白介素1受体拮抗剂治疗骨关节炎的研究进展*

张平全 黄子荣 胡艳 梁宇杰 朱伟民*

骨关节炎（osteoarthritis, OA）是一种以关节疼痛、软骨退变为主要特征的慢性关节疾病，主要累及髋、膝等负重滑膜关节，引起关节疼痛、畸形及功能障碍等[1]。全球有超过3 亿人群患有骨关节炎，且患病人数呈逐年攀升的趋势，其中40 岁以上患病率达46%[2-3]。OA 的病因及发病机理至今仍未明确，目前为止，非手术疗法主要用以治疗早期的骨关节炎。而针对中晚期的骨关节炎，则主要采取手术治疗。尽管如此，但无论手术疗法还是药物治疗都不能有效地阻止软骨的退变。近年来，随着对OA 发病机制的深入研究，研究者们阐明了多种细胞因子参与软骨基质的分解与代谢平衡的作用机理，这一系列细胞因子又会进一步影响OA的发生发展。其中，白介素1（interleukin-1, IL-1）作为影响OA 软骨破坏最重要的细胞因子，近些年来备受关注，其拮抗物白介素1受体拮抗剂（IL-1 receptor antagonist,IL-1Ra）也是近年来的研究热点。

1 IL-1与IL-1Ra概述

1.1 IL-1

IL-1 是一种高度活性的细胞因子，是能刺激各类生物学反应的有效激动剂。IL-1 由绝大多数有核细胞分泌，但其主要来源为单核巨噬细胞，其次是上皮细胞、软骨细胞和滑膜细胞等。IL-1分为IL-1α和IL-1β两种类型。这两种亚型有着不同的分泌机制，其中IL-1α 主要以前体形式在细胞内参与IL-1的自分泌，其余被转运与细胞膜结合，参与旁分泌[4]；IL-1β前体则主要经过IL-1转化酶裂解，进而转运到细胞外发挥功能[5]。

1.2 IL-1Ra

IL-1Ra能与IL-1两种亚型的受体结合，但不会引起细胞内部反应。IL-1Ra 和IL-1α、IL-1β 分别有着18%和26%的同源性氨基酸序列。在人类染色体2q14区域中，IL-1α、IL-1β和IL-1Ra基因相互靠近且序列非常相似[6]。IL-1R家族由ILRI、IL-1RⅡ、IL-1R辅助蛋白（IL-1RAcP）、IL-18Ra、IL-18Rb、ST2（或IL-33R）、IL-36R（以前称为IL-1Rrp2）、单个Ig IL-1R 相关分子（SIGIRR，也称为TIR8）、三个含Ig 相关结构域的IL-1R-2（TIGGIR-2，也称为IL-1RAPL1）和TIGGIR-1（也称为IL-1RAPL2）共计10 个成员组成。其中，IL-1Ra 被证明最易和IL-1RI相互结合，且解离率非常低，结合不可逆。因此，IL-1Ra被认为能阻止其细胞表面受体之间的相互作用，也被认为是IL-1的天然拮抗剂。

2 IL-1与OA的形成

IL-1β 在关节滑液中高表达，且与软骨损伤有着显著的相关性[7]。在OA软骨细胞和基质中，IL-1为强阳性。有研究表明，OA 软骨细胞的质膜蛋白中包含大量的IL-1 受体，其表达量为正常软骨细胞的2倍[8]。IL-1促进OA软骨病变的主要作用机制为：促进软骨细胞凋亡、抑制软骨基质形成、诱导上调基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase,MMPs）的形成、参与炎症介质表达等。此外，滑膜细胞对IL-1 也具有较高的敏感性，IL-1 能够促进滑膜细胞表达过量的PGE2，从而加重滑膜炎症[9]。

2.1 IL-1对软骨细胞的影响

软骨细胞是关节软骨的重要组成部分。一般来说，其增长与凋亡处于动态平衡中。然而，在IL-1的作用下，软骨细胞能产生大量的一氧化氮（NO），而过量的NO 能使软骨细胞发生凋亡，并导致软骨基质发生降解[10]。同时，NO 也可减弱基质抵抗外伤的能力。此外，有研究表明，当细胞凋亡的膜受体通路Fas 与其配体FasL 结合时可诱导细胞死亡。在OA 患者的关节液中，FasL 的过度表达也能诱导软骨细胞凋亡。IL-1 刺激软骨细胞后，能够激活Fas途径，最终导致软骨细胞凋亡[11]。

2.2 IL-1对软骨基质及基质金属蛋白酶（MMPs）的影响

关节软骨主要由细胞外基质构成，当基质降解超过合成从而打破两者的平衡时，就会导致软骨破坏并最终加重OA。MMPs广泛存在于结缔组织中，由20多个成员组成，能对组织进行重塑。另外，MMPs还能降解Ⅱ型胶原和蛋白聚糖，破坏关节软骨并加重OA进展。人体中的内源性基质金属蛋白酶抑制剂（tissue inhibitor of metalloproteinases,TIMPs），是MMPs家族的主要抑制物。一方面，IL-1可使MMPs加快合成；另一方面，IL-1还能抑制TIMPs的产生，导致两者比例升高，加速基质降解，并最终导致OA[12]。

2.3 IL-1对关节滑膜的影响

OA 是一种无菌性慢性滑膜炎，常常伴有关节疼痛、肿胀等炎性症状和体征。IL-1 在滑膜炎症中也发挥着重要作用，在OA滑膜组织及关节置换术后的界膜组织中，IL-1的表达量显著上调[13]。在OA 的早期阶段，滑膜炎与固有免疫密切相关，IL-1β 可以促使滑膜细胞分泌大量的PGE2、ICAM-1 等促炎因子，导致滑膜发生炎症反应。另外，新产生的PGE2 又能够促进软骨的分解，进一步加重OA炎症的发展[9]。

2.4 IL-1对其他细胞因子和炎症介质的影响

除IL-1 本身在OA 中扮演着重要角色外，IL-1 还能与其他促炎因子协同作用促进OA 炎症，并且这种协同作用对于炎症的促进作用远大于IL-1 本身。IL-1 能够激活多条软骨细胞信号通路，诱导软骨细胞去分化及细胞死亡。在IL-1β 的刺激下，软骨细胞中一氧化氮合酶（iNOS）表达上调，释放大量的NO，导致软骨细胞DNA 损伤，并通过Fas途径介导软骨细胞凋亡[14]。氧化应激亦导致软骨细胞线粒体损伤，IL-1β 可使软骨细胞产生大量的活性氧自由基（ROS），介导线粒体损伤，干扰细胞能量代谢，诱导软骨细胞凋亡，促进软骨组织降解[15]。此外，IL-1 还可上调陷穴蛋白（caveolin）的表达，从而诱导软骨细胞的衰老[16]。IL-1 还能协同肿瘤坏死因子（TNF-α）诱导MMPs 产生，抑制软骨基质合成[17]。总之，IL-1能参与免疫级联放大反应，所产生的多种下游因子又能够反过来促进软骨细胞分泌大量的IL-1，这种正反馈调节最终将导致OA病程不断恶化。

3 IL-1Ra与OA的治疗

3.1 体外模型研究

有研究发现，IL-1Ra 在OA 进展的不同时期存在着不同的表达情况。在早期OA 中，IL-1Ra 表达量显著降低，但其表达量仍然是IL-1α的4倍左右[18]。到了中期，细胞膜上的IL-1Ra 含量大幅度降低，不能抵抗IL-l 引发的一系列促炎效应。这些研究说明，随着OA 的不断发展，IL-1Ra的保护作用也在进一步减弱。因此，在OA的早期治疗中，IL-1Ra的功能是值得备受关注的。IL-1Ra/IL-1的比率失调与软骨破坏正相关，是OA 形成的重要节点[19]，但是单纯增加局部IL-1Ra 水平可能无法从根本上阻止OA 病变的进展，故找到合适的方法以维持两者比例的动态平衡可能是阻止OA进展的关键所在。

3.2 动物模型研究

在动物实验中，Pelletier等[20]在横断狗膝关节前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）建造OA 动物模型后，免疫组化显示IL-1表达明显增加，注射IL-1Ra后，软骨细胞MMPs 表达明显减少，相比对照组，处理组的骨赘形成和软骨破坏均得到显著缓解。Fernandes等[21]的研究发现，采用脂质体负载IL-1Ra 表达质粒并进行关节腔注射后，检测到IL-1Ra高表达，而对照组的软骨损伤较轻，骨赘形成减少。国内马丽等[22]研究发现，通过间接转染的方法，首先将表达IL-1Ra 的病毒载体转染至自体滑膜细胞，然后将自体滑膜细胞注入兔OA关节腔中，结果发现治疗后兔软骨的NO表达量明显下调，软骨细胞存活率显著提高，同时软骨基质降解受到明显抑制。通过基因转染IL-1Ra的方法，不仅能够使IL-1Ra在长期时间内表达上调，最长可达28 d，也能显著缓解OA相关临床指征，阻止OA的进一步发展，从而维持关节软骨的正常形态。此外，该方法还有利于改善滑膜炎症及软骨表型。Nixon 等[23]报道了一种辅助依赖性腺病毒（HDAd）介导的关节内基因治疗方法，在小型动物模型老鼠及大型动物模型马中使用IL-1Ra能长期表达，可用于持续对症和改善OA的治疗。此外，Watson Levings等[24]通过自互补腺相关病毒（scAAV）作为IL-1Ra马前肢关节内基因传递的载体，表明scAAV-IL-1Ra给药的安全性较好，并且能够在体内长期持续产生治疗性的IL-1Ra。

3.3 临床研究

IL-1Ra能够与IL-1的受体结合，阻遏IL-1的生物学作用，这使得IL-1Ra 在OA 治疗中有着广阔的应用前景。已有研究表明，使用IL-1α和IL-1β的双重抗体在手部和膝部OA[25-26]，发现IL-1受体拮抗剂不是治疗OA有效的镇痛/抗炎药物，可能是因为患病部位及参与者的个体差异而未取得预期疗效。同样，在包含160例膝关节OA患者的随机双盲对照试验中，采用单次关节内注射IL-1Ra 未能在3 个月（主要终点）改善OA 症状[27]。另外，一项关于IL-1R 单克隆抗体的随机双盲对照研究也显示其与安慰剂作用相当，临床上获益较少[28]。似乎，IL-1Ra 在人体OA 的临床研究应用上有一定的困难。不过，也有研究表明，IL-1Ra可减轻膝关节创伤后个体的疼痛。虽然有一半的患者膝关节创伤后可能在5 ～ 10 年内发展为OA，但没有证据表明损伤后的早期疼痛可以导致OA，而损伤后早期使用IL-1受体拮抗剂可以减轻膝关节疼痛、炎症等，这推测可能减少OA的发生率[29-30]。因此有待进一步研究证实IL-1Ra的临床疗效。

由Christopher Evans 推进的Ⅰ期剂量递增研究（NCT02790723）利用OA患者评估了编码人类IL-1受体拮抗剂的腺相关病毒（Adeno-associated virus, AAV）载体的安全性和耐受性，结果表明，9 例对常规治疗无反应的中期OA 患者接受了关节内注射AAV-IL-1Ra 并随访1 年，效果良好，只有肿胀不适这一种不良反应，这促使进行Ⅱ期试验以评估IL-1受体拮抗剂在OA中的治疗效果[31]。总之，目前IL-1Ra在OA的临床研究较多，但研究结果不尽相同，值得进一步研究以证其疗效以及安全性。

4 IL-1Ra递送方法

采取适宜的药物递送方法不仅能够提高药物利用率，降低其细胞毒性，还能延长其在体内的作用时间。近年来，关于IL-1Ra的递送方法主要包括蛋白递送和基因递送。蛋白递送已相对比较完善成熟，而基因递送还在探索之中。

4.1 蛋白递送

蛋白递送是指蛋白质靠其上游信号序列通过共翻译转运或翻译后转运的方式靶向内质网或其他细胞器膜上，进而分选到不同细胞器或分泌到胞外的过程。研究表明，IL-1Ra蛋白局部注射给药可以缓解滑膜炎症，但因其半衰期较短，少量的局部给药后很快会被代偿掉，因此必须高频率注射才有一定的疗效，因而限制了其推广使用[32]。一项临床研究通过双盲试验法给予骨关节炎患者膝关节中注射50 ～150 mg剂量的IL-1Ra蛋白，经观察，患者未发生相关的炎症反应，并且疼痛明显减轻，并且他们认为150 mg是该种治疗方式的最大耐受剂量[33]。但仍不能改变IL-1Ra在体内作用半衰期较短这一事实。因此，如何能保证人体OA 关节腔注射IL-1Ra的治疗长期有效，解决给药后半衰期较短这一明显缺陷，是推进IL-Ra治疗OA进入临床应用所面临的关键问题。而近年来兴起的基因工程靶向递送，可能将会针对这一问题给出解决方案。

4.2 基因递送

基因递送是指利用一些方法将特定的基因导入细胞或机体的过程，表达特定的核酸或者蛋白，以达到治疗疾病的目的。Evans 等[34]将IL-1Ra 转移至逆转录病毒载体上，使之通过成纤维细胞回植至即将置换的掌指关节中，然而术后标本检测除了掌指关节之外的其他部位未发现IL-1Ra的表达。这说明逆转录病毒载体的定位是精准的，对于临床应用有着潜在的价值。与此同时，Dayer 等[35]使用胶原蛋白-羟基磷灰石支架（collagen-hydroxylapatite, CHA）递送编码IL-1Ra的质粒，并将其递送至大鼠来源的MSC中，结果发现MSC中高表达的IL-1Ra可以大大降低发生炎症的几率，并且白脂肪是体内IL-1Ra 的主要来源。由此可见，IL-1Ra 能够延缓OA 的进程。除了疗效明显之外，其研究结果还表明回植入体内是安全可行并且精准有效的。

5 小结与展望

本文主要就IL-1Ra 在骨关节炎治疗中的作用进行综述。IL-1 在OA 关节软骨破坏、滑膜炎症等方面的作用已得到公认，但IL-1引发OA软骨病变的完整作用机制仍待深入探究。IL-1Ra作为治疗靶点在体外及动物模型研究中显示了良好前景，但缺乏足够的临床疗效支持。基于IL-1Ra的特性与骨关节炎的临床特点，蛋白递送由于其局限性似乎无法在临床推广使用，而药物递送系统中的基因递送，或许可以为IL-1Ra 的递送提供更加安全高效的方法[36-37]。由此可见，虽然对OA 的治疗暂时没有根治方式，但是针对IL-1Ra的一系列探索研究，特别是基因递送的方式或许能够为治疗提供一个新的思路，同时也为临床上骨关节炎的治疗奠定基础。此外，不仅要关注不同药物递送系统对于IL-1Ra 治疗效果的影响，也要继续对IL-1 在OA 中的具体参与机制进行不断深入研究，相信通过对这两方面的深入研究，能够为OA的治疗提供更多安全有效的方案。