余雷 王德偉

腰椎間盤突出癥(lumbar disc herniation, LDH)是一種常見的慢性腰椎退行性疾病, 其典型癥狀表現(xiàn)為腰背痛, 伴有下肢麻木、放射痛。主要的病理改變?yōu)槭芾酃?jié)段椎間盤發(fā)生退變。而骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis,OA)作為另一種常見的骨科退行性疾病, 臨床上主要表現(xiàn)為負重關(guān)節(jié)部位疼痛及關(guān)節(jié)運動功能障礙。其病理基礎(chǔ)為關(guān)節(jié)軟骨的退變, 伴有軟骨下骨發(fā)生硬化以及骨贅形成。隨著人口老齡化的加重和人們?nèi)粘Ｉ罘绞降母淖? LDH 和OA 的發(fā)病率日益增多, 其嚴重影響人們的生活質(zhì)量及日常行動能力。大量研究表明,Runx2、β-catenin 作為Wnt/β-catenin 信號通路中誘導椎間盤退變(intervertebral disc degeneration, IDD)和關(guān)節(jié)軟骨退變的重要調(diào)節(jié)因子, 可參與調(diào)控骨科退行性疾病的發(fā)病。因此, 了解Runx2 和β-catenin 在骨科退行性疾病中的作用機制尤為重要, 其有助于干預(yù)疾病的發(fā)生和指導臨床治療。

1 椎間盤與關(guān)節(jié)軟骨的生理結(jié)構(gòu)

椎間盤由位于內(nèi)層的髓核(NP)、外周包繞纖維環(huán)以及上下軟骨終板構(gòu)成。其作為一種類軟骨結(jié)構(gòu), 雖然椎間盤的外部形態(tài)與關(guān)節(jié)軟骨有著很大差異, 但兩者的內(nèi)在結(jié)構(gòu)卻有著諸多相似性［1］。首先, 髓核與關(guān)節(jié)軟骨的細胞外基質(zhì)(ECM)組成相似, 均由Ⅱ型膠原及其聚合體構(gòu)成。其次, 椎間盤與關(guān)節(jié)軟骨作為無血供組織, 營養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)都主要依靠擴散作用來實現(xiàn)。從細胞表型上可以發(fā)現(xiàn), NP 內(nèi)的脊索細胞與軟骨細胞樣細胞互相共存, 后者類似于關(guān)節(jié)軟骨中的軟骨細胞［2］。此外, NP 與關(guān)節(jié)軟骨細胞群的表達譜具有高度同源性, 據(jù)推測, 兩者的細胞類型可能來源于一個共同的細胞表達譜［3］。

2 IDD 與關(guān)節(jié)軟骨退變的病理改變

IDD 是一個復雜且多因素綜合作用的結(jié)果, 與基因、機械應(yīng)激、細胞衰老和營養(yǎng)改變等有關(guān)［4］。其退變特征在于椎間盤ECM 中的Ⅱ型膠原及蛋白聚糖含量下降, 導致與水的結(jié)合能力降低, 椎間盤內(nèi)含水量減少。同時, 伴有NP 細胞數(shù)量明顯減少。有研究發(fā)現(xiàn)［5］, IDD 患者的椎間盤內(nèi)出現(xiàn)NP 細胞衰老加速的現(xiàn)象, 這些細胞沒有分裂及增殖的功能, 且產(chǎn)生ECM的能力也降低, 這從本質(zhì)上改變了椎間盤的內(nèi)在結(jié)構(gòu)。椎間盤作為特殊的類軟骨組織, 衰老和退變將導致NP內(nèi)脊索細胞凋亡增加, 促使脊索細胞逐步被軟骨細胞樣細胞所替代［6］。關(guān)節(jié)軟骨退變作為OA 的病理基礎(chǔ),主要表現(xiàn)為軟骨細胞衰老及凋亡增加、軟骨ECM 合成與分解代謝失衡［7］。有研究表明［8］, 伴隨關(guān)節(jié)退變程度不斷加劇, 關(guān)節(jié)軟骨細胞衰老加速, 軟骨ECM 降解增加, 關(guān)節(jié)軟骨結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆性破壞, 最終導致OA發(fā)生。

3 Runx 基因家族的功能與作用

Runx 屬于小轉(zhuǎn)錄因子家族, 包含三個成員, 分別為Runx1、Runx2 和Runx3, 因其具有一個共同的runt結(jié)構(gòu)域, 均位于N 端, 故命名為Runx［9］。Runx 各自具有不同的功能。Runx1 有刺激造血的功能, 可調(diào)節(jié)造血細胞的正常發(fā)育, Runx1 基因缺失可引起造血功能缺陷［10］；Runx2 可調(diào)節(jié)成骨細胞分化、誘導軟骨細胞肥大,Runx2 基因缺失可導致骨形成缺陷［11］；Runx3 可促進神經(jīng)生長和胃腸道發(fā)育, Runx3 基因缺失可導致胃腸和神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生［12,13］。此外, 在所有Runx 家族成員中, 只有Runx2 具有誘導IDD 的功能。有研究表明［14］,Runx2 基因具有一段由谷氨酰胺-丙氨酸殘基組成的獨特QA 結(jié)構(gòu)域, 該結(jié)構(gòu)域區(qū)別于Runx1 和Runx3, 能顯著增強成骨活性, 并可誘導軟骨退變, 故只有Runx2基因表達的小鼠才會出現(xiàn)異位骨化和IDD。

3.1 Runx2 參與骨與軟骨代謝 Runx2 是一種調(diào)節(jié)成骨細胞成熟及軟骨細胞分化的主要轉(zhuǎn)錄因子, 在骨與軟骨代謝過程中起到重要的調(diào)控作用［15］。Runx2 可刺激成骨, 在成骨細胞中Runx2 基因表達下調(diào), 骨形成將受到抑制, 骨量相應(yīng)減少。而Runx2 基因表達上調(diào)可促進成骨細胞的分泌和成熟［16］。同時, Runx2 也可參與調(diào)節(jié)破骨細胞的活性, 研究顯示［17］, Runx2 基因缺失可抑制破骨細胞的形成以及破骨活性。此外, Runx2還是調(diào)節(jié)軟骨細胞分化的轉(zhuǎn)錄因子。有研究發(fā)現(xiàn)［14］,在生理條件下的小鼠胚胎發(fā)育過程中, Runx2 是唯一在椎間盤內(nèi)正常表達的家族成員。該研究闡明, Runx2基因在軟骨細胞分化等生理條件中的特異性和獨特作用。

3.2 Runx2 在骨科退行性疾病中的作用 Runx2 作為誘導軟骨細胞肥大的重要調(diào)節(jié)因子, 可促進OA 的發(fā)展。研究顯示, 在OA 患者關(guān)節(jié)軟骨細胞中Runx2 的表達明顯升高, 可刺激關(guān)節(jié)軟骨細胞代償性肥大［18］。Runx2 在誘導軟骨細胞肥大的同時, 肥大軟骨細胞可能會釋放某些因子促進軟骨鈣化, 鈣化的軟骨組織在進一步的刺激下發(fā)生骨化, 繼而加速關(guān)節(jié)軟骨的退變［19］。近年來, 有研究發(fā)現(xiàn), Runx2 基因敲除后可以減緩實驗小鼠模型中OA 的疾病進展［20］。因此, 在臨床治療中, 有望從基因靶點的治療角度出發(fā), 干預(yù)關(guān)節(jié)軟骨細胞中Runx2 的表達, 以期延緩OA 的疾病進展。Runx2 與軟骨營養(yǎng)不良犬的椎間盤衰老進程有關(guān)［21］。研究表明, Runx2 的高表達可促使NP 內(nèi)脊索細胞凋亡增加, 并逐漸向軟骨細胞樣細胞轉(zhuǎn)化, 隨著年齡的增長這種現(xiàn)象表現(xiàn)愈明顯［22］。胡舟揚等［23］研究發(fā)現(xiàn), 退變的終板軟骨細胞內(nèi)可見Runx2 顯著表達, 且隨著退變程度的增加, Runx2 的表達量隨之升高。該研究結(jié)果提示, Runx2 在終板軟骨中的高表達與其退變程度呈正相關(guān), 因而認為Runx2 可以作為評估IDD程度的重要分子標志。Runx2 誘導IDD 和軟骨細胞分化的能力可歸因于其獨特的表達模式。Sato 等［14］建立退變小鼠模型顯示Runx2 表達可誘導IDD, 主要是通過Runx2 基因特定QA 結(jié)構(gòu)域增強肥大軟骨細胞分化的結(jié)果。此外, Sato 等［14］研究還發(fā)現(xiàn), IDD 患者的肥大軟骨細胞中可見Runx2 的高表達, 因此推測, Runx2可能通過誘導軟骨細胞肥大參與IDD 的發(fā)展。該研究闡明, Runx2 基因在IDD 等病理條件中的特異性和獨特作用。因此, 通過抑制椎間盤內(nèi)Runx2 的表達活性,有望減緩椎間盤的衰老與退變。

4 Wnt/β-catenin 信號通路

Wnt/β-catenin 信號通路由Wnt 蛋白配體、細胞膜受體以及細胞內(nèi)信號分子構(gòu)成。β-catenin 作為該信號通路中主要的細胞內(nèi)信號分子, 研究發(fā)現(xiàn)［24］, 當細胞外Wnt 蛋白配體缺失時, 細胞質(zhì)內(nèi)的β-catenin由糖原合成激酶3β(GSK3β)介導而發(fā)生磷酸化, 后經(jīng)泛素途徑降解, 從而抑制Wnt/β-catenin 信號通路活性。然而, 當細胞外Wnt 蛋白配體存在時, 該信號通路得到激活。Wnt 蛋白配體與細胞膜中的受體蛋白結(jié)合, 從而抑制GSK3β 介導的磷酸化反應(yīng), 并保持β-catenin 的穩(wěn)定性, 穩(wěn)定的β-catenin 逐漸向細胞核發(fā)生轉(zhuǎn)移, 繼而激活細胞核內(nèi)T 細胞因子(TCF)與淋巴細胞增強因子(LEF), 進而誘導成骨相關(guān)基因的表達。

4.1 β-catenin 在骨科退行性疾病中的作用 Wnt/β-catenin 信號通路的激活可導致軟骨細胞分解代謝加速。在體外培養(yǎng)關(guān)節(jié)軟骨細胞, 同時激活Wnt/β-catenin 信號通路的研究中發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)軟骨ECM 分解明顯增加［25］。研究表明, 當Wnt/β-catenin 信號通路激活, 軟骨代謝呈現(xiàn)負平衡, 關(guān)節(jié)軟骨退變加速, 同時軟骨下骨成骨增加, 繼而促使軟骨下骨發(fā)生硬化［26］。在β-catenin 高表達的小鼠OA 模型中也同樣可以見到軟骨退變加速, 軟骨下骨的骨密度增加的現(xiàn)象［27］。

Wnt/β-catenin 信號通路可調(diào)控OA 的疾病進展。研究顯示, 當Wnt/β-catenin 信號通路激活, 在OA 患者的關(guān)節(jié)軟骨細胞中β-catenin 的表達顯著上調(diào), 其誘導基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)和蛋白聚糖酶(aggrecanases)的表達活性增高, 進而引起關(guān)節(jié)軟骨ECM 的破壞［28］。同樣, 有研究表明, 關(guān)節(jié)軟骨細胞中β-catenin 的積累增加與關(guān)節(jié)軟骨ECM 中蛋白聚糖和Ⅱ型膠原的表達減少有關(guān)［29］。Tian 等［30］研究發(fā)現(xiàn), 在OA 患者的關(guān)節(jié)軟骨中β-catenin 的表達量與退變程度呈正相關(guān), 因而認為β-catenin 表達水平增高可能是OA 骨過度形成和軟骨退變的共同致病機制。因此, 抑制Wnt/β-catenin 信號通路的活性有望改善軟骨代謝功能, 延緩關(guān)節(jié)軟骨退變進程。

Wnt/β-catenin 信號通路激活可抑制椎間盤內(nèi)NP細胞增殖, 并誘導NP 細胞衰老［31］。Hiyama 等［32］研究表明, NP 細胞內(nèi)β-catenin 的積累增加與椎間盤衰老有關(guān), 當延長Wnt/β-catenin 信號通路激活時間可顯著誘導細胞凋亡增加, 從而降低NP 細胞的存活率。近年來, 有研究發(fā)現(xiàn)［33］, 通過抑制Wnt/β-catenin 信號通路的激活可抑制NP 細胞凋亡及椎間盤ECM 降解,以此改善椎間盤功能。

β-catenin 的表達可促進IDD 發(fā)展。研究顯示,當Wnt/β-catenin 信號通路激活, β-catenin 的mRNA及蛋白在椎間盤中表達明顯升高［34］。姜海娜［35］研究表明, β-catenin 的表達量與IDD 的程度呈正相關(guān)。因而認為, 在Wnt/β-catenin 信號通路中椎間盤內(nèi)β-catenin 的累積, 可誘導IDD。近年來, 尹東飛［36］研究發(fā)現(xiàn), 在壓力低氧環(huán)境中, 抑制Wnt/β-catenin信號通路的激活可促進椎間盤ECM 合成, 同時伴隨纖維環(huán)細胞活性增加及纖維環(huán)向成骨分化, 進而加固纖維環(huán)結(jié)構(gòu), 限制NP 進一步突出。因此, 通過抑制β-catenin 的表達活性, 有望改善IDD 的進展。

4.2 Runx2、β-catenin 協(xié)同參與骨科退行性疾病Runx2 基因作為Wnt/β-catenin 信號通路的下游重要靶基因, 可與β-catenin 協(xié)同參與骨科退行性疾病。研究顯示, Wnt/β-catenin 信號通路可通過介導Runx2基因的表達以此調(diào)節(jié)骨科退行性疾病中的骨代謝［37］。Runx2 基因啟動子序列中含有一個特定的位點, 稱之為TCF 作用元件, 當Wnt/β-catenin 信號通路激活,β-catenin 可通過與該位點進行結(jié)合, 從而啟動并增強Runx2 基因的表達［38］。

有研究表明, 當Wnt/β-catenin 信號通路激活,β-catenin 在關(guān)節(jié)軟骨細胞中的積累增加, 可通過增強Runx2 的表達活性, 進而促進關(guān)節(jié)軟骨細胞肥大和OA的進展［39］。此外, NP 細胞內(nèi)β-catenin 的表達上調(diào)與Runx2 的蛋白表達增加密切相關(guān)。Iwata 等［40］研究發(fā)現(xiàn), 伴隨IDD 的進展, 軟骨營養(yǎng)不良犬的NP 細胞中Runx2 和β-catenin 表達明顯升高。該研究闡明, 當Wnt/β-catenin 信號通路激活, β-catenin 表達升高可促使Runx2 顯著表達, 繼而協(xié)同參與IDD。

5 展望

Runx2 可通過誘導軟骨細胞肥大, 參與OA 及LDH 等骨科退行性疾病的發(fā)病。當Wnt/β-catenin 信號通路激活, 在椎間盤和關(guān)節(jié)軟骨細胞中β-catenin 和Runx2 的蛋白表達水平升高。β-catenin 可通過增強Runx2 的表達活性, 導致ECM 分解代謝增加, 進而加速關(guān)節(jié)軟骨退變及IDD。因此, 通過抑制Wnt/β-catenin信號通路的激活, 可以作為治療骨科退行性疾病的新思路和新方法。而單一或雙重阻斷β-catenin、Runx2的表達活性, 有望成為治療OA 和LDH 的重要分子靶點, 在未來的臨床應(yīng)用和治療中還有待進一步研究。