Wnt/OPG信号通路轴在类风湿关节炎骨破坏中的研究进展

高月 唐芳 马武开 兰维娅 蒋总 金泽旭 彭金龙 秦瑶

(1贵州中医药大学,贵州 贵阳 550002;2贵州中医药大学第二附属医院风湿免疫科)

类风湿关节炎(RA)全球发病率为0.5%～1.0%,我国发病率为0.42%,患病人数超过500 万〔1,2〕。RA 患者在病程5～9年、10～14年及≥15年的致残率分别为43.5%、48.1%、61.3%〔3〕,骨质破坏是其关节畸形甚至功能丧失的重要因素,引起RA骨破坏的具体分子机制复杂,尚在研究明确阶段。目前,有研究称Wnt/β-连环蛋白(catenin)信号通路和骨保护素/核因子-κB受体活化因子配体/核因子-κB受体活化因子(OPG/RANKL/RANK)信号通路是调节RA骨代谢,改善骨质破坏的2条重要通路〔4〕。当前治疗RA骨破坏的药物大多数属于生物抑制剂,且疗效并不显著。本文拟综述RA骨破坏与Wnt/OPG信号通路轴之间的相关性,为治疗RA骨破坏提供新思路、新靶点。

1 RA骨破坏

骨代谢是指破骨细胞(OC)通过骨吸收过程除去陈旧骨或受损骨,成骨细胞(OB)形成新骨以替代旧骨或受损骨的过程〔5,6〕。这两种骨细胞互相作用,相互影响,形成平衡状态,这就构成了正常骨代谢过程中至关重要的一步。OB和OC之间的平衡状态会受到诸多因素及物质的影响,比如炎症因子、激素〔7〕等,从而形成病理形态。所以一旦OB和OC之间的平衡被打破,人体内的骨代谢过程将不能维持骨量恒定和骨组织的相关功能,从而导致相关疾病,如骨质疏松(OP)、RA、骨关节炎(OA)等的发生,表现为骨痛、骨骼畸形、骨折等临床症状。

RA是全球慢性残疾的主要原因之一,以侵蚀性、对称性多关节炎为主要临床表现的慢性、全身性自身免疫性疾病,基本改变为滑膜炎、血管翳、关节软骨及骨的破坏,最终导致关节畸形和功能丧失〔8,9〕。其中骨破坏发生的主要形式包括关节边缘和软骨下骨的局灶性骨侵蚀;邻近炎症关节的骨丢失;系统性骨丢失〔10〕。在RA发生早期,关节周围即会出现骨侵蚀或骨破坏现象,并随着病情的进展而逐渐加重,同时也会发生广泛性骨丢失,如OP的出现〔11〕。RA中除了自身抗体如抗瓜氨酸蛋白抗体(ACPA)等的产生影响OC生成分化之外,滑膜炎症导致滑膜增厚、肥大,从而侵犯周围软骨和骨,最终引起RA骨破坏的发生〔10,12〕。骨破坏是RA活动性标志之一,提示疾病预后较差,需要高度重视〔13〕。

RA骨破坏发生的主要分子机制是炎症、免疫因子等引起的骨代谢失衡,OC骨吸收增加,OB骨形成减少〔14〕。根据组织病理学检测发现,RA中被破坏的骨表面存在大量OC〔15,16〕。Liu等〔17〕建立RA大鼠模型-CIA大鼠,对其踝、膝关节进行病理检测,可见CIA大鼠踝、膝关节炎症反应和骨破坏严重。万磊等〔18〕收治20例RA患者,进行股骨颈、腰椎L2～L4、双前臂的骨密度测定和骨形成、骨吸收标志物测定,结果显示与正常组相比,骨密度值明显下降,骨形成和骨吸收标志物略有改变。其中,众所周知,OPG/RANKL/RANK信号通路的激活与OC活性增强,导致骨吸收增加,骨量下降,而Wnt/β-catenin信号通路与OB激活,骨生成增加相关。这2条信号通路的相互作用以调控RA骨代谢的机制值得进一步探索,并以此为基点寻找出抗RA骨破坏的治疗手段。

2 Wnt/OPG信号通路轴

2.1Wnt/β-catenin信号通路 Wnt/β-catenin信号通路是一类主要由β-catenin介导的、多种蛋白参与的高度保守的信号通路〔19〕。其从胚胎时期至人生长发育期间,参与细胞增殖、分化、凋亡,影响人体各种生理病理过程。当受体卷曲蛋白(FZD)与单跨膜分子低密度脂蛋白受体相关蛋白(LRP5/LRP6)协同,形成FZD-LRP二聚体时结合Wnt配体,Wnt/β-catenin信号通路激活。从而抑制β-catenin磷酸化,使β-catenin在细胞质内积累,随后进入细胞核内与T细胞因子/淋巴样增强因子(TCF/LEF)结合,参与相关靶基因的表达或转录以促进骨髓间充质干细胞(BMSCs)向OB分化。Wnt/β-catenin信号通路的抑制因子如DKK1、骨硬化蛋白(SOST)在OC骨吸收的作用广受关注。有研究表明,Wnt/β-catenin信号通路参与骨免疫调节,在相关疾病中,TNF-α等炎症因子激活DKK1,从而使OB骨形成减少,OC骨吸收相对增多〔20〕。

2.2OPG/RANKL/RANK信号通路 OPG/RANKL/RANK信号通路作为免疫系统中的骨代谢家族新成员之一,是OC生成分化,导致骨吸收的显著标志物〔21〕。在20世纪90年代末,研究者们明确了此信号通路主要由RANKL、RANK、OPG同属于TNF和其受体超家族的3个因子共同组成〔22,23〕。RANKL又称为OPG配体(OPGL)、破骨细胞分化因子(ODF),属于一种Ⅱ型跨膜蛋白,主要由OB或T细胞产生后形成一种同源三聚体蛋白,与其受体RANK结合〔24〕。RANK主要由OC前体细胞、成熟的OC和免疫细胞,如树突细胞、巨噬细胞和小胶质细胞所表达〔25〕。除了RANKL和RANK,OPG同样是此信号通路中的重要组成部分之一。1997年Lacey等〔26〕研究者在体内外实验中发现其能够阻止OC生成,与骨吸收过程相关。经过多年研究证实,OPG作为RANKL可溶性诱饵受体,属于同源二聚体蛋白,同样由OB生成,能够同RANK竞争性与RANKL结合,使RANKL/RANK信号轴失活,抑制OC生成分化,激活相关免疫因子,起到骨保护作用〔23,27〕。

近年来,对与OPG/RANKL/RANK信号通路与骨代谢过程的研究得到广泛关注。当特定因子如炎症因子作用于此信号通路,刺激RANKL与RANK结合,招募衔接蛋白TNF受体相关因子(TRAFs),其中TRAF6与此信号通路中的RANK在OC前体细胞胞质内的连接最为合适,随后激活TNF-κβ、C-Fos等因子,使活化T细胞核因子(NFATc1)表达上调,最终促进OC分化〔28～30〕。从上述得知,此信号通路中涉及OC与OB的生成分化,RANKL/RANK信号轴促进OC生成分化,而OPG/RANKL的比率上升则意味着骨吸收减少,这为探究以骨破坏为病理特征疾病的治疗手段提供新思路。

2.3Wnt/OPG信号通路轴 Wnt/β-catenin信号通路和OPG/RANKL/RANL信号通路分别调控骨代谢过程中的OB和OC生成分化。OC骨吸收与OB骨形成相辅相成,OB产生RANKL和OPG以调控OC骨吸收,共同完成一次新骨与破损骨之间的转换更替〔24〕。当Wnt/β-catenin信号通路被激活,OB生成增加,刺激更多OPG的产生,OPG与RANKL结合更为容易,OPG/RANKL比率上升,从而使RANKL/RANK信号轴失活,OC生成减少,以调控骨代谢〔31,32〕。针对这一机制,有研究者提出Wnt/β-catenin信号通路可通过改变OPG/RANKL比率影响骨生成〔33〕。

Glass等〔34〕通过细胞和分子实验表明β-catenin与TCF蛋白通过调控OPG以影响OB表达,抑制OC分化。随后,Kramer等〔35〕通过动物实验表明β-catenin缺陷小鼠OPG表达下降,OPG/RANKL比率减低,从而OC骨吸收增加,导致小鼠出现骨量减少,证明β-catenin是骨细胞表达OPG所必需的。Huang等〔36〕实验证实,口腔科中大颗粒喷砂酸(SLA-LI)表面种植体通过Wnt-RANKL/OPG信号轴可增强其在体内的骨形成、骨融合。从上述可知,Wnt/OPG信号通路轴与骨代谢相关,为更进一步研究Wnt/OPG信号通路轴与RA骨代谢失衡之间的具体分子机制奠定基础。

3 Wnt/OPG信号通路轴与RA骨破坏

在RA中,Wnt/β-catenin信号通路的抑制因子DKK1表达量上升,抑制其激活,导致OB生成减少,骨破坏加重〔37〕。Ruaro等〔38〕进行临床研究,表明RA活动期患者血清DKK1水平明显升高,加速骨丢失和骨破坏。然而,RA中骨破坏发生机制也与OPG/RANKL/RANK信号通路失调控相关〔39,40〕,其中RANKL是引起RA骨破坏的主要因子之一,能够与RANK结合后激活此信号通路,与巨噬细胞集落因子(M-CSF)共同作用以促进OC前体细胞分化成OC,引起RA骨破坏〔41〕。Sun等〔42〕通过在CIA大鼠模型的关节腔内注射激素药物,使RANKL表达量上升,显微(micro)-CT可见比模型组更明显的骨质破坏。近年来,RANKL作为RA治疗骨质破坏的潜在靶点之一,研究RANKL拮抗剂称为热点〔43〕。同时,OPG作为RANK的竞争性受体,可以抑制OC生成分化,也成为探索RA骨破坏治疗方法的目的因子之一。Hairul-Islan等〔44〕进行体内实验研究獐芽菜苦甙通过OPG/RANKL/RANK信号通路抑制RA骨破坏的发生机制,表明此物质能增加OPG表达水平以表现出抗OC活性。

Wnt/β-catenin信号通路对RA骨代谢的调控与OPG/RANKL比率的变化密切相关〔45〕。但是,目前Wnt/OPG信号通路轴在RA骨破坏中发挥的具体分子机制尚未明确,需要更进一步的研究。

综上,RA的病理特征包括血管翳生成,滑膜炎症产生,骨及软骨破坏,其中骨及软骨破坏一直伴随着RA的病程进展。若治疗不当会加重病情,严重影响RA患者生活质量。Wnt/β-catenin信号通路和OPG/RANKL/RANK信号通路在人体骨代谢中都起到重要作用,两者通过OB的生成和OPG的产生进行相互作用。通过Wnt/OPG信号通路轴研究RA骨代谢,不但可以进一步明确RA骨破坏发生的具体分子机制,还可以为探寻治疗RA骨质破坏的方法,提高RA患者疾病后期的生活质量提供一种全新思路。