維生素 D 對骨關(guān)節(jié)炎作用機(jī)制的研究進(jìn)展

毛信杰 徐以明 桑偉林 馬金忠

骨關(guān)節(jié)炎 （ osteoarthritis，OA ） 是一種涉及軟骨、軟骨下骨、滑膜等多個關(guān)節(jié)組織病理的關(guān)節(jié)病變，其特征是關(guān)節(jié)軟骨的退化，包括軟骨下骨改變、骨贅形成、關(guān)節(jié)間隙狹窄和滑膜炎癥。OA 是全世界最常見的關(guān)節(jié)炎疾病，也是造成殘疾的主要原因之一。據(jù)統(tǒng)計，60 歲以上的男性中約有 10% 患有此病，女性約 18%。隨著全球人口預(yù)期壽命的增加，OA 患者的數(shù)量也將不斷增加。OA 的發(fā)病機(jī)制目前尚不明確，涉及滑膜血管生成、基質(zhì)金屬蛋白酶及炎癥細(xì)胞因子的產(chǎn)生、活化的滑膜巨噬細(xì)胞及先天免疫失衡等因素。

維生素 D （ vitamin D，VD ） 是一種脂溶性維生素，其結(jié)構(gòu)上與固醇有關(guān)，乃環(huán)戊烷多氫菲類化合物。人體維生素由人皮膚下的 7-脫氫膽固醇經(jīng)紫外線照射而成，后在肝腎多種酶的作用下進(jìn)一步代謝為 1,25-二羥維生素 D3。1,25-二羥維生素 D3 與 VD 受體 （ vitamin D receptor，VDR ）結(jié)合，在鈣磷代謝以及免疫調(diào)節(jié)方面發(fā)揮著重要作用。VDR 屬于核激素受體超家族，在 B 淋巴細(xì)胞、T 淋巴細(xì)胞、單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞等多種免疫細(xì)胞中表達(dá)。VD 和 VDR 的經(jīng)典作用是調(diào)節(jié)鈣磷代謝穩(wěn)態(tài)，以及通過刺激破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞來調(diào)節(jié)骨轉(zhuǎn)換及平衡。同時，VD 和 VDR 作為一種免疫調(diào)節(jié)劑，可通過激活人類調(diào)節(jié)性 T 淋巴細(xì)胞發(fā)揮抗炎作用，還可直接抑制抗體的產(chǎn)生和炎癥因子分泌、抑制細(xì)胞毒性淋巴細(xì)胞及其增殖等。

近年來在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中已有大量研究證實(shí) VD 在 OA 發(fā)生發(fā)展過程中擁有諸多緩解作用，但其具體機(jī)制尚未完全明確。目前已經(jīng)存在有大量關(guān)于炎癥、自噬對骨關(guān)節(jié)炎作用關(guān)系的研究成果，也存在相當(dāng)數(shù)量的 VD 對細(xì)胞炎癥、自噬作用關(guān)系的研究。筆者將從臨床線索、自噬、炎癥等方面對 VD 對 OA 作用機(jī)制的進(jìn)展進(jìn)行綜述，著重論述 VD調(diào)節(jié) OA 先天免疫及后天免疫的復(fù)雜作用。

一、VD 對 OA 作用的臨床線索

目前已在臨床中觀察到 VD 對 OA 患者的治療作用，Shea 等發(fā)現(xiàn)人體內(nèi)足夠水平的 VD 狀態(tài)與更好的下肢功能相關(guān)，而體內(nèi)低 VD 水平狀態(tài)與 OA 發(fā)展、膝關(guān)節(jié)疼痛、股四頭肌功能不良、膝關(guān)節(jié)軟骨體積減小、軟骨缺損、滑膜炎積液增多等有關(guān)。無獨(dú)有偶，Manoy 等和 Park 等證實(shí)，給低血清 VD 的膝關(guān)節(jié) OA 患者補(bǔ)充VD 可減少局部組織的氧化蛋白損害，減輕膝關(guān)節(jié)疼痛，從而改善患者生活質(zhì)量。此外，還有研究報道 VD 攝入量與膝關(guān)節(jié) OA MRI 參數(shù)之間的關(guān)系，在橫斷面研究中發(fā)現(xiàn)攝入較多 VD 的患者股骨部的軟骨體積、股骨中央內(nèi)側(cè)軟骨平均厚度、脛骨中央內(nèi)側(cè) - 脛股間室平均軟骨厚度這些觀察值都明顯更大，表明較高的 VD 攝入量與更好的膝關(guān)節(jié)軟骨結(jié)構(gòu)有關(guān)。這些臨床證據(jù)證明維持人體內(nèi)充足的VD 水平狀態(tài)對于防止 OA 發(fā)生發(fā)展有積極作用，為進(jìn)一步探索 VD 對 OA 作用機(jī)制的基礎(chǔ)研究提供了寶貴線索。

二、VD、OA 與自噬

自噬是消除功能失調(diào)的細(xì)胞器和大分子的基本細(xì)胞穩(wěn)態(tài)機(jī)制，可作為一種保護(hù)軟骨細(xì)胞免受各種環(huán)境變化損害的適應(yīng)性反應(yīng)。自噬在 OA 最初的退行性階段軟骨細(xì)胞和軟骨組織中增加，對于 OA 發(fā)生發(fā)展過程中的諸多細(xì)胞至關(guān)重要，尤其是對軟骨細(xì)胞和巨噬細(xì)胞具有保護(hù)作用。自噬途徑與多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑整合在一起，對養(yǎng)分供應(yīng)、能量平衡、細(xì)胞因子和生長因子都有聯(lián)系，而自噬減少與細(xì)胞死亡及軟骨的逐漸降解有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)雷帕霉素可增強(qiáng)自噬的表達(dá)并預(yù)防軟骨細(xì)胞死亡，特異性抑制調(diào)節(jié)自噬的哺乳動物雷帕霉素靶蛋白 （ mammalian target of rapamycin，mTOR ） 信號通路。有研究發(fā)現(xiàn)隨著年齡的增長，衰老可減少自噬，此過程涉及一系列復(fù)雜的變化，包括內(nèi)分泌系統(tǒng)如雌激素變化、軟骨細(xì)胞衰老、DNA 損傷、軟骨基質(zhì)的衰老、氧化應(yīng)激以及線粒體功能障礙等。

VD 對于細(xì)胞自噬的促進(jìn)作用已在多個研究中得到驗(yàn)證。有研究證實(shí) VD 可使細(xì)胞自噬體和自溶酶體的數(shù)量增加、微管相關(guān)蛋白 1 輕鏈 3B-Ⅱ （ microtubuleassociated protein 1 light chain 3B-Ⅱ，LC3B-Ⅱ ） 和自噬相關(guān)蛋白 5 （ autophagy related protein 5，ATG5 ） 的水平上調(diào)以及促進(jìn) p62 降解，而人為地抑制自噬會削弱維生素對細(xì)胞的保護(hù)和預(yù)防作用，這表明維持足夠水平的 VD 對于自噬的重要性。Fabri 等學(xué)者的研究結(jié)果表明，在 VD 缺乏的血清中補(bǔ)充活性 VD 可恢復(fù)人巨噬細(xì)胞中 γ干擾素 （ inteferen γ，IFN-γ ） 介導(dǎo)的自噬和吞噬體溶酶體融合，這證實(shí)了維持足夠水平的 VD 對于巨噬細(xì)胞自噬功能的重要性。最近有研究進(jìn)一步深入探討了其發(fā)生機(jī)制，證實(shí) VD / VDR 信號可通過多種途徑激活自噬。研究表明 VD 可觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)鈣釋放 / 鈣依賴性激酶，通過鈣調(diào)蛋白，VD 增加細(xì)胞質(zhì) [ Ca]進(jìn)而激活鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶激酶 β （ calmodulin-dependent protein kinase kinase β，CaMKK-β ），后者通過激活腺苷酸活化蛋白激酶（ AMP-activatedproteinkinase，AMPK ） 誘導(dǎo)自噬，并抑制mTOR。此外，體外研究的結(jié)果表明 VD 處理導(dǎo)致p62 及其結(jié)合的 Kelch 樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白-1 （ Kelch like ECH associated protein 1，Keap1 ） 降解，降低了核因子 E2相關(guān)因子 2 （ the nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2 ） 的泛素化，增加了其蛋白穩(wěn)定性，進(jìn)而通過以 Nrf2依賴性方式誘導(dǎo)細(xì)胞自噬。Kong 等進(jìn)一步確認(rèn)了VD 促進(jìn) OA 相關(guān)細(xì)胞自噬的作用，發(fā)現(xiàn)無論是在體內(nèi)還是體外實(shí)驗(yàn)中，活性 VD 通過 AMPK-mTOR 信號通路來發(fā)揮對 OA 的緩解作用，VD 處理可升高軟骨組織和軟骨細(xì)胞磷酸化 AMPK 的蛋白水平，但降低磷酸化 mTOR 水平，進(jìn)而促進(jìn)軟骨細(xì)胞的自噬，增加軟骨細(xì)胞的生存率。Das等報道 VD 可以增加 M2 型巨噬細(xì)胞的自噬，并且特異性地促進(jìn) M2 型巨噬細(xì)胞極化，而 M2 型巨噬細(xì)胞具有的抗炎特性有利于降低 OA 中炎癥因子及基質(zhì)金屬蛋白酶的分泌和基質(zhì)降解。上述觀察到的結(jié)果與 Fabri 等研究者的結(jié)論一致，支持 VD 促進(jìn) OA 相關(guān)的巨噬細(xì)胞和軟骨細(xì)胞自噬的觀點(diǎn)，但 VD 對 OA 相關(guān)細(xì)胞自噬通路影響的深層機(jī)制研究目前有限，需要更深入地探索 VD 對 OA 相關(guān)細(xì)胞自噬作用的內(nèi)在機(jī)制。

三、VD、OA 與炎癥

VD 在 OA 中的抗炎作用已在諸多實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果得到證實(shí)。有學(xué)者利用微型豬證明了 VD 在減輕炎癥和脂肪浸潤以及保護(hù)膝關(guān)節(jié)組織結(jié)構(gòu)方面具有潛在作用；小鼠病理組織染色結(jié)果顯示，VD 干預(yù)對軟骨細(xì)胞、軟骨基質(zhì)、軟骨下骨都有明顯的降低炎癥因子水平和 OA 進(jìn)程緩解的作用；另外，VD 可防止大鼠因前交叉韌帶切斷術(shù) （ anterior cruciate ligament transaction，ACLT ） 橫切引起的 OA 變化，關(guān)節(jié)內(nèi)注射 VD 還可增加血清中抗炎細(xì)胞因子，降低血清中炎癥因子水平和組織損傷相關(guān)酶的活性，進(jìn)而減少細(xì)胞凋亡并刺激關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)合成；也有研究表明補(bǔ)充 VD 可抑制 OA 大鼠關(guān)節(jié)軟骨侵蝕和炎癥因子的表達(dá)，體外研究中腫瘤壞死因子 α （ tumor necrosis factor α，TNF-α ） 誘導(dǎo)關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞中基質(zhì)金屬蛋白酶-9（ matrix metalloproteinase-9，MMP-9 ）、基質(zhì)金屬蛋白酶-13（ matrix metalloproteinase-13，MMP-13 ）、Ⅱ 型膠原 C 端肽（ C-terminal telopeptide of type Ⅱ collagen，CTX-Ⅱ ） 的增加，而 VD 可以抑制這種誘導(dǎo)作用；Huhtakangas 等證明了滑膜細(xì)胞暴露于 VD 及其類似物后，炎癥因子分泌減少，滑膜細(xì)胞增殖能力下降。雖然對于 OA 患者，其血清 VD 水平可能正常，但 VDR 基因的多態(tài)性通過改變 VD結(jié)合位點(diǎn)也可限制 VD 發(fā)揮抗炎作用。

VD 的抗炎特性已在研究中被大量報道，免疫細(xì)胞存在 VD 受體并且本身具有活躍的 VD 代謝，能夠?qū)?25 羥基維生素 D3 [ 25-hydroxyvitamin D3，25（OH）D3 ]局部轉(zhuǎn)化為其活性形式 1,25 羥基維生素 D3 [ 1,25-hydroxyvitamin D3，1,25（OH）D3 ]。VD 和 VDR 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)對自身免疫具有抑制作用，并具有抗炎作用，可促進(jìn)樹突狀細(xì)胞和調(diào)節(jié)性 T 細(xì)胞 （ regulatory cells，Tregs ） 分化，并減少輔助性T 細(xì)胞 Th17 形成和炎癥因子的分泌。類似地，VD 也能夠下調(diào)輔助性 T 細(xì)胞 Th1 介導(dǎo)的免疫反應(yīng)，抑制炎癥因子的產(chǎn)生，例如 IFN-γ，白細(xì)胞介素-6 （ interleukin 6，IL-6 ），白細(xì)胞介素-2 （ interleukin 2，IL-2 ） 和 TNF-α。Hu 等證明 VD 可以減少血清和肺組織中炎癥因子白細(xì)胞介素-1β （ interleukin 1β，IL-1β ）、IL-6、TNF-α 的產(chǎn)生，增加煙曲霉感染的肺炎小鼠的生存率。并且有學(xué)者對結(jié)核病患者和健康對照組的外周血單核細(xì)胞用 VD 進(jìn)行干預(yù)，證實(shí) VD 可通過抑制炎癥因子和趨化因子來發(fā)揮抗炎作用。VD 的抗炎作用機(jī)制涉及絲裂原活化蛋白激酶磷酸酶-1 （ mitogen-activated protein kinase phosphatase-1，MKP-1 ） 信號、受抑制的 Toll 樣受體 （ toll-like receptors，TLR ） 信號和核因子 κB （ nuclear factor kappa-B，NF-κB ） 等信號通路。例如在免疫細(xì)胞中，VD 及其受體的結(jié)合導(dǎo)致諸如活化的 T 細(xì)胞的核因子 （ activated T cell nuclear factor 1 protein，NF-AT ） 和 NF-κB 等核轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄阻斷，可以防止細(xì)胞對 TNF-α 和 IL-1 產(chǎn)生反應(yīng)，并可以上調(diào)抗感染細(xì)胞因子 IL-10。而 VD 抑制 Th17 的機(jī)制則涉及 NF-AT、叉頭盒 P3 （ forkhead box P3，F(xiàn)OXP3 ）、與IL-17 啟動子結(jié)合的 Runt 相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子 1 （ Runt-associated transcription factor 2，RUNx1 ）、IL-17 轉(zhuǎn)錄因子 RAR 相關(guān)的孤兒受體 γt （ retinoid-related orphan receptor gamma t，RORγt ） 等。另外，VD 還通過 VDR / PLC-gamma1 /TGF-betal 通路控制 Tregs 分化，抑制 Th17 細(xì)胞增殖。

最近的研究發(fā)現(xiàn) VD 有可能通過類似上述的機(jī)制在OA 中發(fā)揮抗炎作用，目前存在諸多證據(jù)可以證實(shí)這個可能性。VD 在 OA 中的抗炎作用牽涉到的機(jī)制諸多且復(fù)雜，通過很多機(jī)制共同實(shí)現(xiàn)這些抗炎作用。VD 缺乏時通過誘導(dǎo) DNA 損傷、細(xì)胞衰老、衰老相關(guān)的炎癥因子等的產(chǎn)生而引起小鼠顳下頜關(guān)節(jié) OA，相反，補(bǔ)充 VD 可抵消這些損害。VD 增加抗炎因子水平下降炎癥因子水平的能力，在類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎實(shí)驗(yàn)中顯示與 NF-κB 信號通路有關(guān)，類似地，在 OA 相關(guān)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn) VD 通過與 VDR結(jié)合，VDR 直接與 NF-κB 的一個亞基 p65 相互作用，這種相互作用調(diào)節(jié) VDR 和 TLR 反應(yīng)，進(jìn)而抑制 TLR-2 / 4和抵消 TNF-α 的損害。VD 還可通過磷脂酶 D（ phospholipase D，PLD ） 依賴的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)阻斷軟骨細(xì)胞凋亡、刺激軟骨細(xì)胞的增殖和細(xì)胞外基質(zhì) （ extracellular matrix，ECM ） 合成的作用，該機(jī)制還涉及 p53 和轉(zhuǎn)化生長因子-β （ transforming growth factor-β，TGF-β ） 上調(diào)，其中TGF-β1 具有通過刺激 ECM 蛋白的合成和促進(jìn)結(jié)構(gòu)完整性而對關(guān)節(jié)軟骨的代謝產(chǎn)生合成代謝的作用。VD 受體還可誘導(dǎo)核因子 κB 受體活化因子配體 （ receptor activator for nuclear factor-κB ligand，RANKL ） 啟動子周圍 Sirt6 的募集，促進(jìn) Sirt6 對缺血性骨壞死小鼠模型的骨保護(hù)作用，挽救骨細(xì)胞死亡，延緩骨吸收和 OA 的進(jìn)展。此外，上文提到了 VD 間接發(fā)揮抗感染作用的機(jī)制，VD 可以增加M2 型巨噬細(xì)胞的自噬，并且特異性地促進(jìn)極化的 M2 型巨噬細(xì)胞形成，而 M2 型巨噬細(xì)胞發(fā)揮抗感染作用。這些證據(jù)綜合地說明了 VD 具有緩解 OA 的潛在價值，為針對 VD 調(diào)控 OA 炎癥信號網(wǎng)絡(luò)的研究開拓了道路。

四、VD 對 OA 的特殊負(fù)向作用

有趣的是，VD 除了呈現(xiàn)改善 OA 的總體作用，也存在少量證據(jù)顯示其存在對 OA 的負(fù)向作用的機(jī)制。有體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)表明 VD 刺激成骨細(xì)胞中成纖維細(xì)胞生長因子 23 （ fibroblast growth factor 23，F(xiàn)GF23 ） 的表達(dá)，進(jìn)而降低腎臟 1α-羥化酶和鈉依賴性磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 2（ sodium dependent phosphate transporter 2，NPT2 ） 的表達(dá)，從而導(dǎo)致磷酸鹽的重吸收受損，并且軟骨細(xì)胞中的VDR 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通過誘導(dǎo) NF-κB 配體 RANKL 表達(dá)的受體激活劑直接調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞生成，還可通過 FGF23 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)激活 ERK1 / 2，促進(jìn)晚期 OA 軟骨細(xì)胞的肥大和礦化受損。Papathanasiou 等發(fā)現(xiàn) VD 還可提高低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白 5 （ low density lipoprotein receptorrelated protein 5，LRP5 ） mRNA 表達(dá)，LRP5 再通過 Wnt /β-catenin 途徑上調(diào) MMP-13 表達(dá)水平，推動軟骨基質(zhì)的分解代謝。Lin 等學(xué)者發(fā)現(xiàn) VD 刺激血管內(nèi)皮生長因子 （ vascular endothelial growth factor，VEGF ） 和 MMP-9表達(dá)，激化炎癥血管浸潤，進(jìn)而促進(jìn)軟骨 - 骨交界處的血管化。有學(xué)者還發(fā)現(xiàn) VD 能夠增強(qiáng)成骨細(xì)胞骨保護(hù)素（ osteoprotegerin，OPG ） 和 RANKL 的生成、升高 RANKL /OPG 比值和 Dickkopf 相關(guān)蛋白-2 （ dickkopf-related protein 2，DKK-2 ） 水平、降低 DKK-1 水平，由此成骨細(xì)胞作用于破骨前體細(xì)胞的分化，導(dǎo)致破骨形成骨重塑增加，而DKK 會破壞 Wnt-Frizzled-LRP 復(fù)合物的形成及 LRP5 / 6 與Wnt 信號通路的互相作用，而 Wnt 信號通路異常激活可促進(jìn)軟骨破壞、破骨與成骨失衡，并且其中 DKK-1 水平的降低對于局部新骨形成和骨贅的發(fā)展至關(guān)重要。這些研究表明 VD 對 OA 作用的具體機(jī)制十分復(fù)雜，尚且存在一定爭議。

五、總結(jié)

筆者從臨床線索、自噬、炎癥等方面綜述了 VD 對OA 的作用及相關(guān)節(jié)制?？傮w上 VD 對 OA 呈現(xiàn)為改善作用，但也有研究顯示 VD 在機(jī)制上對 OA 存在少數(shù)負(fù)面影響。VD 可能通過多種信號途徑促進(jìn)自噬從而改善 OA 的發(fā)生和發(fā)展，也可能通過抑制 NF-κB 軸從而抑制 OA 的炎癥。目前有部分研究結(jié)果顯示 VD 對 OA 一定的負(fù)面作用，須引起重視?？傊?，VD 與 OA 兩者相互作用的信號通路網(wǎng)絡(luò)十分復(fù)雜，涉及的炎癥和自噬作用調(diào)節(jié)機(jī)制繁多，但作用網(wǎng)絡(luò)尚未完全明確，目前研究結(jié)果仍有部分矛盾的地方，所以需要深入研究 VD 對 OA 產(chǎn)生作用的機(jī)制網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步探討能否以 VD 作為 OA 發(fā)生的預(yù)測指標(biāo)，以及在復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制中找到緩解 OA 新的藥理學(xué)希望，更好地指導(dǎo)臨床對 OA 患者的管理。