陳后煌等
【摘 要】 軟骨退變是骨關(guān)節(jié)炎的根本病理變化,軟骨細胞功能改變在軟骨退變中發(fā)揮關(guān)鍵作用。軟骨細胞能感受軟骨基質(zhì)內(nèi)微環(huán)境的變化,調(diào)控軟骨基質(zhì)的代謝,從而適應(yīng)關(guān)節(jié)的應(yīng)力變化。生物學與力學因素通過激活與軟骨細胞增殖、分化和凋亡信號相關(guān)通路,參與軟骨細胞功能調(diào)控。文章綜合分析歸納國內(nèi)外相關(guān)文獻,通過探討電針干預(yù)骨關(guān)節(jié)炎軟骨細胞增殖、分化及凋亡的作用機制,旨在為揭示電針抑制骨關(guān)節(jié)炎軟骨退變的作用靶點提供理論依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】 骨關(guān)節(jié)炎;電針;軟骨細胞;增殖;分化;凋亡
doi:10.3969/j.issn.2095-4174.2015.06.011
骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis,OA)是在力學和生物學因素共同作用下導致軟骨細胞、軟骨下骨和細胞外基質(zhì)三者降解-合成正常偶聯(lián)失衡的結(jié)果,是一種常見的慢性、進行性骨關(guān)節(jié)疾病,并以軟骨退變?yōu)槠涓静±碜兓痆1]。軟骨細胞是軟骨中的唯一細胞,分散于細胞外基質(zhì)中,對維持軟骨的完整性以及軟骨的負重功能具有重要作用。軟骨細胞功能退變是引起OA的重要因素。因此,在OA的預(yù)防和治療上如何減少軟骨細胞的異常分化以及過度凋亡,保持軟骨細胞增殖、分化和凋亡的平衡成為關(guān)鍵所在。研究表明,眾多因素通過調(diào)控軟骨細胞的增殖、分化與凋亡,參與調(diào)節(jié)軟骨細胞功能[2]。電針治療OA具有副作用小、操作方便的特色與優(yōu)勢,其療效可靠[3];但電針具體機制有待于深入研究。因此,本文以國內(nèi)外相關(guān)文獻為基礎(chǔ),探討電針對介導OA軟骨細胞功能改變相關(guān)信號通路及調(diào)控因子的可能作用機制。
1 電針調(diào)控軟骨細胞增殖的作用機制
1.1 電針調(diào)控Wnt信號通路的作用機制 Wnt/β-catenin是Wnt家族中最重要的信號通路,又稱為經(jīng)典的Wnt信號通路,其在調(diào)控軟骨細胞增殖過程中發(fā)揮重要的作用[4]。β-catenin是經(jīng)典Wnt信號途徑中的樞紐分子,在軟骨細胞的形成和成熟過程中具有重要作用[5]。Wnt家族蛋白中Wnt3a等可以激發(fā)β-catenin依賴性Ca2+/CaMKII/通路,調(diào)節(jié)目標基因的轉(zhuǎn)錄,并通過β-catenin促進軟骨細胞增殖[6]。研究表明,電針可以激活Wnt/β-catenin信號通路[7],提示電針可能通過調(diào)節(jié)OA軟骨中Wnt/β-catenin信號通路,上調(diào)促軟骨細胞增殖因子β-catenin、Wnt3a、Wnt9a等的表達水平,促進軟骨細胞的增殖。
1.2 電針調(diào)控轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)超家族信號通路的作用機制 TGF-β超家族包括骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMPs)和TGF-β兩個亞家族,具有調(diào)節(jié)細胞增殖、譜系分化、遷移和黏附等廣泛的作用。Smads介導的TGF-β信號通路對軟骨細胞的增殖、分化以及軟骨基質(zhì)的合成具有重要的調(diào)控作用,該通路的轉(zhuǎn)導主要通過在細胞膜上形成Ⅰ型受體和Ⅱ型受體的復(fù)合體來啟動信號的發(fā)生,其中,TGF-β受體形成的三聚體能夠磷酸化胞內(nèi)的Smad 2,3,使之形成四聚體,完成向細胞核內(nèi)轉(zhuǎn)導信號的功能[8]。TGF-β1通過調(diào)節(jié)JAK-STAT信號通路,對軟骨的修復(fù)發(fā)揮重要作用,而Smad3對于TGF-β1促進軟骨細胞增殖是必需的[9]。研究表明,電針可以提高關(guān)節(jié)液中TGF-β1含量及軟骨細胞Smad3的表達[10]。電針可能通過刺激OA軟骨細胞中TGF-β1的合成和分泌,使其在軟骨細胞中廣泛表達,進而增加膠原和蛋白多糖的合成,促進軟骨的修復(fù)[11]。
1.3 電針調(diào)控Hippo信號通路的作用機制 Hippo信號通路由一組保守的激酶構(gòu)成,其中YAP蛋白是銜接Hippo信號通路上下游因子的主要蛋白,YAP負責從細胞膜到細胞核的信號傳遞[12]。研究表明,Hippo-YAP對細胞的增殖起正調(diào)控的作
用[13]。同時,Hippo-YAP信號通路將信號通過各種膜蛋白傳遞給YAP,后者將抗凋亡信號傳遞給細胞核,進而指導抗凋亡因子Bcl-2發(fā)揮抗凋亡作用[14]。電針可以上調(diào)OA細胞Bcl-2的表達量[15],其可能通過上調(diào)軟骨中YAP的含量發(fā)揮對OA軟骨損傷的調(diào)控作用,同時,激活軟骨中的Hippo-YAP信號通路,從而促進軟骨細胞的增殖。
1.4 電針調(diào)控堿性成纖維生長因子(bFGF)相關(guān)信號通路的作用機制 bFGF又稱為成纖維生長因子2(FGF2),其具有的成軟骨能力,可以促進體外培養(yǎng)的軟骨細胞中蛋白多糖和Ⅱ型膠原的表達,加強軟骨的增殖和再分化能力[16]。研究表明,對大鼠OA模型進行電針治療后,軟骨細胞中bFGF較未治療組中的含量升高,軟骨退變延緩[17]。提示可能是電針治療后恢復(fù)了軟骨基質(zhì)降解與合成的平衡,從而強化了軟骨的自我修復(fù)能力;也可能是增加纖維組織增生,加速軟骨裂隙的填充修補。
2 電針調(diào)控軟骨細胞分化的作用機制
2.1 電針調(diào)控Wnt信號通路的作用機制 Wnt/β-catenin信號通路調(diào)控著下游基因BMPs的表達水平,BMPs通過增加下游效應(yīng)因子的表達,進而誘導增殖型軟骨細胞分化為肥大型軟骨細胞[18]。BMP-2是BMPs家族中一個非常重要的亞型,其激活BMP信號通路后可以活化Wnt信號通路中Wnt4等分子的表達,而后者參與了誘導軟骨細胞的分化[19]。研究表明,電針可以上調(diào)椎間盤細胞中BMP-2的表達量[20]。電針可能通過上調(diào)BMP-2在OA軟骨中的表達,同時激活Wnt信號通路中Wnt4、Wnt14等促進軟骨細胞分化的效應(yīng)分子,從而發(fā)揮對軟骨細胞分化的正向調(diào)控作用。
2.2 電針調(diào)控TGF-β超家族信號通路的作用機制 BMP信號通過促進Sox9的表達,促進間充質(zhì)干細胞向軟骨細胞分化,在軟骨發(fā)生過程中起主導作
用;TGF-β信號則能抑制軟骨細胞的肥大分化,維持一定數(shù)量的未分化軟骨細胞[21-22]。電針可能通過調(diào)節(jié)OA軟骨中BMP信號和TGF-β信號中的關(guān)鍵因子如BMP-2以及TGF-β1表達量的平衡,維持軟骨細胞的正常分化水平。
2.3 電針調(diào)控PTHrP-Ihh信號通路的作用機制 印度豪豬蛋白(Indian hedgehog,Ihh)和甲狀腺激素相關(guān)肽(PTH-related peptide,PTHrP)通過負反饋環(huán)路調(diào)節(jié)軟骨內(nèi)成骨過程中軟骨細胞的分化,在軟骨內(nèi)成骨過程中,PTHrP的主要作用是限制軟骨細胞的分化和成熟,并且對軟骨內(nèi)成骨細胞的生長調(diào)節(jié)過程造成干擾,而Ihh的主要作用則是調(diào)控著軟骨細胞的肥大分化[23-24]。OA早期基質(zhì)破壞輕,軟骨細胞存在活躍的增生與再生、合成與分泌。隨著病變發(fā)展,基質(zhì)破壞嚴重以致消失,軟骨細胞的死亡與再生、基質(zhì)的降解與合成之間的平衡被打破,機體只有靠纖維組織和骨組織增生來修補軟骨的缺損。研究表明,OA軟骨細胞中Ihh信號被活化,Ihh的激活進一步促進軟骨細胞肥大分化[25]。BMP-2、Sox9、FGF等在PTHrP-Ihh負反饋軸中都發(fā)揮重要的協(xié)調(diào)作用[26-27]。電針可以上調(diào)骨細胞中BMP-2、FGF2的表達量[17,28],但其對PTHrP-Ihh信號通路介導軟骨細胞分化的調(diào)節(jié)機制尚不明確。電針可能通過協(xié)調(diào)PTHrP-Ihh信號軸的平衡,調(diào)節(jié)其通路上相關(guān)因子如Ihh、PTHrP、BMP-2、Sox9及FGF等的表達,恢復(fù)基質(zhì)降解與合成的平衡,從而強化軟骨的自我修復(fù)能力,也可能是增加纖維組織增生,加速軟骨裂隙的填充修補,從而發(fā)揮對OA軟骨損傷的調(diào)控作用。
2.4 電針調(diào)控Notch信號通路的作用機制 Notch信號通路由Notch受體(Notch1,2,3,4)、配體(Jagged1,2及Delta1,3,4)和CSL蛋白3部分組成,它通過Notch受體與配體的結(jié)合、Notch受體的酶切活化、可溶性Notch胞內(nèi)區(qū)轉(zhuǎn)移至細胞核并與CSL DNA結(jié)合蛋白相互作用,最終調(diào)控靶基因的表達,從而在調(diào)控細胞分化,維持軟骨細胞表型,以及軟骨基質(zhì)代謝平衡等方面發(fā)揮重要的作用,其調(diào)節(jié)失衡可導致OA的形成[29]。OA軟骨細胞中,Notch1和JAG1的表達增強[30],而JAG1是激活Notch信號通路的關(guān)鍵配體,其在骨發(fā)育早期的高表達對軟骨的發(fā)生具有啟動作
用[31]。研究證實,電針能夠活化Notch信號通路[32],在OA軟骨細胞損傷中,其可能通過上調(diào)Notch信號通路關(guān)鍵調(diào)控因子Notch1和JAG1等的表達量,促進Notch信號通路在OA中的修復(fù)作用。
2.5 電針調(diào)控RhoA/ROCK信號通路的作用機制 RhoA蛋白是小分子量G蛋白家族的亞家族成員之一,其在軟骨細胞中的功能主要是通過激活Rho激酶促進肌動蛋白聚合成應(yīng)力纖維,而應(yīng)力纖維的形成被認為是軟骨細胞去分化的標志[33]。ROCK即Rho激酶,是RhoA下游最主要的信號分子[34]。軟骨細胞的去分化主要表現(xiàn)在軟骨細胞的形態(tài)由多角形或圓形逐步向成纖維樣轉(zhuǎn)變,細胞分泌特征胞外基質(zhì)的能力下調(diào),而Ⅰ型膠原的表達上調(diào),最終將導致軟骨細胞的功能喪失[35]。TNF-α誘導的退變關(guān)節(jié)軟骨中,RhoA、ROCK表達均上調(diào),RhoA/ROCK信號通路被激活,大量應(yīng)力纖維產(chǎn)生,Ⅱ型膠原、Sox9等軟骨特征性表達降低,RhoA/ROCK信號通路可能是通過抑制軟骨中Sox9的表達來調(diào)控軟骨細胞的去分化,而后者是調(diào)節(jié)軟骨生成的重要轉(zhuǎn)錄因子。Racl和Cdc42可加速軟骨細胞肥大分化,從而抑制RhoA活性,具有拮抗RhoA/ROCK信號通路的作用[36]。研究表明,電針可以有效抑制RhoA和ROCK的表達[37]。電針可能通過上調(diào)Racl和Cdc42在OA軟骨中的表達量,抑制RhoA/ROCK信號通路的激活,促進Ⅱ型膠原、Sox9等在軟骨中正常表達,介導軟骨細胞的正常分化。
3 電針調(diào)控軟骨細胞凋亡的作用機制
軟骨細胞凋亡包含多條信號通路和途徑,其上游通路主要包括絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號通路和核轉(zhuǎn)錄因子(NF-κB)通路,下游途徑主要包括:線粒體途徑、死亡受體(death receptor)途徑以及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(ERS)反應(yīng)凋亡途徑。電針通過調(diào)控各個信號通路上的關(guān)鍵調(diào)控因子,抑制凋亡通路的進程,進而減緩和/或抑制軟骨細胞凋亡程序。
3.1 電針調(diào)控軟骨細胞凋亡上游通路的作用機制 NF-κB具有促軟骨細胞存活和凋亡的雙向調(diào)節(jié)作用,一方面,NF-κB通過上調(diào)凋亡蛋白抑制物(IAP)與Bcl-2的表達量而抑制軟骨細胞的凋亡;另一方面,在TNF-α誘導的軟骨細胞凋亡中,NF-κB可以調(diào)控Bcl-2和Bax的表達,而Bcl-2和Bax分別具有抗凋亡和促凋亡的作用,同時NF-κB又可以促進TNF-α的釋放,最終引發(fā)軟骨細胞損傷,甚至凋亡。研究表明,電針可以顯著降低Bax的表達,抑制NF-κB信號通路[38]。另有研究表明,電針可以下調(diào)TNF-α的表達量,增強NF-κB信號的活
性[39]。因此,電針對NF-κB信號通路的調(diào)節(jié)具有雙向性,其可能通過兩種不同的機制發(fā)揮對OA軟骨細胞凋亡的調(diào)控作用。
p38 MAPK被認為是細胞信息傳遞的交匯點和共同通路,可調(diào)控軟骨細胞的增殖、生存以及軟骨細胞外基質(zhì)合成。磷酸化的p38 MAPK參與介導MMP-1、MMP-13以及環(huán)氧化酶(COX)-2和前列腺素E2的合成,導致Ⅱ型膠原的進行性降解,引發(fā)骨關(guān)節(jié)疼痛,促進了軟骨的破壞[40-41]。電針通過抑制p38 MAPK的磷酸化及COX-2等炎性因子的表達,從而實現(xiàn)對p38 MAPK信號通路調(diào)節(jié)[42]。
Ras-Raf-MEK-ERK通路是MAPK信號轉(zhuǎn)導的經(jīng)典通路,多數(shù)信號因子對ERK的活化都始于對Ras的激活,活化的Ras進一步激活Raf,Raf激活MEK1/2,進而活化ERK1/2,ERK1/2主要是介導軟骨細胞的增殖和肥大分化,導致軟骨鈣化,最終形成OA[43]。研究表明,電針可以下調(diào)ERK1/2信號的表達量[44]。電針可能通過調(diào)控Ras-Raf-MEK-ERK通路中Ras、Raf、MEK1/2以及ERK1/2等相關(guān)基因和蛋白的表達量,從而緩解OA的軟骨退變。
3.2 電針調(diào)控軟骨細胞凋亡下游途徑的作用機制 OA軟骨細胞凋亡的線粒體途徑中,當?shù)蛲銎鹗夹盘栕饔糜诰€粒體后,軟骨細胞線粒體跨膜蛋白膜電位下降,通透性轉(zhuǎn)變孔道(PTP)開放,外膜通透性增高,位于膜間隙的可溶性蛋白細胞色素C(Cytochrome C)被釋放到細胞質(zhì)中,Cytochrome C一旦釋放,即與凋亡蛋白酶活化因子(Apaf)-1和Caspase-9前體結(jié)合形成凋亡酶體復(fù)合物,Caspase-9被激活,Caspase-9再激活Caspase-3等,從而誘導軟骨細胞凋亡[45]。目前認為,Caspase-3是細胞凋亡過程中最主要的終末剪切酶,也是軟骨細胞殺傷機制的重要組成部分。研究表明,電針可以同時下調(diào)Cytochrome C、Caspase-3的表達量[46]。電針可能通過下調(diào)OA軟骨細胞中Cytochrome C、Apaf-1、Caspase-9、Caspase-3等的表達量,一定程度上阻斷線粒體途徑所誘導的軟骨細胞凋亡,達到其延緩OA軟骨退變的目的。
Fas是位于細胞膜上的跨膜糖蛋白,與其配體Fasl特異性結(jié)合后形成Fas/Fasl系統(tǒng),后者被稱為啟動凋亡信號的“死亡受體途徑”[47]。Fas和Fasl在受到凋亡信號刺激后進行特異性結(jié)合,通過募集、誘導Caspase-8和Caspase-3的活化,繼而誘發(fā)軟骨細胞凋亡;而電針治療后Fas、Fasl及Caspase-3的表達均有下降,提示電針通過某種機制抑制了死亡受體的活性,從而減少了軟骨細胞的凋亡[48]。
ERS通過減少軟骨基質(zhì)的主要成分蛋白多糖和Ⅱ型膠原的表達進而引起軟骨細胞凋亡[49-50]。Chop、JNK、Bcl-2和Caspase-12是連接ERS和細胞凋亡之間的重要因子[51]。研究表明,電針對ERS具有抑制作用[52]。電針可能通過抑制連接因子Chop、JNK和Bcl-2等的表達,阻斷ERS,延緩軟骨細胞凋亡。
4 結(jié) 語
電針治療OA軟骨退變的可能作用機制是通過調(diào)節(jié)影響軟骨細胞的增殖、分化及凋亡相關(guān)信號通路的關(guān)鍵調(diào)控因子表達,參與軟骨細胞功能的調(diào)控,從而延緩軟骨退變。目前,電針治療OA的研究雖取得一定的進展,但電針治療的起始靶點和機制尚未得到闡明。解決這一根本問題還有待于各方面實驗結(jié)果的進一步積累和系統(tǒng)性研究的繼續(xù)深入,重視結(jié)合現(xiàn)代醫(yī)學的研究方法,不斷探索、完善電針治療OA的作用機制研究,為電針防治OA提供科學的理論依據(jù)。
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收稿日期:2015-03-20;修回日期:2015-05-07