程序性壞死在骨科相關(guān)疾病發(fā)生發(fā)展中的作用研究進(jìn)展

蘇天，溫鵬，黎祥濤，崔紅旺

海南醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院脊柱外科，?？?570102

一直以來(lái)細(xì)胞被認(rèn)為只有兩種基本死亡模式，即凋亡和壞死。凋亡是受到機(jī)體調(diào)控的主動(dòng)性死亡，而壞死則是不受機(jī)體調(diào)控的被動(dòng)性死亡。然而相關(guān)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞壞死中也存在可調(diào)控的死亡方式，即程序性壞死［1］。程序性壞死屬于半胱天冬酶非依賴(lài)性的一種死亡方式，目前受體相關(guān)蛋白激酶（RIPK）1和RIPK3是已知程序性壞死中起重要作用的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)蛋白，混合譜系激酶配體（MLKL）作為RIPK1 和RIPK3 的下游分子，是程序性壞死的關(guān)鍵效應(yīng)因子［2］。腫瘤壞死因子α（TNFα）、γ 干擾素（IFN-γ）、內(nèi)毒素和FasL 等炎癥因子可以觸發(fā)程序性壞死，并通過(guò)TNFR1、IFNR、TLR3/4和Fas/TRAILR 傳遞信號(hào)，引起程序性壞死信號(hào)發(fā)生級(jí)聯(lián)反應(yīng)［3］。在這些炎癥因子中，TNF-α/TNFR1驅(qū)動(dòng)的信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)是目前研究的熱點(diǎn)，當(dāng)TNF-α激活TNFR1 發(fā)生級(jí)聯(lián)反應(yīng)后，細(xì)胞內(nèi)可形成不同的復(fù)合物，分別是復(fù)合物Ⅰ、復(fù)合物Ⅱa 和復(fù)合物Ⅱb，復(fù)合物Ⅱb 介導(dǎo)發(fā)生程序性壞死，使細(xì)胞膜完整性破壞并執(zhí)行細(xì)胞死亡［4］。越來(lái)越多的證據(jù)表明，多種炎癥、心血管和神經(jīng)相關(guān)疾病的發(fā)生、發(fā)展和預(yù)后過(guò)程中皆涉及到了程序性壞死［5］。而程序性壞死在骨科相關(guān)疾病中的作用也越來(lái)越受到關(guān)注。本文就程序性壞死在不同骨科相關(guān)疾病［骨質(zhì)疏松、椎間盤(pán)退行性變（IVDD）、脊髓損傷（SCI）、骨關(guān)節(jié)炎（OA）］中的作用作一綜述，為今后骨科相關(guān)疾病的防治提供新的思路。

1 程序性壞死與骨質(zhì)疏松的發(fā)生發(fā)展

隨著老齡化的加劇，我國(guó)骨質(zhì)疏松發(fā)病率逐年升高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年我國(guó)65歲以上人群骨質(zhì)疏松發(fā)病率已達(dá)32.0%［6］，而我國(guó)第七次全國(guó)人口普查數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，我國(guó)將會(huì)在2022 年—2035 年、2041 年—2053 年迎來(lái)第二波、第三波老齡化［7］。老齡伴發(fā)的骨質(zhì)疏松常常引發(fā)脆性骨折，據(jù)預(yù)測(cè)30年后我國(guó)因骨質(zhì)疏松引起的骨折人數(shù)將近600 萬(wàn)，相應(yīng)的醫(yī)療費(fèi)用可高達(dá)1 745 億元［8］。因此，骨質(zhì)疏松發(fā)病率、病殘率和醫(yī)療成本的增加已經(jīng)成為我國(guó)一個(gè)日益嚴(yán)重的健康問(wèn)題，使得骨質(zhì)疏松發(fā)病機(jī)制和治療方法的研究成為了當(dāng)前的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，其中研究比較廣泛的就是程序性壞死。

1.1 骨細(xì)胞程序性壞死 既往研究認(rèn)為，骨細(xì)胞凋亡是骨質(zhì)疏松發(fā)生發(fā)展過(guò)程中惟一的死亡方式，但近幾年研究發(fā)現(xiàn)，骨細(xì)胞程序性壞死也參與了骨質(zhì)疏松的發(fā)生發(fā)展。CUI 等［9］將大鼠卵巢切除（OVX）后構(gòu)建雌激素缺乏性骨質(zhì)疏松模型，發(fā)現(xiàn)大鼠卵巢切除后8 周骨組織中有大量骨細(xì)胞TUNEL 陽(yáng)性，但Caspase-3 陰性；后續(xù)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，骨細(xì)胞內(nèi)RIPK1 和RIPK3 表達(dá)均顯著升高，同時(shí)透射電鏡也觀察到典型壞死形態(tài)學(xué)的骨細(xì)胞，表明骨細(xì)胞的程序性壞死參與了OVX大鼠骨質(zhì)疏松的發(fā)生過(guò)程。

1.2 成骨細(xì)胞程序性壞死 鐵是人體必需的微量元素之一，其在DNA 合成、能量代謝和氧氣運(yùn)輸?shù)壬镞^(guò)程中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。但是鐵在人體衰老過(guò)程中會(huì)逐漸積累，過(guò)量鐵會(huì)加速絕經(jīng)后女性和老年男性的骨質(zhì)流失［10］。既往研究發(fā)現(xiàn)，鐵超載引起的氧化應(yīng)激是骨質(zhì)疏松發(fā)病的主要機(jī)制之一［11］。為證實(shí)程序性壞死是否參與鐵超載引起的骨質(zhì)疏松，TIAN 等［12］在體外研究了程序性壞死與鐵超載誘導(dǎo)成骨細(xì)胞死亡之間的潛在機(jī)制，結(jié)果發(fā)現(xiàn)程序性壞死參與了鐵超載誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞死亡，其中活性氧（ROS）在鐵超載誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞程序性壞死中起重要的調(diào)節(jié)作用。

1.3 破骨細(xì)胞程序性壞死 除了骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞之外，破骨細(xì)胞程序性壞死也被發(fā)現(xiàn)參與了骨質(zhì)疏松的發(fā)生發(fā)展。MULLIN 等［13］為了明確骨質(zhì)疏松中發(fā)揮關(guān)鍵作用的相關(guān)基因，將骨密度—全基因組關(guān)聯(lián)研究的結(jié)果與破骨細(xì)胞表達(dá)數(shù)量性狀位點(diǎn)（eQTL）的數(shù)據(jù)集相結(jié)合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)缺乏程序性壞死小鼠表現(xiàn)出破骨細(xì)胞數(shù)量增加和骨微結(jié)構(gòu)紊亂，進(jìn)而調(diào)控骨質(zhì)疏松相關(guān)的RIPK3基因遺傳效應(yīng)。以上程序性壞死的研究結(jié)果為今后預(yù)防和治療骨質(zhì)疏松提供了新策略。

2 程序性壞死與IVDD的發(fā)生發(fā)展

IVDD是一種隨著機(jī)體衰老，椎間盤(pán)逐漸發(fā)生變性的病理性改變，最終常常誘發(fā)嚴(yán)重的腰背和神經(jīng)根性疼痛等相關(guān)癥狀。據(jù)統(tǒng)計(jì)，50%～80%的成年人一生中會(huì)出現(xiàn)腰背痛癥狀，嚴(yán)重的腰背疼痛可以直接影響人們的生活質(zhì)量和工作能力［14］。相關(guān)調(diào)查也發(fā)現(xiàn)，全球范圍內(nèi)約有5.4 億人因腰背痛而長(zhǎng)期喪失活動(dòng)能力［15］。既往研究表明，椎間盤(pán)退行性變的一個(gè)主要特征是髓核（NP）細(xì)胞數(shù)量下降，NP 細(xì)胞數(shù)量下降和許多因素相關(guān)，包括生物力學(xué)、炎癥因子、氧化應(yīng)激、自噬和凋亡等，近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)程序性壞死也參與了椎間盤(pán)退行性變。

2.1 生物力學(xué)改變影響程序性壞死 研究表明，在人類(lèi)胎兒發(fā)育期間具有壞死形態(tài)特征的NP 細(xì)胞占總NP 細(xì)胞的比例不到2%，然而在椎間盤(pán)退行性變的成人和老年人中這一比例為50%～80%［16］。這提示我們，NP細(xì)胞壞死可能是由機(jī)體精確調(diào)節(jié)的。除此之外，有研究表明，受壓力暴露的NP 細(xì)胞會(huì)發(fā)生凋亡和自噬，但抑制NP細(xì)胞凋亡和自噬信號(hào)通路后也無(wú)法有效阻止NP細(xì)胞死亡［17］。因此，有相關(guān)學(xué)者推測(cè)NP細(xì)胞的壞死可能存在其他形式，如程序性壞死。CHEN 等［18］研究顯示，機(jī)械壓力可導(dǎo)致NP 細(xì)胞pRIPK1 和pRIPK3 大量激活，呈現(xiàn)時(shí)間依賴(lài)性的壞死形態(tài)改變，表現(xiàn)為細(xì)胞活力降低、細(xì)胞死亡率增加，電鏡下NP 細(xì)胞出現(xiàn)嚴(yán)重的空泡化、大量線粒體損傷和質(zhì)膜破壞，而使用RIPK1、RIPK3、MLKL 特異性抑制劑可顯著降低機(jī)械壓力引起的壞死形態(tài)學(xué)變化以及細(xì)胞死亡率，提示機(jī)械壓力誘導(dǎo)后的大鼠NP細(xì)胞死亡與程序性壞死相關(guān)。

2.2 氧化應(yīng)激影響程序性壞死 為了研究氧化應(yīng)激條件下，程序性壞死是否參與了大鼠椎間盤(pán)NP細(xì)胞的死亡，ZHAO 等［19］將鼠NP 細(xì)胞置于不同濃度的H2O2下，觀察其細(xì)胞活力、細(xì)胞死亡率、RIPK1、RIPK3、聚腺苷二磷酸核糖聚合酶（PARP）和凋亡誘導(dǎo)因子（AIF），并使用RIPK1 抑制劑Necrostatin-1（Nec-1）、PARP 抑制劑二苯基苯醌和小干擾RNA 間接評(píng)估程序性壞死；結(jié)果表明，在氧化應(yīng)激下RIPK1/RIPK3 介導(dǎo)的程序性壞死可通過(guò)PARP/AIF途徑在NP細(xì)胞死亡中發(fā)揮重要作用。ZHANG 等［20］研究發(fā)現(xiàn)，在人嚴(yán)重退變椎間盤(pán)組織中Caspase-3/8、RIPK1、RIPK3 和MLKL 表達(dá)均顯著升高；該研究從人NP 組織中分離NP 細(xì)胞，通過(guò)白細(xì)胞介素1β（IL-1β）誘導(dǎo)建立NP 細(xì)胞體外退變模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)模型NP 細(xì)胞中Caspase-3/8、RIPK1、RIPK3和MLKL表達(dá)均顯著升高，而使用MLKL 抑制劑Necrosulfonamide（NSA）可逆轉(zhuǎn)IL-1β 的上述作用；同時(shí)NSA 可顯著抑制基質(zhì)金屬蛋白酶3（MMP-3）、MMP-10、IL-6和TNF-α 等炎癥因子表達(dá)，促進(jìn)椎間盤(pán)組織中抗氧化劑SOD1、SOD2、CAT 和GPX3 表達(dá)［20］。因此，NSA可能通過(guò)抑制NP細(xì)胞凋亡和程序性壞死來(lái)阻止NP降解，而拮抗細(xì)胞死亡的保護(hù)作用可能與其抑制炎癥和氧化應(yīng)激反應(yīng)有關(guān)。

3 程序性壞死與SCI的發(fā)生發(fā)展

SCI 可導(dǎo)致?lián)p傷節(jié)段以下出現(xiàn)嚴(yán)重的功能障礙，是青壯年致殘的主要原因之一［21］。SCI 包括原發(fā)性和繼發(fā)性?xún)蓚€(gè)過(guò)程，原發(fā)性SCI 病因?yàn)榧顾璧闹苯訖C(jī)械損傷，直接機(jī)械損傷導(dǎo)致有毒化學(xué)物質(zhì)、細(xì)胞因子和自由基復(fù)合體的產(chǎn)生，進(jìn)而引發(fā)繼發(fā)性SCI 的發(fā)生。SCI 損傷過(guò)程的病理機(jī)制較為復(fù)雜，其中神經(jīng)細(xì)胞死亡是核心環(huán)節(jié)。目前神經(jīng)細(xì)胞的死亡主要包括壞死、凋亡和程序性壞死［22］。

在程序性壞死方面。KANNO 等［23］發(fā)現(xiàn)，SCI 動(dòng)物模型脊髓半切后損傷部位RIPK3的表達(dá)增加始于24 h，3 d 后顯著升高并達(dá)到高峰。除此之外，在使用碘化丙啶（PI）標(biāo)記脊髓切片的RIPK3 免疫染色中，損傷側(cè)發(fā)現(xiàn)PI 標(biāo)記和RIPK3 陽(yáng)性表達(dá)的細(xì)胞數(shù)量增多，并且PI 標(biāo)記細(xì)胞通常為RIPK3 陽(yáng)性，在高倍鏡下觀察PI 標(biāo)記、RIPK3 陽(yáng)性的細(xì)胞中大多數(shù)細(xì)胞核是壞死形態(tài)；除了RIPK3陽(yáng)性之外，損傷脊髓組織中神經(jīng)元、少突膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞中也可以觀察到RIPK1 的表達(dá)，且RIPK1 陽(yáng)性率高于TUNEL 陽(yáng)性率［24］。這些結(jié)果表明，程序性壞死參與了SCI的病理過(guò)程。

由于SCI 的損傷機(jī)制較為復(fù)雜，因此目前針對(duì)SCI 的有效治療方法還在深入研究。近年來(lái)，隨著程序性壞死信號(hào)靶點(diǎn)的不斷研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者逐漸發(fā)現(xiàn)程序性壞死關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)RIPK1、RIPK3 和MLKL抑制劑對(duì)SCI 有潛在的治療作用。在RIPK1 抑制劑方面，與二甲基亞砜處理的小鼠相比，Nec-1 處理的小鼠脊髓損傷后24 h 的PI 陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)量減少，組織損傷減輕，存活神經(jīng)元數(shù)量增多，并且從第7天到第14 天小鼠的脊髓功能逐漸得到恢復(fù)［25］。還有研究發(fā)現(xiàn)，Nec-1 可抑制線粒體中細(xì)胞色素c 釋放，減輕線粒體腫脹［26］；同時(shí)Nec-1可減少SCI后內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體的超微結(jié)構(gòu)損傷，并抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)基因和蛋白表達(dá)［27］。在MLKL 抑制劑NSA 方面，NSA 可以防止線粒體膜電位、三磷酸腺苷、谷胱甘肽和超氧化物歧化酶水平降低，抑制活性氧和丙二醛水平升高，同時(shí)減輕脊髓神經(jīng)元損傷和改善SCI 小鼠的運(yùn)動(dòng)功能［28］。以上結(jié)果表明，阻斷程序性壞死信號(hào)通路有望在一定程度上阻止SCI的發(fā)生、發(fā)展。

4 程序性壞死與OA的發(fā)生發(fā)展

OA是臨床骨科常見(jiàn)病和多發(fā)病，伴有關(guān)節(jié)軟骨退變和滑膜炎癥等病理改變，表現(xiàn)為關(guān)節(jié)疼痛和僵硬，嚴(yán)重影響患者的健康和日常生活。據(jù)相關(guān)流行病學(xué)調(diào)查顯示，我國(guó)大于65 歲人群OA 整體發(fā)病率為8.1%，且伴隨著人口老齡化和壽命的延長(zhǎng)，OA患病人數(shù)將不斷增加［29］。當(dāng)前OA 的發(fā)病機(jī)制除了與MMP、細(xì)胞因子和免疫反應(yīng)等方面有關(guān)外，細(xì)胞的死亡方式也逐漸被深入研究。研究發(fā)現(xiàn)，OA患者和OA 小鼠軟骨組織中存在程序性壞死標(biāo)志物RIPK3、MLKL 和p-MLKL 表達(dá)，證明程序性壞死參與了人和小鼠OA 的發(fā)生過(guò)程［30］。CHENG 等［31］在人OA 軟骨樣本中觀察到典型的壞死細(xì)胞形態(tài)，并發(fā)現(xiàn)OA 患者和OA 模型大鼠的軟骨中RIPK1 表達(dá)顯著上調(diào)；進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，OA模型大鼠的關(guān)節(jié)內(nèi)RIPK1過(guò)表達(dá)，使軟骨細(xì)胞發(fā)生了程序性壞死，并破壞細(xì)胞外基質(zhì)代謝穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致大鼠軟骨的結(jié)構(gòu)和功能受損；該研究在使用Nec-1 抑制RIPK1 活性后，發(fā)現(xiàn)大鼠軟骨的結(jié)構(gòu)和功能得到了一定的保護(hù)；除此之外，還發(fā)現(xiàn)骨形態(tài)發(fā)生蛋白7（BMP-7）是軟骨細(xì)胞程序性壞死的一個(gè)下游靶點(diǎn)，RIPK1/BMP7 通路的激活可以進(jìn)一步促進(jìn)軟骨細(xì)胞發(fā)生程序性壞死，致使OA 的發(fā)生。

綜上所述，人體細(xì)胞死亡一直以來(lái)都是疾病發(fā)生、發(fā)展的核心環(huán)節(jié)，機(jī)體正常生長(zhǎng)、發(fā)育的關(guān)鍵在于細(xì)胞增殖和死亡之間的平衡。程序性壞死被認(rèn)為是一種可調(diào)控的細(xì)胞死亡方式，關(guān)于其信號(hào)通路以及關(guān)鍵信號(hào)分子的研究越來(lái)越深入透徹，其調(diào)控環(huán)節(jié)中的一些小分子化合物RIPK1、RIPK3 和MLKL有可能成為治療骨科相關(guān)疾病的潛在藥物。但程序性壞死是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，通路內(nèi)信號(hào)分子之間相互作用、錯(cuò)綜復(fù)雜，下游信號(hào)通路更是一片未知的領(lǐng)域，因此仍需要我們不斷地深入研究和探索。