信號通路在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生中作用的研究進展

周澤浩，閻偉，李金松，史娜

1 山東中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)學(xué)院，濟南250014；2 山東中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院關(guān)節(jié)骨科；3 山東大學(xué)齊魯醫(yī)院德州醫(yī)院影像科

近年來，隨著人口老齡化加劇，骨關(guān)節(jié)炎（OA）的發(fā)病率不斷增高。據(jù)統(tǒng)計，我國40 歲以上人群OA的患病率達到43.6%，已成為中老年人生活質(zhì)量下降和致殘的主要原因［1］。OA 是一種關(guān)節(jié)退行性疾病，主要病理特征為關(guān)節(jié)軟骨退化損傷、軟骨下骨硬化或囊性病變、關(guān)節(jié)邊緣骨質(zhì)增生等。目前，OA的發(fā)病機制尚不完全清楚。正常軟骨的功能依賴多種信號通路的調(diào)節(jié)，而這些信號通路亦參與調(diào)控OA的發(fā)生、發(fā)展。因此，以信號通路為切入點對OA 的發(fā)病機制進行深入研究，已然成為當(dāng)前的研究熱點。目前，研究較多的信號通路有Notch 信號通路、Wnt信號通路、核因子κB（NF-κB）信號通路、轉(zhuǎn)化生長因子β（TGF-β）/Smad 信號通路、c-Jun 氨基末端激酶（JNK）信號通路、磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）/絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶B（Akt）/雷帕霉素靶蛋白（mTOR）信號通路及骨保護素（OPG）/核因子κB 受體活化因子（RANK）/RANK 配體（RANKL）信號通路。這些信號通路可能通過調(diào)控軟骨細胞合成或分解代謝、炎癥反應(yīng)等參與OA 的發(fā)生、發(fā)展。通過對這些信號通路的深入研究，或許可為OA 的治療提供新的思路。本文結(jié)合文獻就信號通路在OA 發(fā)生中作用的研究進展作一綜述。

1 Notch信號通路在OA發(fā)生中的作用

Notch 信號通路由Notch 受體（Notch1、Notch2、Notch3、Notch4）、Notch 配 體（DLL1、DLL3、DLL4、Jagged1、Jagged2）及細胞內(nèi)效應(yīng)器分子（CSL-DNA結(jié)合蛋白）三部分組成。在經(jīng)典的Notch 信號通路中，細胞表面的Notch 受體被激活后，經(jīng)過3 次裂解將Notch 胞內(nèi)段（NICD）釋放入細胞質(zhì)，隨后轉(zhuǎn)移至細胞核與CSL 結(jié)合并募集核轉(zhuǎn)錄激活蛋白家族MAML，最終形成NICD-CSL-MAML三元絡(luò)合轉(zhuǎn)錄激活物，進而參與目標(biāo)基因的轉(zhuǎn)錄，之后該通路中的轉(zhuǎn)錄因子會激活并促進下游靶基因的表達［2］，從而起到促進細胞增殖、抑制細胞分化等作用。

Notch 信號通路對OA 的發(fā)生、發(fā)展具有重要作用，其被短暫激活可維持關(guān)節(jié)穩(wěn)定和軟骨細胞外基質(zhì)合成增加，若其被持續(xù)激活則會加速軟骨退化和OA 進展［3］。有研究報道，OA 病情越重，Notch 受體蛋白表達越高［4］。LUO 等［5］研究發(fā)現(xiàn)，早期阻斷Notch 信號通路可有效延緩OA 進展期軟骨破壞。吳紹軍等［6］研究發(fā)現(xiàn)，抑制Notch信號通路可顯著降低Bax 蛋白表達并提高Bcl-2 蛋白表達，進而抑制軟骨細胞凋亡，加速軟骨與骨形成，促進骨缺損修復(fù)。因此，防止Notch 信號通路過度激活有可能是治療OA的關(guān)鍵。

2 Wnt信號通路在OA發(fā)生中的作用

Wnt 信號通路可分為Wnt/β-catenin 信號通路、Wnt/PCP 信號通路、Wnt/Ca2+信號通路以及胞內(nèi)通路。其中，Wnt/β-catenin 信號通路可激活核內(nèi)靶基因的表達，Wnt/PCP 信號通路可參與JNK 激活和細胞骨架重排，Wnt/Ca2+信號通路可激活磷脂酶C 和蛋白激酶C，胞內(nèi)通路可調(diào)節(jié)紡錘體方向和非對稱性細胞分裂。而Wnt/β-catenin 信號通路一直是研究的重點和熱點。

Wnt/β-catenin 信號通路由Wnt 家族蛋白、低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白5/6、卷曲蛋白及β-catenin、T 細胞因子、淋巴樣增強因子轉(zhuǎn)錄因子等組成。Wnt/β-catenin信號通路激活是分泌型配體蛋白Wnt與膜表面受體蛋白結(jié)合后激活胞內(nèi)蓬亂蛋白（DVL）的過程［7］。DVL可降低β-catenin 降解復(fù)合物的降解活性，穩(wěn)定細胞質(zhì)中游離態(tài)β-catenin 蛋白水平。而細胞質(zhì)中穩(wěn)定積累的β-catenin 進入細胞核后，會結(jié)合T細胞因子/淋巴樣增強因子轉(zhuǎn)錄因子，啟動下游靶基因的轉(zhuǎn)錄，從而參與胚胎發(fā)育、器官形成、組織再生等生物學(xué)過程。

Wnt/β-catenin 信號通路可參與對軟骨細胞、成骨細胞以及滑膜細胞的功能調(diào)控［8］。據(jù)報道，Wnt-5a和Wnt-5b 能夠通過參與調(diào)控成骨細胞、軟骨細胞分化，產(chǎn)生蛋白酶，參與OA 的發(fā)病過程，二者在OA組織中呈過表達狀態(tài)。Wnt/β-catenin 信號通路蛋白通常處于被抑制表達狀態(tài)，當(dāng)信號通路被激活后，這些蛋白過表達，將會促進軟骨細胞基質(zhì)水解酶類表達，進而誘導(dǎo)軟骨基質(zhì)降解［9］。有研究證實，Wnt/β-catenin 信號通路蛋白過表達與OA 患者軟骨特異性細胞外基質(zhì)的降解有著密切聯(lián)系［10］。但β-catenin 表達過低同樣也可加速軟骨細胞降解，進而導(dǎo)致OA 的發(fā)生。這表明通過適度抑制Wnt/β-catenin 信號通路來控制軟骨降解，有可能是治療OA的有效手段。

3 NF-κB信號通路在OA發(fā)生中的作用

NF-κB 信號通路包括NF-κB1（p50）、NF-κB2（p52）、RelA（p65）、RelB 和c-Rel 五部分。正常情況下，NF-κB信號通路處于失活狀態(tài)，當(dāng)遇到高水平腫瘤壞死因子α、佛波酯、脂多糖等刺激時，可激活NF-κB 誘導(dǎo)性絲裂原蛋白激酶，將NF-κB 抑制蛋白磷酸化，然后NF-κB會被運送至細胞核與κB位點結(jié)合，從而調(diào)控多種靶基因的表達［11］，繼而參與機體炎癥反應(yīng)、應(yīng)激反應(yīng)、免疫應(yīng)答以及細胞周期等一系列生物學(xué)過程。

在OA 發(fā)生、發(fā)展過程中，NF-κB 信號通路能夠廣泛參與滑膜、關(guān)節(jié)軟骨以及軟骨下骨的病理改變，尤其以關(guān)節(jié)軟骨破壞最為明顯。在OA 患者關(guān)節(jié)軟骨中，NF-κB 信號通路明顯處于高激活狀態(tài)［12］。NF-κB 信號通路被激活后，能夠促進基質(zhì)金屬蛋白酶（MMP）生成，進而引起并加重軟骨降解和關(guān)節(jié)損傷，從而導(dǎo)致OA 進程加快。有研究報道，MMP 在兔OA 模型關(guān)節(jié)軟骨中高表達［13］。ZHANG 等［14］研究發(fā)現(xiàn)，通過降鈣素抑制NF-κB 信號通路激活可對關(guān)節(jié)軟骨起到保護作用。有學(xué)者認(rèn)為，NF-κB 信號通路在OA 軟骨下骨中處于激活狀態(tài)，該信號通路激活將會引起軟骨下骨異常重塑［15］。安方玉等［16］研究報道，抑制PI3K/Akt/NF-κB信號通路激活能夠達到治療OA 的目的。以上研究表明，NF-κB 信號通路在OA 的發(fā)生、發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用，其機制可能與該信號通路被激活能夠誘發(fā)滑膜炎或引起并加重軟骨降解有關(guān)。因此，通過抑制NF-κB 信號通路激活來改善軟骨破壞，有可能成為治療OA的新方向。

4 TGF-β/Smad信號通路在OA發(fā)生中的作用

TGF-β超家族包括骨形成蛋白、生長分化因子、抗繆勒式管激素、激活素、Nodal及TGF-β，該家族成員可廣泛參與細胞生長、分化、凋亡等生物學(xué)過程。TGF-β/Smad信號通路主要由TGF-β信號分子、細胞膜表面Ⅰ型和Ⅱ型絲氨酸/蘇氨酸跨膜受體以及細胞內(nèi)效應(yīng)物質(zhì)Smad蛋白組成，這些分子通過特異性膜結(jié)合的方式進行信號傳導(dǎo)。其中，Smad蛋白磷酸化是該信號通路的重要環(huán)節(jié)，TGF-β 信號分子與細胞膜表達的跨膜受體結(jié)合使Smad 蛋白磷酸化并將信息傳遞至細胞核內(nèi)，從而調(diào)控細胞的穩(wěn)態(tài)。

TGF-β/Smad 信號通路能夠參與OA 的發(fā)生、發(fā)展，其機制可能與該信號通路能夠調(diào)控軟骨細胞活性有關(guān)。有學(xué)者認(rèn)為，TGF-β/Smad 信號通路在軟骨細胞的增殖、分化及成熟過程中具有重要的調(diào)控作用［17］。ZHENG 等［18］研究報道，TGF-β/Smad 信號通路蛋白表達上調(diào)可促進軟骨形成并維持軟骨內(nèi)穩(wěn)態(tài)，從而促進OA 恢復(fù)。HU 等［19］研究同樣發(fā)現(xiàn)，通過靶向刺激促進軟骨細胞TGF-β/Smad 信號通路蛋白表達，可起到抑制軟骨退變的作用。這表明TGFβ/Smad 信號通路激活可起到改善OA 的作用。但TARDIF 等［20］研究發(fā)現(xiàn)，TGF-β/Smad 信號通路能夠降低miR-140表達，而miR-140表達缺失會引起骨骼異常并導(dǎo)致軟骨肥大細胞形成。目前，TGF-β/Smad信號通路與OA 的關(guān)系仍存在爭議。有學(xué)者推測，TGF-β/Smad 信號通路在不同時間和空間會產(chǎn)生不同的生物學(xué)效應(yīng)［17］。因此，掌握OA 關(guān)節(jié)內(nèi)不同組織中TGF-β/Smad 信號通路蛋白的表達變化，從而制定針對性干預(yù)措施，可能為OA 的治療提供新的思路。

5 JNK信號通路在OA發(fā)生中的作用

JNK 是絲裂原活化蛋白激酶超家族的重要成員，由JNK1、JNK2 和JNK3 三種基因編碼。JNK 主要存在于細胞質(zhì)內(nèi)，能夠被缺血再灌注損傷、高滲環(huán)境損傷等激活，還能被非經(jīng)典的Wnt信號通路激活。受到刺激后，JNK 會迅速聚集于細胞核內(nèi)并發(fā)生磷酸化，導(dǎo)致相應(yīng)靶基因的表達改變。JNK 信號通路的大致路徑：細胞質(zhì)中的JNK→應(yīng)激→JNK 活化轉(zhuǎn)位細胞核→磷酸化核內(nèi)轉(zhuǎn)錄→靶基因轉(zhuǎn)錄及新蛋白質(zhì)合成→生物學(xué)效應(yīng)。JNK 信號通路在細胞增殖、分化、凋亡以及應(yīng)激反應(yīng)等生理和病理過程中具有重要作用。

JNK信號通路在OA的發(fā)生、發(fā)展過程中起重要作用。ZHOU 等［21］研究發(fā)現(xiàn)，特異性抑制JNK 磷酸化能夠有效抑制OA 的發(fā)生、發(fā)展。LU 等［22］在應(yīng)用JNK 信號通路抑制劑對軟骨細胞JNK 信號通路抑制后發(fā)現(xiàn)，軟骨細胞凋亡程度明顯降低。因此，我們認(rèn)為JKN 信號通路具有促進軟骨細胞凋亡的作用，而抑制JNK 信號通路有可能成為治療OA 的新方向。但亦有學(xué)者認(rèn)為，長期單獨使用JNK 信號通路抑制劑將會抑制軟骨細胞外基質(zhì)合成，加重軟骨損傷［23］。因此，JNK 信號通路抑制劑長期使用的安全性問題尚需進一步驗證。

6 PI3K/Akt/mTOR信號通路在OA發(fā)生中的作用

PI3K/Akt/mTOR 信 號 通 路 是 由PI3K、Akt、mTOR三個作用分子組成。PI3K是該信號通路的起始因子，Akt 為PI3K 下游的主要效應(yīng)分子，激活PI3K/Akt 信號通路可使Akt 蛋白磷酸化，并將信號傳導(dǎo)至下游靶點最終激活mTOR，從而抑制細胞的自噬水平和調(diào)控與細胞凋亡相關(guān)基因的表達。PI3K/Akt/mTOR 信號通路是細胞內(nèi)重要的自噬信號調(diào)節(jié)途徑，該信號通路激活在抑制細胞凋亡過程中具有關(guān)鍵作用，與多種疾病的發(fā)生、發(fā)展有著密切聯(lián)系［24］。

PI3K/Akt/mTOR 信號通路與OA 的發(fā)生、發(fā)展存在密切聯(lián)系。目前，對OA 的研究已聚焦于自噬機制，mTOR 作為抑制自噬的關(guān)鍵因子，受PI3K/Akt上游信號通路的調(diào)控［25］，該信號通路被激活后，可起到抑制細胞自噬的作用。有研究表明，軟骨細胞可在應(yīng)激性刺激下啟動保護性自噬，從而延緩軟骨組織退變，抑制軟骨細胞凋亡，從而改善OA 的發(fā)生、發(fā)展［26］。CHENG 等［27］研究同樣發(fā)現(xiàn)，實驗性O(shè)A 早期自噬水平增強，而晚期自噬水平降低。PI3K/Akt/mTOR 信號通路能夠通過上調(diào)自噬相關(guān)因子的表達，抑制軟骨細胞凋亡，延緩骨關(guān)節(jié)退變，促進骨關(guān)節(jié)重構(gòu)。因此，深入研究PI3K/Akt/mTOR 信號通路在OA 發(fā)生、發(fā)展中的具體作用機制，研制安全可靠的靶向藥物，或許能夠為OA治療帶來更多的福音。

7 OPG/RANK/RANKL 信號通路在OA 發(fā)生中的作用

OPG/RANKL/RANK 信號通路是骨代謝過程中一條非常重要的信號通路，由OPG、RANK、RANKL三個作用分子組成。其中，OPG 與骨含量和骨代謝有關(guān)，是抑制骨吸收的關(guān)鍵細胞因子；RANK 是誘導(dǎo)破骨細胞成熟的關(guān)鍵細胞因子，可激活NF-κB 信號通路、JNK 信號通路等，促使破骨細胞成熟；RANKL是介導(dǎo)骨吸收的關(guān)鍵細胞因子，與RANK 結(jié)合后可激活相關(guān)信號傳導(dǎo)通路，誘導(dǎo)破骨細胞的分化與成熟。

OPG/RANK/RANKL 信號通路是成骨細胞與破骨細胞相互作用的信號通路，與軟骨下骨代謝密切相關(guān)，在骨重構(gòu)與破骨細胞分化過程中發(fā)揮重要作用。OPG 是RANKL 的假性受體，可競爭性地與RANKL 結(jié)合以抑制RANK 表達，進而抑制破骨細胞激活，促進破骨細胞凋亡。有研究發(fā)現(xiàn)，RANKL 增加會對關(guān)節(jié)軟骨造成較大破壞，而OPG 增多可導(dǎo)致RANKL 減少，此時對軟骨破壞有緩解作用［28］。結(jié)果表明，OPG 增多可有效抑制RANK 與RANKL 結(jié)合，阻斷信號傳遞，進而減輕骨組織破壞。LIU 等［29］研究發(fā)現(xiàn)，OA 患者軟骨細胞中RANK/RANKL 較健康志愿者顯著增加，OPG/RANKL 較健康志愿者明顯降低。王斌等［30］研究發(fā)現(xiàn)，增加軟骨細胞中OPG 表達會抑制破骨細胞的形成和活化，減輕軟骨下骨破壞，最終延緩OA 進展。由此可見，OPG/RANK/RANKL信號通路能夠影響破骨細胞功能，OPG 增加可抑制破骨細胞增殖和分化，而RANKL增加則會促進其增殖和分化，尤其是OPG/RANKL 變化可直接影響破骨細胞增殖和分化，無論是OPG 下降還是RANKL 升高，都會導(dǎo)致骨破壞發(fā)生。因此，OPG/RANK/RANKL 信號通路未來將會給OA 治療帶來不小的變革。

綜上所述，Notch信號通路、Wnt信號通路、NF-κB信號通路、TGF-β/Smad 信號通路、JNK 信號通路、PI3K/Akt/mTOR 信號通路及OPG/RANK/RANKL信號通路可能通過調(diào)控軟骨細胞合成或分解代謝、炎癥反應(yīng)等參與OA 的發(fā)生、發(fā)展。通過對這些信號通路的深入研究，或許可為骨關(guān)節(jié)炎的治療提供新的思路。