骨关节炎中的氧化应激信号通路研究进展

韩广弢 李皓桓 蔡伟松

[摘要] 骨关节炎是骨科常见的关节疾病，随着人口老龄化加重其患病率也在增加。骨关节炎发病受多因素的影响，包括氧化应激和活性氧的过量产生。这些因素调节细胞内信号传导过程，软骨细胞衰老和细胞凋亡，细胞外基质合成和降解以及滑膜炎症和软骨下骨功能障碍。由于治疗骨关节炎的药物相对较少，本文针对复杂的氧化应激信号通路为治疗骨关节炎提供策略。

[关键词] 骨关节炎;氧化应激;软骨细胞;活性氧;软骨;滑膜;软骨下骨;软组织

[中图分类号] R684          [文献标识码] A          [文章编号] 1673-7210（2020）03（c）-0029-04

[Abstract] Osteoarthritis is a common joint disease in orthopedics， and its prevalence is increasing with the aging of population. The pathogenesis of osteoarthritis is influenced by multiple factors， including oxidative stress and excessive production of reactive oxygen species， which regulate intracellular signal transduction， chondrocyte aging and apoptosis， extracellular matrix synthesis and degradation， synovial inflammation and subchondral bone function. Due to relatively few drugs for osteoarthritis， this paper targeting complex oxidative stress signaling pathways could provides strategies for treating osteoarthritis.

[Key words] Osteoarthritis; Oxidative stress; Chondrocytes; Reactive oxygen species; Cartilage; Synovial membrane; Subchondral bone; Soft tissue

骨關节炎（osteoarthritis，OA）是一种病因不明性疾病。它可以影响不同的关节，是导致普通人残疾的主要原因[1]。其特征是细胞和细胞外基质（ECM）的形态、生化、分子和生物力学的变化，导致关节软骨损失、滑膜炎症、软骨下骨硬化、骨赘和软骨下囊肿的形成。OA是一种多因素、多基因疾病，其发病受多种遗传和环境因素的影响，这些因素与分子通路的激活有关，并最终导致关节损伤。需要进一步了解这些分子通路及其与不同关节组织的相互作用，以开发预防和治疗OA的方法。研究显示，OA的发生与氧化应激和活性氧（reactive oxygen species，ROS）的产生显著相关[2]。本文针对氧化应激信号通路对OA的作用进行研究，并总结该通路潜在的治疗策略。

1 ROS信号通路

1.1 ROS的定义和来源

ROS是含氧分子的自由基，包括羟基（OH-）、过氧化氢（H2O2）、超氧化物阴离子（O2-）、一氧化氮（NO）和次氯酸盐离子（OCl-）。由于这些自由基共价键中未成对电子的存在，导致ROS存在半衰期短、不稳定和高度反应性等缺点。ROS生成的主要位点包括线粒体的氧化磷酸化、非线粒体膜结合的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NADPH）氧化酶和黄嘌呤氧化酶（xanthine oxidase，XO）。NADPH和XO最可能来源于线粒体。据估计，线粒体中2%～3%O2电子传递链是超氧化物阴离子，而不是水[3]。NADPH氧化酶由5个组分组成：3个位于线粒体胞浆，2个位于线粒体内膜。在NADPH氧化酶刺激下，细胞因子转移到细胞膜的内表面形成一种激活态酶复合物，具有NADPH氧化酶活性。非吞噬细胞也经历相同的过程。XO催化亚黄嘌呤氧化成黄嘌呤，生成H2O2[4]。需氧生物已经进化出清除ROS的机制。这种抗氧化系统包括酶类和非酶类抗氧化剂，如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶、谷胱甘肽（L-Glutathione，GSH）、NADPH泛醌氧化还原酶、维生素C、维生素E和类胡萝卜素。它们清除多种形式的ROS，从而维持细胞内氧化还原环境[5]。氧化应激是ROS产生和抗氧化之间的失调，导致细胞损伤和氧化还原信号中止。

自由基是由异种细胞产生的多功能的细胞。NO是l-精氨酸在一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）催化下，经两步法氧化成l-瓜氨酸的产物。神经元和内皮细胞中的亚型，即神经元NOS（neuron NOS，nNOS）和内皮NOS（endothelial NOS，eNOS），以钙调素依赖方式产生少量NO。诱导型一氧化氮合成酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）在低浓度下表达时间较长，在促炎细胞因子激活下产生大量的NO，并通过其氧化毒性发挥宿主防御作用[6]。

1.2 ROS功能

ROS一直被认为是免疫细胞对细菌入侵的杀伤反应的组成部分。在NADPH氧化酶的催化下，吞噬细胞刺激ROS的产生，并产生“呼吸爆发”现象[7]。研究显示，ROS在所有细胞类型中都产生，在正常的信号转导、基因调控和细胞周期中发挥重要的细胞信使作用[8]。ROS诱导的细胞信号传导涉及两种机制：细胞内氧化还原状态的改变和蛋白质的氧化修饰。

ROS诱导的信号传导包括抑制酪氨酸磷酸酶，导致细胞增殖、易位和激活丝氨酸/苏氨酸激酶，如蛋白激酶C和酪氨酸羟化酶mRNA表达，丝裂素活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPKs）的活化，促进核因子NF-κb、p53、激活蛋白-1（activator protein-1，AP-1）和脂质通路的表达[9]。ROS氧化还原信号传导的另一个主要机制是半胱氨酸残基中巯基（-SH）的可逆氧化形成SOH、SO2H或SO3H衍生物[10]。在ROS过量的情况下，SOH可进一步氧化成SO2H和SO3H形式，SO2H和SO3H形式可以还原为SH，也可以不还原为SH。通过半胱氨酸残基形成分子内二硫键参与翻译后蛋白修饰，ROS作为信号通路的间接机制，导致蛋白激酶结构的改变和磷酸酶的可逆失活[11]。由于两个酪氨酸分子通过依赖过氧化氢酶的反应形成活跃的二酪氨酸，一些蛋白质也可以相互作用。H2O2参与过渡金属离子的单电子反应，生成各种中间铁素体，作为一种强大的氧化剂，可导致脂质氧化和DNA损伤。

2 OA软骨中的ROS信号传导

2.1 软骨细胞中ROS的产生

ROS在正常关节软骨细胞中低表达，主要由NADPH氧化酶产生。作为细胞内信号传导机制的参与者，有助于维持软骨稳态，能够调节软骨细胞凋亡，ECM合成和分解以及细胞因子产生。OA软骨比正常软骨具有更多显著的ROS诱导的DNA损伤，并且这种损伤由白细胞介素-1（IL-1）介导[13]。软骨退化中ROS来自脂质过氧化产物，如生物体液中的氧化低密度脂蛋白（oxidized low density lipoprotein，ox-LDL）、亚硝酸盐、硝基酪氨酸和硝化产物。相反，OA患者中的抗氧化酶如SOD、CAT、GPX和PON1减少，提示了氧化应激在OA发病机制中的作用。

2.2 ROS在关节软骨中的作用

软骨细胞占软骨体积的2%～5%，其无血管并且缺乏神经支配。在正常条件下，成人关节软骨细胞呈静止状态，没有有丝分裂活性，并且在低氧环境中生存，具有维持细胞内代谢和ECM组分的稳定作用。尽管传统观点认为软骨细胞生活在厌氧环境中，但关节软骨的浅表和中间区域并非缺氧;氧气扩散到关节软骨中，关节软骨细胞中的线粒体可在体外呼吸，产生ROS。

在病理情况下，例如在OA患者中，滑液中的氧张力由于缺血-再灌注现象，组织代谢的病理加速和关节上持续的异常应变而受到波动。由于部分氧分压变化，机械应激和炎症介质的变化，软骨细胞通过NADPH氧化酶产生异常的ROS。在病理条件下，过量产生的ROS作为第二信使，通过抑制基质合成、细胞迁移和生长因子生物活性而促进软骨降解，并直接降解基质成分，激活MMPs并诱导细胞死亡[15]。

3 滑膜中的ROS信号传导

3.1 滑膜炎症中的ROS信号传导

滑膜中的炎性反应受几种生化因子控制，包括前列腺素类、细胞因子、蛋白酶和由滑膜细胞和软骨细胞产生的ROS。ROS有助于炎症相关的组织降解，但另一方面，在某些情况下，它们具有抗炎作用，这取决于激活的信号通路。NO调节LPS激活的信号通路，而IL-1β激活的转导因子对氧亚硝基（ONOO）更敏感[23]。在滑膜成纤维细胞中，ROS也被证明是通过α5β1引发的信号传导所必需的整合素导致MMP-1的产生增加[24]。高级氧化蛋白产物（AOPPs）是氧化应激的标志物，可上调滑膜中MMP-3和MMP-13的表达。ROS還可以通过抑制促炎介质和白细胞黏附的合成而具有抗炎作用。值得注意的是，在iNOS缺陷小鼠滑膜中滑膜的炎症产生速度加快。

3.2 滑膜细胞凋亡中的ROS信号传导

氧化应激尤其是O2通过线粒体损伤在体外引起滑膜细胞凋亡。同样，NO通过调节线粒体功能，增加p53表达以及控制细胞周期的蛋白质的表述，降低OA滑膜细胞的存活并诱导细胞死亡。然而，只有当DNA损伤超过细胞修复能力时，高NO水平才能诱导滑膜细胞凋亡。此外，NO通过激活caspase-3、MAPK和上调COX-2诱导OA滑膜成纤维细胞凋亡表达，并且NO诱导的细胞凋亡与ONOO-、H2O2和O2-的产生密切相关[25]。

4 软骨下骨中的ROS信号传导

软骨下骨硬化是OA发病机制中的主要问题，并且涉及OA中的疼痛产生。在OA软骨下骨的成骨细胞中，人中性粒细胞弹性蛋白酶通过增加p38、MAPK、氨基末端激酶2（JNK2）和转录因子CREB-1、ATF-2的磷酸化来诱导COX-2表达和PGE2释放，同时伴随着DNA结合的增加，人转录激活因子的表达亦增加。人中性粒细胞弹性蛋白酶通过抑制IκBα的磷酸化及NF-κB的DNA结合活性来降低肿瘤坏死因子-α（TNF-α）诱导的IL-6表达。这些发现显示，ROS诱导的人中性粒细胞弹性蛋白酶可能选择性激活信号转导，对人OA成骨细胞产生多种作用，如成骨细胞表型的表达和促炎介质产生途径的改变[26]。此外，在OA绵羊半月板切除术模型中，用NO供体化合物治疗会增加软骨下骨硬化，这提示NO在OA的疼痛发生过程中起作用[27]。高水平的NO抑制破骨细胞的功能和分化，抑制成骨细胞的生长[28]。这些结果显示，氧化应激可能是OA中软骨下骨变化的重要介质。

5 软组织中的ROS信号传导

软组织如半月板和髌下垫在膝关节OA发病机制中起关键作用。半月板撕裂可导致膝关节OA，而膝关节OA也可导致自发性半月板撕裂。在OA半月板中，iNOS和NO产生增加，并且NO增强凋亡半月板的细胞通过JNK失活抑制自噬[29]。髌下脂肪垫是炎症介质和脂肪因子的新兴来源，有助于膝关节OA进展。众所周知，脂肪功能障碍和代谢综合征涉及炎症通路和ROS信号传导的相互作用。因此，膝关节OA中的氧化应激和髌下脂肪组织之间的联系仍需要进一步研究。

6 總结

研究显示，ROS在关节软骨细胞中以低水平产生并且作为细胞内信号传导机制的整体参与者发挥重要作用。通过调节基因表达，维持软骨稳态。然而，在关节疾病中，过量ROS的产生，会对关节组织有害。我们需要进一步研究以揭示OA产生和发展信号机制，这些机制可能会对OA的治疗起到重要作用。

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（收稿日期：2019-09-25  本文編辑：封   华）