NF-κB信号通路与骨关节炎的关系研究进展

赵泽明 张 柳

华北理工大学 河北唐山 063210；①国家矿山医疗救助中心应急总医院骨科

骨关节炎(Osteoarthritis，OA)是全世界范围内一种常见的关节退化疾病，随着世界人口老龄化的发展和肥胖人群的增长，OA的发病率不断增加[1-2]。OA的临床表现被认为主要有关节功能受限、肌肉僵硬、软骨渐进性损坏、软骨下骨重塑、滑膜炎症等[3]。据报道，OA发生的因素与年龄、性别、遗传因素、关节损伤和肥胖等有关[4-5]。目前OA的发病机制尚没有研究透彻，所以阐述OA的发病机制以寻找有效的治疗策略亟需。通过对以往研究归纳可以发现[6-8]，核转录因子κB(Nuclear factor-kapa B, NF-κB)信号通路的激活对关节软骨退化、软骨下骨异常重建，滑膜炎症等OA相关病理改变发挥重要作用。综合近年来国内外相关研究资料就NF-κB信号通路与OA的关系作一总结概括，为以后有关研究提供理论依据及参考。

1 NF-κB信号通路

NF-κB涉及广泛的细胞生物过程，例如炎症、免疫、应激等[9]，NF-κB系囊括五种蛋白质：RelA(或p65)、RelB、c-Rel、NF-κB1(或p50)和NF-κB2(或p52)。这些转录因子共同拥有一个对其发挥功能来说非常重要的结构域，该域负责同或异源二聚体活性复合物的二聚化，与NF-κB抑制蛋白(IκBs)互相作用，通过入核与DNA结合来调控Rel/NF-κB靶基因的启动子/增强子区域[10-11]。在经典途径中，由IL-1β，TNF-α等诱导的IκB激酶IKKs(IKKα/IKKβ/IKKγ)复合体激活和IκB降解，导致NF-κB的激活与核转移。非经典途径主要依赖NF-κB诱导激酶(NIK)，介导IKKα激酶磷酸化激活和NF-κB异二聚体前体p100的磷酸化，释放成熟的p52蛋白启动特定基因翻译合成[10,12]。非病态中，NF-κB为非激活形式隐藏于细胞核外，病理状态下，促炎细胞因子、过度的机械信号刺激和细胞外基质降解产物等会导致NF-κB因子活化然后跨膜入核与特定基因结合诱导转录[13-14]。

2 NF-κB信号通路在OA中处于活化状态

2.1NF-κB信号通路与关节软骨退化 关节软骨细胞表面存在机械作用受体、细胞因子受体等，这些受体受机械应力和炎性细胞因子刺激从而激活NF-κB信号通路最终导致关节软骨损伤[15]。

有学者[16]对白细胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)干预OA患者软骨细胞研究显示软骨细胞中蛋白质水平的p-IκB、p-p65、基质金属蛋白酶-13(matrix metalloproteinase-13，MMP-13)和具有血小板反应蛋白基序的去整合素和金属蛋白酶-5(a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs-5,ADAMTS-5)表达显著升高，Ⅱ型胶原(Collagen-Ⅱ,COL-Ⅱ)表达显著降低。同样Zhao等[17]研究发现使用肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)刺激OA患者的软骨细胞可以显著提高p-IκB和p-p65蛋白表达，mRNA水平的ADAMTS-5、MMP-13、IL-1β、IL-6、环氧化酶-2(Cyclooxygenase-2,COX-2)、诱导性一氧化酶(INOS)、半胱天冬酶(caspases)等表达显著升高。

Zhao等[17]还在内侧半月板不稳定术(DMM)诱导大鼠OA模型中发现蛋白质水平p-IκB和p-p65显著升高，组织学评分显著提高，软骨厚度、软骨细胞数量和聚集蛋白(Aggrecan,Agg)含量显著降低，免疫组织化学染色结果表明ADAMTS-5和MMP-13表达明显上升。Zhang等[18]的研究也得出类似的结果，交叉韧带横断(ACLT)诱导OA小鼠模型中p-p65和p-IκB表达增加，OARSI评分也显著升高。

Chen等[19]用IL-1β刺激大鼠来源的软骨细胞以引发炎症，发现软骨细胞中p-IKKα、p-IKKβ、p-p65和p-IκB的表达显著升高，基因水平的MMP-1、MMP-13、ADAMTS-4、ADAMTS-5表达升高，相反COL-Ⅱ被检测到表达降低。

以上研究表明，NF-κB信号通路在OA软骨中可能处于激活状态，该通路激活导致炎症因子等表达升高，软骨细胞与软骨细胞外基质的破坏，最终导致关节软骨的退化，加重OA的病理变化。

2.2NF-κB信号通路与软骨下骨重塑 骨形成与吸收的动态平衡对骨稳态的维持及其在保证正常关节功能方面起到重要作用[20]。RANK/RANKL信号通路与骨稳态的维持有密不可分的关系，OA来源的软骨和滑膜细胞分泌细胞因子TNF-α、IL-1和IL-6等使成骨细胞/基质细胞释放细胞因子NF-κB受体活化因子配体(receptor activator of nuclear factor-κB Ligand ,RANKL)，与破骨细胞表面受体(receptor activator of nuclear factor-κB，RANK)结合并激活NF-κB转录因子[21]。

Lin等[22]对DMM小鼠OA模型研究发现软骨下骨组织中检测到的蛋白质水平p-IκB的表达量较对照组显著提高，成骨细胞特异性转录因子(Osterix,Osx)和骨钙素(Osteocalcin,OCN)表达升高，Micro-CT结果显示骨体积分数(BV/TV)、骨小梁厚度(Tb.Th)升高，骨小梁分离度(Tb.Sp)下降，血清中MMP-13、TNF-α、IL-1β、IL-6表达显著升高。有研究者[23]使用Fas-deficient MRL/lpr小鼠制造自身免疫性关节炎模型，发现下颌骨中基因及蛋白质水平的p65、p-IκB升高，抗酒石酸性磷酸酶(tartrate resistant acid phosphatase , TRAP)染色破骨细胞数增加，基因和蛋白水平的血管生成因子(VEGF)、MMP-9、RANKL表达显著升高，骨保护素(OPG)表达显著下降。

以上研究表明，NF-κB信号通路在OA软骨下骨中处于活化状态，该通路的激活加强破骨减弱成骨，使软骨下骨异常重塑。

2.3NF-κB信号通路与滑膜炎症 滑膜成纤维细胞表面的NF-κB信号通路受炎症因子和基质降解产物等刺激活化，引发关节滑膜炎症[24]。

Hou等[25]将OA患者的滑膜成纤维细胞与C3C类趋化因子L1(C3CL1)共培养发现基因水平的p-IKKα/β、p-IκBα、p-p65和MMP-3显著升高。葛介臣等[26]通过对20例原发性OA患者的滑膜标本开展了细致的观察，NF-κB信号通路蛋白p65和IκBα免疫组化染色检测手段显示阳性细胞表达增加，OA滑膜细胞核内p-p65也出现了同样趋势的表达。有研究者[27]在TNF-α干预的OA患者滑膜成纤维细胞中发现基因水平的IκB、NF-κB、IL-6、MMP-13表达呈时间依赖性升高，随后又发现重度滑膜炎患者滑膜成纤维细胞中的IκB、NF-κB、IL-6和IL-13较轻度和重度患者显著提高。

Wang等[28]通过研究改良HuIth法构建大鼠OA，发现滑膜中NF-κB的蛋白表达上升，在术后4天和21天均或多或少的增加，根据这一结果总结，NF-κB信号通路在OA发病初期就已经表现出高活性。

通过上述实验结果得出结论，NF-κB信号通路在OA滑膜成纤维细胞中活性变高，NF-κB信号通路使滑膜组织中除TNF-α外，IL-1β、IL-6等都有同样的升高趋势，这一变化引发滑膜炎症的发生与发展。

3 NF-κB信号通路抑制剂对OA的干扰与潜在的机制

3.1对软骨的作用 NF-κB信号通路使OA相关的分解代谢介质如前列腺素(prostaglandin，PG)、白介素和TNF-α等炎症因子和凋亡因子、环氧化酶(Cycloxygenas，COX)、MMPs、ADAMTS基因上调，这将导致软骨细胞损伤、软骨基质中Ⅱ型胶原a1(COL2a1)和Agg分解加速等不可逆破坏，从而促进OA的发生发展[29-30]。靶向抑制该通路将有效减弱关节软骨降解，延缓OA的进展。

Chen等[31]在人类OA软骨细胞中加入PDTC(NF-κB信号通路抑制剂) 减弱通路活性，随后发现软骨细胞中蛋白质水平p-p65和p-IκB表达降低，基因和蛋白质水平的PEG2、IL-6、MMP-3的表达均显著降低。Li等[32]在大鼠膝关节内注射单碘乙酸钠(MIA)诱导OA，并使用特异性siRNA敲低p65，抑制NF-κB信号通路活性，发现可以降低软骨组织的Mankin’s和OARSI评分，使基因和蛋白质水平的COL-Ⅱ和Agg表达升高，减少促炎细胞因子、趋化因子、肿瘤坏死因子及软骨细胞中相关软骨分解代谢因子的表达从而对OA起到潜在的治疗作用。

Zhang 等[33]通过使用特异性IKKβ激酶抑制剂—ML120B干预ACLT诱导小鼠OA模型中的NF-κB信号通路后发现软骨表面损伤减轻，OARSI评分降低有效地延缓创伤后所导致的OA进程。Yasutaka等[16]研究也得到类似的结论，在DMM诱导的OA小鼠膝关节腔内注IKKα/β的选择性抑制剂—BMS-345541可显著降低OARSI评分，蛋白质水平COL-Ⅱ表达升高，MMP-13和ADAMTS-5的表达降低，减轻创伤性OA中的软骨损伤。

综上表明，NF-κB信号通路抑制剂减少炎症因子、趋化因子、肿瘤坏死因子和与软骨相关的代谢分解因子的表达，在缓解OA关节软骨的降解与损伤中发挥主要作用。

3.2对软骨下骨的作用 TNF-α、IL-1β和IL-6 等在NF-κB通路活性增加时高表达,这样的一种趋势会导致成骨细胞释放RANKL然后和破骨前体细胞表面受的RANK相作用，启动RANK-RANKL信号通路这样就能促进破骨前体细胞向成熟的破骨细胞分化发挥骨吸收功能使骨稳态遭到破坏，软骨下骨发生骨异常重塑[34-35]，所以NF-κB信号通路抑制剂的干预将会对软骨下骨稳态起到积极调控作用。

Zheng等[36]使用根皮素对内侧半月板不稳定术(DMM)诱导小鼠膝OA模型进行干预发现，根皮素减弱NF-κB通路活性有利于软骨下骨情况的好转，蛋白质水平的TNF-α、IL-1β和IL-6表达降低。Izawa等[37]在小鼠自身免疫性OA模型中使用NF-κB抑制肽-SN50进行干预发现下颌骨组织骨密度(bone mineral density，BMD)、骨小梁数(Tb.N)等较对照组相比显著升高，TRAP染色结果显示破骨细胞数量较对照组相比显著下降，mRNA和蛋白质水平的RANKL、VEGF等表达较对照组降低而OPG蛋白水平表达上升。Xie等[38]的研究发现川陈皮素干预DMM诱导的小鼠膝OA模型将会有效降低NF-ΚB通路活性，使软骨下骨厚度增加。

以上研究结果表明，NF-κB信号通路可活化RANK-RANKL通路，使软骨下骨稳态失衡软骨下骨异常重塑，使用NF-κB抑制剂阻断该通路可减轻软骨下骨异常重塑。

3.3对滑膜的作用 NF-κB信号通路活性增加使ADAMTS-4、ADAMS-5、IL-1β、IL-6、TNF-α，MMP-1、MMP-3、MMP-13和VEGF等表达显著升高加重软骨损伤和滑膜炎症[39]，所以NF-κB信号通路抑制剂干预可有效减弱滑膜炎症延缓OA进展。

Cheleschi[40]等对人类来源的成纤维样滑膜细胞给予NF-κB抑制剂BAY-11-7082干预，研究发现滑膜成纤维细胞中IL-1β、IL-6、TNF-α、MMP-1和MMP-13基因水平的表达下降。Hou等[41]研究发现对OA患者滑膜成纤维细胞给予NF-κB抑制剂PDTC和IκBα抑制剂TPCK干预后可显著降低基因水平MMP-3的表达。Huang等[42]研究发现在LPS刺激的人类OA滑膜成纤维细胞中给予NF-κB信号通路抑制剂WY-14643干预，可以减弱LPS引起的NF-κB核转移，减少NF-κB下游炎症靶基因一氧化氮(NO)、前列腺素E2(prostaglandin E2,PGE2)、一氧化氮合酶(nitric oxide synthase，iNOS)和COX-2等的基因水平表达，使滑膜组织炎症得到缓解。

Zhao等[43]在ACLT大鼠膝OA模型中予以通路抑制剂作用，发现可以减轻实验性OA关节软骨破坏，膝关节滑膜炎症程度减轻。Xie等[38]的研究发现在DMM诱导的小鼠OA模型中使用川陈皮素减弱NF-κB通路活性，可以减轻滑膜炎症。

综上表明， NF-κB信号通路在OA滑膜中已被激活，该通路的活化使炎症因子表达上升，滑膜炎症加剧。NF-κB信号通路抑制剂可以降低该通路活性，减轻炎症进而减缓OA进程。

3.4影响OA病理进展的潜在作用机制 NF-κB信号通路涉及细胞生存、凋亡和炎症等多种细胞生物活动，与OA的发生发展有着密不可分的内在联系，以往开展的相关基础与临床实验得出结论，NF-κB信号通路的上游调节因子和下游效应因子是相关抑制剂干扰OA病理进展的切入点[9,44]，揭示NF-κB信号通路抑制剂干扰OA的具体机制将为临床OA提供新的治疗方案。

过度机械负荷、创伤和机制降解产物会导致IκB激酶的活化，伴随IκB激活，随后引发NF-κB的活化与核易位，诱导特定基因转录[15]。这些OA相关分解代谢基因主要包括MMPs、ADAMTS、IL-1β、IL-6、TNF-α和VEGF等。MMPs和ADAMTS将导致COL-II和Agg的降解造成软骨基质不可逆破坏，IL-1β、IL-6和TNF-α可以诱导成骨细胞释放RANKL与破骨前体细胞表面RANK结合，促使前体细胞向成熟的破骨细胞分化，导致软骨下骨异常重塑，关节中众多炎症细胞因子的长时间刺激会导致滑膜成纤维细胞增生并发生滑膜炎症[21,45]。NF-κB信号通路抑制剂的干预通过抑制IKKs激活、IκB磷酸化和NF-κB核易位等来降低以上因子的表达从而阻止软骨降解和软骨下骨异常骨吸收并减轻滑膜炎症，从而延缓OA的病理进展对关节起到保护作用[39]。

4 应用前景

OA病因与发病机制并不像我们想的那样简单。以往的众多研究表明NF-κB信号通路广泛参与了软骨退变、软骨下骨异常重建、滑膜炎等OA相关的病理改变，在OA的发生与发展中发挥举足轻重的作用。NF-κB信号通路相关抑制剂可以在不同层次与该通路中的不同因子，以多种方式相作用，以此来减弱通路活性，预防和治疗包括OA在内的诸多疾病，但目前尚无临床研究证据支持。因此还需要进一步的临床和基础实验研究来弄清楚NF-κB信号通路抑制剂对OA的具体治疗作用和不可避免的不良作用。相信随着对OA发病机制以及NF-κB信号通路与OA之间联系的不断了解,靶向调控NF-κB信号通路将会为临床OA治疗带来新的治疗策略及靶点。