软骨细胞凋亡引发骨关节炎的机制研究进展

王新军，袁银鹏，王越，田晨阳，王宇泽

山西医科大学第二医院，太原030000

骨关节炎(OA)是全世界范围内最常见的骨关节疾病，据估计发达国家每年在治疗OA方面的费用高达国内生产总值的1%～1.5%[1]。该病主要包括软骨细胞凋亡和细胞外基质(ECM)的退行性变化两方面因素，导致关节软骨结构和功能丧失，同时伴随有软骨修复和骨赘形成。生理状态下，软骨细胞增殖和凋亡处于动态平衡，以维持细胞数量及功能的稳定。然而，一旦软骨细胞发生过度凋亡就会打破这一动态平衡。研究表明，软骨细胞凋亡在OA病理进程中起重要作用。现从软骨细胞凋亡的媒介、诱导剂及信号转导通路三个方面对软骨细胞凋亡诱导OA的可能机制作一综述。

1 软骨细胞凋亡的媒介

1.1 Caspase 在生理条件下，Caspase以无活性的酶原形式存在于细胞质中，并通过不可逆的蛋白水解作用而激活。例如：凋亡效应子Caspase-3和Caspase-7，它们通常以无活性的二聚体形式存在，其活性受大小亚基之间的连接子调控。连接子一旦被蛋白水解，使Caspase-3和Caspase-7的催化位点得以组装，从而影响凋亡的下游调控事件。由于软骨细胞三维计数减少与Caspase-3活化相关，因此Caspase-3阳性细胞数量被作为细胞凋亡的指标。Gao等[2]研究发现，在OA大鼠软骨细胞中Caspase-3表达增高，表明软骨细胞凋亡在OA中起重要作用。Musumeci等[3]分离OA患者膝关节软骨中的软骨细胞，发现DR5受体、TNF相关凋亡诱导配体(TRAIL)和Caspase-3表达增强，提示在凋亡的软骨细胞中存在外源性凋亡途径的激活。学者们通过固定新西兰大白兔的后肢导致发育性髋关节脱位，从而诱发继发性OA。结果发现，在疾病的早期阶段，髋关节软骨中软骨细胞过度凋亡、Caspase-3过表达，且两者之间呈正相关[4]。

1.2 Bcl-2蛋白家族 细胞质中的Bcl-2蛋白家族对细胞凋亡起着中心调控的作用，其家族成员通过调节线粒体膜通透性来控制线粒体凋亡信号[5]。细胞凋亡主要取决于Bcl-2蛋白家族成员之间的相互作用，促凋亡和促存活蛋白整合了上游众多的生存和破坏信号后，确定是否发出细胞凋亡指令。实验表明，Bcl-2的表达水平会影响OA的发生和发展。Huang等[6]采用横断前交叉韧带的术式建立大鼠OA模型，通过免疫印迹技术发现Bcl-2表达水平降低。Miao等[7]实验表明，OA关节软骨和IL-1β处理的软骨ATDC5细胞中Bax表达均上调。

2 软骨细胞凋亡相关的诱导剂

在受损的软骨组织中，软骨细胞产生一氧化氮(NO)，这是一种介导软骨细胞双重作用的多功能分子。Marcello等[8]发现，NO对培养的软骨细胞无细胞毒性，反而可以保护软骨细胞免受氧化应激损伤。但是，NO异常升高可能是OA病理生理的一个重要因素，因为它可以减少软骨细胞中白介素1受体拮抗剂(IL-1RA)的合成，而软骨细胞产生的IL-1RA可阻止软骨的损伤与破坏。研究表明，创伤性关节炎大鼠软骨细胞中诱导型一氧化氮合酶(iNOS)和NO的表达显著升高。iNOS和NO异常升高可导致软骨细胞凋亡和ECM代谢失衡，抑制软骨细胞增殖，并在创伤性关节炎的病理进程中发挥相应的作用[9]。

OA病理过程中，IL-1β和TNF-α是两个重要的炎症因子。软骨细胞受到IL -1β刺激后，生成对细胞有害的氧自由基，与NO反应的产物可诱导细胞凋亡。IL-1β诱导NF-κB和丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号通路中关键酶的激活，包括p50、p52、Rel、Rel A、Rel B、p38、c-Jun氨基末端激酶(JNK)和细胞外信号调节激酶(ERK)[10]，而上述两种信号通路参与了软骨细胞的增殖、分化和凋亡。Larsson等[11]研究发现，随着膝关节滑液中TNF-α水平升高，OA患者关节间隙的丢失及日常活动能力的降低将进一步恶化。尽管TNF是否介导软骨细胞凋亡仍有争议，但实验证明TRAIL可通过激活Caspase-8和Caspase-3介导细胞凋亡，并且细胞毒性呈剂量依赖性。

在外源性凋亡途径中，死亡受体Fas与其配体FasL相结合，从而生成死亡诱导信号转导复合物；后者通过Fas相关蛋白和死亡结构域衔接分子募集并激活Caspase-8，Caspase-8的活性片段在胞质中释放，通过裂解和产生有活性的Caspase-3片段传递凋亡信号。Hashimoto等[12]用Fas抗体处理软骨细胞，经电子显微镜分析细胞凋亡的典型胞核和细胞质变化，发现部分软骨细胞表达Fas且对Fas诱导的细胞凋亡敏感。

3 软骨细胞凋亡的相关信号转导通路

3.1 MAPKs通路 MAPKs是一类丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶，经细胞外刺激活化，如细胞因子、神经递质、细胞应激和黏附等。MAPKs途径通过三层激酶级联转导细胞外刺激因子进入核内并激活相应基因表达，从而促进细胞增殖、分化和凋亡。该途径由ERK1/2、p38和JNK 3个信号级联通路组成，在多条信号转导通路中充当中心节点。Sun等[13]研究表明，通过抑制p38-MAPK通路可以抑制人OA软骨细胞凋亡，降低炎症因子表达。Ge等[14]研究发现，OA患者的ERK1水平升高与细胞凋亡和软骨退变有关，ERK1可能通过p38-MAPK信号通路促进OA患者的软骨细胞凋亡。p38-MAPK信号通路对于细胞外刺激向细胞核的传递和调节转录因子活性至关重要，并且在介导OA软骨损伤中起关键作用。促炎细胞因子等刺激因子活化MAPKi激酶激酶(MKKK)，反过来触发MAPK激酶(MKK)表达和蛋白磷酸化，最终增加p38-MAPK或JNK-MAPK相关基因的表达。在OA软骨细胞中，JNK磷酸化以激活AP-1；后者调节炎症因子表达，如TNF-α、IL-1β，使得蛋白多糖合成抑制、软骨降解酶MMP-13合成增加[15]。同样，p38通路能够激活活化转录因子2和Caspase-3，进而转导与凋亡相关的信号[16]。研究发现，抑制ERK、p38和JNK途径降低了MKK基因的表达，下调了ERK、p38和JNK总蛋白浓度和磷酸化，进而抑制了细胞凋亡[13]。

3.2 PI3K/AKT通路 PI3K/AKT通路有多种生物作用，包括营养物质吸收、合成代谢、细胞生长、迁移和生存等诸多方面。PI3K活化并激活AKT，将其定位于质膜中。AKT可以产生许多下游效应，如激活环磷腺苷效应元件结合蛋白，抑制p27和激活mTOR[17]。研究发现，抑制PI3K/AKT/mTOR途径可促进关节软骨细胞的自噬，并且减弱OA大鼠的炎症反应[18]。AKT能介导中性粒细胞中CXCR2信号的转导，CXCR2可以活化细胞内钙离子并导致PI3K/AKT通路激活。Sherwood等[19]认为，破坏CXCR1/2信号转导是OA中的重要事件，导致软骨细胞表型稳定性丧失并促进OA样改变。

3.3 Wnt/β-catenin通路 许多研究集中在关节组织中Wnt信号转导的参与，虽然为Wnt信号在软骨稳态和OA中的功能提供了充分的证据，但支撑这些作用的机制仍有待进一步探究。Wnt通路中的蛋白分子能保持一定的平衡以实现细胞稳态和关节完整性。与其他生长因子相比，Wnt信号转导能够在诱导细胞增殖的同时赋予生长组织成形的能力，并发挥定向生长因子的作用。Wnt/β-catenin通路的主要组成为异源三聚体复合物，包括配体Wnt、单次跨膜共受体LRP和7-跨膜信号转导受体Frizzled。该通路可通过控制软骨细胞、成骨细胞和滑膜细胞的功能在关节组织中发挥独特作用[20]，Wnt通路通过调节β-catenin的细胞内水平和亚细胞定位来触发其在软骨细胞内的信号转导。Wnt信号通路在正常软骨细胞中被抑制，一旦被激活将导致OA软骨损伤[21]。特定条件下，成年小鼠关节软骨细胞中Wnt5a可以激活β-catenin，进而导致软骨细胞过早分化和OA样表型，包括软骨基质的逐渐丢失和骨赘的形成[22]。

3.4 Fas/FasL通路 Fas(CD95)是肿瘤坏死因子受体家族的成员，是一种含有死亡结构域的受体，可激活细胞凋亡信号。死亡受体Fas是软骨细胞凋亡的重要生物标志物之一，与其配体FasL结合后可导致细胞凋亡[23]。Fas信号转导可以通过激活Caspase-8来触发细胞凋亡，Caspase-8可激活下游效应子Caspase-3。虽然Fas在软骨细胞凋亡中的作用饱受争议，但仍有许多证据来支持这种关联。例如，与正常软骨组织相比，OA软骨组织中Fas表达升高。在人类软骨组织中，OA病灶附近的Fas表达高于病灶远端区域。据报道，老年人软骨组织中Fas水平较高，在OA患者滑液中也发现了大量的可溶性FasL。Ryu等[24]研究发现，缺氧诱导因子2α可通过上调Fas表达放大Fas诱导的软骨细胞凋亡信号。

3.5 NF-κB通路 NF-κB通路被认为是OA软骨病理生理学中众多炎症机制的常见最终通路，在维持软骨细胞稳态中具有广泛的功能。NF-κB是一种核转录因子，可进入细胞核以调节基因表达，并具有多种细胞调控功能，如炎症、促存活和应激诱导等。Liu等[25]发现，随着OA病理进程的不断恶化，TLR-2、NF-κB和MMP-13及相关炎症因子的表达也不断上调。NF-κB通路通过诱导HIF-2α引起软骨细胞中MMP-13表达上调，而MMP-13表达上调在OA的发病机制中起重要作用。总之，NF-κB信号转导通路影响软骨基质重塑、软骨细胞凋亡、滑膜炎症，并且对末端软骨细胞分化的下游调节剂具有间接刺激作用[26]。

3.6 JAK/STAT通路 JAK/STAT信号转导通路通过细胞中各种蛋白质之间的相互作用，将细胞外的化学信号传递到细胞核，激活相应的基因，参与细胞免疫、分裂、死亡及肿瘤形成等发生。该信号转导通路包括Janus激酶(JAK)、信号转导和转录蛋白激活因子(STAT)以及细胞表面受体(结合化学信号)共3个关键蛋白。细胞信号抑制因子(SOCS)是JAK/STAT通路的一类内源性负调控因子，由SOCS1～7和CIS至少8种成分组成。降低SOCS2和CIS1基因表达并激活JAK/STAT信号通路，可能导致OA进展、软骨ECM代谢失衡[27]。Wiegertjes等[28]使用编码SOCS3的腺病毒转染G6人软骨细胞系和原代软骨细胞，发现SOCS3过表达可完全抑制TGF-β对STAT3的磷酸化，表明SOCS3可能是软骨细胞重要的调节因子，对OA相关的软骨损伤有重要意义。STAT3是一种有效的转录因子，调节多种涉及OA发病机制的靶基因表达，包括蛋白酶(如MMP-3、MMP-13)、细胞因子和趋化因子(如IL-6、MCP-1)，以及重要的软骨细胞增殖、分化和凋亡的调节因子(如Sox9、细胞周期蛋白D1、Bcl-3)。

3.7 高流体剪切力通路 Zhu等[29]使用cDNA微阵列结合聚类算法，提出了一种新的信号通路；通过该通路，高流体剪切可介导COX-2/L-PGDS依赖性软骨细胞凋亡。他们通过实验发现，L-PGDS控制蛋白激酶A(PKA)的下调，而PKA又调节Polo样激酶1(Plk1)和Plk3。Plks控制参与软骨细胞凋亡的p53效应子(TP53INPs、Fas和Bax)的转录。

综上所述，OA发病机制远比想象的要更为复杂，这也为该病的药物治疗提出了严峻的挑战。这也可能是目前临床对OA的治疗集中在缓解症状，而不是预防或治愈的原因之一。针对某一条信号转导通路上的关键靶点药物，在阻断软骨细胞凋亡的同时，还可能具有潜在的毒性作用。因此，针对软骨细胞凋亡信号转导通路的生物靶向治疗,未来可能还有很长的路要走。令人振奋的是，人们越来越关注研究不同OA表型背景中细胞凋亡的分子机制，这将为OA和软骨细胞凋亡之间的相关性提供更多证据，以期进一步研究各种通路间的复杂关系以及各种蛋白分子、媒介、基因之间的相互作用。通过对OA病理机制不断地深入探究，将为这一慢性疾病的诊断、治疗、转归等提供更先进的理论依据和研究手段。