Cathepsin在類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎發(fā)生發(fā)展中的作用研究進(jìn)展①

余澤蕓 武 平 羅 云 王穎旎 唐 潔 陶偲鈺 （成都中醫(yī)藥大學(xué)，成都 610075）

類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎（rheumatoid arthritis，RA）是一種慢性全身性自身免疫性疾病，以多關(guān)節(jié)對(duì)稱性疼痛、腫脹甚至畸形為主要臨床表現(xiàn)［1］。據(jù)研究報(bào)道，RA 約影響全球1%的人群，近年來發(fā)病率呈逐漸上升的趨勢(shì)［2］。RA 以免疫紊亂導(dǎo)致滑膜增生，大量炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)，以及侵襲性新生血管翳形成為主要病理表現(xiàn)，晚期往往會(huì)引發(fā)軟骨及骨的破壞，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的關(guān)節(jié)畸形甚至殘疾［3］。

組織蛋白酶（cathepsin）是溶酶體蛋白酶家族的重要成員，與RA 病情的發(fā)展密切相關(guān)。在正常生理?xiàng)l件下，骨形成與骨吸收之間存在一種平衡。但在RA 患者中，這種平衡被破壞而有利于骨吸收，而骨吸收依賴于破骨細(xì)胞，破骨細(xì)胞是由滑膜組織和關(guān)節(jié)骨之間的表面單核/巨噬細(xì)胞系造血細(xì)胞發(fā)育而成的多核巨細(xì)胞，可被核轉(zhuǎn)錄因子-κB（NF-κB）、IL-1β、TNF-α 等細(xì)胞因子激活［4-5］，而cathepsin 可水解活化前IL-1β、TNF-α 和NF-κB 等細(xì)胞因子，從而促進(jìn)骨吸收，加重關(guān)節(jié)破壞。此外，血管翳是一種異常的肉芽組織，由免疫細(xì)胞、血管和纖維細(xì)胞組成，在RA 患者的關(guān)節(jié)破壞中扮演重要角色，它從滑膜開始生長(zhǎng)，最終侵入RA 患者的關(guān)節(jié)，導(dǎo)致不可逆的骨與軟骨破壞，而某些cathepsin 與血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子密切相關(guān)，可促進(jìn)血管翳的形成，加重骨破壞［6］。目前，cathepsin 在骨質(zhì)疏松癥、牙周炎、高血壓、腫瘤等疾病中的發(fā)病機(jī)制及作用已逐漸被學(xué)者重視［7-9］，但cathepsin 在RA 發(fā)生發(fā)展中的作用機(jī)制研究較少，明確cathepsin 在RA 發(fā)生發(fā)展中的作用，特別是其生物學(xué)意義和功能，對(duì)RA 的診斷和治療具有重要意義。

1 組織蛋白酶的組成

Cathepsin 與木瓜蛋白酶家族具有極高的同源性?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有19 種cathepsin，根據(jù)結(jié)構(gòu)、催化機(jī)制和降解底物蛋白質(zhì)種類的不同，cathepsin 可分為絲氨酸組織蛋白酶（B、C、F、H、K、L、O、S、V、W、X）、天門冬氨酸組織蛋白酶（D、E）和半胱氨酸組織蛋白酶（G）三大類［10］。cathepsin 在酸性環(huán)境和中性環(huán)境中都可以被激活，越來越多的證據(jù)表明，cathepsin在侵襲相關(guān)性疾病的發(fā)生和進(jìn)展中發(fā)揮重要作用，它們可以被分泌到細(xì)胞外降解細(xì)胞外基質(zhì)。在RA 的病程進(jìn)展中，cathepsin 通過對(duì)RA 相關(guān)細(xì)胞因子的調(diào)控，可加重RA 關(guān)節(jié)滑膜的炎癥，促進(jìn)滑膜血管翳的形成和關(guān)節(jié)軟骨與骨的降解。

2 與RA有關(guān)的組織蛋白酶

目前，與RA病情相關(guān)的cathepsin包括了Cat G、Cat S、Cat B、Cat L 和Cat K，在RA 發(fā)生發(fā)展中，他們各自發(fā)揮不同的作用以介導(dǎo)關(guān)節(jié)滑膜的炎癥和促進(jìn)滑膜血管翳形成，以及導(dǎo)致骨破壞。

2.1 組織蛋白酶G可加重關(guān)節(jié)滑膜的炎癥 RA的發(fā)病機(jī)制目前尚不明確，但關(guān)節(jié)滑膜的增生和炎癥是其最初的病理變化，也是其最主要的病理變化。研究發(fā)現(xiàn)，IL-1β、TNF-α、IL-1 和IFN-γ 等炎癥細(xì)胞因子可加重RA 患者關(guān)節(jié)滑膜的炎癥。如，IL-1β 可通過激活NF-κB 介導(dǎo)的ERK-STAT1信號(hào)通路，增加滑膜液來源的成纖維細(xì)胞樣滑膜細(xì)胞炎癥因子的表達(dá)［11］。TNF-α是一種多效性的細(xì)胞因子，在RA中是主要的促炎細(xì)胞因子，被認(rèn)為與RA 滑膜炎癥的發(fā)生和發(fā)展有著最密切的關(guān)系，在RA 的局部滑膜炎癥、血管翳的生成和組織損傷中都發(fā)揮了重要作用［12］。此外，IFN-γ 主要由活化的T 細(xì)胞分泌而來，能表達(dá)主要組織相容性復(fù)合物Ⅱ類抗原，激活抗原遞呈細(xì)胞，發(fā)揮促炎癥功能［13］。組織蛋白酶G（cathepsin G，Cat G）是絲氨酸蛋白酶家族的一員，具有水解活性，是參與炎癥調(diào)節(jié)過程的一種多功能酶，可水解活化前IL-1β、TNF-α、IL-1 和IFN-γ 等與RA 相關(guān)的細(xì)胞因子，調(diào)節(jié)炎癥部位的免疫應(yīng)答，參與促炎、抗炎過程［14］。還有研究發(fā)現(xiàn)，Cat G 在滑膜內(nèi)襯細(xì)胞中表達(dá)強(qiáng)烈，而在滑膜巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞表達(dá)弱，提示Cat G 的單因子趨化活性可能在RA 滑膜炎的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮作用，且抗風(fēng)濕病藥物可以抑制人白細(xì)胞Cat G 的活性被認(rèn)為是這些藥物的治療作用之一，說明Cat G 在RA 關(guān)節(jié)滑膜炎癥的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用［15-16］。

2.2 組織蛋白酶S（cathepsin S，Cat S）能促進(jìn)滑膜血管翳的形成 RA 的主要病理特征為滑膜炎癥和滑膜血管翳的形成。血管翳具有侵襲性和破壞性，可侵蝕局部組織、關(guān)節(jié)軟骨、軟骨下骨質(zhì)和關(guān)節(jié)周圍軟組織，這些進(jìn)行性破壞可共同引起關(guān)節(jié)破壞，最終導(dǎo)致關(guān)節(jié)畸形和殘廢，是RA 發(fā)生、發(fā)展的關(guān)鍵過程［17］。目前研究認(rèn)為，血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子在滑膜血管翳中高度表達(dá)、是促進(jìn)血管翳形成并維持其生物狀態(tài)的重要因子［10］。血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子又稱為血管通透因子，屬血小板生長(zhǎng)因子家族，其通過與其受體相結(jié)合，一方面能使血管內(nèi)皮細(xì)胞變形、遷移、分裂、增殖，誘導(dǎo)血管增生；另一方面具有促進(jìn)炎癥滑膜組織形成新生血管及血管內(nèi)物質(zhì)外滲，加重滑膜組織炎癥及血管翳形成的作用，從而加重RA 的臨床癥狀，進(jìn)一步導(dǎo)致關(guān)節(jié)畸形［18］。而Cat S主要在免疫細(xì)胞中表達(dá)，與血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子密切相關(guān)，Cat S 可裂解多種底物，包括細(xì)胞外基質(zhì)蛋白、促血管生成肽和抗血管生成肽以及連接黏連蛋白，表明其在細(xì)胞侵襲、血管生成和細(xì)胞轉(zhuǎn)移中發(fā)揮重要作用［19-20］。此外，最近研究表明，Cat S 由TNF-α/IL-1β刺激軟骨細(xì)胞分泌，在RA患者血清中Cat S水平與RA 疾病活動(dòng)度（DAS-28）呈正相關(guān)，進(jìn)一步證實(shí)了Cat S在RA滑膜炎癥及滑膜血管翳形成中的作用［21-22］。

2.3 抑制組織蛋白酶B 活性可抑制RA-FLS 的侵襲 RA 滑膜成纖維細(xì)胞樣細(xì)胞（RA-FLS）可釋放大量致炎因子介導(dǎo)RA 的關(guān)節(jié)破壞，且RA-FLS 具有類似腫瘤樣細(xì)胞生長(zhǎng)的特性，在RA 的發(fā)病機(jī)制中起著重要作用［23］。組織蛋白酶B（cathepsin B，Cat B）是由RA-FLS 在細(xì)胞因子的刺激下合成和分泌的，同樣Cat B 的激活與抑制也可影響RA-FLS 的侵襲。有研究證實(shí)，Cat B與RA的聯(lián)合破壞密切相關(guān)，與骨性關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）相比，在RA 的滑膜液中積累了超過19 倍的Cat B 活性，在異常增生的滑膜組織中，尤其是軟骨和骨破壞部位，含有較多Cat B 陽性的滑膜細(xì)胞，而正常滑膜組織中僅有有限的Cat B 陽性細(xì)胞［24］。并且滑膜細(xì)胞產(chǎn)生的基質(zhì)金屬蛋白酶（MMPs）具有降解細(xì)胞外基質(zhì)的能力，在RA關(guān)節(jié)的漸進(jìn)破壞中起著尤為重要的作用，其參與細(xì)胞的增殖、遷移、黏附、侵襲、分化和凋亡等多種行為。但是，有研究發(fā)現(xiàn)使用其特異性抑制劑CA074Me 和siCB 抑制Cat B 的活性后，可通過降低MMP-2 的活性來抑制FLS 的遷移，從而起到減輕關(guān)節(jié)滑膜炎癥的作用［24-25］?？傊?，由RA-FLS 合成和分泌的Cat B 在RA 滑膜細(xì)胞中高表達(dá)，抑制Cat B 活性可抑制RA-FLS 的侵襲，由此減輕滑膜炎癥和骨破壞程度。

2.4 組織蛋白酶L（cathepsin L，Cat L）可調(diào)節(jié)RA的免疫過程和骨侵蝕過程 Cat L 在人體組織中廣泛表達(dá)，但在胸腺皮質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)最為明顯，因此，Cat L 被認(rèn)為是重要的積極選擇T 細(xì)胞能夠識(shí)別非自身結(jié)構(gòu)［26］。在關(guān)節(jié)炎動(dòng)物和RA 患者的炎癥關(guān)節(jié)中都可以檢測(cè)到Cat L的表達(dá)和活性增強(qiáng)，其在體外和體內(nèi)均具有膠原和蛋白多糖降解活性。據(jù)研究報(bào)道，在RA的發(fā)生發(fā)展過程中，Cat L參與了關(guān)節(jié)軟骨中結(jié)構(gòu)蛋白的直接降解和免疫反應(yīng)的抗原呈遞及Th1/Th2極化［27-28］；Cat L缺乏的關(guān)節(jié)炎小鼠關(guān)節(jié)炎癥的嚴(yán)重程度更輕［29］。說明Cat L 可調(diào)節(jié)RA 的免疫反應(yīng)，影響關(guān)節(jié)炎癥過程。且慢性RA 軟骨下骨病灶中巨噬細(xì)胞豐富，這些巨噬細(xì)胞在暴露于抗Cat L抗體后表現(xiàn)出強(qiáng)烈的反應(yīng)。有研究認(rèn)為，存在于RA 關(guān)節(jié)部位的巨噬細(xì)胞分泌Cat L，這些細(xì)胞釋放的Cat L 在慢性RA 患者軟骨下骨和軟骨的侵蝕中發(fā)揮作用［30］。故Cat L 可調(diào)節(jié)RA 的免疫、炎癥和骨侵蝕過程。

2.5 組織蛋白酶K（cathepsin K，Cat K）可影響軟骨結(jié)構(gòu)的破壞 骨破壞在RA 的發(fā)生和發(fā)展中占有重要地位，是RA 致殘致畸的主要原因。而骨破壞是由于成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞失衡而引發(fā)的一個(gè)病理表現(xiàn)，RA 患者骨代謝的特點(diǎn)是骨吸收增強(qiáng)而骨形成不足。這兩者之間的失衡被認(rèn)為是導(dǎo)致RA患者全身性骨丟失及關(guān)節(jié)局部骨破壞的主要原因。Cat K是破骨細(xì)胞中表達(dá)量最高、溶骨活性最強(qiáng)的一種半胱氨酸蛋白酶，是骨吸收過程中的一個(gè)關(guān)鍵酶，由大約12.1 kB 的單基因a 編碼，結(jié)構(gòu)上和Cat L、Cat S相似，與RA 的關(guān)系密切，是近些年備受關(guān)注的靶點(diǎn)蛋白［31-32］。Cat K 存在于滑膜成纖維細(xì)胞中，主要由破骨細(xì)胞在溶酶體、胞質(zhì)囊泡和沿破骨細(xì)胞-骨吸收界面釋放，然后進(jìn)入由avB3整合素介導(dǎo)的骨表面破骨封閉形成的吸收腔。研究證實(shí)，Cat K可通過切斷Ⅰ型和Ⅱ型膠原的三螺旋結(jié)構(gòu)和改變纖維承受拉伸力的能力，在破骨細(xì)胞功能和骨基質(zhì)蛋白成分降解中發(fā)揮重要作用，最終導(dǎo)致軟骨結(jié)構(gòu)破壞［33］。Cat K也能有效降解成骨細(xì)胞蛋白，通過破壞自身的Ⅰ型、Ⅱ型膠原和蛋白多聚糖在RA 的發(fā)病過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，最終導(dǎo)致關(guān)節(jié)壞死［34］。故Cat K 作為骨吸收過程中的關(guān)鍵酶，對(duì)RA 關(guān)節(jié)軟骨與骨的破壞發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用。

綜上所述，RA 作為一種自身免疫性疾病，目前無法根治。在RA 中，MMPs 和cathepsin 已被證明能驅(qū)動(dòng)基質(zhì)降解，特別是可以降解軟骨和骨，最終導(dǎo)致關(guān)節(jié)的破壞［35］。與MMPs 不同的是，cathepsin 由于結(jié)構(gòu)、催化機(jī)制和降解底物蛋白質(zhì)種類的不同，在RA 的疾病進(jìn)程中可扮演不同的角色。如Cat G可水解活化前IL-1β、TNF-α、IL-1和IFN-γ等與RA相關(guān)的細(xì)胞因子，調(diào)節(jié)炎癥部位的免疫應(yīng)答，參與促炎和抗炎過程；Cat S 可切割多種底物，在細(xì)胞侵襲、血管生成和細(xì)胞轉(zhuǎn)移中起著重要作用，可促進(jìn)血管翳的形成；而Cat B 可通過影響RA-FLS 侵襲，Cat L 可通過影響免疫反應(yīng)的抗原呈遞及Th1/Th2極化，Cat K可通過影響破骨細(xì)胞等在RA 關(guān)節(jié)炎癥，軟骨與骨破壞中發(fā)揮重要作用。并且，比起MMPs，軟骨和骨骼附近的酸性微環(huán)境似乎更適合組織蛋白酶的激活。由此可見，明確cathepsin 在RA 發(fā)生發(fā)展中的作用，特別是其生物學(xué)意義，能為RA 的診斷和治療提供精準(zhǔn)的方案。