基于Wnt信号通路与骨关节炎的研究进展

蒋总 陈琳英 卢向阳 兰维娅 李宇 蔡鑫 樊梅 唐芳 马武开 周静

(1贵阳中医药大学,贵州 贵阳 550002；2贵阳中医药大学第二附属医院风湿免疫科)

骨关节炎(OA)是一种发病率与年龄呈正相关的慢性渐进性关节退行性病变〔1,2〕，不论种族、性别，临床主要表现虽各有差异，但总离不开关节疼痛、肿胀和活动受限等。OA是一种发病机制尚未明确、发病率逐渐升高的疾病，仍然缺乏有效的药物及物理治疗〔3〕，目前治疗主要以缓解关节疼痛和减少关节致残率为目标，已然成为医疗经济的一大负担。OA的基本病理改变为关节软骨变性、硬化，软骨代偿反应后经骨化形成骨赘、韧带退化和变形半月板(膝盖)和关节囊肥大〔4〕。近年研究发现，OA是在各种理化因子和生物学改变的共同作用下，导致关节及其附属物炎症的病变过程，因此，就关于OA的发病机制的研究显得尤为重要。从基因序列研究中发现Wnt信号通路在OA的病程中起着主要的作用，Wnt信号通路持续激活，在软骨形成的不同阶段发生作用〔5〕，通过调控成骨和破骨细胞的平衡从而调节软骨代谢，从而参与OA进展。因此通过对Wnt信号转导通路的进一步研究，寻求Wnt与OA的发病机制的关系，从中找寻有效的治疗靶点，为防治OA开辟新的思路。

1 Wnt信号通路

Wnt信号通路广泛存在于各种生物体中，自1982年Nusse等〔6〕研究发现Wnt基因以来，超过60位基因逐渐被发现与该通路相关。随着Wnt信号通路的不断研究深入，目前认为与Wnt基因相关的信号通路主要有4条，即激活核内靶基因表达的Wnt/β-catenin信号通路、参与JNK的激活及细胞骨架重排的平面细胞极性通路、激活磷脂酶C和蛋白激酶C的Wnt/Ca+通路、调节纺锤体方向和非对称细胞分裂的胞内通路。Wnt/β-catenin信号通路是一种独特的信号通路，可调节关节炎的发展，并且该特定通路中的分子可能起作用。Wnt信号通路是一类主要由β-catenin介导的、多种蛋白参与的高度保守的信号通路，主要成分包括：分泌蛋白Wnt家族、跨膜受体Frizzled家族、酪氨酸蛋白激酶Ⅰ散乱蛋白(Dsh或Dvl)、糖原合成酶激酶(GSK)-3、结肠腺瘤息肉蛋白(APC)、Axin、β-catenin及转录因子T细胞因子(TCF)/淋巴增强因子(LEF)家族等〔7〕。在Wnt信号通路中，β-catenin的浓度直接决定了Wnt信号通路的激活与否。当β-catenin的浓度较低时，β-catenin与Axin、GSK-3、APC等形成复合体，使细胞核内的β-catenin磷酸化且结构趋于稳定，从而使β-catenin不能进入细胞核内，导致核内的Wnt相关靶基因的表达受抑制，Wnt信号传导失活；当β-catenin的浓度较高时，细胞外的Wnt蛋白发出信号，Wnt蛋白与受体卷曲蛋白(Fz)及配体LRP5、LRP6结合，激活Wnt信号通路，Wnt信号从核外开始转移，进一步使细胞质中的Dsh或活化，使Axin、GSK-3及β-catenin所形成的复合物瓦解，随着瓦解的、逐渐非磷酸化的β-catenin在细胞质内累计引起浓度梯度的改变，与细胞核中的TCF片段结合，引起Wnt相关靶基因的表达，参与各种生理病理的改变〔8〕(如图1)。其中，Axin作为Wnt/β-catenin信号通路的蛋白支架，无论Wnt信号通路是否激活都起着相当重要的作用，对维持Wnt信号通路的空间结构起着重要作用，其可与GSK-3β、APC、酪氨酸蛋白激酶Iα、β-catenin等结合形成复合体，使GSK-3β失活，直接参与β-catenin磷酸化、降解、维持稳定性的全过程，起最主要的负性调节作用〔9〕。

图1 Wnt/β-catenin信号通路调控示意图

2 Wnt信号通路与关节软骨

2.1关节软骨与软骨细胞 关节软骨仅见于关节部分组织，由于缺乏血管、神经末梢、淋巴管，因此关节软骨损伤很难再次修复。关节软骨主要由软骨细胞和细胞外基质组成，软骨细胞仅占组织总体积的2%～5%，软骨细胞外基质主要由胶原蛋白组成，其中胶原蛋白Ⅱ是最丰富的。骨髓间充质干细胞是软骨细胞的始源，间充质干细胞大部分分化为软骨细胞，一部分分化为成纤维细胞，少部分直接分化为成骨细胞。软骨细胞进一步分化为成纤维细胞与肥厚性软骨细胞，其中肥厚性软骨细胞通过分化转移形成成骨细胞，成纤维细胞可分化转移为脂肪细胞和再分化为软骨细胞，进一步转换为肥厚性软骨细胞再转移为成骨细胞，进一步形成关节软骨，其中任何一个转化途径失调均会导致关节软骨生成减少(图2)。此外，软骨细胞也会随着人的年龄增加而出现细胞衰老，由于细胞耗竭而进入细胞周期，阻滞连续细胞培养过程中的增殖能力，导致软骨再生障碍〔10〕。

2.2Wnt信号通路与软骨细胞的损伤 OA的发生是由于骨平衡被打破，关节软骨的进一步丧失甚至软骨硬化。软骨细胞的成熟与凋亡是导致OA的关键〔11〕，Wnt信号通路通过调节关节软骨细胞外基质的合成与分解〔12〕，抑制软骨细胞向软骨增殖分化的Wnt-1、Wnt-7a、Wnt-14，跟随着Wnt信号的激活与否激活相关的表达引起软骨细胞的转化与否，如由促分裂素原活化蛋白激酶和AP1信号传导Wnt-7a可诱导软骨抑制作用。有研究发现，在退变的软骨细胞中β-catenin表达水平明显上升〔13〕，这就说明Wnt信号通路可能介导关节软骨的破坏，进而导致关节炎症的发生。其中，Wnt/β-catenin信号下游通路可能在关节组织中通过控制软骨细胞、成骨细胞中起重要作用，比如说基质金属蛋白酶(MMPs)和MMP的过度表达在软骨细胞和巨噬细胞中的软骨聚集蛋白聚糖酶可以导致关节软骨退化。β-catenin过表达可以刺激MMP-2、MMP-3、MMP-7、MMP-9、MMP-13及ADAMTS5的表达增加〔14〕，其中，最广泛存在的MMP-2对维持关节软骨结构与代谢相当重要〔15〕,再次最重要的MMP参与软骨退化是MMP-13，目前已经在关节软骨破坏的患者中发现高表达的MMP-13，可作为OA关节软骨损伤标志物〔16〕。

图2 软骨细胞分化

β-catenin的表达可刺激MMPs和骨形态发生蛋白的表达增加，可引起软骨基质的降解，加速软骨细胞的凋亡导致关节软骨破坏〔17〕。

2.3Wnt信号通路与软骨细胞的保护 Dickkopf 相关蛋白(DKK)被认为通过抑制Wnt信号转导与LRP5/6和另一种受体Kremen结合。DKK通过中断Wnt-Frizzled-LRP三元复合物的形成来抑制Wnt信号通路与LRP5/6的相互作用，特别是破坏经典Wnt信号通路。DKK-1为Wnt/β-catenin信号通路中重要的拮抗因子之一，通过抑制DKK-1可使损伤的关节软骨逆转〔18,19〕，Axin作为Wnt/β-catenin的负性调节因子，其表达的强度可直接影响软骨细胞的增殖分化与凋亡〔20,21〕。因此，通过调节β-catenin的表达对软骨细胞的增殖分化与凋亡有着密切的关系。软骨细胞中β-catenin信号可以以某种方式调节骨重塑依赖于RANKL/骨保护素(OPG)。OPG是一个诱饵受体与RANK竞争〔22〕,它与RANKL结合在一起基质/成骨细胞前体细胞，但不会将信号转导到破骨细胞谱系细胞，这些细胞应该相互作用与基质/成骨细胞前体细胞接受RANKL信号。以这种方式，OPG对破骨细胞发挥抑制分化作用〔23〕。不同RANKL和OPG的表达方式对软骨细胞中的破骨细胞呈现出不同的调控作用〔24〕。

3 Wnt信号通路与OA

3.1Wnt信号的异常激活 OA主要是由于关节软骨的破坏、变形，缺乏神经感觉纤维的无菌性炎症，软骨病变是OA的核心〔25,26〕，关节软骨自身修复是一个缓慢的过程，由于衰老、异常机械负载、遗传易感性、创伤或炎症进一步损伤关节软骨，使得关节软骨成骨和破骨不平衡，因此关节炎症会愈发加重。软骨细胞的成熟与凋亡是导致OA的关键，Wnt信号通路通过调节关节软骨细胞外基质的合成与分解〔27〕，维持其平衡。在Wnt信号转导通路中任何一步传导途径发生障碍都可导致关节软骨形成与破坏发生异常反应。其异常情况大致可分为三类：①在Wnt信号途径细胞核内外的相关蛋白、转录因子亲和力异常导致该途径关闭或局部途径异常活跃〔28〕;②过多的Wnt信号使整个途径都异常活化，破骨细胞进行不必要的增殖，造成成骨细胞与破骨细胞平衡被打破，导致关节软骨丧失〔29〕；③在Wnt信号不足时Wnt信号通路理应处于关闭状态，但参与Wnt通路的其他细胞因子异常活化也会使Wnt信号通路活化，导致细胞及机体不正常反应。如APC、Axin等，这些细胞突变使β-catenin在细包膜外过度表达进一步向细胞核内的转移，激活Wnt信号通路〔30〕。

3.2Wnt信号通路与OA 在Wnt信号通路中，上游细胞因子Wnt分子,APC,GSK-3和Axin的功能障碍不能与β-catenin结合形成复合体，导致β-catenin的过量表达，使Wnt信号通路异常激活，进一步加重OA病程。研究表明，任何负性调节Wnt/β-catenin信号通路的调节因子均可影响软骨细胞向成骨细胞的转化，Axin作为该信号通路的支架蛋白，对该通路的激活与否起着重要的转导作用。研究发现，在退变的软骨细胞内观察到β-catenin表达显著增高，另外，与骨折病人相比，OA患者软骨细胞培养液中β-catenin表达也显著升高，从而推断Wnt/β-catenin可能与软骨代谢明显相关〔31,32〕。Wnt通路中的关键分子包括β-catenin、APC、GSK-3β、Dsh等结合形成复合体，影响成骨细胞的分裂、分化和成熟，导致骨形成不足〔33〕，Wnt诱导分泌蛋白(WISP)-1和WISP1基因过度表达OA患者的骨赘形成明显相关。此外，Wnt下游因子MMPs及其他促炎因子及介质如前列腺素E2和一氧化氮(NO)等，会诱导软骨细胞表型的丧失与凋亡。这些发现表明促炎介质是软骨退化的重要介质。MMP家族中，MMP-3，MMP-8，MMP-13和MMP-13聚集蛋白聚糖酶等促炎介质参与软骨的退化，特别是ADAMTS-5，已经被认定为带有软骨记录损害的标志〔34〕。

3.3肥胖与OA 肥胖已经成为OA的独立危险因素〔35〕，当Wnt信号在前脂肪细胞中被激活时，它会抑制转录因子C/EBPa和PPARc的表达和抑制脂肪生成；此外，调节脂肪细胞形成的Wnt5a与酪氨酸激酶样孤儿受体结合，促进脂肪细胞的活化，增进脂肪形成〔36〕。除了Wnt之外，转化生长因子β途径在脂肪细胞分化的调节中起主要作用，Wnt信号通路也参通过抑制PPARgamma与CEBPalpha与相关脂肪代谢，引起肥胖，与OA的发生密切相关〔37〕。

4 展 望

目前，OA的诊断仅基于临床症状和影像学标准，对于发病机制尚缺乏统一的认识，尚无统一的治疗方案，均为缓解疼痛和延缓关节破坏，而人工关节置换是晚期最成功的治疗方案。迫于当前的实时要求，这必然使人们有兴趣转向疾病过程的早期诊断、预防及治疗。Wnt信号通路对OA并不仅限于对软骨细胞的影响，可用于解释OA复杂的生理病理，并确定合适的药物治疗新靶点。通过对Wnt/β-catenin信号通路研究发现OA发病机制，为关节炎的治疗干预提供额外的见解，为研究这些基因在关节软骨水平上的分子机制及新的治疗靶点提供了机会。但是就目前的研究技术而言，Wnt信号相关转导途径的实验研究均建立在动物实验上，尚未有人体相关研究的报道。