蔡偉松 李皓桓

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院骨外科，湖北省武漢市 430060，電子郵箱：caiweisong@whu.edu.cn)

【提要】骨關(guān)節(jié)炎是一種多因素引起的慢性退行性骨關(guān)節(jié)疾病，表現(xiàn)為關(guān)節(jié)軟骨破壞、骨贅形成、滑膜炎癥和關(guān)節(jié)腔隙變窄。越來越多的研究表明，信號通路在骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生、發(fā)展過程中起重要作用。本文就相關(guān)信號通路在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病機制中的研究進展做一綜述。

骨關(guān)節(jié)炎是發(fā)病率較高的慢性疾病之一，其以關(guān)節(jié)腫痛畸形、活動障礙為主要臨床表現(xiàn)，嚴(yán)重者可導(dǎo)致殘疾。有研究顯示，由骨關(guān)節(jié)炎引起的殘疾風(fēng)險在男、女性中分別約為40%和47%，在肥胖人群中比例更高[1]。骨關(guān)節(jié)炎的病因包括關(guān)節(jié)損傷、生物力學(xué)異常、肥胖、衰老和遺傳等，但骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機制目前尚未完全清楚，關(guān)節(jié)軟骨細胞破壞、細胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)降解和合成障礙以及關(guān)節(jié)周圍軟組織退變是該病發(fā)生的重要因素。大量研究表明信號通路與骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機制密切相關(guān)，相關(guān)信號通路包括絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)、Wnt、核因子κB(nuclear factor κB，NF-κB)、Notch、轉(zhuǎn)化生長因子β(transforming growth factor β，TGF-β)/骨形成蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)等。本文就相關(guān)信號通路在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病機制中的研究進行綜述，以期為骨關(guān)節(jié)炎的研究及診治提供理論依據(jù)。

1 MAPK信號通路

MAPK是由絲氨酸/蘇氨酸激酶組成的促分裂原活化蛋白激酶信號通路，可以通過細胞外刺激(如細胞應(yīng)激、黏附)、神經(jīng)遞質(zhì)和細胞因子等激活。軟骨降解在骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病中起著重要作用。軟骨細胞中MAPK信號通路的異常激活可促進炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致軟骨基質(zhì)降解酶的釋放，從而加速軟骨退化。MAPK信號通路是軟骨降解的主要途徑，其涉及軟骨細胞的增殖、凋亡、分化以及與炎性因子直接或間接相關(guān)的炎癥反應(yīng)，包括細胞內(nèi)信號通路的機械應(yīng)激刺激、傳遞轉(zhuǎn)錄因子信號及調(diào)節(jié)軟骨退化的病理過程[1]。MAPK信號通路作為多信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的中心點，由三級信號級聯(lián)通路組成，包括細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinase，ERK)1/2、c-Jun N端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)及p38-MAPK[2]。

p38-MAPK家族由p38α、p38β、p38γ和p38δ四個成員組成，其在骨關(guān)節(jié)炎軟骨破壞中起樞紐作用。細胞因子、炎性因子、機械應(yīng)力等因素均可以激活p38-MAPK信號通路，而p38-MAPK信號通路的激活與細胞凋亡、肥大、鈣化、炎癥等多種生物學(xué)效應(yīng)密切相關(guān)。p38-MAPK在誘導(dǎo)基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)13的表達中起著關(guān)鍵作用，而MMP13的表達可導(dǎo)致Ⅱ型膠原的降解，從而促進軟骨損傷[3-4]。白細胞介素(interleukin，IL)-1β是骨關(guān)節(jié)炎首要的致病因子之一，其可通過刺激產(chǎn)生磷酸化的p38-MAPK來合成大量NO，進而激活p38-MAPK信號通路并促進軟骨細胞產(chǎn)生IL-1轉(zhuǎn)化酶和IL-1β，增加前列腺素E2(prostaglandin E2，PGE2)及環(huán)氧化酶-2(cyclooxygenase-2，COX-2)的水平，引起軟骨損傷。腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α，TNF-α)可介導(dǎo)多種炎癥過程，可以與p38-MAPK形成正反饋環(huán)路，p38-MAPK的活化可促進TNF-α的表達，過度表達的TNF-α可誘導(dǎo)軟骨細胞凋亡[5]。Sun等[6]發(fā)現(xiàn)p38-MAPK信號傳導(dǎo)抑制劑SB203580可以抑制人骨關(guān)節(jié)炎軟骨細胞的凋亡和促炎細胞因子的表達。

ERK在骨關(guān)節(jié)炎軟骨細胞分化和增殖中發(fā)揮著重要介導(dǎo)作用。Boileau等[7]在狗骨關(guān)節(jié)炎模型實驗中發(fā)現(xiàn)，PD980959(一種ERK通路抑制劑)可通過Ras獨立機制抑制ERK1/2的激活，從而減少MMP的產(chǎn)生，進而起到保護關(guān)節(jié)軟骨的作用。Prasadam等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在體外培養(yǎng)的軟骨細胞中，聯(lián)合使用絲裂原活化蛋白激酶-細胞外信號調(diào)節(jié)激酶抑制劑(U0126)和透明質(zhì)酸，可明顯降低ERK的磷酸化水平，減少軟骨細胞退行性標(biāo)志物(MMP-13、血小板結(jié)合蛋白基序的解聚蛋白樣金屬蛋白酶5)和肥大標(biāo)志物(X型膠原、Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2)產(chǎn)生的數(shù)量，減輕軟骨細胞退化及肥大化。

JNK是MAPK家族重要成員之一，由JNK1、JNK2和JNK3三種基因編碼。JNK信號通路可被炎癥細胞因子和應(yīng)激因子激活。Ismail等[9]研究小鼠關(guān)節(jié)軟骨細胞聚集蛋白聚糖降解時發(fā)現(xiàn)，由炎性細胞因子IL-1誘導(dǎo)的降解主要由解聚蛋白樣金屬蛋白酶5介導(dǎo)，并且顯著依賴于細胞內(nèi)信號分子JNK-2的活化。

2 Wnt信號通路

Wnt信號通路包括經(jīng)典的Wnt/β-連環(huán)蛋白(β-catenin)信號通路以及三條非經(jīng)典信號通路(平面極細胞信號通路、Wnt/Ca2+信號通路、調(diào)節(jié)紡錘體定向和不對稱細胞分裂信號通路)。研究表明，Wnt信號通路在胚胎骨骼形成、組織修復(fù)、纖維化和關(guān)節(jié)穩(wěn)態(tài)中起著重要作用，與細胞增殖、遷移和分化密切相關(guān)[10]。Wnt通路中的關(guān)鍵分子包括β-catenin、糖原合成酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β)和Wnt3a，其中β-catenin是Wnt/β-catenin信號通路的核心成分，是上游分子發(fā)揮功能的前提條件。Wnt/β-catenin信號通路由Wnt配體與卷曲受體和共受體低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白(low-density lipoprotein receptor-related protein，LRP)5/6結(jié)合而觸發(fā)，然后GSK-3β磷酸化LRP5/6，引起LRP5/6募集Axin復(fù)合物并導(dǎo)致β-catenin降解減少，從而使細胞質(zhì)β-catenin轉(zhuǎn)移至細胞核激活靶基因，參與細胞增殖。研究發(fā)現(xiàn)[11]，用補骨脂素處理的軟骨細胞中Wnt-4、卷曲配體-2、β-catenin和G1/S-特異性周期蛋白D1的基因表達和蛋白水平顯著上調(diào)，GSK-3β表達下降，表明通過激活Wnt/β-catenin信號通路可促進軟骨細胞增殖。但在另一項研究中，抑制Wnt信號通路可通過促進對軟骨細胞的抗代謝作用和滑膜成纖維細胞的抗纖維化作用而降低創(chuàng)傷性骨關(guān)節(jié)炎模型中疾病的嚴(yán)重程度[12]。Blom等[13]研究發(fā)現(xiàn)在自發(fā)性骨關(guān)節(jié)炎小鼠和膠原酶誘導(dǎo)的骨關(guān)節(jié)炎小鼠中，Wnt和Wnt相關(guān)基因的表達水平在關(guān)節(jié)軟骨和滑膜中均發(fā)生改變；在這些基因中，Wnt1-誘導(dǎo)信號通路蛋白1(Wnt1-inducible signaling pathway protein 1，WISP1)的表達顯著增加。WISP1可調(diào)節(jié)軟骨細胞和巨噬細胞中MMP和軟骨聚集蛋白聚糖酶的表達，并可誘導(dǎo)關(guān)節(jié)軟骨退化[13-14]。Shi等[15]通過慢病毒載體(LV-Wnt5a-RNAi)遞送Wnt-5a的小干擾RNA可以阻止骨關(guān)節(jié)炎軟骨細胞中Ⅱ型膠原的降解。Gibson等[16]研究發(fā)現(xiàn)，Wnt-7a可抑制IL-1β誘導(dǎo)的MMP和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶基因表達；Wnt-7a是一種在骨骼發(fā)育中起關(guān)鍵作用的蛋白質(zhì)，可以減弱骨關(guān)節(jié)炎小鼠模型中MMP活性并促進關(guān)節(jié)軟骨完整性。

3 NF-κB信號通路

NF-κB是一類構(gòu)成轉(zhuǎn)錄因子家族的蛋白分子，由促炎細胞因子、趨化因子、應(yīng)激相關(guān)因子和ECM降解產(chǎn)物刺激激活。NF-κB分子廣泛參與免疫、壓力反應(yīng)、炎性疾病、細胞增殖和細胞死亡。哺乳動物NF-κB亞家族包含4種蛋白質(zhì)：RelA或p65，RelB，c-Rel，NF-κB1或p50。在未受刺激的條件下，NF-κB二聚體在細胞質(zhì)中與IκB分子結(jié)合以無活性的形式存在。當(dāng)受到刺激時，IκB將被IκB激酶(IκB kinase，IKK)磷酸化，并通過泛素-蛋白酶體系統(tǒng)進行降解，使NF-κB異二聚體轉(zhuǎn)位進入細胞核而觸發(fā)誘導(dǎo)與關(guān)節(jié)破壞相關(guān)基因的表達，導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生與發(fā)展[17]。NF-κB信號通路是骨關(guān)節(jié)炎軟骨降解進程中的關(guān)鍵分子途徑，其通過促進MMP-1、MMP-2、MMP-3等多種降解酶的分泌及促進COX-2、NO、一氧化氮合酶等分解代謝因子的合成，從而加劇骨關(guān)節(jié)炎軟骨細胞的凋亡和軟骨的炎癥反應(yīng)[18]。Dai等[19]研究發(fā)現(xiàn)，錦葵花色素通過抑制大鼠骨關(guān)節(jié)炎模型中的NF-κB信號通路降低IL-1β、IL-6、TNF-α和MMP的表達，從而減弱骨關(guān)節(jié)炎誘導(dǎo)的疼痛和炎癥。Tang等[20]也發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)NF-κB信號通路可以降低IL-1β誘導(dǎo)的ECM代謝失衡、促炎細胞因子產(chǎn)生、細胞活力和細胞凋亡。微小RNA(microRNA，miRNA)是介導(dǎo)骨關(guān)節(jié)炎的主要危險因素之一，Zhou等[21]通過前十字韌帶橫切建立骨關(guān)節(jié)炎大鼠模型，當(dāng)向骨關(guān)節(jié)炎大鼠注射miRNA-27慢病毒過表達載體時，IL-6、IL-8、MMP-9和MMP-13的表達水平均下降，說明miRNA-27的上調(diào)可通過靶向抑制NF-κB信號通路來抑制骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生。Hu等[22]發(fā)現(xiàn)，miRNA-26a/26b和NF-κB信號通路靶向巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶4水平的上升可以調(diào)節(jié)軟骨細胞中IL-1β誘導(dǎo)的ECM降解過程，從而減弱骨關(guān)節(jié)炎小鼠模型的病情進展。

4 Notch信號通路

Notch信號通路能夠平衡軟骨基質(zhì)代謝，調(diào)控軟骨細胞增殖分化，維持軟骨細胞表型。Notch信號傳導(dǎo)通路的組成包括4個受體(Notch 1-4)、5個配體(Delta-like l，3，4及Jagged1，2)和CSL蛋白。最近的研究表明，Notch信號通路在發(fā)育過程中作為軟骨ECM分解代謝和合成代謝潛在的分子調(diào)節(jié)劑，對骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展至關(guān)重要[23]。Park等[24]研究發(fā)現(xiàn)，Notch信號通路的激活可能促進骨關(guān)節(jié)炎滑膜細胞和軟骨細胞中炎癥相關(guān)分子的產(chǎn)生。Hosaka等[25]研究發(fā)現(xiàn)，Notch/無毛重組結(jié)合蛋白抑制因子/多毛增強子-1信號通路在關(guān)節(jié)炎發(fā)展中起著重要的調(diào)節(jié)作用，過表達Notch胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域(Notch intracellular domain，Notch-ICD)可增加小鼠原代軟骨細胞和軟骨細胞系MMP13和血管生成因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)的表達，而通過注射Notch信號通路抑制劑則可以減弱上述效應(yīng)。有研究發(fā)現(xiàn)，Notch 1、2受體定位于正常小鼠和人關(guān)節(jié)軟骨的細胞表面，并且在關(guān)節(jié)軟骨細胞高表達，但是在退化的軟骨中其在細胞核高表達[26]。

5 TGF-β/BMP信號通路

TGF-β/BMP信號通路在人軟骨細胞退變過程中起重要的作用。TGF-β信號通路主要通過結(jié)合激活素受體樣激酶5、激活Smad2/3磷酸化來發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)[27]；BMP信號通路則與細胞表面激活素受體樣激酶1結(jié)合，通過激活Smad1/5/8發(fā)揮作用。研究發(fā)現(xiàn)[28]，TGF-β/Smad3信號通路可降低人類軟骨細胞中的miRNA-140活性。miRNA-140缺失可導(dǎo)致骨骼發(fā)生異常并且加速軟骨細胞肥大化[29]。近期研究結(jié)果顯示，在骨關(guān)節(jié)炎大鼠模型中通過上調(diào)TGF-β1 抑制TGF-β1/Smad信號通路可以防止軟骨損傷，改善骨關(guān)節(jié)炎[30]。Blaney Davidson等[31]研究顯示，特異性提高軟骨細胞BMP2水平并不能改變骨關(guān)節(jié)炎模型小鼠軟骨損傷的過程，但可導(dǎo)致骨贅形成的嚴(yán)重惡化。

6 小 結(jié)

綜上所述，以上信號通路在骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機制中起著重要作用，各信號通路之間相互協(xié)調(diào)與影響，主要參與炎癥反應(yīng)、軟骨細胞的增殖和凋亡、ECM的合成和降解等。通過研究這些信號通路，找到通路中上游或者下游的效應(yīng)因子，將會為骨關(guān)節(jié)炎的靶向治療提供明確的方法和途徑。