抑制细胞衰老在骨关节炎软骨再生治疗中的研究进展

叶启程 聂萍

【提要】 近年来，细胞衰老在骨关节炎发生、发展中的作用已成为研究热点，现有证据已基本明确软骨细胞衰老、间充质细胞（Mesenchymal cells，MSCs）衰老与软骨修复异常及骨关节炎（Osteoarthritis，OA）的发生与发展存在一定因果关系。定向清除衰老细胞，促进干细胞的年轻化可有效延缓OA。本文针对细胞衰老在骨关节炎发生、发展中的病理作用及潜在治疗靶点进行综述。细胞衰老是OA 发生、发展中的重要生物学现象及潜在治疗靶点，深入研究其生物学机制有助于OA 的早期防治。

骨关节炎（Osteoarthritis，OA）是一种以软骨细胞肥大和凋亡、软骨细胞外基质降解、滑膜炎性浸润，以及软骨下骨重塑作为主要病理特征的慢性退行性疾病。临床表现为关节软骨退化、软骨下骨硬化、骨赘形成，并伴有关节疼痛、肿胀、畸形及活动障碍等，且多发于膝、髋等负重关节。OA 不是一种独特的疾病，而是一种具有不同临床表型和分子生物学的异质性综合征，经不断演变，最终导致上述临床表现[1]。

针对OA 的治疗手段目前大多仅为对症处理，缺乏疾病干预的有效药物，绝大部分患者最终仍需通过关节置换来缓解疼痛并恢复关节功能。对调控OA 发生、发展分子信号网络的研究，有望从根本上解决OA 的防治难题[2]。本文将从细胞衰老和OA 的机制，目前已被研究的治疗靶点与药物进行综述，并对潜在的治疗靶点进行简单的介绍。

1 细胞衰老

伦纳德·海夫里克（Leonard Hayflick）和保罗·摩尔黑德（Paul Moorhead）于 1961 年首次提到“细胞衰老”一词，它是指在特征性的细胞倍增后出现的不可逆的细胞生长停滞现象。细胞衰老被认为是一种信号转导过程，可导致细胞进入稳定的生长停滞状态，但能保持代谢活性，现被扩展描述为不同应激因素诱导的持久性增殖停滞状态，是对许多不同的触发因素的反应，包括DNA 损伤、端粒功能障碍、癌基因激活和细胞器应激，并与肿瘤抑制、组织修复、胚胎发生和器官老化等过程相关[3]。

细胞衰老可分为复制性衰老和早衰。复制性衰老是指端粒缩短导致的复制能力降低的状态，而氧化应激和DNA 损伤导致细胞周期停滞的过早衰老。这类细胞衰老的典型特征包括p21、p16和p53 的表达增加，衰老相关的β-半乳糖苷酶（SA-β-Gal）活性和活性氧水平升高。同时，衰老细胞中衰老相关分泌表型（Senescence-associated secretory phenotype，SASP）和促炎细胞因子的代谢活性和分泌水平也会随之发生变化[4]。

1.1 软骨细胞衰老与OA

软骨细胞是关节软骨（Articular cartilage，AC）中的独特细胞，对细胞外基质（Extracellular matrixc）的产生和周转至关重要，细胞外基质占AC 的95%。

软骨细胞衰老可能是由两方面因素共同决定的，包括应激诱导（DNA 损伤、氧化应激、炎性衰老以及表观遗传等）和有限的原位复制能力。OA 的病理机制涉及多种关节组织和细胞类型，但软骨细胞一直是衰老研究的重点。

目前关于细胞衰老和OA 的分子机制研究主要集中于三个方面：①衰老发生共同通路的上游调控机制；②衰老细胞产生SASP 的调控机制；③衰老细胞影响周围健康细胞的机制。

1.1.1 细胞衰老的两条上游调控机制

p53、p16 和p21 在细胞衰老中的重要作用已被广泛研究，可分为两种主要的信号通路：p53/p21 和Rb/p16。许多应激刺激可以激活不同的信号通路，并最终通过p53/p21 和/或Rb/p16 通路导致细胞周期停滞[4]。尽管这两种途径共享几种常见的调节因子，但p16/pRB 途径诱导的细胞生长停滞被认为是不可逆的，而p53/p21 途径诱导的生长停滞是可逆的[5]。

Diekman 等[6]通过小鼠及人体研究发现，p16的表达仅仅是软骨细胞增殖能力缺失的标志之一，而衰老细胞产生的SASP 才是衰老软骨细胞与OA之间的驱动因素。

1.1.2 SASP 的调控机制

衰老的细胞不仅表现出生长停滞的特征，而且促进SASP的产生。SASP影响周围的细胞和组织。SASP 中包含一系列细胞因子、生长因子、蛋白酶、氧化应激物质等，这些物质会对周围细胞的增殖、分化和代谢等产生影响[7]。

SASP 的影响主要包括两个方面：①SASP 中的一些细胞因子和生长因子可以诱导周围细胞进入增殖状态或者促进细胞分化；②SASP 中的一些蛋白酶和氧化应激物质可以诱导周围细胞凋亡或者损伤[8-9]。

1.1.3 衰老细胞（Senescent cells，SNCs）对周围健康细胞活性的影响

SNCs 通过SASP 对周围健康细胞产生影响。SASP 中含有多种生物活性分子，如细胞因子、生长因子、基质金属蛋白酶等，这些分子可以对周围的健康细胞产生广泛的影响，包括细胞周期的停滞、细胞凋亡、DNA 损伤修复、细胞枯萎等，最终影响组织的功能和结构[10]。

膝关节中的间充质细胞（Mesenchymal cells，MSCs）具有自我更新的能力，可根据组织特异性分为滑膜、脂肪源性和骨髓源性间充质细胞。已有研究表明，衰老软骨细胞可以抑制骨髓间充质干细胞的分化潜能和增殖，从而促进OA 的产生。

此外，近年还发现一些其他的潜在靶点。Liu等[11]提 出，细 胞 外 小 泡（Extracellular vesicles，EVs）可以携带供体细胞的遗传物质，并介导细胞通信，从而在OA 疾病的发展中发挥一系列作用，如传播炎症、改变代谢和促进细胞衰老，有望作为OA 早期诊断和评估病理类型、严重程度的生物标志物。经修饰和未经修饰的EVs 拥有治疗OA的潜力，但是仍然面临许多挑战。

内质网（Endoplasmic reticulum，ER）应激是指ER 中蛋白质错误折叠/未折叠的积累。Wen 等[12]在最近的研究中发现，内质网应激通过影响一系列细胞的生理功能，参与了OA 的病理变化。靶向ER 应激已被证明能够在体外和体内缓解OA 进展，ER 应激是OA 的一个有吸引力和有前途的靶点。

2 治疗策略

细胞衰老在OA 发生、发展中的重要作用，为研发靶向衰老细胞治疗OA 的药物提供了理论依据。根据作用方式的不同，目前常用药物有通过诱导衰老细胞凋亡的Senolytics（槲皮素、达沙替尼、USP7抑制剂、ABT263）和通过阻断SASP 旁分泌的Senmorphics（Nutlin-3a、Canakinumab、CL82198）。此外，近年还有研究提出干细胞、间充质细胞等新的治疗靶点。

2.1 靶向清除衰老细胞

衰老细胞相关的药物目前主要有三种：Senolytics、SASP 抑制剂和营养信号调节剂，其中以Senolytics 应用最为广泛。

Senolytics 是一种选择性消除衰老细胞的药物，包括达沙替尼、槲皮素、navitoclax、A1331852、A1155463、非西汀、木犀草素、HSP90 抑制剂等[9]。作为第一代Senolytics 的达沙替尼，是一种用于治疗白血病的化疗药物，后续被用于治疗细胞衰老[4]。Jeon 等[13]的研究结果表明，Senolytics 类药物UBX0101 可以从OA 软骨细胞培养物中选择性去除SNCs。

Miura 等[14]用ABT-263 预处理OA 患者的滑膜MSCs，结果表明，在软骨形成过程中，预处理的细胞产生了更多的糖胺聚糖和Ⅱ型胶原，衰老标志物（p16 和p21）和SASP 因子（MMP-13 和IL-6）及Ⅰ型胶原的表达降低。同样，Yang 等[15]也发现ABT263 关节内注射，改善了创伤后OA 大鼠软骨和软骨下骨的病理变化。

此外，近年还发现一些新的潜在靶点。如软骨祖细胞（Cartilage progenitor Cells，CPC）被定义为干细胞样细胞，具有优异的自我更新和多向分化潜力，被认为是OA 中的主要软骨修复剂。CPC在体外或体内也可以获得衰老表型[16]。Dai 等[17]证明了CPC 的衰老和SASP 的形成是相互依赖的，并与关节牵张成形术的不良结果相关，通过Senolytics 消除衰老的CPC 可以降低SASP 的形成。

2.2 靶向拮抗SASP

衰老细胞分泌一些因子或释放信号分子主动改变周围环境，引起组织细胞发生衰老，这种现象称为复制性衰老相关分泌表型[18]。与Senolytics优先诱导衰老细胞凋亡不同，Senmorphics 通过抑制SASP 信号通路，以减少旁分泌炎症因子的释放和组织损伤来治疗OA。目前已发现多种化合物可以抑制与SASP 相关的通路而不诱导细胞凋亡[3]。Schieker 等[19]发现，抗IL-1β 抗体卡纳单抗可以显著降低心血管事件高风险人群的膝关节和髋关节置换率。Coryell 等[20]证明了IL-6 受体抑制剂拖珠单抗在治疗OA 中有效，目前已经进入Ⅲ期临床试验。Wang 等[21]发现，注射MMP-13 抑制剂CL82198 可以明显缓解小鼠半月板韧带损伤OA 模型中的软骨退变，提高关节软骨中Ⅱ型胶原水平，可抑制软骨细胞死亡。此外，还有更多靶向SASP的药物正在被发现，例如通过清除活性氧达到拮抗SASP 效果的石斛碱、铈纳米颗粒等[22-23]。

2.3 激活内源性干细胞再年轻化

干细胞是未分化的细胞，具有调节免疫、抵抗炎症、促进血管生成和修复再生的作用。其他三种类型的干细胞，胚胎干细胞（Embryonic stem cell，ESCs）、诱导多能干细胞（Induced pluripotent stem cells，iPSCs）和间充质干细胞，是OA 治疗软骨再生的潜在候选细胞。ESCs 和iPSCs 都具有本质上的多能性特征，可以分化为其他细胞类型，包括软骨细胞。

Murphy 等[24]研究了与年龄相关的常驻骨骼干细胞（Skeletal stem cells，SSCs）群体的再生软骨能力，发现通过微创手术刺激成年小鼠四肢关节软骨表面区域，可以引发SSCs 的局部扩张和再生反应。

间充质干细胞在过去几十年中作为治疗OA的一种新兴技术被广泛探索。根据现有研究，间充质干细胞可通过干扰细胞免疫和分泌大量活性化学物质来限制OA 中的软骨降解[25]。研究发现，旁分泌机制是间充质干细胞的主要作用方式。外泌体是已知最小的膜结合纳米囊泡。Zhang 等[26]在小鼠OA 模型中发现，骨髓间充质干细胞衍生的外泌体可以通过促进滑膜巨噬细胞从M1 到M2 的表型转化来缓解骨关节炎。Jin 等[27]在大鼠OA 模型关节内注射人骨髓间充质干细胞（Bone marrow MSCs，BM-MSC）外泌体，BM-MSC 和BM-MSC衍生的外泌体均减轻了软骨破坏和软骨下骨重塑。

Čamernik 等[28]的研究表明，原发性骨关节炎的病理过程伴随着骨间充质干细胞衰竭，软骨下骨MSCs 耗竭与原发性骨关节炎在病理学上相关。通过其潜在的软骨分化能力、旁分泌作用及免疫调节作用，为OA 治疗提供了可能[29]。MSCs 对OA 治疗的作用是双重的，包括软骨生成和免疫调节活性。MSCs 不仅具有分泌多种细胞因子、趋化因子和生长因子的能力，还具有免疫调节作用[30]。

Wei 等[31]也提出关节内注射MSCs 可改善膝关节OA 患者的功能并减轻疼痛。不同来源的MSCs 的治疗对组织再生有积极影响。同时，多个荟萃分析证明了用于治疗OA 的MSCs 移植的安全性和有效性，Peeters 等[32]对治疗OA 的自体MSCs进行了系统分析，包括平均随访21 个月的844 名患者，结果表明骨髓间充质干细胞的关节内注射在治疗骨关节炎中是有效和安全的。

根据目前的信息，就MSCs 的最终有效性得出结论还为时过早。仍需要额外的放射学和组织学数据，以及更多的临床试验数据支持。同时，间充质干细胞对OA 的潜在治疗机制需要进一步研究。

2.4 靶向Sirtuins 治疗OA

沉默信息调节蛋白（Silent information regulator proteins，Sirtuins）是NAD+依赖性脱乙酰酶家族，从细菌到人类高度保守，控制各种细胞过程，包括DNA 修复、细胞周期、线粒体稳态和细胞衰老。已经有证据表明，Sirtuin 家族成员（sirt1、sirt6）与OA 的发展相关，可能是治疗OA 的新靶点。Yan 等[33]通过细胞实验发现，二甲双胍通过microRNA-34a/SIRT1 途径调节软骨细胞的衰老和增殖。此外，Wu 等[34]发现，Sirt6 的过度表达可以通过减少炎症反应和软骨细胞衰老来阻止OA 的发展。同样，Ji 等[35]使用来自OA 患者和对照组的临床样本，发现Sirt6 在软骨组织和软骨细胞中显著降低，并在动物模型中验证了Sirt6 可以预防OA，并强调了Sirt6 在软骨细胞衰老中的关键作用，表明Sirt6 可能是OA 的新的潜在治疗靶点。

3 总结与展望

现有研究表明，衰老细胞可能通过SASP 和改变关节内环境来参与OA 的发病和进展。此外，关节内衰老的骨骼细胞和滑膜细胞之间的相互作用对OA 的发生至关重要。但是，目前相关机制的研究并不完善，例如关节组织中负责 OA 发生、发展的特异衰老细胞和特异SASP因子尚未完全阐明[11]。

OA 的传统治疗包括非手术治疗以及外科治疗，但是并不能降低疾病早期的发病率，也不能防止软骨退化或促进再生。新兴疗法（如干细胞治疗）也存免疫排斥和致瘤性等风险。最近，包括Senolytics 和Senmorphics 在内的几种治疗药物已成功研发，并陆续在细胞和动物实验中验证。越来越多的证据表明，靶向衰老细胞将有助于治疗OA 这类与年龄相关的慢性疾病。