雌激素及其受体在骨关节炎中的研究进展△

陈 威，苏耀辉，周明旺*，魏长浩

（1.甘肃省中医院，甘肃兰州 730050；2.甘肃中医药大学，甘肃兰州 730000）

骨关节炎（osteoarthritis,OA）是一种多因素引起的关节退行性病变[1]，表现为软骨侵蚀，软骨下骨破坏、硬化等病理特点[2]。常引起关节周围肿痛、僵硬、关节活动受限[3]。全球近3亿人罹患OA，其中大多为中老年患者[1]，已成为老龄化社会的公共健康问题之一[4]。据统计，我国膝关节症状性OA发病率高达8.1% ，且女性（10.3% ）明显高于男性（5.7% ）[5]，不同性别的OA发病率为何差距明显？早前便有学者根据年龄和性别的发病差异提出并证实绝经后雌激素水平变化与OA发病关系密切[6]。因而，深入研究雌激素相关代谢机制与OA发生发展的分子生物学规律尤为重要，阐明该机制规律，可能为明确OA发病机制、临床防治提供更多理论参考[7]，将会成为OA防治的重要工作。

1 雌激素及其受体与OA关系

1.1 雌激素与OA关系

雌激素是人体非常重要的类固醇性激素，由卵巢、睾丸及肾上腺皮质细胞分泌产生，包括雌酮、雌二醇、雌三醇和雌甾醇[8]。雌激素经典信号传递过程是依靠自身的脂溶性进入细胞，与胞内雌激素受体（estrogen receptor,ER）结合并激活受体靶基因的转录活性，启动相关基因表达，能够对生殖系统、中枢神经系统、胰岛功能、心血管、骨代谢平衡等多个方面产生影响[9～14]。

谈到雌激素与骨代谢平衡，无法避免的就是软骨下骨及关节软骨的代谢全程。雌激素对上述两种骨代谢过程影响深远[15]。有学者通过去势大鼠的动物模型研究发现，模型组雌激素水平下降，促使软骨下骨转化率明显增高，导致软骨下骨发生微损伤和重塑，频发重塑引起软骨下骨硬度明显增加，进一步改变关节局部的生物力学状态，以引发关节软骨的损伤加剧，形成并加剧OA进展[16～18]。众所周知，关节软骨并无血管、神经和淋巴分布，关节液是关节软骨维持低代谢活动的重要途径[19]。研究指出，关节液和外周循环血液中的雌激素水平呈正相关，当体内雌激素缺乏时，关节液中雌激素水平也将随之下降，从而减弱对关节软骨破坏性炎性因子的抑制作用，诸如最为常见的白细胞介素1β（interleukin-1β,IL-1β）、肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α,TNF-α）等，这些炎性因子可以通过信号通路产生严重的软骨破坏作用[20]，也有研究发现雌激素可通过 PI3K-AKT-mTOR途径降低ASIC1a的表达和自噬水平，从而降低血清炎症因子水平[21]。可见雌激素对OA的影响途径众多，上述的典型影响已足以说明雌激素与OA之间存在极为密切的关联。重要的是，雌激素作为调节成骨与破骨平衡的重要调节剂之一，当绝经后雌激素呈现波动性下降状态，直至卵巢彻底衰竭不再分泌雌激素，从相对不足逐渐发展为基本缺乏[22]；雌激素的不足最终引起关节软骨和软骨下骨的破坏加剧，从而发生典型的软骨侵蚀与软骨下骨破坏、硬化的OA病理特点[2]，直接或间接的影响OA病程。

1.2 雌激素受体与OA关系

ER分为细胞核受体和细胞膜性受体两种。其中细胞核受体又分为细胞核受体ERα和ERβ；而细胞膜性受体则以G蛋白偶联雌激素膜受体（G protein coupled estrogen receptor,GPER）为代表。ER能够调节细胞增殖、凋亡和代谢，提示ER在维持细胞内稳态中发挥重要作用；同时ER还能与雌激素产生特异性结合，从而形成ER复合物，促进雌激素发挥其生物学效应，维持正常的生理功能[23]。

1.2.1 细胞核受体

ERα和ERβ两种细胞核受体亚型均是以细胞核分布为主的“核受体”。细胞核受体与雌激素结合后可以介导基因转录，进一步产生相应的效应蛋白，从而发挥其生物学效应。随着ERα和ERβ两种亚型研究的逐步深入，发现ERα可以在骨和骨髓中有效表达，并且ERα作为主要的受体类型，与雌激素结合发挥调节骨代谢的重要作用，并可调节软骨细胞生长；而ERβ能参与骨的形成和吸收，且在女性生殖系统中具有高度的组织特异性表达[24，25]，二者可能通过上述调节机制参与KOA的病理发展过程，从而对OA病程产生重要影响。虽目前不乏此类研究，但具体机制不尽如意。

1.2.2 细胞膜性受体

细胞膜性受体类型很多，包括核受体型、核受体类似型、GPER及其他类型。其以GPER为最主要的膜受体，常以GPR30/GPERl发挥主要作用。GPR30/GPERl是以细胞膜或内质网为主要分布区域的受体，与雌激素结合后，常以非转录模式直接快速激活cAMP和EGFR等一系列信号通路，提高胞内Ca2+的释放率，直接调节下游的信号通路，产生诸多下游效应；当然，GPR30／GPERl在运动系统中广泛表达，已被证实与骨代谢密切相关，在OA发生发展的过程有着不容忽视的影响[26]。近来一项研究也能证实GPER与OA关系密切，该研究通过RT-PCR、West⁃ern blot及免疫组化方法检测到临床OA患者软骨组织中GPER的表达，并通过激光共聚焦显微镜下观察、Western blot等研究发现GPER与软骨变性呈负相关，并提出GPER直接以YAP为靶点，通过广泛抑制机械应力机械应力介导的RhoA/LIMK/cofilin途径，改善OA病情[27]。从而能够进一步说明雌激素的细胞膜性受体与OA关系密切，未来有望深入研究并进一步明确作用机制，从而为OA的精准治疗提供理论依据。

2 雌激素及其受体与信号通路代谢机制

2.1 雌激素与Notch信号通路

哺乳动物的Notch基因包括一个跨膜信号受体家族，即Notch-1、Notch-2、Notch-3和Notch-4，以及它们对应的配体Delta和jagged。Notch信号通路参与诸多细胞发育过程，如调节软骨细胞分化、成熟、增殖等过程。Notch-1和Notch-2分别在软骨深层和软骨区广泛表达，且大量Notch信号分子出现在破坏的软骨中，提示Notch的表达很可能与软骨修复相关[28]。付超[29]通过构建卵巢摘除大鼠OA模型、大鼠OA模型、卵巢摘除大鼠模型、空白对照，对比雌激素的缺乏对大鼠OA模型Notch信号通的影响，发现在两组OA大鼠软骨中Notch-2表达明显高于非OA大鼠，卵巢摘除大鼠OA模型的Notch-2表达低于卵巢未摘除大鼠OA模型，说明在OA大鼠中雌激素的缺乏会降低Notch-2的表达。此类研究虽然较少，作用机制也未完全阐明，但对于雌激素与OA之间关系的研究却有着重要意义，从Notch信号通路为切入点探讨雌激素及其受体与OA的机制研究可能具有一定科研前景。

2.2 雌激素与PI3K信号通路

2.2.1 通过胰岛素样生长因子-1介导的PI3K信号通路

胰岛素样生长因子-1（insulin-like growth factor-1,IGF-1） 是一种结构上类似于胰岛素原的单链多肽，能够调节软骨形成与代谢[30]。有学者以间充质干细胞为基础进行软骨治疗，采用慢病毒载体将IGF-1基因导入人滑膜间充质干细胞以提高IGF-1表达量，发现IGF-1高表达可明显提高软骨分化能力[31]，说明IGF-1与软骨代谢与修复关系密切，但此研究并不能说明雌激素是否通过IGF-1对OA产生具体何种影响。同期有学者采用不同浓度的雌二醇干预大鼠生长板软骨细胞，发现其IGF-1的表达升高，雌激素能明显促进大鼠生长板软骨细胞的增殖效应，可能是通过IGF-1轴调控生长板软骨细胞生长，初步表明雌激素可能会通过IGF-1对软骨修复具有较为重要的影响[32]。但上述机制通过何种途径影响OA病理进程？查阅文献可知，IGF-1对人软骨细胞中IL-1β诱导的NF-κB活化有抑制作用，NF-κB活化与软骨降解密切相关，并参与PI3K信号通路发挥作用；当然，也有可能是雌激素干预下的IGF-1通过其他信号通路发挥作用。

2.2.2 通过白细胞介素1β介导的PI3K信号通路

白细胞介素 1β（interleukin-1β,IL-1β）作为重要的细胞炎性因子，可诱导软骨细胞外基质（extra⁃cellular matrix,ECM）降解，调节多种促炎细胞因子和趋化因子的表达水平，是临床上评判治疗OA效果的常用观察指标。同时，IL-1β诱导软骨细胞凋亡是体外实验常用的OA造模方式[33，34]。正常关节组织中含有微量IL-1β，而在OA患者的关节滑液中IL-1β明显高于正常人，且IL-1β的表达水平与OA的严重程度呈正相关[35]。有研究发现，绝经后女性OA患者微小核糖核酸-203（miR-203）通过ERα结合能调控IL-1β诱导的细胞炎症和细胞损伤[36]，这也从侧面说明ERα调控IL-1β对KOA的发生发展产生深远影响。也有研究通过17β-雌二醇在体内和体外干预小鼠OA模型，发现雌二醇治疗可改善软骨破坏和骨赘形成，降低血清IL-6水平[37]。上述研究从多方位初步证实，ER和IL-1β综合作用对OA产生重要影响，但IL-1β可通过激活复杂的信号通路网络触发强烈的炎症反应，其中PI3K/AKT信号通路与IL-1β诱导的炎症密切[38]；雌激素可能通过影响IL-1β而对PI3K-AKT-mTOR途径发挥作用，降低ASIC1a的表达和自噬水平，从而降低血清炎症因子水平[21]，但未来需要更深入的研究去阐明具体作用机制。

2.2.3 基质金属蛋白酶类与PI3K信号通路

基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases,MMPs）是与OA发生、发展关系密切的蛋白酶家族。其中MMP-3是由关节滑膜细胞、软骨细胞分泌，可以通过溶解胶原蛋白中的Ⅳ型胶原并破坏关节软骨表面而引发OA，降解关节软骨。雌激素对于MMP-3具有抑制作用，生理浓度和高浓度雌激素均能显著降低原发性OA关节软骨细胞MMP-3 mRNA的表达[39]。有研究指出，雌激素可通过降低人髓核细胞中的MMP-3的表达，从而阻止ECM的降解，MMP-3下调可通过PI3K/Akt/FOXO3信号通路实现[40]。因此，雌激素可能通过影响MMPS的表达，进而对PI3K信号通路发挥作用以影响OA病情。

2.3 雌激素受体与RhoA信号通路

有学者通过对软骨细胞中与机械应力相关的ER进行研究发现，与机械应力相关的ER为GPER。GPER作为膜受体主要代表，能够调节软骨细胞机械应力转导的应答。GPER通过促进YAP和ARH⁃GAP29的表达和YAP核定位，抑制机械应力介导的RhoA/LIMK/coflin激活、肌动蛋白聚合和Piezo1的激活，减弱软骨细胞的凋亡，从而改变OA进程[41]。该信号通路有别于上述细胞因子等干预的作用机制发挥作用，本信号通路是机械应力刺激学说的有效佐证，可能为OA发病机制与治疗的相关研究提供基础。

3 结论

从分子生物学角度深入研究绝经后女性OA的发生机制，微观精准地认识疾病，寻找精确的药物治疗靶点，是近年来学者关注的热点之一。雌激素及其受体在人体中对各种因子发挥作用，使得其在人体多种疾病中有着重要的调控功能。雌激素及受体作为成骨细胞和破骨细胞之间的平衡剂，在绝经后女性骨质疏松症研究较多，而在对软骨细胞产生的作用研究相对较少。本文虽就雌激素及其受体与OA之间的关系和信号通路等机制进行初步综述，但内容仍有不完善，期待未来可以从雌激素及其受体通过转化生长因子、软骨自噬、基因多态性、脂质代谢紊乱及AMPK、MAPK、Wnt、sox9等相关机制研究OA的发生发展。同时，对于肥胖、劳损、遗传、环境因素、内分泌及代谢异常等方面也可以与雌激素及其受体展开相关性研究，进而从多维度明确OA的发生发展机制，对认识绝经后女性OA的病理变化和疾病防治具有积极而深远的现实意义。