Wnt/β-catenin信號通路對骨關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)軟骨的影響研究

張傳成 陳利鋒

·綜述與進(jìn)展·

Wnt/β-catenin信號通路對骨關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)軟骨的影響研究

張傳成1陳利鋒2

1.武漢科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院，湖北武漢 430065； 2.中國人民解放軍中部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院風(fēng)濕免疫科，湖北武漢 300700

近年來，Wnt信號通路在骨關(guān)節(jié)炎中的研究越來越受到人們的關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，Wnt信號通路與軟骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞的生長密切相關(guān)，在骨關(guān)節(jié)炎中Wnt/β-catenin信號通路的相關(guān)分子明顯表達(dá)異常，與骨關(guān)節(jié)炎病情進(jìn)展密切相關(guān)，本文對Wnt/β-catenin信號通路與骨關(guān)節(jié)炎軟骨關(guān)系進(jìn)行綜述，且討論了基于該通路的相關(guān)療法。

Wnt信號；β-catenin；骨關(guān)節(jié)炎；軟骨細(xì)胞

骨關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）是一種退行性關(guān)節(jié)病，好發(fā)于中老年人，致殘率較高[1]。OA發(fā)病率逐年增高，年齡、遺傳和創(chuàng)傷等為常見的發(fā)病危險因素[2]。研究證實，關(guān)節(jié)軟骨在OA的發(fā)生、發(fā)展過程中起著不可或缺的作用[3]，關(guān)節(jié)軟骨退化是OA的主要病理變化，但滑膜炎的參與加重了關(guān)節(jié)組織破壞[4]。有研究指出，Wnt組分在不同器官中的表達(dá)和分布隨年齡的變化而變化。OA作為一種與年齡密切相關(guān)的退行性疾病，其發(fā)生、發(fā)展與Wnt信號通路有關(guān)，Wnt信號通路相關(guān)因子在OA患者和OA動物模型中均會表達(dá)異常[5]。本文就Wnt/β-catenin信號通路與OA的關(guān)系綜述如下。

1 Wnt/β-catenin信號通路

Wnt信號通路是一種進(jìn)化非常保守的通路，在胚胎發(fā)育過程中參與了細(xì)胞的發(fā)育、分化、極化等過程，也與了某些疾病的發(fā)生、發(fā)展過程。

Wnt一詞是由導(dǎo)致果蠅翅膀組織缺失的基因wingless和小鼠體內(nèi)的原癌基因int1合并而來[6]。Wnt屬于分泌型糖脂蛋白家族，其能夠以自分泌或旁分泌方式發(fā)揮作用。Wnt信號通路是由19個Wnt配體和10個跨膜受體相互作用形成，這些信號通路控制著生物體內(nèi)許許多多的生物活動，可以在多個器官、組織發(fā)揮作用，尤其在骨組織中的作用尤為重要。迄今為止，已知的Wnt信號通路主要分為經(jīng)典通路即Wnt/β-catenin信號通路及其他非依賴β-catenin的非經(jīng)典通路，其中以Wnt/β-catenin信號通路研究較多，最重要的同時也與OA病情關(guān)系最密切。

1.1 Wnt/β-catenin信號通路調(diào)控機(jī)制

Wnt/β-catenin信號通路的關(guān)鍵性蛋白有連環(huán)素蛋白（β-catenin）、細(xì)胞外因子、卷曲蛋白（Frizzled，F(xiàn)rz）、散亂蛋白（dishevelled，Dsh）、軸蛋白（Axin）、糖原合酶激酶-3β（glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β）、腺瘤性結(jié)腸息肉病蛋白（adenomatous polyposis coli protein，APC）、T細(xì)胞因子/淋巴增強(qiáng)因子等[7]，其中β-catenin在Wnt/β-catenin信號通路通路中最為關(guān)鍵[8]。正常細(xì)胞中β-catenin會被隔離在APC、GSK3β、CK1α三者組成的復(fù)合物中。當(dāng)細(xì)胞質(zhì)中Wnt配體缺乏時，APC、GSK3β、CK1α三者組成的復(fù)合物會將β-catenin磷酸化，隨后被泛素蛋白酶體系統(tǒng)降解[9]，使其無法進(jìn)入細(xì)胞核中發(fā)揮作用，也就無法形成Wnt/β-catenin信號通路。在Wnt配體的存在的情況下，細(xì)胞膜上特異性受體蛋白frz及輔助受體低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白相互作用，細(xì)胞內(nèi)發(fā)生信號轉(zhuǎn)導(dǎo)繼而Dsh被激活，激活的Dsh會抑制GSK3β的活性，從而抑制β-catenin的降解。隨著β-catenin不斷積累并進(jìn)入細(xì)胞核中，此時細(xì)胞核內(nèi)的β-catenin便可與轉(zhuǎn)錄因子T細(xì)胞因子/淋巴細(xì)胞增強(qiáng)因子（T cell transcriptional factor/ lymphid enhancer factor，Tcf/Lef）相互作用，Wnt信號下游靶基因便開始進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，如細(xì)胞周期蛋白D1（cyclinD1）、基質(zhì)金屬蛋白酶-3（matrix metalloproteinase-3，MMP）、MMP-13、骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2（bone morphogenetic protein，BMP-2）等。因此，Wnt/β-catenin信號通路的激活途徑可總結(jié)為：Wnt→Frizzled→Dsh→GSK-3β表達(dá)下調(diào)→細(xì)胞核內(nèi)β-catenin 積累→ TCF/LEF1 →下游靶基因轉(zhuǎn)錄。

Wnt/β-catenin信號通路得以進(jìn)行下去的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)是β-catenin/TCF 轉(zhuǎn)錄復(fù)合體的形成，但有研究認(rèn)為β-catenin某些下游因子的轉(zhuǎn)錄并不依賴于Tcf介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，而是由Oct4等調(diào)控[10]。

2 骨關(guān)節(jié)炎與關(guān)節(jié)軟骨

目前OA形成的原因并不明確，是在各種原因（代謝、生化和生物力學(xué)等）的影響下關(guān)節(jié)內(nèi)部環(huán)境逐漸改變，而關(guān)節(jié)軟骨的退化是導(dǎo)致OA形成關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。OA早期主要是關(guān)節(jié)軟骨發(fā)生病變，繼而逐漸影響軟骨下骨質(zhì)及周圍組織，病理表現(xiàn)主要為軟骨變性和新生骨的形成[11]。軟骨細(xì)胞位于軟骨陷窩內(nèi)，其增殖方式為有絲分裂，其增殖受到各種內(nèi)部因子及外部環(huán)境的影響，成年人的軟骨細(xì)胞幾乎沒有增殖活性，它們通過自噬的方式來清理異常的軟骨細(xì)胞以維持軟骨的穩(wěn)定[12]。在關(guān)節(jié)軟骨中唯一存在的細(xì)胞就是軟骨細(xì)胞，其他部分為軟骨外基質(zhì)（主要成分為Ⅱ型膠原），關(guān)節(jié)受到一些損傷因素后，軟骨內(nèi)穩(wěn)態(tài)被打亂，軟骨細(xì)胞的表型發(fā)生轉(zhuǎn)移[13]，受損嚴(yán)重的軟骨細(xì)胞直接死亡。

隨著人們對Wnt信號靶基因組的研究不斷深入，該通路所調(diào)控的生物信息也越來越明確。大量研究表明，β-catenin高表達(dá)可以促進(jìn)骨的形成，導(dǎo)致軟骨降解[14]。Xia等[15]研究發(fā)現(xiàn)OA患者軟骨中β-catenin蛋白的表達(dá)水平上調(diào)且通過對2周齡小鼠使用他莫昔芬以誘導(dǎo)提高其體內(nèi)β-catenin水平，結(jié)果當(dāng)小鼠成年后同樣可以表現(xiàn)出OA癥狀，包括關(guān)節(jié)軟骨變性、軟骨下硬化和骨贅形成。張棟等[16]建立KOA大鼠模型發(fā)現(xiàn)Wnt/β-catenin通路下游因子通過滑膜的分泌功能傳遞至關(guān)節(jié)液、關(guān)節(jié)軟骨中，進(jìn)而促進(jìn)關(guān)節(jié)軟骨破壞。目前已證實與OA相關(guān)的因子有許多，如基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMPs）、骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）家族、白細(xì)胞介素1（interleukin-1，IL-1）、環(huán)氧化酶2、腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor，TNF-α）等[17,18]，這些因子中屬于Wnt/β-catenin通路的下游因子有MMP-3（matrix metalloproteinase3，MMP-3）、MMP-13（matrix metalloproteinase13，MMP-13）、骨形態(tài)發(fā)生蛋白2（bone morphogenetic protein2，BMP-2）、IL-1等，β-catenin/TCF 轉(zhuǎn)錄復(fù)合體的形成激活Wnt/β-catenin通路后，這些基因開始轉(zhuǎn)錄。

MMPs含有一種蛋白水解酶，它能夠降解關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞外基質(zhì)以及細(xì)胞外基質(zhì)中的Ⅱ型膠原和多種蛋白，細(xì)胞外基質(zhì)的減少會誘發(fā)軟骨的退變，而軟骨退變后會在局部形成酸性環(huán)境，這種環(huán)境下的軟骨細(xì)胞外基質(zhì)更易發(fā)生破壞，這種病理狀態(tài)下的正反饋效應(yīng)大大加速了OA的形成，在MMPs家族中當(dāng)屬M(fèi)MP-3、MMP-13與OA的發(fā)生、發(fā)展最為密切，其過表達(dá)會導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨更嚴(yán)重的破壞。有研究指出，某些炎癥因子會通過激活細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)酶相關(guān)通路，促使軟骨組織釋放MMP-3和MMP-13，增加Ⅱ型膠原降解，從而引起關(guān)節(jié)軟骨的破壞[19]。

BMP屬于轉(zhuǎn)化生長因子β超家族，可以影響軟骨內(nèi)骨化，在正常的軟骨細(xì)胞中BMP的水平可以忽略不計，但在OA軟骨細(xì)胞中BMP水平明顯高表達(dá)。當(dāng)上調(diào)模型小鼠體內(nèi)BMP-2的表達(dá)時，可以觀察到小鼠膝關(guān)節(jié)有骨贅形成，而抑制BMP-2的表達(dá)時，骨贅的生長也受到顯著抑制，這些實驗均表明BMP會導(dǎo)致軟骨損失，且大量研究表明，BMP的表達(dá)水平會伴隨OA病程的進(jìn)展而增高[20]，所以BMP的水平變化可以作為OA病情變化的一項客觀指標(biāo)。IL-1有著類似于MMPs的作用，它同樣可以抑制Ⅱ型膠原的合成，改變并破壞軟骨組織及其周圍環(huán)境，但與MMPs不同的是IL-1可以直接抑制軟骨細(xì)胞的增殖[21]，還可以刺激軟骨細(xì)胞BMP-2的表達(dá)，所以其比MMPs更具有破壞力，可以大大加速OA的形成與發(fā)展，基于這一特性，IL-1也被用于構(gòu)造OA動物模型，以上因子均是Wnt/β-catenin通路的重要因子，且均已經(jīng)被證明可以促進(jìn)OA的形成，也就表明該通路注定與OA的發(fā)生、發(fā)展密不可分。

3 基于Wnt/β-catenin通路的骨關(guān)節(jié)炎療法

目前OA的治療主要是以緩解疼痛為主的對癥治療，晚期患者往往只能采取關(guān)節(jié)置換術(shù)，通過以上描述可以確定Wnt/β-catenin通路中的相關(guān)因子在OA中的確扮演了重要的角色。Wnt信號對OA的影響十分復(fù)雜，Wnt信號的過度表達(dá)和缺失均會導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨破壞，但在正常軟骨細(xì)胞中本身就存在適量的Wnt信號，所以Wnt/β-catenin通路的過表達(dá)是導(dǎo)致OA形成的關(guān)鍵因素。盡管目前單純通過抑制此通路來根治OA是不可能的，但通過降低相關(guān)因子的表達(dá)來改善OA病情是切實可行的。Wnt/β-catenin通路的關(guān)鍵蛋白“LRP5”的抑制劑可以使KOA軟骨細(xì)胞MMP-13 mRNA的表達(dá)量明顯下降。骨硬化蛋白（sclerostin，SO）可以通過抑制Wnt/β-catenin信號通路降解MMPs起到保護(hù)軟骨作用，同時在體外實驗發(fā)現(xiàn)SO可劑量依賴性地抑制白細(xì)胞介素1α（interleukin-1，IL-1α）導(dǎo)致的軟骨破壞。在OA患者膝關(guān)節(jié)液中，WNT拮抗劑分泌型蛋白DKK1（dickkopf-1，）、FRZ在關(guān)節(jié)軟骨中表達(dá)異常[22]，有研究指出TNF-α可以通過增加β-catenin和MMP13的表達(dá)，抑制Ⅱ型膠原蛋白的合成，而當(dāng)給予Dkk1干預(yù)后，II型膠原蛋白的合成抑制作用明顯降低。當(dāng)敲出大鼠Dkk1基因后會使大鼠表現(xiàn)出OA癥狀，相反給大鼠注射Dkk1后，大鼠關(guān)節(jié)軟骨得到保護(hù)。過表達(dá)miR-1可以通過阻止細(xì)胞質(zhì)中β-catenin進(jìn)入細(xì)胞核中，有效抑制Wnt/β-catenin通路的激活，使下游靶基因表達(dá)降低。miR-127-3p可以抑制軟骨細(xì)胞中的鈣黏著蛋白11（cadherin-11，CDH11），從而阻斷Wnt/β-catenin途徑的活化并緩解OA中的軟骨細(xì)胞損傷[23]。采用骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（mesenchymal stem cells，MSCs）可以減輕炎癥，促進(jìn)軟骨再生，MSCs治療OA已被得到廣泛認(rèn)可。

Lorecivivint是一種IA小分子藥物，它可以通過抑制核內(nèi)激酶CLK2和DYRK1A，調(diào)節(jié)該通路下游因子，目前該藥物已經(jīng)進(jìn)入臨床試驗階段，研究顯示受試OA患者的疼痛和關(guān)節(jié)功能均得到改善[24]。我國傳統(tǒng)中藥也可以抑制該通路起到改善OA病情的作用，如青蒿素可以抑制IL-1的表達(dá)起到抗炎作用[25]。

目前靶向治療OA已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可，而尋找有價值的靶基因必須充分了解不同信號通路的相互作用[26]。目前，基于Wnt/β-catenin信號通路的OA療法理論上可以適用于所有分期的OA患者，但對于疼痛嚴(yán)重，關(guān)節(jié)畸形甚至完全喪失活動能力的晚期OA患者，目前最有效的治療方式是關(guān)節(jié)置換，能最大限度地改善關(guān)節(jié)功能[27]。因此，此通路療法適用于以關(guān)節(jié)疼痛、活動受限和輕度關(guān)節(jié)畸形的早中期OA患者[28]?；赪nt/β-catenin信號通路的OA療法目前仍處于實驗性研究階段，但Wnt/β-catenin通路與OA的相關(guān)因子的機(jī)制是明確的，因此利用此通路治療OA是相對安全的。將實驗研究成果真正轉(zhuǎn)化為有效地臨床治療藥物，開發(fā)出關(guān)于該通路的治療藥物，將是未來的OA研究熱點。

[1] Sharif B, Garner R, Hennessy D, et al. Productivity costs of work loss associated with osteoarthritis in Canada from 2010 to 2031[J]. Osteoarthritis Cartilage, 2017, 25(2): 249–258.

[2] Masson AO, Krawetz RJ. Understanding cartilage protection in OA and injury: A spectrum of possibilities[J]. BMC Musculoskelet Disord, 2020, 21(1): 432.

[3] He B, Jiang D. HOTAIR-induced apoptosis is mediated by sponging miR-130a-3p to repress chondrocyte autophagy in knee osteoarthritis[J]. Cell Biol Int, 2020, 44(2): 524–535.

[4] Kwan Tat S, Lajeunesse D, Pelletier JP, et al. Targeting subchondral bone for treating osteoarthritis: What is the evidence?[J]. Best Pract Res Clin Rheumatol, 2010, 24(1): 51–70.

[5] Yang Y, Wang Y, Jia H, et al. MicroRNA-1 Modulates chondrocyte phenotype by regulating FZD7 of Wnt/ β-Catenin signaling pathway[J]. Cartilage, 2021, 13(2_suppl): 1019S–1029S.

[6] Nusse R, Varmus HE. Many tumors induced by the mouse mammary tumor virus contain a provirus integrated in the same region of the host genome[J]. Cell, 1982, 31(1): 99–109.

[7] 唐芳, 馬武開, 姚血明. Wnt/β-catenin信號通路與骨關(guān)節(jié)炎[J]. 風(fēng)濕病與關(guān)節(jié)炎, 2014, 3(2): 70–73.

[8] Willert K, Nusse R. Beta-catenin: A key mediator of wnt signaling[J]. Curr Opin Genet Dev, 1998, 8(1): 95–102.

[9] Yonezawa H, Sugawara A, Sakyo T, et al. IMU1003, An atrarate der,ivative, inhibits Wnt/β-catenin signaling[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2020, 532(3): 440–445.

[10] Schuijers J, Mokry M, Hatzis P, et al. Wnt-induced transcriptional activation is exclusively mediated by TCF/LEF[J]. EmboJ, 2014, 33(2): 146–156.

[11] 張鍵, 林堅平, 周鋼, 等. MRI半定量評估早期膝骨關(guān)節(jié)炎軟骨退變[J]. 中國組織工程研究, 2022, 26(3): 441–446.

[12] 趙振國, 王泉, 王成雙, 等. 軟骨細(xì)胞增殖調(diào)控機(jī)制的研究進(jìn)展[J]. 廣東醫(yī)學(xué), 2012, 33(20): 3177–3180.

[13] 鄭曉芬. 骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病機(jī)制和治療的最新進(jìn)展[J]. 中國組織工程研究, 2017, 21(20): 3255–3262.

[14] Miclea RL, Karperien M, Bosch CA, et al. Adenomatous polyposis coli-mediated control of beta-catenin is essential for both chondrogenic and osteogenic differentiation of skeletal precursors[J]. BMC Dev Biol, 2009, 9: 26.

[15] Xia C, Wang P, Fang L,et al. Activation of β-catenin in Col2-expressing chondrocytes leads to osteoarthritis- like defects in hip joint[J]. J Cell Physiol, 2019, 234(10): 18535–18543.

[16] 張棟, 王慶甫, 張曉哲, 等. β-catenin與NF-κB信號通路在膝骨關(guān)節(jié)炎滑膜炎癥中的表達(dá)特點及意義[J].中國骨傷, 2019, 32(8): 721–726.

[17] Kawaguchi H. Regulation of osteoarthritis development by Wnt-beta-catenin signaling through the endochondral ossification process[J]. J Bone Miner Res, 2009, 24(1): 8–11

[18] 陳亮, 楊曉凌. 骨關(guān)節(jié)炎患者血清中炎癥因子IL-1β、IL-6和COX-2的表達(dá)[J]. 中國臨床醫(yī)學(xué), 2016, 23(1): 61–62.

[19] 余毅, 張婷, 熊逸嘯, 等. 活血化瘀法對膝骨性關(guān)節(jié)炎模型兔基質(zhì)金屬蛋白酶的影響[J]. 湖南中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報, 2021, 41(7): 998–1002.

[20] Blaney Davidson EN, Vitters EL,Van der Kraan PM, et al. Expression of transforming growth factor-beta (TGFbeta) and the TGFbeta signalling molecule SMAD-2P in spontaneous and instability-induced osteoarthritis: Role in cartilage degradation, chondrogenesis and osteophyte formation[J]. Ann Rheum Dis, 2006, 65(11): 1414–1421.

[21] 張延輝, 高春陽, 李少華. 骨性關(guān)節(jié)炎患者退變軟骨及滑膜組織中細(xì)胞因子的表達(dá)[J]. 中國組織工程研究, 2013, 17(37): 6671–6675.

[22] Huang X, Post JN, Zhong L, et al. Dickkopf-related protein 1 and gremlin 1 show different response than frizzled-related protein in human synovial fluid following knee injury and in patients with osteoarthritis[J]. Osteoarthritis Cartilage, 2018, 26(6): 834–843.

[23] Dong J, Li L, Fang X, et al. Exosome-encapsulated microRNA-127-3p released from bone marrow-derived mesenchymal stem cells alleviates osteoarthritis through regulating CDH11-mediated Wnt/β-Catenin pathway[J]. J Pain Res, 2021, 14: 297–310.

[24] Yazici Y, McAlindon TE, Gibofsky A, et al. A Phase 2b randomized trial of lorecivivint, a novel intra-articular CLK2/DYRK1A inhibitor and wnt pathway modulator for knee osteoarthritis[J].Osteoarthritis Cartilage, 2021, 29(5): 654–666.

[25] Zhong G, Liang R, Yao J, et al. Artemisinin ameliorates osteoarthritis by inhibiting the Wnt/β-Catenin signaling pathway[J]. Cell Physiol Biochem, 2018, 51(6): 2575–2590.

[26] Vincent TL. Of mice and men: converging on a common molecular understanding of osteoarthritis[J]. Lancet Rheumatol, 2020, 2(10): e633–e645.

[27] 劉付杰, 王罡, 丁利偉. 單髁關(guān)節(jié)置換術(shù)和全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)治療膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)間室重度骨關(guān)節(jié)炎的效果比較[J]. 中國實用醫(yī)刊, 2022, 49(12): 37–40.

[28] 王欣, 羅文, 黃文澤, 等. 單側(cè)膝骨關(guān)節(jié)炎臨床分期與雙足足底壓力的相關(guān)性[J]. 中國組織工程研究, 2021, 25(27): 4312–4317.

湖北省自然科學(xué)基金（2020CFB595）；湖北省醫(yī)學(xué)青年拔尖人才（第一層次）（ID：1371）

陳利鋒，電子信箱：Bee_cheng368@126.com

（2022–07–20）

（2022–09–12）

R593

A

1673–9701(2022)36–0105–04