骨关节炎软骨细胞凋亡主要调控因子的研究新进展

张丽梅　李高权　姚新苗　徐守宇★

骨关节炎软骨细胞凋亡主要调控因子的研究新进展

张丽梅李高权姚新苗徐守宇★

骨性关节炎（osteoarthritis，OA）是一种以关节软骨退行性变和继发性骨质增生为主要病理特征的慢性骨关节疾病，临床上以缓慢性关节疼痛、僵硬、肿胀伴关节功能障碍为主要表现。细胞凋亡是一种由基因控制并依赖三磷酸腺苷（ATP）供能的细胞自主性死亡方式。随着细胞分子生物学的发展，国内外许多学者研究发现软骨细胞凋亡在OA的发生发展中起到关键作用［1～3］。但OA关节软骨中的软骨细胞凋亡机制还未明确，随着越来越多的凋亡相关因子的发现，软骨细胞凋亡的机制似乎更复杂。本文就近年来骨关节炎关节软骨细胞凋亡的主要调控因子的研究进展作一综述。

1　细胞凋亡的主要调控因子

1.1Bcl-2家族 在细胞凋亡过程中，Bcl-2家族成员起着至关重要的作用。目前确立的由Bcl-2基因家族编码的蛋白质是细胞凋亡途径中的主要调控元件。Bcl-2家族可分为两大类：一类是抑制细胞凋亡（死亡阻遏）基因，以Bcl-2最为重要；另一类是凋亡促进（死亡诱导）基因，以Bax最为重要。尤笑迎等［4］通过实验发现，软骨细胞凋亡参与了OA发病过程，而Bcl-2表达的增多则可能是OA过程中机体自身的一种保护机制，这一发现与Lin等［5］研究结果一致。欧阳侃等［6］通过实验研究发现，在软骨细胞中，Bax的表达阳性率实验组高于对照组，实验组软骨细胞凋亡程度与Bax的表达呈正相关，从而得出结论认为Bax基因与OA的发生发展有着密切的联系，这一现象与刘瑞芬等［7］的研究结果一致。由此可知，Bcl-2在OA发病过程中起到了重要调节作用，机体对凋亡的调控主要是通过上调Bcl-2的表达，从而保护软骨细胞免遭凋亡。软骨细胞凋亡程度与Bcl-2的表达成负相关，与Bax的表达呈正相关，这种关系是否有其他因素影响和参与，仍需进一步的研究。

1.2P53基因 P53，肿瘤抑制基因，是生物体内一种抑制细胞转变为癌细胞的基因，与细胞凋亡亦有关联［8］，它也是一种转录调节因子，在细胞凋亡的启动中发挥了重要作用，而且在OA的软骨细胞凋亡过程中，由p53介导的细胞凋亡占主导地位。正常情况下，细胞中p53蛋白的含量很低。P53主要通过调节Bax来发挥其诱导凋亡的作用，通过上调Bax的表达水平，以及下调Bcl-2的表达共同完成促进细胞凋亡作用，还可通过死亡信号受体蛋白途径诱导凋亡［9］。张铁峰等［10］通过研究证实了，在OA中，p53蛋白表达上调，而且与OA病程密切相关。P53表达增加，导致凋亡和抗凋亡平衡的失调，可能是OA的发病机制之一。在OA发病过程中，软骨细胞凋亡虽然有p53的参与，但其精确的机制还有待进一步阐明。

1.3Caspase 在凋亡过程中起主要作用的蛋白酶称为含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶（caspase），caspase通过对靶蛋白的水解，导致细胞凋亡的发生［11］。细胞凋亡的核心事件是蛋白质水解和线粒体失活。目前已证实caspase-3是细胞凋亡过程中的主要效应因子［12］，在各种刺激因素的作用下它都被证明是凋亡的关键执行者。Caspase-3的激活和表达对软骨细胞的凋亡过程起到一定的作用，它可以激活DNA降解酶，降解DNA成为特异性片段，从而导致软骨细胞凋亡的发生［13～15］。郭华等［16］通过实验发现，在兔OA模型软骨中，细胞凋亡指数caspase-3和Caspase-8的表达水平较高。吴志新等［17］亦通过实验发现，体外培养的软骨细胞通过凋亡诱导，观察到凋亡发生时，Caspase-3基因和蛋白表达均显著上升。增加的caspase-8的表达亦与减少人和动物的OA软骨细胞密度有关［18］。

1.4NO 一氧化氮（NO）是活泼的自由基分子，作为关节损伤和抑制基质合成的介质，参与OA关节软骨细胞和基质的代谢过程，在OA发病中的作用日益受到重视研究证实。患OA时，可在软骨和关节液中检测到大量释放的NO。目前认为NO与OA软骨细胞凋亡有着重要的关系［19］。周建林等［20］通过研究NO对体外培养大鼠软骨细胞Caspase-3表达的影响，得出NO诱导的软骨细胞凋亡可能与通过促进Caspase-3表达有关。实验研究发现［21］，抑制NO的合成可延缓关节软骨的退变，这也间接证实了NO可以诱导OA软骨的细胞凋亡。由此可知，NO可诱导软骨细胞凋亡，抑制蛋白多糖及胶原蛋白的合成而促进其分解。由于蛋白多糖和胶原蛋白的减少和缺乏，使软骨弹性降低，缺乏对抗正常活动的应力而易致磨损破裂，从而诱发炎性反应，加剧关节软骨细胞的破坏。

2　细胞凋亡其他相关因子

2.1转化生长因子-β1 转化生长因子-β1（TGF-β1）是具有多种生理功能的多肽细胞因子，一方面能促进软骨细胞合成代谢，刺激蛋白多糖和DNA合成，增加软骨基质合成，另一方面又可抑制多种炎性介质的生物学活性。邢建民等［22］采用新西兰白兔膝关节OA模型进行实验研究，发现注射TGF-β1可有效地抑制软骨细胞凋亡，从而阻止OA的进一步发展。故认为TGF-β1具有抑制软骨细胞凋亡的作用。TGF-β1主要通过自分泌或旁分泌等形式调节软骨细胞的增殖、分化及基质金属蛋白酶抑制因子基因的表达，在软骨代谢中产生促成效应。

2.2热休克蛋白70 热休克蛋白70（HSP70），是一组在进化上高度保守的蛋白质，应激时细胞合成增加，在细胞内发挥作用，启动内源性保护机制，属于非分泌性蛋白质［23］。在正常情况下，它在细胞内呈基础表达，表达水平较低；而在OA等损伤时，它的合成速度显著增加，以提高生物体的抗应激能力。同时，OA发病过程中的各种相关刺激因素本身也可诱发内源性HSP70。有研究发现，在OA发病过程中，HSP70抑制了caspase-3的凋亡作用，阻止软骨细胞发生凋亡，进而起到了保护细胞的作用［24］。

2.3p38丝裂原活化蛋白激酶 p38丝裂原活化蛋白激酶（p38MAPK），是一种具有丝氨酸和酪氨酸双重磷酸化能力的蛋白激酶，其信号转导途径是细胞外信号引起细胞内反应的通道之一，可被多种刺激因子激活，参与细胞的形成、生长、分化、凋亡等多种生理过程。目前有研究发现［25］，在炎症反应、细胞的生长分化过程中具有重要作用的p38MAPK信号通路，在OA的发病过程中也扮演着重要的角色。P38信号通路与软骨细胞凋亡、软骨基质金属蛋白酶的合成、炎性细胞因子产生等有密切关系。秦泗通等［26］通过向关节腔内注射p38MAPK抑制剂，发现能有效抑制软骨细胞凋亡，间接证实了p38MAPK能促进细胞凋亡的发生。

2.4白细胞介素-1β 白细胞介素-1β（IL-1β），是一种炎症介质，在整个致炎以及软骨细胞凋亡过程中处于关键地位，是OA病因之一［27］。诸多的在体和离体实验均显示，OA患者的软骨中有较高水平的IL-1β存在。IL-1β主要是由活化的单核吞噬细胞产生，正常软骨细胞也能够产生微量的IL-1β，但仅存在于表层软骨的个别细胞中，而损伤的软骨细胞能合成和分泌大量的IL-1β，并诱导软骨细胞膜上白介素1受体的高表达［28］。高水平的IL-1β与软骨细胞膜上的受体结合，通过信息传递系统将病变的信息输送到细胞内，从而干扰了软骨细胞的正常代谢活动，如促进软骨细胞凋亡发生等，对OA的发生和发展起着至关重要的作用。IL-1β对OA的发病进程起推动作用，它能刺激软骨细胞分泌基质金属蛋白酶，加速软骨基质中蛋白多糖及胶原蛋白的降解，并抑制蛋白多糖和胶原蛋白的合成，从而促进软骨细胞凋亡的发生，参与病变软骨的破坏。

3　小结与展望

目前临床上治疗OA的方法众多，但缺少特别有效的方法。只有深入研究并阐明OA发病的机制，才能指导临床治疗以及新药的研发。而软骨细胞凋亡的研究为此提供了一个良好的思路和途径。

影响细胞存活的主要因素包括Bcl-2和Bax（以及它们的同系物）的表达，细胞色素C，caspase，p53以及细胞外信号调节蛋白激酶等。细胞凋亡的第一阶段（即决策阶段）是细胞凋亡的基因控制点，之后的第二阶段（即执行阶段）是负责细胞凋亡的形态学变化。决策阶段似乎由Bcl-2和p53两个基团介导的，而执行阶段则是由caspase的激活所致。在OA中，干预细胞凋亡过程，可以为治疗及干预措施提供一个潜在的靶点，其中一个干预就是抑制caspase，它是凋亡级联反应中最终执行阶段的主要参与者。目前，caspase抑制剂的研发已成为最关注的焦点。其它一些影响凋亡的刺激物，也是阻止软骨细胞凋亡的潜在靶点，如IL-1β转化酶抑制蛋白、NO合成酶抑制剂等，应当成为今后研究的重点。

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浙江省医药卫生科技计划项目（2011KYA116，2012K YA137）；国家中医药管理局重点学科建设经费资助项目［国中医药人教发（2012）32号］

310005浙江中医药大学附属第三医院康复医学科