运动对软骨代谢影响的研究进展

吴伟 焦俊玥 李慧 张玲莉*

1. 上海体育学院，上海 200438 2. 浙江中医药大学第三临床医学院，浙江 杭州 310053

骨关节炎是当今难治疾病之一，当关节软骨出现损伤时，不同的信号通路通过接收关节内的炎性刺激及应激等，导致软骨细胞凋亡，破坏关节软骨[1-3]。本文对关节软骨细胞的Notch信号通路、Wnt信号通路及MAPK信号通路3条经典通路进行阐述，分析其对关节软骨细胞分化不同时期的不同作用机制，且当出现软骨损伤时3条通路对软骨细胞代谢的作用。同时，总结运动作为一种非药物治疗方法，对受损关节软骨细胞的作用，为骨关节炎中软骨损伤治疗提供一定的理论参考。

1 Notch信号通路

Notch信号通路是骨代谢中的一条经典通路，对骨的发育及骨细胞的活性很重要，具有调节成骨细胞和破骨细胞分化的功能[4]。近几年，有学者发现Notch信号通路对软骨形成也具有重要作用，Notch信号通路能调节软骨细胞在不同时期的分化，包括软骨细胞诱导分化期、分化期及终末分化期[5]。

Notch信号通路有4个受体(Notch 1、2、3、4)和5个配体(Delta-like 1、3、4及Jagged 1、2)。当这些受体跟配体结合后，Notch基因编码完成才可以激活Notch信号通路[6]。

软骨细胞来源于骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)，Notch信号通路在BMSCs分化为软骨细胞的过程中起到关键作用[7]。在BMSCs分化时，通过Notch信号通路上调SOX-9(SRY-related high mobility group-box gene 9)的表达可以促进软骨细胞的发育，SOX-9是调节软骨细胞发育的重要因子，能促进胶原蛋白Ⅱ、Ⅸ和蛋白聚糖等的表达[8]。但当过表达Notch 1时，SOX-9和蛋白聚糖的表达则随之降低[9]。此外，在BMSCs分化中，Jagged 1配体表达增加，软骨细胞重要基因HES(hairy and enhancer of split)1、5通过Notch信号通路表达增强[10]。说明在BMSCs向软骨细胞分化中，Jagged 1配体是关键催化剂，可以促进早期软骨细胞的分化。在早期骨关节炎动物实验中，同样可发现Jagged 1配体表达的增强[11]。

在软骨细胞分化、软骨形成过程中，HES 1、5仍有着重要作用[12]。HES 1表达水平可代表Notch 1的信号强度，HES 5有显著促进软骨细胞增殖的作用。早期软骨细胞分化、软骨形成过程中，HES 1、5通过Notch信号通路表达迅速增强，快速促进软骨细胞成熟及增殖。当达到某一介点时，HES 1、HEY 1(Notch信号通路重要靶基因)与SOX-9被激活且在相应的识别位点的序列结合，抑制软骨胶原蛋白Ⅱ形成，从而负向调节软骨细胞成熟及增殖[13]。

软骨细胞终末分化时，即使诱导Jagged 1表达增强，软骨的形成仍受到抑制。且如果抑制Notch信号通路，亦可使软骨细胞增殖和肥大，说明此阶段Notch信号通路以负向调节为主。其机制可能与HEY 1表达量增加有关[14]。

2 Wnt信号通路

Wnt信号通路是一条高度保守的信号通路，主要分为经典Wnt/β-catenin信号通路及非经典信号通路[15]。研究发现，Wnt/β-catenin信号通路对早期软骨细胞分化、增殖及软骨生成起到重要作用[16-17]。动物实验发现，2周龄大鼠软骨细胞Wnt/β-catenin信号通路处于激活状态时，可促进软骨细胞分化及增殖。当8周龄时，同样激活Wnt/β-catenin信号通路则增加了软骨细胞的凋亡，伴有基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)高表达[18]。在成年小鼠软骨细胞中，Wnt/β-catenin信号通路被激活可导致类似骨关节炎的早期表型[19]。

Wnt信号通路中，Wnt蛋白、β-catenin、Frz及Gsk3蛋白有着重要作用，它们的表达量对软骨细胞分化增殖具有调节作用[20]。Wnt5a和Wnt5b可调节软骨细胞的分化增殖，此外诱导Wnt-4、Frizzled-2、β-catenin的高表达，可激活Wnt/β-catenin信号通路促进软骨细胞分化增殖[21-22]。

骨形成蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)和MMP-13是Wnt/β-catenin信号通路2个重要的下游基因，BMP是转化生长因子β(transforming growth factor β，TGF-β)的家族成员，功能广泛，可促进BMSCs向软骨细胞分化[23-24]。MMP-13是MMP中一种胶原酶，可直接降解关节软骨中的Ⅱ型胶原(软骨破坏的限速酶，在软骨基质中含量最高)[25-26]。研究发现BMP-2表达可促进β-catenin表达，同时抑制糖原合成酶激酶3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β)的表达，从而促进软骨细胞的分化增殖[27]。而在骨关节炎(osteoarthritis，OA)软骨中发现β-catenin和环氧合酶2(cyclooxygenase，COX-2)大量表达，从而引发MMP-13高表达，最终导致软骨流失[28]。笔者认为在软骨生长早期，关节软骨细胞通过Wnt/β-catenin、BMP信号通路得以大量分化增殖，促进软骨形成。当达到一定饱和后，在软骨细胞中，β-catenin处于一个较低水平或者休眠状态。若软骨表面出现损伤可激活β-catenin持续表达，持续的β-catenin高表达则引起了MMP-13表达，造成软骨丢失。高宁阳等[29]研究发现，特异性调高Wnt/β-catenin信号通路，上调BMP-2、MMP-13引起了关节软骨表面的骨赘生成及软骨破坏。说明当软骨损伤时，Wnt/β-catenin信号通路对软骨代谢的影响可能会逐渐转向对骨代谢的影响。

3 MAPK信号通路

MAPK信号通路可以接受不同细胞外刺激而激活，并且具有十分重要的作用[30]。MAPK在关节软骨损伤时是最为重要的信号通路。当关节软骨受损时，相关炎性因子如白细胞介素1(interleukin，IL-1)、肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor，TNF-α)激活MAPK信号通路，促进MMP表达，从而抑制软骨细胞分化增殖、破坏软骨生成，亦可促使软骨细胞的肥大钙化[31-32]。

MAPK信号通路主要包括p38MAPK信号通路、JNK信号通路及ERK信号通路。

p38MAPK信号通路主要参与软骨细胞炎症反应及细胞凋亡过程，p38蛋白激酶在OA软骨破坏中处于枢纽地位，尤其在OA退化过程中有重要作用[33]。IL-1和TNF-α等炎性因子可以激活软骨细胞中的p38MAPK信号通路，促进MMP-13高表达，降解软骨中的Ⅱ型胶原，破坏关节软骨[34]。p38MAPK信号通路还是NO诱导软骨细胞凋亡的上游通路，OA过程中，滑膜细胞和软骨细胞会共同生成大量NO，促进MMP表达，从而抑制软骨蛋白多糖的合成，降解软骨胶原。此外，p38MAPK信号通路激活可促进COX-2表达，触发疼痛，并使关节软骨内环境产生恶性循环。在关节软骨受损时，由于关节内炎症反应、水肿、胀痛等因素都会激活p38MAPK信号通路，促进一系列软骨细胞凋亡、降解的酶高表达，最终破坏关节软骨[35]。

JNK信号通路主要在关节软骨损伤后应激反应和软骨细胞凋亡中起重要作用[36]，传导通路大致分为：损伤应激→生发中心激酶(germinall center kinase，GCK)→分裂酶原蛋白激酶(MAP kinase kinase kinase，MEKK)→JNK→软骨细胞凋亡[37]。与p38MAPK信号通路相似，JNK信号通路在IL-1和TNF-α等炎性因子表达时也可被激活，促进COX-2和MMP-13高表达，导致软骨细胞降解凋亡，并引发疼痛[38]。JNK信号通路调控NO合酶(i-NOS)表达来增强NO表达，促进MMP-13表达[39]。但在应激情况下，短时间内NO表达增加可促进氧自由基(reactive oxygen species，ROS)的消除，从而在一定程度上缓解了应激状态[40]。JNK信号通路和p38MAPK信号通路共同参与了软骨细胞的凋亡，阻断两条通路可以抑制软骨细胞凋亡。此外，JNK信号通路可抑制SOX-9表达，影响软骨细胞发育[41]。JNK信号通路在软骨损伤后应激反应中起着重要作用，与NO关系密切，其接受应力刺激的活性要比p38MAPK信号通路更强，反应更迅速。

ERK信号通路对软骨细胞具有双向调节的作用[42]。一方面，在正常软骨细胞中，ERK是一个存活信号，它可以调节Ⅱ型胶原、软骨蛋白等表达，维持软骨细胞分化增殖[43]。此时，ERK的表达处于一个稳定的水平。另一方面，当软骨受损时，炎性因子如IL-1β和TNF-α等则进一步激活ERK信号通路，使MMP-13、COX-2等表达增加，最终造成软骨细胞凋亡或肥大钙化[44]。有研究者提出，损伤关节软骨处于应激状态时，通过激活MAPK信号通路，同时引起炎性因子(IL、TNF-α)和生长因子(TGF-β、IGF)的表达，进而形成正反馈，使软骨细胞能够继续合成分化或者凋亡分解[45]。笔者认为，造成这一结果的原因可能是因为在短时间内，抗氧化剂可以消除一定ROS缓解应激状态。其次，很可能和ERK的表达量有关，ERK在一定范围内是有利于软骨细胞的合成分化的。当超出其临界点时，ERK信号通路对软骨细胞具有负向调节作用。Notch、Wnt及MAPK信号通路对软骨细胞的作用见表1。

表1 Notch、Wnt及MAPK信号通路在软骨细胞分化不同时期和炎性因子、应激状态下的作用

4 运动对软骨细胞代谢的影响

4.1 运动对受损软骨细胞代谢的影响

从软骨细胞早期诱导分化到分化终末期，及关节软骨受损后，Notch信号通路、Wnt信号通路及MAPK信号通路都起到重要作用。特别是在软骨受损后，由于关节腔内的炎性因子及水肿、压力等应激因素，对3条信号通路产生较大影响，不利于软骨修复。因此，当软骨受损时，减缓炎症及应激状态成为软骨修复的重点。运动对炎性因子和应激具有影响，运动强度、持续时间、方式等是关键因素。

炎性因子与应激本身关系密切，炎性因子表达可引起软骨细胞应激，而长时间的应激又诱发炎性因子分泌。应激状态时，大量活性ROS产生，若不能及时清除过剩的ROS，最终将导致软骨细胞损伤[46]。

运动本身也是一种应激，运动时耗氧量增加，为满足机体的需氧量，大量ROS产生，此时抗氧化酶的活性也随之增强，以提高机体耐受氧化应激，清除过剩的ROS。一般来说，中小强度有氧运动能显著提高抗氧化酶超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)和过氧化氢酶(catalase，CAT)，提高机体抗ROS能力。Kaczor等[47]研究发现，长期低强度运动可以增加细胞适应性应答，减缓ROS造成的细胞损伤，抑制细胞凋亡。何晓玲等[48]研究发现，中低强度有氧运动可降低炎性因子IL-1β、TNF-α的表达，而高等强度则会增加其表达。中小强度有氧运动提高机体抗氧化酶活性的效果在运动后48 h最为明显，抗氧化酶的活性与有氧运动的强度及持续时间有关，其强度越大或者持续时间越长，抗氧化酶活性增高越明显[49]。此外，Muyesaier等[50]研究发现，持续被动运动可降低大白兔骨关节炎模型组关节液中IL-1和TNF-α的水平，其机制可能与ERK信号通路的激活有关。

笔者认为，在关节软骨受损时，Notch信号通路、Wnt信号通路及MAPK信号通路处于高度激活状态。而适宜的运动通过减缓炎性因子(如IL-1β、TNF-α等)及软骨细胞应激(ROS的清除)而抑制了3条信号通路的高度激活，使3条信号通路逐渐趋于稳定状态，因为运动本身对3条信号通路具有一定激活作用。中低强度有氧运动可作为受损软骨干预的较好方式，当炎性因子和应激状态处于较高水平时，持续被动运动可作为首选。

4.2 运动对早期诱导分化期软骨细胞代谢的影响

关节内软骨细胞处于终末期时，Notch信号通路、Wnt信号通路及MAPK信号通路都起到抑制软骨细胞合成，使其处于稳定水平作用。当此时关节软骨受损时，由于炎性因子及软骨细胞应激激活了相关信号通路，加速了软骨细胞凋亡。通过适宜的运动可以减缓炎性因子表达，改善应激状态，但很难或者无法将被破坏的软骨组织得以修复。原因有：(1)3条信号通路对于分化后期的软骨细胞多是具有抑制作用。(2)关节软骨组织结构特殊，既无血管、神经组织，又没有淋巴管，代谢及修复能力极差。早期关节软骨可由软骨下骨通路获得部分营养，成年关节软骨无此营养通路。因此，想要使被破坏的软骨组织得以修复，在关节软骨内无炎性因子及软骨细胞应激时，将早期诱导分化期的软骨细胞移植入关节内，可能将被破坏的软骨组织得以修复。Notch信号通路、Wnt/β-catenin信号通路及ERK信号通路对早期诱导分化期的软骨细胞都具有促进合成分化的作用。

在此阶段，不同的运动方式对于Notch信号通路、Wnt信号通路及MAPK都具一定激活作用。但此过程中需避免过度训练，过度训练会再次造成关节软骨的炎性反应和应激导致的ROS过剩。李军勇等[51]研究中将正常关节软骨大鼠进行上下午跑台训练，每次时间为30 min，共60 min，每周5 d，共6周。结果发现，从第4周开始，引起了大鼠正常关节软骨细胞的凋亡。其原因主要由于过度训练导致大鼠关节内的炎症反应及ROS过剩。因此，虽在关节软骨分化前期不同的运动通过3条信号通路都具正向调节作用，但此时若是因为运动强度过大、运动持续时间过长等因素导致的关节内炎症反应和ROS过剩时，还是会造成关节软骨细胞的凋亡。因此，对受损软骨的运动处方(建议)是：强度：中低强度有氧运动；持续时间：30～60 min；频率：每周至少3次；方式：周期性运动(受损严重者考采用被动运动)。对软骨细胞移植(诱导分化期)的运动处方(建议)是：不同运动，如有氧耐力、力量训练等。注意避免过度训练，运动强度过大、持续时间过长、疲劳累积等。

关节软骨受损时，运动的主要目的是消除关节内的炎症及过度应激，当关节内炎症及过度应激消除后，为修复被破坏的软骨细胞，可考虑软骨细胞移植(诱导分化期软骨细胞)，此时不同的运动皆可，但需避免过度训练。

5 小结

Notch信号通路、Wnt信号通路及MAPK信号通路在关节软骨细胞代谢过程中起着双向调节作用，Notch和Wnt信号通路对软骨细胞代谢的作用相似，在软骨细胞分化前期具有促进作用，后期具有抑制作用。而MAPK信号通路主要在关节软骨受损时起到负向调节，可造成软骨细胞凋亡，软骨破损，其中炎性因子(IL-1β、TNF-α等)和过剩ROS是激活MAPK信号通路的主要诱因。在MAPK信号通路中，ERK信号通路对软骨细胞代谢具有双向调节作用，在正常软骨细胞中，ERK维持着稳定水平，确保Ⅱ型胶原、软骨蛋白等表达，当关节内有炎症和过度应激时，ERK信号通路会被激活，对软骨细胞产生负向调节。

针对以上软骨细胞代谢的特点，当软骨受损时，可以采用中低强度的有氧运动以消除过多的炎性因子和ROS，使相关信号通路趋于平稳状态。为了彻底修复受损的软骨，可考虑关节内移植诱导分化期的软骨细胞，此时不同运动都具有一定促进作用，但需注意避免过度训练。