信号通路在骨关节炎发病机制中的研究进展▲

2019-03-18蔡伟松李皓桓

广西医学 2019年6期

蔡伟松李皓桓

(武汉大学人民医院骨外科，湖北省武汉市 430060，电子邮箱：caiweisong@whu.edu.cn)

【提要】骨关节炎是一种多因素引起的慢性退行性骨关节疾病，表现为关节软骨破坏、骨赘形成、滑膜炎症和关节腔隙变窄。越来越多的研究表明，信号通路在骨关节炎的发生、发展过程中起重要作用。本文就相关信号通路在骨关节炎发病机制中的研究进展做一综述。

骨关节炎是发病率较高的慢性疾病之一，其以关节肿痛畸形、活动障碍为主要临床表现，严重者可导致残疾。有研究显示，由骨关节炎引起的残疾风险在男、女性中分别约为40%和47%，在肥胖人群中比例更高[1]。骨关节炎的病因包括关节损伤、生物力学异常、肥胖、衰老和遗传等，但骨关节炎的发病机制目前尚未完全清楚，关节软骨细胞破坏、细胞外基质(extracellular matrix，ECM)降解和合成障碍以及关节周围软组织退变是该病发生的重要因素。大量研究表明信号通路与骨关节炎的发病机制密切相关，相关信号通路包括丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)、Wnt、核因子κB(nuclear factor κB，NF-κB)、Notch、转化生长因子β(transforming growth factor β，TGF-β)/骨形成蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)等。本文就相关信号通路在骨关节炎发病机制中的研究进行综述，以期为骨关节炎的研究及诊治提供理论依据。

1 MAPK信号通路

MAPK是由丝氨酸/苏氨酸激酶组成的促分裂原活化蛋白激酶信号通路，可以通过细胞外刺激(如细胞应激、黏附)、神经递质和细胞因子等激活。软骨降解在骨关节炎的发病中起着重要作用。软骨细胞中MAPK信号通路的异常激活可促进炎症反应，导致软骨基质降解酶的释放，从而加速软骨退化。MAPK信号通路是软骨降解的主要途径，其涉及软骨细胞的增殖、凋亡、分化以及与炎性因子直接或间接相关的炎症反应，包括细胞内信号通路的机械应激刺激、传递转录因子信号及调节软骨退化的病理过程[1]。MAPK信号通路作为多信号转导通路的中心点，由三级信号级联通路组成，包括细胞外调节蛋白激酶(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四个成员组成，其在骨关节炎软骨破坏中起枢纽作用。细胞因子、炎性因子、机械应力等因素均可以激活p38-MAPK信号通路，而p38-MAPK信号通路的激活与细胞凋亡、肥大、钙化、炎症等多种生物学效应密切相关。p38-MAPK在诱导基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)13的表达中起着关键作用，而MMP13的表达可导致Ⅱ型胶原的降解，从而促进软骨损伤[3-4]。白细胞介素(interleukin，IL)-1β是骨关节炎首要的致病因子之一，其可通过刺激产生磷酸化的p38-MAPK来合成大量NO，进而激活p38-MAPK信号通路并促进软骨细胞产生IL-1转化酶和IL-1β，增加前列腺素E2(prostaglandin E2，PGE2)及环氧化酶-2(cyclooxygenase-2，COX-2)的水平，引起软骨损伤。肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor α，TNF-α)可介导多种炎症过程，可以与p38-MAPK形成正反馈环路，p38-MAPK的活化可促进TNF-α的表达，过度表达的TNF-α可诱导软骨细胞凋亡[5]。Sun等[6]发现p38-MAPK信号传导抑制剂SB203580可以抑制人骨关节炎软骨细胞的凋亡和促炎细胞因子的表达。

ERK在骨关节炎软骨细胞分化和增殖中发挥着重要介导作用。Boileau等[7]在狗骨关节炎模型实验中发现，PD980959(一种ERK通路抑制剂)可通过Ras独立机制抑制ERK1/2的激活，从而减少MMP的产生，进而起到保护关节软骨的作用。Prasadam等[8]研究发现，在体外培养的软骨细胞中，联合使用丝裂原活化蛋白激酶-细胞外信号调节激酶抑制剂(U0126)和透明质酸，可明显降低ERK的磷酸化水平，减少软骨细胞退行性标志物(MMP-13、血小板结合蛋白基序的解聚蛋白样金属蛋白酶5)和肥大标志物(X型胶原、Runt相关转录因子2)产生的数量，减轻软骨细胞退化及肥大化。

JNK是MAPK家族重要成员之一，由JNK1、JNK2和JNK3三种基因编码。JNK信号通路可被炎症细胞因子和应激因子激活。Ismail等[9]研究小鼠关节软骨细胞聚集蛋白聚糖降解时发现，由炎性细胞因子IL-1诱导的降解主要由解聚蛋白样金属蛋白酶5介导，并且显著依赖于细胞内信号分子JNK-2的活化。

2 Wnt信号通路

Wnt信号通路包括经典的Wnt/β-连环蛋白(β-catenin)信号通路以及三条非经典信号通路(平面极细胞信号通路、Wnt/Ca2+信号通路、调节纺锤体定向和不对称细胞分裂信号通路)。研究表明，Wnt信号通路在胚胎骨骼形成、组织修复、纤维化和关节稳态中起着重要作用，与细胞增殖、迁移和分化密切相关[10]。Wnt通路中的关键分子包括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信号通路的核心成分，是上游分子发挥功能的前提条件。Wnt/β-catenin信号通路由Wnt配体与卷曲受体和共受体低密度脂蛋白受体相关蛋白(low-density lipoprotein receptor-related protein，LRP)5/6结合而触发，然后GSK-3β磷酸化LRP5/6，引起LRP5/6募集Axin复合物并导致β-catenin降解减少，从而使细胞质β-catenin转移至细胞核激活靶基因，参与细胞增殖。研究发现[11]，用补骨脂素处理的软骨细胞中Wnt-4、卷曲配体-2、β-catenin和G1/S-特异性周期蛋白D1的基因表达和蛋白水平显著上调，GSK-3β表达下降，表明通过激活Wnt/β-catenin信号通路可促进软骨细胞增殖。但在另一项研究中，抑制Wnt信号通路可通过促进对软骨细胞的抗代谢作用和滑膜成纤维细胞的抗纤维化作用而降低创伤性骨关节炎模型中疾病的严重程度[12]。Blom等[13]研究发现在自发性骨关节炎小鼠和胶原酶诱导的骨关节炎小鼠中，Wnt和Wnt相关基因的表达水平在关节软骨和滑膜中均发生改变；在这些基因中，Wnt1-诱导信号通路蛋白1(Wnt1-inducible signaling pathway protein 1，WISP1)的表达显著增加。WISP1可调节软骨细胞和巨噬细胞中MMP和软骨聚集蛋白聚糖酶的表达，并可诱导关节软骨退化[13-14]。Shi等[15]通过慢病毒载体(LV-Wnt5a-RNAi)递送Wnt-5a的小干扰RNA可以阻止骨关节炎软骨细胞中Ⅱ型胶原的降解。Gibson等[16]研究发现，Wnt-7a可抑制IL-1β诱导的MMP和诱导型一氧化氮合酶基因表达；Wnt-7a是一种在骨骼发育中起关键作用的蛋白质，可以减弱骨关节炎小鼠模型中MMP活性并促进关节软骨完整性。

3 NF-κB信号通路

NF-κB是一类构成转录因子家族的蛋白分子，由促炎细胞因子、趋化因子、应激相关因子和ECM降解产物刺激激活。NF-κB分子广泛参与免疫、压力反应、炎性疾病、细胞增殖和细胞死亡。哺乳动物NF-κB亚家族包含4种蛋白质：RelA或p65，RelB，c-Rel，NF-κB1或p50。在未受刺激的条件下，NF-κB二聚体在细胞质中与IκB分子结合以无活性的形式存在。当受到刺激时，IκB将被IκB激酶(IκB kinase，IKK)磷酸化，并通过泛素-蛋白酶体系统进行降解，使NF-κB异二聚体转位进入细胞核而触发诱导与关节破坏相关基因的表达，导致骨关节炎的发生与发展[17]。NF-κB信号通路是骨关节炎软骨降解进程中的关键分子途径，其通过促进MMP-1、MMP-2、MMP-3等多种降解酶的分泌及促进COX-2、NO、一氧化氮合酶等分解代谢因子的合成，从而加剧骨关节炎软骨细胞的凋亡和软骨的炎症反应[18]。Dai等[19]研究发现，锦葵花色素通过抑制大鼠骨关节炎模型中的NF-κB信号通路降低IL-1β、IL-6、TNF-α和MMP的表达，从而减弱骨关节炎诱导的疼痛和炎症。Tang等[20]也发现调节NF-κB信号通路可以降低IL-1β诱导的ECM代谢失衡、促炎细胞因子产生、细胞活力和细胞凋亡。微小RNA(microRNA，miRNA)是介导骨关节炎的主要危险因素之一，Zhou等[21]通过前十字韧带横切建立骨关节炎大鼠模型，当向骨关节炎大鼠注射miRNA-27慢病毒过表达载体时，IL-6、IL-8、MMP-9和MMP-13的表达水平均下降，说明miRNA-27的上调可通过靶向抑制NF-κB信号通路来抑制骨关节炎的发生。Hu等[22]发现，miRNA-26a/26b和NF-κB信号通路靶向岩藻糖基转移酶4水平的上升可以调节软骨细胞中IL-1β诱导的ECM降解过程，从而减弱骨关节炎小鼠模型的病情进展。

4 Notch信号通路

Notch信号通路能够平衡软骨基质代谢，调控软骨细胞增殖分化，维持软骨细胞表型。Notch信号传导通路的组成包括4个受体(Notch 1-4)、5个配体(Delta-like l，3，4及Jagged1，2)和CSL蛋白。最近的研究表明，Notch信号通路在发育过程中作为软骨ECM分解代谢和合成代谢潜在的分子调节剂，对骨关节炎的发展至关重要[23]。Park等[24]研究发现，Notch信号通路的激活可能促进骨关节炎滑膜细胞和软骨细胞中炎症相关分子的产生。Hosaka等[25]研究发现，Notch/无毛重组结合蛋白抑制因子/多毛增强子-1信号通路在关节炎发展中起着重要的调节作用，过表达Notch胞内结构域(Notch intracellular domain，Notch-ICD)可增加小鼠原代软骨细胞和软骨细胞系MMP13和血管生成因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)的表达，而通过注射Notch信号通路抑制剂则可以减弱上述效应。有研究发现，Notch 1、2受体定位于正常小鼠和人关节软骨的细胞表面，并且在关节软骨细胞高表达，但是在退化的软骨中其在细胞核高表达[26]。

5 TGF-β/BMP信号通路

TGF-β/BMP信号通路在人软骨细胞退变过程中起重要的作用。TGF-β信号通路主要通过结合激活素受体样激酶5、激活Smad2/3磷酸化来发挥生物学效应[27]；BMP信号通路则与细胞表面激活素受体样激酶1结合，通过激活Smad1/5/8发挥作用。研究发现[28]，TGF-β/Smad3信号通路可降低人类软骨细胞中的miRNA-140活性。miRNA-140缺失可导致骨骼发生异常并且加速软骨细胞肥大化[29]。近期研究结果显示，在骨关节炎大鼠模型中通过上调TGF-β1 抑制TGF-β1/Smad信号通路可以防止软骨损伤，改善骨关节炎[30]。Blaney Davidson等[31]研究显示，特异性提高软骨细胞BMP2水平并不能改变骨关节炎模型小鼠软骨损伤的过程，但可导致骨赘形成的严重恶化。