離子通道在骨關節(jié)炎發(fā)病機制中的作用研究進展

保超宇 潘斯學 夏吉良 何光雄 向俊宜 李具寶*

1.云南中醫(yī)藥大學，云南 昆明 650500

2.云南省中醫(yī)醫(yī)院，云南 昆明 650021

骨關節(jié)炎(osteoarthritis，OA)是目前最常見的關節(jié)炎類型，OA的病理生理學研究不足，目前唯一的終點治療仍然是關節(jié)置換手術[1]。OA已成為世界上第四大致殘原因，給世界帶來了巨大的經(jīng)濟負擔[2]。疼痛是骨關節(jié)炎患者中最常見的癥狀，也是導致健康相關生活質量(health-related quality of life，HRQOL)下降的最重要原因之一[3]。目前尚缺乏有效的治療手段來改善OA軟骨的病理改變，逆轉骨關節(jié)炎的發(fā)展[4]。目前離子通道學說在關節(jié)炎的發(fā)病機制中的研究越來越多，因此本文將對離子通道在骨關節(jié)炎的發(fā)病機制中的作用進行系統(tǒng)綜述，以期為OA的靶向治療和藥物研發(fā)提供參考。

1 電壓門控鈉通道NaV1.7

電壓門控鈉通道NaV1.7在傳遞傷害性信息中起著關鍵作用，這個通道在人類遺傳性疼痛疾病中有很大的相關性，并且是一個被證實的疼痛靶點[5]。電壓門控鈉通道NaV1.7的突變可導致痛感的改變，如OA等慢性疼痛疾病[6]。

疼痛是通過特殊的神經(jīng)細胞介導的，當潛在的有害物質影響到身體的某個部位時，這些神經(jīng)細胞就會被激活，它們有一個特殊的離子通道，在把疼痛信號發(fā)送給大腦的過程中起著關鍵作用。

隨著測序技術的進步，在破譯的序列中，有一個基因負責制造Nav1.7的離子通道蛋白質，位于神經(jīng)細胞膜內(nèi)的Nav1.7起著鈉離子通道的作用。該通道允許鈉離子通過神經(jīng)元傳導對神經(jīng)細胞的變化做出反應膜電位?？刂迫祟愄弁吹腟CN9A基因(編碼Nav1.7蛋白)的功能缺失突變會導致對疼痛不敏感[7]和嗅覺缺失[8]。為了確定這些變化是否會對Nav1.7的功能造成很大影響，研究人員將序列插入青蛙卵和人類腎臟組織中。結果顯示，將任何一種氨基酸換掉都沒有產(chǎn)生什么影響，但這3個變化加在一起，使Nav1.7突變成一個觸發(fā)性通道，能比未突變形式更快地觸發(fā)疼痛沖動。最終，研究人員確定鈉通道Nav1.7對于周圍疼痛途徑的產(chǎn)生和傳導至關重要[9]。

2 嘌呤類受體P2X3

感覺神經(jīng)的免疫組織化學證據(jù)表明，P2X3亞單位集中在兩個外周神經(jīng)以及初級細胞的細胞體感覺傳入[10]，位于P2X3在關鍵部位包含受體以啟動和調(diào)節(jié)傷害性活動。P2X3受體作為治療慢性疼痛的靶點，有幾種三磷酸腺苷(ATP)來源能夠啟動P2X3介導的信號傳導。據(jù)估計，ATP的胞漿濃度為1～10 mmol(Millimole，mM)[11]；因此，損傷后可以釋放大量ATP。事實上，在人體切口模型中皮膚受傷后細胞外ATP含量從0.18 μm3/5 min增加到14 μm3/5 min，濃度高到足以直接激活含有P2X3的受體[12]。在外周，三磷酸腺苷可作為一種“損傷”通過主動的囊泡釋放從炎癥細胞中釋放信號[13]，可直接作用于周圍神經(jīng)上含有P2X3的受體，從而啟動傷害性反應。

ATP是傷害性感受途徑的關鍵調(diào)制器。從受傷的組織或交感傳出物釋放ATP對周圍的感覺神經(jīng)元有致敏作用，突觸前從中央終端釋放ATP可增加谷氨酸的釋放，從而增強下游中樞致敏機制，這一情況被認為是許多慢性疼痛的基礎。感覺神經(jīng)上主要負責ATP信號傳導的嘌呤能受體是P2X3和P2X2/3。選擇性敲除實驗或小分子抑制表明，含有P2X3的受體是調(diào)節(jié)傷害性感受信號的關鍵靶點。臨床前研究[14]已經(jīng)確認含有P2X3的受體對關節(jié)的感覺傳導至關重要，臨床研究也顯示了治療骨關節(jié)炎相關疼痛的前景。

有研究證據(jù)表明含有P2X3受體的藥物是治療某些類型慢性疼痛的一個重要靶點：①發(fā)現(xiàn)P2X3激動劑導致在受傷或炎癥組織中ATP水平升高[15]；②P2X3亞單位在臨床疼痛癥狀前和臨床疼痛癥狀后的感覺神經(jīng)元中均有表達組織[16]；③神經(jīng)元中P2X3的表達顯示出與神經(jīng)損傷部位同側的可塑性[17]；④P2X3-含有受體激動劑的藥物可直接激活感覺纖維，并在臨床疼痛癥狀前和臨床疼痛癥狀后引起傷害性行為[18]。

含有P2X3受體獨特結構的拮抗劑已在臨床前疼痛模型中證明有效。吉法匹生(Gefapixant)是一種含有P2X3的選擇性受體拮抗劑[19]，在兩種OA模型中進行了檢測：弗氏完全佐劑(complete freund’s adjuvant，CFA)和單碘乙酸誘導實驗性骨關節(jié)炎模型。當以30 mg/kg的速度口服給藥并停藥時，Gefapixant顯示出強烈的超敏反應逆轉閾值(馮·弗雷)和主要療效終點，兩種模型的療效與萘普生相似。OA模型中，Gefapixant完全逆轉機械性痛覺過敏，和加巴噴丁相比具有等效終點。最后，分離出兩種具有代表性的P2X3選擇性受體拮抗劑MK-3901和MK-2548，臨床研究結果表明P2X3受體拮抗劑對OA模型治療有效。OA是最常見的慢性疼痛疾病之一，也是最難管理的一種病變。選擇性P2X3受體拮抗劑已被證明在OA模型中治療疼痛有效[20]。

3 瞬時感受器電位受體TRPV1

炎性細胞因子在OA的發(fā)生和發(fā)展中起著至關重要的作用[21]。關節(jié)內(nèi)促炎和抗炎細胞因子共同維持動態(tài)平衡，符合關節(jié)軟骨的生理代謝需求。但促炎細胞因子與抗炎細胞因子的動態(tài)失衡可導致膝關節(jié)軟骨代謝異常，進而導致變形、丟失和軟骨異常再生，最終破壞膝關節(jié)的正常結構。傳統(tǒng)的修復方法有一些固有的缺點，而結合促炎和抗炎細胞因子為OA提供了一種新的治療方法。與OA相關的促炎因子，包括IL-1、TNF-lin、IL-6、IL-15、IL-17和IL-18，以及減少OA相關關節(jié)損傷的關鍵抗炎因子，包括IL-4、胰島素樣生長因子，促炎作用超過抗炎細胞因子作用最終導致OA的發(fā)生。

炎癥是一種機體的自我防御，是為了刺激炎性細胞對抗病原體和被破壞的組織再生。它與免疫細胞和促炎因子(細胞因子、趨化因子)的分泌密切相關[22]。目前，隨著研究的深入，炎癥的過程越來越受到關注。TRPV1作為一種與神經(jīng)源性疼痛相關的疼痛和熱傳感器，主要與神經(jīng)源性炎癥有關[23]。然而，在mRNA和蛋白質水平上表達，TRPV1也在非神經(jīng)細胞類型表達，因此，最近的研究表明TRPV1在其他炎癥性疾病中，如OA、類風濕關節(jié)炎等疾病中起重要作用[24]。TRPV1在炎癥過程中的作用尚不明確，TRPV1的激活主要與誘導有關，但最近的研究也證明了它的抗炎特性[25]。基于TRPV1與炎癥過程的研究表明，(1)炎癥組織中TRPV1激活并過度表達；(2)應用TRPV1拮抗劑或TRPV1基因消融術可引起炎癥發(fā)生；(3)TRPV1激活與相關性促炎細胞因子的基因表達相關。

在Hoffmeister等[26]的研究中，TRPV1是在急性期與痛覺和炎癥有關。大鼠關節(jié)注射尿酸單鈉誘導痛覺過敏、痛覺超敏、白細胞浸潤和IL-1β產(chǎn)生，應用TRPV1拮抗劑SB366791可抑制這些反應。注射TRPV1拮抗劑也減少了傷害感和相關的疼痛表現(xiàn)。尿酸單鈉晶體增加了TRPV1在關節(jié)組織中的相關炎癥反應峰值和傷害性感受的表達[27]。此外，TRPV1基因的缺失可以減弱滑膜損傷治療過程中關節(jié)炎的炎癥、骨質侵蝕及軟骨損傷[28]。由此可知，TRPV1可以被熱、組織損傷、促炎細胞因子等激活，并與疼痛和炎癥有關，研究TRPV1相關離子通道將為OA的治療提供新的靶點和藥物研究思路。

4 氯離子(Cl-)通道

在關節(jié)軟骨細胞對各種刺激的反應過程中，離子通道(包括陽離子通道和陰離子通道)被認為是調(diào)節(jié)軟骨細胞功能的重要節(jié)點。其中，氯離子(Cl-)通道是陰離子通道的重要組成部分，具有不可替代的生物學功能。一般來說，Cl-通道不是一種蛋白質，而是一個蛋白質家族，通過不同的機制進行調(diào)控，包括電壓依賴性Cl-通道(ClC)、囊性纖維化跨膜傳導調(diào)節(jié)器通道(CFTR)、鈣激活Cl-通道、配位門控配體Cl-通道[28]。這些Cl-通道與人體的生理活動有關，調(diào)節(jié)離子穩(wěn)態(tài)、維持細胞興奮性和肌肉張力、調(diào)節(jié)神經(jīng)信號或激素傳遞和物質運輸，調(diào)節(jié)細胞體積和存活。近年來，越來越多的研究將注意力轉移到這一領域，試圖尋找潛在的氯離子通道和骨關節(jié)炎之間的關系或機制[29]。在總結了最近的文獻發(fā)現(xiàn)Cl-通道在OA的發(fā)病機制中起著至關重要的作用，包括細胞外微環(huán)境的改變、細胞外基質代謝異常、炎癥和炎癥反應、異常細胞死亡。這些研究已經(jīng)證明了Cl-的一些特定通道與OA發(fā)病機制密切相關。

健康人體關節(jié)液的滲透壓為高滲(404±57)mOsm/L，而OA關節(jié)液的滲透壓降低至(297±16.9)mOsm/L[30]。細胞滲透壓的變化會影響細胞的體積并在隨后的生理和代謝細胞過程中引起一系列變化[31]。山田和其他研究機構的研究學者們已經(jīng)證明，在健康的關節(jié)中，關節(jié)軟骨細胞暴露在一個相對高滲的動態(tài)環(huán)境中，并通過調(diào)節(jié)性容積減小(regulatory volume decrease，RVD)保護自身關節(jié)免受腫脹和破壞。如果細胞長期處于相對低滲的環(huán)境中，一旦滲透壓的壓力變化超過細胞自我調(diào)節(jié)閾值，其RVD機制無法再完全補償，細胞會持續(xù)膨脹直至死亡，引發(fā)OA[32]。除了上述變化外，OA的病理性低張環(huán)境引起的細胞水腫也可導致容積敏感性外向整流(volumesensitive outwardly rectifying，VSOR)氯電流的激活，從而引發(fā)RVD。此外，OA也會導致細胞外環(huán)境酸化(pH≤5.0)，激活酸敏外向整流(acid-sensitive outwardly rectifying，ASOR)氯化物電流。在低張和酸性刺激下，軟骨細胞VSOR和ASOR氯電流共同激活，延長激活會使VSOR和ASOR氯電流失活，損害軟骨細胞的體積調(diào)節(jié)能力，并加重炎癥反應導致軟骨細胞凋亡[33]。

氯離子通道3(ClC-3)是一種由Cl-電壓門控通道3(CLCN3)基因編碼的離子通道，在軟骨細胞電活動中起關鍵作用，參與軟骨細胞增殖、遷移、侵襲和凋亡。ClC-3上調(diào)基質金屬蛋白酶-9(matrix metalloprotein 9，MMP-9)，從而促進軟骨細胞外基質的代謝[34]。此外，在病理性低滲環(huán)境的長期刺激下(<180 mOsm/L)，ClC-3通過激活軟骨細胞參與調(diào)節(jié)氯電流、細胞腫脹和RVD，反過來又導致人體前列腺素E2(PGE2)釋放軟骨細胞。研究證實[35]，在低滲狀態(tài)下，軟骨細胞中氯離子通道7(ClC-7)的表達狀態(tài)降低，這種變化導致軟骨細胞和軟骨細胞靜息膜電位的超極化，增加軟骨細胞凋亡。其他研究人員已積極下調(diào)健康人ClC-7通道的軟骨細胞表達，在這些細胞中可以觀察到類似的變化。

ClC-7通道和上述ClC-3通道參與骨關節(jié)炎軟骨細胞凋亡和細胞外基質分解代謝[36]。最近發(fā)現(xiàn)的富含亮氨酸的8A重復序列(LRRC8A)被證明是調(diào)節(jié)陰離子通道的重要組成部分。作為細胞體積敏感的重要組成部分氯離子通道LRRC8A參與許多病理生理過程[37]。研究表明降低細胞外液的滲透壓會導致細胞腫脹，從而激活炎癥小體Caspase-1釋放炎癥因子IL-1β，進而觸發(fā)一系列細胞炎癥反應，最終會導致炎癥細胞凋亡[38]。這些病理生理過程與細胞氯離子通道激活導致細胞體積異常增加有關。筆者認為這將可能是一個新的和有潛在價值的OA研究方向。

5 小結與展望

在許多不同的細胞生物力學研究中，機械感受器之間在細胞表面和細胞間的生化反應信號有直接聯(lián)系，進而控制下游效應分子[39]。在細胞膜上的機械感受器中，機械感受器離子通道對信號轉導至關重要，能將機械刺激轉化為生物相關信號，離子通道固有的力感應能力可以傳遞機械信號。機械刺激可以誘導軟骨細胞代謝的改變并影響關節(jié)軟骨的穩(wěn)態(tài)。在關節(jié)運動過程中體重是影響軟骨最重要的生理載荷刺激，過分的肥胖可能會導致有害的機械損傷刺激，從而加速關節(jié)老化，導致OA發(fā)生。然而，機械刺激的顯著減少，如久坐、久站也可能因為缺乏足夠的生理機械刺激導致關節(jié)軟骨病理性變性[40]。因此，適度的運動和健康的體重可以使機械刺激與離子通道感受器的激活達到平衡，從而對關節(jié)軟骨起到保護作用。肥胖或骨折可能會導致關節(jié)面軟骨合成代謝和分解代謝活動之間的不平衡，以及細胞外基質(extracellular matrix，ECM)分解代謝，導致OA的發(fā)展，并損害關節(jié)軟骨的機械彈性。

雖然離子通道在軟骨細胞表面膜(質膜)上通過不同跨膜通道傳導影響關節(jié)ECM的形成，對OA的發(fā)生至關重要[41]，機械敏感離子通道作用可能延緩OA軟骨退行性變和減弱OA誘導的機械性痛覺超敏，但從分子機制來說目前尚不清楚哪些離子通道參與了機械傳導過程，以及其中一些離子之間的相互作用關系也是未知的。需要進行更多的研究了解離子交換、離子通道對軟骨細胞機械性代謝改變的機制。離子通道通過機械刺激可以防止關節(jié)軟骨退變并促進關節(jié)軟骨的修復，通過對離子通道的不斷研究，將會提高OA的發(fā)病機制認知水平和治療手段創(chuàng)新。