Cathepsin在类风湿关节炎发生发展中的作用研究进展①

余泽芸 武 平 罗 云 王颖旎 唐 洁 陶偲钰 （成都中医药大学，成都 610075）

类风湿关节炎（rheumatoid arthritis，RA）是一种慢性全身性自身免疫性疾病，以多关节对称性疼痛、肿胀甚至畸形为主要临床表现［1］。据研究报道，RA 约影响全球1%的人群，近年来发病率呈逐渐上升的趋势［2］。RA 以免疫紊乱导致滑膜增生，大量炎症细胞浸润，以及侵袭性新生血管翳形成为主要病理表现，晚期往往会引发软骨及骨的破坏，最终导致严重的关节畸形甚至残疾［3］。

组织蛋白酶（cathepsin）是溶酶体蛋白酶家族的重要成员，与RA 病情的发展密切相关。在正常生理条件下，骨形成与骨吸收之间存在一种平衡。但在RA 患者中，这种平衡被破坏而有利于骨吸收，而骨吸收依赖于破骨细胞，破骨细胞是由滑膜组织和关节骨之间的表面单核/巨噬细胞系造血细胞发育而成的多核巨细胞，可被核转录因子-κB（NF-κB）、IL-1β、TNF-α 等细胞因子激活［4-5］，而cathepsin 可水解活化前IL-1β、TNF-α 和NF-κB 等细胞因子，从而促进骨吸收，加重关节破坏。此外，血管翳是一种异常的肉芽组织，由免疫细胞、血管和纤维细胞组成，在RA 患者的关节破坏中扮演重要角色，它从滑膜开始生长，最终侵入RA 患者的关节，导致不可逆的骨与软骨破坏，而某些cathepsin 与血管内皮生长因子密切相关，可促进血管翳的形成，加重骨破坏［6］。目前，cathepsin 在骨质疏松症、牙周炎、高血压、肿瘤等疾病中的发病机制及作用已逐渐被学者重视［7-9］，但cathepsin 在RA 发生发展中的作用机制研究较少，明确cathepsin 在RA 发生发展中的作用，特别是其生物学意义和功能，对RA 的诊断和治疗具有重要意义。

1 组织蛋白酶的组成

Cathepsin 与木瓜蛋白酶家族具有极高的同源性。现已发现有19 种cathepsin，根据结构、催化机制和降解底物蛋白质种类的不同，cathepsin 可分为丝氨酸组织蛋白酶（B、C、F、H、K、L、O、S、V、W、X）、天门冬氨酸组织蛋白酶（D、E）和半胱氨酸组织蛋白酶（G）三大类［10］。cathepsin 在酸性环境和中性环境中都可以被激活，越来越多的证据表明，cathepsin在侵袭相关性疾病的发生和进展中发挥重要作用，它们可以被分泌到细胞外降解细胞外基质。在RA 的病程进展中，cathepsin 通过对RA 相关细胞因子的调控，可加重RA 关节滑膜的炎症，促进滑膜血管翳的形成和关节软骨与骨的降解。

2 与RA有关的组织蛋白酶

目前，与RA病情相关的cathepsin包括了Cat G、Cat S、Cat B、Cat L 和Cat K，在RA 发生发展中，他们各自发挥不同的作用以介导关节滑膜的炎症和促进滑膜血管翳形成，以及导致骨破坏。

2.1 组织蛋白酶G可加重关节滑膜的炎症 RA的发病机制目前尚不明确，但关节滑膜的增生和炎症是其最初的病理变化，也是其最主要的病理变化。研究发现，IL-1β、TNF-α、IL-1 和IFN-γ 等炎症细胞因子可加重RA 患者关节滑膜的炎症。如，IL-1β 可通过激活NF-κB 介导的ERK-STAT1信号通路，增加滑膜液来源的成纤维细胞样滑膜细胞炎症因子的表达［11］。TNF-α是一种多效性的细胞因子，在RA中是主要的促炎细胞因子，被认为与RA 滑膜炎症的发生和发展有着最密切的关系，在RA 的局部滑膜炎症、血管翳的生成和组织损伤中都发挥了重要作用［12］。此外，IFN-γ 主要由活化的T 细胞分泌而来，能表达主要组织相容性复合物Ⅱ类抗原，激活抗原递呈细胞，发挥促炎症功能［13］。组织蛋白酶G（cathepsin G，Cat G）是丝氨酸蛋白酶家族的一员，具有水解活性，是参与炎症调节过程的一种多功能酶，可水解活化前IL-1β、TNF-α、IL-1 和IFN-γ 等与RA 相关的细胞因子，调节炎症部位的免疫应答，参与促炎、抗炎过程［14］。还有研究发现，Cat G 在滑膜内衬细胞中表达强烈，而在滑膜巨噬细胞和中性粒细胞表达弱，提示Cat G 的单因子趋化活性可能在RA 滑膜炎的发病机制中发挥作用，且抗风湿病药物可以抑制人白细胞Cat G 的活性被认为是这些药物的治疗作用之一，说明Cat G 在RA 关节滑膜炎症的发生发展中发挥重要作用［15-16］。

2.2 组织蛋白酶S（cathepsin S，Cat S）能促进滑膜血管翳的形成 RA 的主要病理特征为滑膜炎症和滑膜血管翳的形成。血管翳具有侵袭性和破坏性，可侵蚀局部组织、关节软骨、软骨下骨质和关节周围软组织，这些进行性破坏可共同引起关节破坏，最终导致关节畸形和残废，是RA 发生、发展的关键过程［17］。目前研究认为，血管内皮生长因子在滑膜血管翳中高度表达、是促进血管翳形成并维持其生物状态的重要因子［10］。血管内皮生长因子又称为血管通透因子，属血小板生长因子家族，其通过与其受体相结合，一方面能使血管内皮细胞变形、迁移、分裂、增殖，诱导血管增生；另一方面具有促进炎症滑膜组织形成新生血管及血管内物质外渗，加重滑膜组织炎症及血管翳形成的作用，从而加重RA 的临床症状，进一步导致关节畸形［18］。而Cat S主要在免疫细胞中表达，与血管内皮生长因子密切相关，Cat S 可裂解多种底物，包括细胞外基质蛋白、促血管生成肽和抗血管生成肽以及连接黏连蛋白，表明其在细胞侵袭、血管生成和细胞转移中发挥重要作用［19-20］。此外，最近研究表明，Cat S 由TNF-α/IL-1β刺激软骨细胞分泌，在RA患者血清中Cat S水平与RA 疾病活动度（DAS-28）呈正相关，进一步证实了Cat S在RA滑膜炎症及滑膜血管翳形成中的作用［21-22］。

2.3 抑制组织蛋白酶B 活性可抑制RA-FLS 的侵袭 RA 滑膜成纤维细胞样细胞（RA-FLS）可释放大量致炎因子介导RA 的关节破坏，且RA-FLS 具有类似肿瘤样细胞生长的特性，在RA 的发病机制中起着重要作用［23］。组织蛋白酶B（cathepsin B，Cat B）是由RA-FLS 在细胞因子的刺激下合成和分泌的，同样Cat B 的激活与抑制也可影响RA-FLS 的侵袭。有研究证实，Cat B与RA的联合破坏密切相关，与骨性关节炎（osteoarthritis，OA）相比，在RA 的滑膜液中积累了超过19 倍的Cat B 活性，在异常增生的滑膜组织中，尤其是软骨和骨破坏部位，含有较多Cat B 阳性的滑膜细胞，而正常滑膜组织中仅有有限的Cat B 阳性细胞［24］。并且滑膜细胞产生的基质金属蛋白酶（MMPs）具有降解细胞外基质的能力，在RA关节的渐进破坏中起着尤为重要的作用，其参与细胞的增殖、迁移、黏附、侵袭、分化和凋亡等多种行为。但是，有研究发现使用其特异性抑制剂CA074Me 和siCB 抑制Cat B 的活性后，可通过降低MMP-2 的活性来抑制FLS 的迁移，从而起到减轻关节滑膜炎症的作用［24-25］。总之，由RA-FLS 合成和分泌的Cat B 在RA 滑膜细胞中高表达，抑制Cat B 活性可抑制RA-FLS 的侵袭，由此减轻滑膜炎症和骨破坏程度。

2.4 组织蛋白酶L（cathepsin L，Cat L）可调节RA的免疫过程和骨侵蚀过程 Cat L 在人体组织中广泛表达，但在胸腺皮质细胞中表达最为明显，因此，Cat L 被认为是重要的积极选择T 细胞能够识别非自身结构［26］。在关节炎动物和RA 患者的炎症关节中都可以检测到Cat L的表达和活性增强，其在体外和体内均具有胶原和蛋白多糖降解活性。据研究报道，在RA的发生发展过程中，Cat L参与了关节软骨中结构蛋白的直接降解和免疫反应的抗原呈递及Th1/Th2极化［27-28］；Cat L缺乏的关节炎小鼠关节炎症的严重程度更轻［29］。说明Cat L 可调节RA 的免疫反应，影响关节炎症过程。且慢性RA 软骨下骨病灶中巨噬细胞丰富，这些巨噬细胞在暴露于抗Cat L抗体后表现出强烈的反应。有研究认为，存在于RA 关节部位的巨噬细胞分泌Cat L，这些细胞释放的Cat L 在慢性RA 患者软骨下骨和软骨的侵蚀中发挥作用［30］。故Cat L 可调节RA 的免疫、炎症和骨侵蚀过程。

2.5 组织蛋白酶K（cathepsin K，Cat K）可影响软骨结构的破坏 骨破坏在RA 的发生和发展中占有重要地位，是RA 致残致畸的主要原因。而骨破坏是由于成骨细胞和破骨细胞失衡而引发的一个病理表现，RA 患者骨代谢的特点是骨吸收增强而骨形成不足。这两者之间的失衡被认为是导致RA患者全身性骨丢失及关节局部骨破坏的主要原因。Cat K是破骨细胞中表达量最高、溶骨活性最强的一种半胱氨酸蛋白酶，是骨吸收过程中的一个关键酶，由大约12.1 kB 的单基因a 编码，结构上和Cat L、Cat S相似，与RA 的关系密切，是近些年备受关注的靶点蛋白［31-32］。Cat K 存在于滑膜成纤维细胞中，主要由破骨细胞在溶酶体、胞质囊泡和沿破骨细胞-骨吸收界面释放，然后进入由avB3整合素介导的骨表面破骨封闭形成的吸收腔。研究证实，Cat K可通过切断Ⅰ型和Ⅱ型胶原的三螺旋结构和改变纤维承受拉伸力的能力，在破骨细胞功能和骨基质蛋白成分降解中发挥重要作用，最终导致软骨结构破坏［33］。Cat K也能有效降解成骨细胞蛋白，通过破坏自身的Ⅰ型、Ⅱ型胶原和蛋白多聚糖在RA 的发病过程中发挥关键作用，最终导致关节坏死［34］。故Cat K 作为骨吸收过程中的关键酶，对RA 关节软骨与骨的破坏发挥重要调节作用。

综上所述，RA 作为一种自身免疫性疾病，目前无法根治。在RA 中，MMPs 和cathepsin 已被证明能驱动基质降解，特别是可以降解软骨和骨，最终导致关节的破坏［35］。与MMPs 不同的是，cathepsin 由于结构、催化机制和降解底物蛋白质种类的不同，在RA 的疾病进程中可扮演不同的角色。如Cat G可水解活化前IL-1β、TNF-α、IL-1和IFN-γ等与RA相关的细胞因子，调节炎症部位的免疫应答，参与促炎和抗炎过程；Cat S 可切割多种底物，在细胞侵袭、血管生成和细胞转移中起着重要作用，可促进血管翳的形成；而Cat B 可通过影响RA-FLS 侵袭，Cat L 可通过影响免疫反应的抗原呈递及Th1/Th2极化，Cat K可通过影响破骨细胞等在RA 关节炎症，软骨与骨破坏中发挥重要作用。并且，比起MMPs，软骨和骨骼附近的酸性微环境似乎更适合组织蛋白酶的激活。由此可见，明确cathepsin 在RA 发生发展中的作用，特别是其生物学意义，能为RA 的诊断和治疗提供精准的方案。