信号通路在骨关节炎发生中作用的研究进展

周泽浩，阎伟，李金松，史娜

1 山东中医药大学中医学院，济南250014；2 山东中医药大学附属医院关节骨科；3 山东大学齐鲁医院德州医院影像科

近年来，随着人口老龄化加剧，骨关节炎（OA）的发病率不断增高。据统计，我国40 岁以上人群OA的患病率达到43.6%，已成为中老年人生活质量下降和致残的主要原因［1］。OA 是一种关节退行性疾病，主要病理特征为关节软骨退化损伤、软骨下骨硬化或囊性病变、关节边缘骨质增生等。目前，OA的发病机制尚不完全清楚。正常软骨的功能依赖多种信号通路的调节，而这些信号通路亦参与调控OA的发生、发展。因此，以信号通路为切入点对OA 的发病机制进行深入研究，已然成为当前的研究热点。目前，研究较多的信号通路有Notch 信号通路、Wnt信号通路、核因子κB（NF-κB）信号通路、转化生长因子β（TGF-β）/Smad 信号通路、c-Jun 氨基末端激酶（JNK）信号通路、磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）/丝氨酸苏氨酸蛋白激酶B（Akt）/雷帕霉素靶蛋白（mTOR）信号通路及骨保护素（OPG）/核因子κB 受体活化因子（RANK）/RANK 配体（RANKL）信号通路。这些信号通路可能通过调控软骨细胞合成或分解代谢、炎症反应等参与OA 的发生、发展。通过对这些信号通路的深入研究，或许可为OA 的治疗提供新的思路。本文结合文献就信号通路在OA 发生中作用的研究进展作一综述。

1 Notch信号通路在OA发生中的作用

Notch 信号通路由Notch 受体（Notch1、Notch2、Notch3、Notch4）、Notch 配 体（DLL1、DLL3、DLL4、Jagged1、Jagged2）及细胞内效应器分子（CSL-DNA结合蛋白）三部分组成。在经典的Notch 信号通路中，细胞表面的Notch 受体被激活后，经过3 次裂解将Notch 胞内段（NICD）释放入细胞质，随后转移至细胞核与CSL 结合并募集核转录激活蛋白家族MAML，最终形成NICD-CSL-MAML三元络合转录激活物，进而参与目标基因的转录，之后该通路中的转录因子会激活并促进下游靶基因的表达［2］，从而起到促进细胞增殖、抑制细胞分化等作用。

Notch 信号通路对OA 的发生、发展具有重要作用，其被短暂激活可维持关节稳定和软骨细胞外基质合成增加，若其被持续激活则会加速软骨退化和OA 进展［3］。有研究报道，OA 病情越重，Notch 受体蛋白表达越高［4］。LUO 等［5］研究发现，早期阻断Notch 信号通路可有效延缓OA 进展期软骨破坏。吴绍军等［6］研究发现，抑制Notch信号通路可显著降低Bax 蛋白表达并提高Bcl-2 蛋白表达，进而抑制软骨细胞凋亡，加速软骨与骨形成，促进骨缺损修复。因此，防止Notch 信号通路过度激活有可能是治疗OA的关键。

2 Wnt信号通路在OA发生中的作用

Wnt 信号通路可分为Wnt/β-catenin 信号通路、Wnt/PCP 信号通路、Wnt/Ca2+信号通路以及胞内通路。其中，Wnt/β-catenin 信号通路可激活核内靶基因的表达，Wnt/PCP 信号通路可参与JNK 激活和细胞骨架重排，Wnt/Ca2+信号通路可激活磷脂酶C 和蛋白激酶C，胞内通路可调节纺锤体方向和非对称性细胞分裂。而Wnt/β-catenin 信号通路一直是研究的重点和热点。

Wnt/β-catenin 信号通路由Wnt 家族蛋白、低密度脂蛋白受体相关蛋白5/6、卷曲蛋白及β-catenin、T 细胞因子、淋巴样增强因子转录因子等组成。Wnt/β-catenin信号通路激活是分泌型配体蛋白Wnt与膜表面受体蛋白结合后激活胞内蓬乱蛋白（DVL）的过程［7］。DVL可降低β-catenin 降解复合物的降解活性，稳定细胞质中游离态β-catenin 蛋白水平。而细胞质中稳定积累的β-catenin 进入细胞核后，会结合T细胞因子/淋巴样增强因子转录因子，启动下游靶基因的转录，从而参与胚胎发育、器官形成、组织再生等生物学过程。

Wnt/β-catenin 信号通路可参与对软骨细胞、成骨细胞以及滑膜细胞的功能调控［8］。据报道，Wnt-5a和Wnt-5b 能够通过参与调控成骨细胞、软骨细胞分化，产生蛋白酶，参与OA 的发病过程，二者在OA组织中呈过表达状态。Wnt/β-catenin 信号通路蛋白通常处于被抑制表达状态，当信号通路被激活后，这些蛋白过表达，将会促进软骨细胞基质水解酶类表达，进而诱导软骨基质降解［9］。有研究证实，Wnt/β-catenin 信号通路蛋白过表达与OA 患者软骨特异性细胞外基质的降解有着密切联系［10］。但β-catenin 表达过低同样也可加速软骨细胞降解，进而导致OA 的发生。这表明通过适度抑制Wnt/β-catenin 信号通路来控制软骨降解，有可能是治疗OA的有效手段。

3 NF-κB信号通路在OA发生中的作用

NF-κB 信号通路包括NF-κB1（p50）、NF-κB2（p52）、RelA（p65）、RelB 和c-Rel 五部分。正常情况下，NF-κB信号通路处于失活状态，当遇到高水平肿瘤坏死因子α、佛波酯、脂多糖等刺激时，可激活NF-κB 诱导性丝裂原蛋白激酶，将NF-κB 抑制蛋白磷酸化，然后NF-κB会被运送至细胞核与κB位点结合，从而调控多种靶基因的表达［11］，继而参与机体炎症反应、应激反应、免疫应答以及细胞周期等一系列生物学过程。

在OA 发生、发展过程中，NF-κB 信号通路能够广泛参与滑膜、关节软骨以及软骨下骨的病理改变，尤其以关节软骨破坏最为明显。在OA 患者关节软骨中，NF-κB 信号通路明显处于高激活状态［12］。NF-κB 信号通路被激活后，能够促进基质金属蛋白酶（MMP）生成，进而引起并加重软骨降解和关节损伤，从而导致OA 进程加快。有研究报道，MMP 在兔OA 模型关节软骨中高表达［13］。ZHANG 等［14］研究发现，通过降钙素抑制NF-κB 信号通路激活可对关节软骨起到保护作用。有学者认为，NF-κB 信号通路在OA 软骨下骨中处于激活状态，该信号通路激活将会引起软骨下骨异常重塑［15］。安方玉等［16］研究报道，抑制PI3K/Akt/NF-κB信号通路激活能够达到治疗OA 的目的。以上研究表明，NF-κB 信号通路在OA 的发生、发展过程中发挥重要作用，其机制可能与该信号通路被激活能够诱发滑膜炎或引起并加重软骨降解有关。因此，通过抑制NF-κB 信号通路激活来改善软骨破坏，有可能成为治疗OA的新方向。

4 TGF-β/Smad信号通路在OA发生中的作用

TGF-β超家族包括骨形成蛋白、生长分化因子、抗缪勒式管激素、激活素、Nodal及TGF-β，该家族成员可广泛参与细胞生长、分化、凋亡等生物学过程。TGF-β/Smad信号通路主要由TGF-β信号分子、细胞膜表面Ⅰ型和Ⅱ型丝氨酸/苏氨酸跨膜受体以及细胞内效应物质Smad蛋白组成，这些分子通过特异性膜结合的方式进行信号传导。其中，Smad蛋白磷酸化是该信号通路的重要环节，TGF-β 信号分子与细胞膜表达的跨膜受体结合使Smad 蛋白磷酸化并将信息传递至细胞核内，从而调控细胞的稳态。

TGF-β/Smad 信号通路能够参与OA 的发生、发展，其机制可能与该信号通路能够调控软骨细胞活性有关。有学者认为，TGF-β/Smad 信号通路在软骨细胞的增殖、分化及成熟过程中具有重要的调控作用［17］。ZHENG 等［18］研究报道，TGF-β/Smad 信号通路蛋白表达上调可促进软骨形成并维持软骨内稳态，从而促进OA 恢复。HU 等［19］研究同样发现，通过靶向刺激促进软骨细胞TGF-β/Smad 信号通路蛋白表达，可起到抑制软骨退变的作用。这表明TGFβ/Smad 信号通路激活可起到改善OA 的作用。但TARDIF 等［20］研究发现，TGF-β/Smad 信号通路能够降低miR-140表达，而miR-140表达缺失会引起骨骼异常并导致软骨肥大细胞形成。目前，TGF-β/Smad信号通路与OA 的关系仍存在争议。有学者推测，TGF-β/Smad 信号通路在不同时间和空间会产生不同的生物学效应［17］。因此，掌握OA 关节内不同组织中TGF-β/Smad 信号通路蛋白的表达变化，从而制定针对性干预措施，可能为OA 的治疗提供新的思路。

5 JNK信号通路在OA发生中的作用

JNK 是丝裂原活化蛋白激酶超家族的重要成员，由JNK1、JNK2 和JNK3 三种基因编码。JNK 主要存在于细胞质内，能够被缺血再灌注损伤、高渗环境损伤等激活，还能被非经典的Wnt信号通路激活。受到刺激后，JNK 会迅速聚集于细胞核内并发生磷酸化，导致相应靶基因的表达改变。JNK 信号通路的大致路径：细胞质中的JNK→应激→JNK 活化转位细胞核→磷酸化核内转录→靶基因转录及新蛋白质合成→生物学效应。JNK 信号通路在细胞增殖、分化、凋亡以及应激反应等生理和病理过程中具有重要作用。

JNK信号通路在OA的发生、发展过程中起重要作用。ZHOU 等［21］研究发现，特异性抑制JNK 磷酸化能够有效抑制OA 的发生、发展。LU 等［22］在应用JNK 信号通路抑制剂对软骨细胞JNK 信号通路抑制后发现，软骨细胞凋亡程度明显降低。因此，我们认为JKN 信号通路具有促进软骨细胞凋亡的作用，而抑制JNK 信号通路有可能成为治疗OA 的新方向。但亦有学者认为，长期单独使用JNK 信号通路抑制剂将会抑制软骨细胞外基质合成，加重软骨损伤［23］。因此，JNK 信号通路抑制剂长期使用的安全性问题尚需进一步验证。

6 PI3K/Akt/mTOR信号通路在OA发生中的作用

PI3K/Akt/mTOR 信 号 通 路 是 由PI3K、Akt、mTOR三个作用分子组成。PI3K是该信号通路的起始因子，Akt 为PI3K 下游的主要效应分子，激活PI3K/Akt 信号通路可使Akt 蛋白磷酸化，并将信号传导至下游靶点最终激活mTOR，从而抑制细胞的自噬水平和调控与细胞凋亡相关基因的表达。PI3K/Akt/mTOR 信号通路是细胞内重要的自噬信号调节途径，该信号通路激活在抑制细胞凋亡过程中具有关键作用，与多种疾病的发生、发展有着密切联系［24］。

PI3K/Akt/mTOR 信号通路与OA 的发生、发展存在密切联系。目前，对OA 的研究已聚焦于自噬机制，mTOR 作为抑制自噬的关键因子，受PI3K/Akt上游信号通路的调控［25］，该信号通路被激活后，可起到抑制细胞自噬的作用。有研究表明，软骨细胞可在应激性刺激下启动保护性自噬，从而延缓软骨组织退变，抑制软骨细胞凋亡，从而改善OA 的发生、发展［26］。CHENG 等［27］研究同样发现，实验性OA 早期自噬水平增强，而晚期自噬水平降低。PI3K/Akt/mTOR 信号通路能够通过上调自噬相关因子的表达，抑制软骨细胞凋亡，延缓骨关节退变，促进骨关节重构。因此，深入研究PI3K/Akt/mTOR 信号通路在OA 发生、发展中的具体作用机制，研制安全可靠的靶向药物，或许能够为OA治疗带来更多的福音。

7 OPG/RANK/RANKL 信号通路在OA 发生中的作用

OPG/RANKL/RANK 信号通路是骨代谢过程中一条非常重要的信号通路，由OPG、RANK、RANKL三个作用分子组成。其中，OPG 与骨含量和骨代谢有关，是抑制骨吸收的关键细胞因子；RANK 是诱导破骨细胞成熟的关键细胞因子，可激活NF-κB 信号通路、JNK 信号通路等，促使破骨细胞成熟；RANKL是介导骨吸收的关键细胞因子，与RANK 结合后可激活相关信号传导通路，诱导破骨细胞的分化与成熟。

OPG/RANK/RANKL 信号通路是成骨细胞与破骨细胞相互作用的信号通路，与软骨下骨代谢密切相关，在骨重构与破骨细胞分化过程中发挥重要作用。OPG 是RANKL 的假性受体，可竞争性地与RANKL 结合以抑制RANK 表达，进而抑制破骨细胞激活，促进破骨细胞凋亡。有研究发现，RANKL 增加会对关节软骨造成较大破坏，而OPG 增多可导致RANKL 减少，此时对软骨破坏有缓解作用［28］。结果表明，OPG 增多可有效抑制RANK 与RANKL 结合，阻断信号传递，进而减轻骨组织破坏。LIU 等［29］研究发现，OA 患者软骨细胞中RANK/RANKL 较健康志愿者显著增加，OPG/RANKL 较健康志愿者明显降低。王斌等［30］研究发现，增加软骨细胞中OPG 表达会抑制破骨细胞的形成和活化，减轻软骨下骨破坏，最终延缓OA 进展。由此可见，OPG/RANK/RANKL信号通路能够影响破骨细胞功能，OPG 增加可抑制破骨细胞增殖和分化，而RANKL增加则会促进其增殖和分化，尤其是OPG/RANKL 变化可直接影响破骨细胞增殖和分化，无论是OPG 下降还是RANKL 升高，都会导致骨破坏发生。因此，OPG/RANK/RANKL 信号通路未来将会给OA 治疗带来不小的变革。

综上所述，Notch信号通路、Wnt信号通路、NF-κB信号通路、TGF-β/Smad 信号通路、JNK 信号通路、PI3K/Akt/mTOR 信号通路及OPG/RANK/RANKL信号通路可能通过调控软骨细胞合成或分解代谢、炎症反应等参与OA 的发生、发展。通过对这些信号通路的深入研究，或许可为骨关节炎的治疗提供新的思路。