)軟骨，Notch通路在KOA關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)呈激活狀態(tài)，不僅大量表達Notch1，Jagged1以及Hes5，且參與調(diào)節(jié)KOA相關(guān)基因的表達[12]。Notch通路在關(guān)節(jié)軟骨發(fā)育中起著正負雙向調(diào)節(jié)的作用，生理性的Notch信號傳導(dǎo)是維持軟骨功能所必需的，而持續(xù)激活的Notch信號會導(dǎo)致軟骨退化及關(guān)節(jié)炎的發(fā)生[11，13]。在一項動物試驗中，研究者發(fā)現(xiàn)剛出生的小鼠Notch信號的缺少會導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生，而在創(chuàng)傷后的骨關(guān)節(jié)炎模型中，可檢測到Notch信號的明顯增加[14]。另有試驗證明，微核糖核酸(MiR-9)可調(diào)節(jié)Notch信號通路促進骨關(guān)節(jié)炎軟骨的再生[15]。中醫(yī)經(jīng)方獨活寄生湯經(jīng)關(guān)節(jié)熏洗儀熏洗可抑制Notch信號通路受體Notch1的表達程度，通過抑制OC的生成使關(guān)節(jié)軟骨的退變減緩，對KOA起到治療作用?；诖耍M一步精確研究Notch通路在KOA中的發(fā)病機制中的作用，合理利用誘導(dǎo)劑或許成為一種治療KOA的新方法。

3 NF-κB信號通路

3.1 NF-κB信號通路及其傳導(dǎo)

核轉(zhuǎn)錄因子κB(Nuclear Factor-κB，NF-κB)是一種存在于各種動物體內(nèi)多種細胞類型的核轉(zhuǎn)錄因子。Sen等[16]在1980年代發(fā)現(xiàn)，在成熟的B細胞細胞核提取物中存在一種可以與免疫球蛋白κ輕鏈基因的增強子κB序列特異性結(jié)合的蛋白因子，將其命名為NF-κB。NF-κb常以p50和p60兩個亞基形成的異二聚體形式存在于胞內(nèi)[17]。靜息狀態(tài)下，NF-κB常與其抑制蛋白IκB家族在胞漿中緊密結(jié)合，由于IκB的抑制作用使NF-κB以無活性的復(fù)合物形式存在。當細胞受到白介素-1(IL-1)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、紫外線照射等各種刺激時，IκB蛋白被激活并發(fā)生降解，而后與NF-κB分離。分離后的NF-κB從胞漿內(nèi)轉(zhuǎn)移到細胞核中，與DNA上的κB位點結(jié)合，調(diào)節(jié)靶基因的表達[18]。值得一提的是激活后的NF-κB信號通路又對炎癥因子IL-1、TNF-α等進行調(diào)控，二者形成正向循環(huán)調(diào)控機制，對疾病的發(fā)生發(fā)展起到重要作用。NF-κB通路在骨代謝方面也有重要意義，NF-κB通路的激活不僅可促進OC活性導(dǎo)致骨吸收增加，而且使OB的功能受到抑制，減少代償性骨形成。

3.2 NF-κB信號通路與KOA的關(guān)系

NF-κB通路的激活加劇了KOA關(guān)節(jié)炎癥反應(yīng)，抑制該通路可減弱炎癥反應(yīng)使KOA得到改善。NF-κB信號通路與機體的炎癥、免疫、細胞的轉(zhuǎn)化與凋亡有著不可分割的聯(lián)系[19]。研究顯示在KOA的發(fā)病過程中過量的炎癥因子起著重要的作用，大量的炎癥因子使NF-κB信號通路顯著激活，激活的NF-κB通路又誘導(dǎo)炎癥介質(zhì)如IL-1β、IL-6、IL-8、環(huán)氧合酶-2(COX-2)、基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)等的表達引起破壞軟骨和細胞外基質(zhì)的一系列反應(yīng)發(fā)生，導(dǎo)致KOA的形成[20]。此外，在KOA患者的軟骨組織中檢測到明顯的NF-κB信號，表明在人膝關(guān)節(jié)軟骨中NF-κB通路是呈活化狀態(tài)的。而Zhang等[21]研究發(fā)現(xiàn)，使用降鈣素能明顯抑制NF-κB通路關(guān)鍵蛋白的表達，進而對關(guān)節(jié)軟骨產(chǎn)生保護作用。常用臨床藥物中，非甾體類抗炎藥及糖皮質(zhì)激素等均已被證明可對NF-κB通路產(chǎn)生抑制而起到消除關(guān)節(jié)炎癥的作用，中藥山茱萸提取物馬錢子苷、黃芩提取物黃芩苷及燈盞細辛提取物燈盞乙素等也被發(fā)現(xiàn)通過抑制NF-κB通路而發(fā)揮保護骨關(guān)節(jié)炎的作用[22]。因此，尋找開發(fā)NF-κB信號通路的抑制劑且不影響該通路本身的生理活性的藥物，將對KOA產(chǎn)生關(guān)鍵影響。

4 PI3K/Akt/mTOR信號通路

4.1 PI3K/Akt/mTOR信號通路組成及其傳導(dǎo)

PI3K/Akt/mTOR信號通路是機體內(nèi)一條重要的調(diào)控通路，與細胞的自噬、癌變、增殖及炎癥反應(yīng)密切相關(guān)[23]。該通路由磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)、蛋白激酶B(Akt)、哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)三者組成。而PI3K與胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)關(guān)聯(lián)密切，是自噬的重要調(diào)節(jié)因子；Akt來源于AGC激酶家族，在細胞生長、增殖及調(diào)節(jié)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用；mTOR作為重要的自噬抑制蛋白，是胞內(nèi)多種信號通路的樞紐，與整合信號和調(diào)節(jié)細胞的生長過程有關(guān)[24]。當機體受到刺激時，PI3K呈活化狀態(tài)，Akt被活化的PI3K磷酸化，繼而傳導(dǎo)信號至下游靶點最終激活mTOR，使細胞的自噬水平受到抑制并調(diào)節(jié)與細胞凋亡相關(guān)基因的表達。骨代謝方面，PI3K/Akt/mTOR信號通路的激活不僅能促進OB的增殖和調(diào)控OB的分化，也可促進OC前體的分化成熟，對OC的存活和分化具有重要意義，通過抑制PI3K/Akt/mTOR通路能誘導(dǎo)OC的凋亡，減少骨的吸收。

4.2 PI3K/Akt/mTOR信號通路與KOA的關(guān)系

抑制PI3K/Akt/mTOR信號通路可提高機體的自噬水平進而對KOA起到治療作用。自噬是機體自我保護和維持平衡的機制，PI3K/Akt/mTOR信號通路是一條重要的自噬負調(diào)控通路[25-26]。在KOA的進展期，膝關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)可檢測到自噬因子的高表達，此時因自噬因子的作用軟骨細胞的損傷尚可控制，隨著KOA的進一步加重，自噬相關(guān)蛋白的表達有所降低，而通過抑制PI3K/Akt/mTOR信號通路可提高自噬水平，減緩KOA的發(fā)展。Xue等[26]在大鼠關(guān)節(jié)炎模型分別使用PI3K抑制劑、Akt抑制劑、mTOR抑制劑干預(yù)關(guān)節(jié)軟骨細胞，通過抑制PI3K/Akt/mTOR信號通路明顯提高了軟骨細胞的自噬水平，減輕大鼠的炎癥反應(yīng)。隨著對該通路研究的進一步深入，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多種PI3K/Akt/mTOR通路抑制劑或藥物，如注射用木瓜蛋白、雷帕霉素、氨基葡萄糖、中醫(yī)經(jīng)方右歸丸等均已應(yīng)用于KOA的治療并取得良好的療效[27-29]。因此，以PI3K/Akt/mTOR信號通路為切入點，積極尋找開發(fā)更多的高效抑制劑藥物，或許能夠為KOA患者帶來福音。

5 OPG/RANK/RANKL信號通路

5.1 OPG/RANK/RANKL信號通路組成及其傳導(dǎo)

OPG/RANK/RANKL信號通路是調(diào)節(jié)軟骨下骨重塑的信號通路，最早在1977年被Simonet等[30]發(fā)現(xiàn)。該通路由腫瘤壞死因子超家族((Tumor Necrosis Factor-α，TNF-α)成員中的骨保護素(OPG)、細胞核因子κB受體活化因子(RANK)及細胞核因子κB受體活化因子配體(RANKL)三者組成[31]。研究發(fā)現(xiàn)此三種蛋白在人體肺、心、腎等多組織內(nèi)表達，但以骨組織內(nèi)表達較為明顯。OPG/RANK/RANKL信號通路在骨代謝失衡疾病的發(fā)病和治療方面有重要意義，OPG主要在人體骨組織中大量表達，起到保護骨組織的作用，RANK/RANKL參與骨吸收和骨形成的調(diào)節(jié)，RANK表達于OC中，是RANKL的受體，當兩者結(jié)合后會激活下游信號通路，促進OC前體分化，成熟的OC也隨之活化，骨吸收因此而增加。作為RANKL的誘餌受體，OPG此時會競爭性結(jié)合RANKL而阻止信號的傳遞，使破骨細胞分化成熟障礙并誘導(dǎo)其凋亡[32-33]。

5.2 OPG/RANK/RANKL信號通路與KOA的關(guān)系

OPG/RANK/RANKL信號通路與軟骨下骨代謝過程密切相關(guān)，通過調(diào)節(jié)該通路對KOA具有積極的治療作用。骨關(guān)節(jié)炎的特征之一是組成關(guān)節(jié)的各骨性部分正常合成與降解失衡，而OPG/RANK/RANKL信號通路可調(diào)節(jié)這一過程[34]。研究表明OPG/RANK/RANKL信號通路參與骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病過程，Koura等[34]在OA動物模型試驗中檢測發(fā)現(xiàn)當關(guān)節(jié)滑膜液中RANKL增加時，對關(guān)節(jié)軟骨下的骨組織有較大的破壞，當OPG增多時，RANK的表達減少，此時骨組織的破壞有所緩解，說明OPG的增多抑制了RANK與RANKL的結(jié)合，阻斷了信號的傳遞，進而減弱了骨組織破壞的發(fā)展。Liu等[35]發(fā)現(xiàn)相對于正常關(guān)節(jié)軟骨，骨關(guān)節(jié)炎患者軟骨細胞中OPG/RANKL比率明顯降低，RANK/RANKL比率顯著增加。另有研究發(fā)現(xiàn)青蒿琥酯可對OPG/RANK/RANK通路進行調(diào)節(jié)，使OC分化受到抑制，骨吸收減少，維持關(guān)節(jié)軟骨下穩(wěn)態(tài)。OPG和RANKL的比例平衡在骨的發(fā)生發(fā)展中起到非常關(guān)鍵的作用，更加深入地研究OPG/RANK/RANKL信號通路，有助于探討包括KOA在內(nèi)的多種退行性骨關(guān)節(jié)病的發(fā)病機制，對該類病癥的治療將有積極作用。

6 總結(jié)與展望

KOA的發(fā)病機制極其復(fù)雜，涉及多條信號通路的參與，其中以Wnt通路、Notch通路、NF-κB通路、PI3K/Akt/mTOR通路、OPG/RANK/RANKL通路最為關(guān)鍵，各自通過參與或調(diào)控KOA的炎癥反應(yīng)、軟骨細胞的增殖與凋亡、細胞外基質(zhì)的降解等而發(fā)揮重要的作用。通過調(diào)控相關(guān)信號通路可減緩KOA的發(fā)展，但具體的調(diào)控機制仍不完全明確以及欠缺在臨床上的療效證據(jù)，例如雖已發(fā)現(xiàn)抑制Wnt通路可保護關(guān)節(jié)軟骨，但抑制Wnt通路后起保護關(guān)節(jié)軟骨的靶蛋白及靶基因的研究尚少，以及如何充分利用Wnt通路抑制劑控制KOA進展，雖然發(fā)現(xiàn)抑制Notch信號通路和PI3K/Akt/mTOR通路有利于改善KOA，但與此有關(guān)的多數(shù)研究都停留在機理研究層面或僅在動物實驗中得到了證實，較少應(yīng)用于臨床。除此之外，目前對KOA信號通路的研究比較孤立，或研究對象局限于單一的關(guān)節(jié)組織，欠缺多條通路之間的聯(lián)合研究及關(guān)節(jié)組織的整體觀察，如NF-κB通路的激活可加重關(guān)節(jié)軟骨的炎癥反應(yīng)，促進KOA的發(fā)展，但對滑膜、軟骨下骨等組織炎癥是否加重的觀察較少。因此，在今后的工作中，以KOA關(guān)鍵信號通路為著手點，進一步闡明各信號通路在KOA發(fā)病中的作用及調(diào)控機制，深入研究各信號通路中上下游效應(yīng)因子，尋找更多可靶向調(diào)控信號通路的潛在藥物并開發(fā)應(yīng)用于臨床，同時加強KOA多通路、多組織的聯(lián)合研究，相信在不遠的未來，信號通路的研究將會開啟診療KOA的新局面。