吳偉 焦俊玥 李慧 張玲莉*

1. 上海體育學(xué)院，上海 200438 2. 浙江中醫(yī)藥大學(xué)第三臨床醫(yī)學(xué)院，浙江 杭州 310053

骨關(guān)節(jié)炎是當(dāng)今難治疾病之一，當(dāng)關(guān)節(jié)軟骨出現(xiàn)損傷時(shí)，不同的信號通路通過接收關(guān)節(jié)內(nèi)的炎性刺激及應(yīng)激等，導(dǎo)致軟骨細(xì)胞凋亡，破壞關(guān)節(jié)軟骨[1-3]。本文對關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的Notch信號通路、Wnt信號通路及MAPK信號通路3條經(jīng)典通路進(jìn)行闡述，分析其對關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞分化不同時(shí)期的不同作用機(jī)制，且當(dāng)出現(xiàn)軟骨損傷時(shí)3條通路對軟骨細(xì)胞代謝的作用。同時(shí)，總結(jié)運(yùn)動(dòng)作為一種非藥物治療方法，對受損關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的作用，為骨關(guān)節(jié)炎中軟骨損傷治療提供一定的理論參考。

1 Notch信號通路

Notch信號通路是骨代謝中的一條經(jīng)典通路，對骨的發(fā)育及骨細(xì)胞的活性很重要，具有調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞分化的功能[4]。近幾年，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)Notch信號通路對軟骨形成也具有重要作用，Notch信號通路能調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞在不同時(shí)期的分化，包括軟骨細(xì)胞誘導(dǎo)分化期、分化期及終末分化期[5]。

Notch信號通路有4個(gè)受體(Notch 1、2、3、4)和5個(gè)配體(Delta-like 1、3、4及Jagged 1、2)。當(dāng)這些受體跟配體結(jié)合后，Notch基因編碼完成才可以激活Notch信號通路[6]。

軟骨細(xì)胞來源于骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)，Notch信號通路在BMSCs分化為軟骨細(xì)胞的過程中起到關(guān)鍵作用[7]。在BMSCs分化時(shí)，通過Notch信號通路上調(diào)SOX-9(SRY-related high mobility group-box gene 9)的表達(dá)可以促進(jìn)軟骨細(xì)胞的發(fā)育，SOX-9是調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞發(fā)育的重要因子，能促進(jìn)膠原蛋白Ⅱ、Ⅸ和蛋白聚糖等的表達(dá)[8]。但當(dāng)過表達(dá)Notch 1時(shí)，SOX-9和蛋白聚糖的表達(dá)則隨之降低[9]。此外，在BMSCs分化中，Jagged 1配體表達(dá)增加，軟骨細(xì)胞重要基因HES(hairy and enhancer of split)1、5通過Notch信號通路表達(dá)增強(qiáng)[10]。說明在BMSCs向軟骨細(xì)胞分化中，Jagged 1配體是關(guān)鍵催化劑，可以促進(jìn)早期軟骨細(xì)胞的分化。在早期骨關(guān)節(jié)炎動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，同樣可發(fā)現(xiàn)Jagged 1配體表達(dá)的增強(qiáng)[11]。

在軟骨細(xì)胞分化、軟骨形成過程中，HES 1、5仍有著重要作用[12]。HES 1表達(dá)水平可代表Notch 1的信號強(qiáng)度，HES 5有顯著促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖的作用。早期軟骨細(xì)胞分化、軟骨形成過程中，HES 1、5通過Notch信號通路表達(dá)迅速增強(qiáng)，快速促進(jìn)軟骨細(xì)胞成熟及增殖。當(dāng)達(dá)到某一介點(diǎn)時(shí)，HES 1、HEY 1(Notch信號通路重要靶基因)與SOX-9被激活且在相應(yīng)的識別位點(diǎn)的序列結(jié)合，抑制軟骨膠原蛋白Ⅱ形成，從而負(fù)向調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞成熟及增殖[13]。

軟骨細(xì)胞終末分化時(shí)，即使誘導(dǎo)Jagged 1表達(dá)增強(qiáng)，軟骨的形成仍受到抑制。且如果抑制Notch信號通路，亦可使軟骨細(xì)胞增殖和肥大，說明此階段Notch信號通路以負(fù)向調(diào)節(jié)為主。其機(jī)制可能與HEY 1表達(dá)量增加有關(guān)[14]。

2 Wnt信號通路

Wnt信號通路是一條高度保守的信號通路，主要分為經(jīng)典Wnt/β-catenin信號通路及非經(jīng)典信號通路[15]。研究發(fā)現(xiàn)，Wnt/β-catenin信號通路對早期軟骨細(xì)胞分化、增殖及軟骨生成起到重要作用[16-17]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，2周齡大鼠軟骨細(xì)胞Wnt/β-catenin信號通路處于激活狀態(tài)時(shí)，可促進(jìn)軟骨細(xì)胞分化及增殖。當(dāng)8周齡時(shí)，同樣激活Wnt/β-catenin信號通路則增加了軟骨細(xì)胞的凋亡，伴有基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)高表達(dá)[18]。在成年小鼠軟骨細(xì)胞中，Wnt/β-catenin信號通路被激活可導(dǎo)致類似骨關(guān)節(jié)炎的早期表型[19]。

Wnt信號通路中，Wnt蛋白、β-catenin、Frz及Gsk3蛋白有著重要作用，它們的表達(dá)量對軟骨細(xì)胞分化增殖具有調(diào)節(jié)作用[20]。Wnt5a和Wnt5b可調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞的分化增殖，此外誘導(dǎo)Wnt-4、Frizzled-2、β-catenin的高表達(dá)，可激活Wnt/β-catenin信號通路促進(jìn)軟骨細(xì)胞分化增殖[21-22]。

骨形成蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)和MMP-13是Wnt/β-catenin信號通路2個(gè)重要的下游基因，BMP是轉(zhuǎn)化生長因子β(transforming growth factor β，TGF-β)的家族成員，功能廣泛，可促進(jìn)BMSCs向軟骨細(xì)胞分化[23-24]。MMP-13是MMP中一種膠原酶，可直接降解關(guān)節(jié)軟骨中的Ⅱ型膠原(軟骨破壞的限速酶，在軟骨基質(zhì)中含量最高)[25-26]。研究發(fā)現(xiàn)BMP-2表達(dá)可促進(jìn)β-catenin表達(dá)，同時(shí)抑制糖原合成酶激酶3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β)的表達(dá)，從而促進(jìn)軟骨細(xì)胞的分化增殖[27]。而在骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis，OA)軟骨中發(fā)現(xiàn)β-catenin和環(huán)氧合酶2(cyclooxygenase，COX-2)大量表達(dá)，從而引發(fā)MMP-13高表達(dá)，最終導(dǎo)致軟骨流失[28]。筆者認(rèn)為在軟骨生長早期，關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞通過Wnt/β-catenin、BMP信號通路得以大量分化增殖，促進(jìn)軟骨形成。當(dāng)達(dá)到一定飽和后，在軟骨細(xì)胞中，β-catenin處于一個(gè)較低水平或者休眠狀態(tài)。若軟骨表面出現(xiàn)損傷可激活β-catenin持續(xù)表達(dá)，持續(xù)的β-catenin高表達(dá)則引起了MMP-13表達(dá)，造成軟骨丟失。高寧陽等[29]研究發(fā)現(xiàn)，特異性調(diào)高Wnt/β-catenin信號通路，上調(diào)BMP-2、MMP-13引起了關(guān)節(jié)軟骨表面的骨贅生成及軟骨破壞。說明當(dāng)軟骨損傷時(shí)，Wnt/β-catenin信號通路對軟骨代謝的影響可能會逐漸轉(zhuǎn)向?qū)谴x的影響。

3 MAPK信號通路

MAPK信號通路可以接受不同細(xì)胞外刺激而激活，并且具有十分重要的作用[30]。MAPK在關(guān)節(jié)軟骨損傷時(shí)是最為重要的信號通路。當(dāng)關(guān)節(jié)軟骨受損時(shí)，相關(guān)炎性因子如白細(xì)胞介素1(interleukin，IL-1)、腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor，TNF-α)激活MAPK信號通路，促進(jìn)MMP表達(dá)，從而抑制軟骨細(xì)胞分化增殖、破壞軟骨生成，亦可促使軟骨細(xì)胞的肥大鈣化[31-32]。

MAPK信號通路主要包括p38MAPK信號通路、JNK信號通路及ERK信號通路。

p38MAPK信號通路主要參與軟骨細(xì)胞炎癥反應(yīng)及細(xì)胞凋亡過程，p38蛋白激酶在OA軟骨破壞中處于樞紐地位，尤其在OA退化過程中有重要作用[33]。IL-1和TNF-α等炎性因子可以激活軟骨細(xì)胞中的p38MAPK信號通路，促進(jìn)MMP-13高表達(dá)，降解軟骨中的Ⅱ型膠原，破壞關(guān)節(jié)軟骨[34]。p38MAPK信號通路還是NO誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞凋亡的上游通路，OA過程中，滑膜細(xì)胞和軟骨細(xì)胞會共同生成大量NO，促進(jìn)MMP表達(dá)，從而抑制軟骨蛋白多糖的合成，降解軟骨膠原。此外，p38MAPK信號通路激活可促進(jìn)COX-2表達(dá)，觸發(fā)疼痛，并使關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生惡性循環(huán)。在關(guān)節(jié)軟骨受損時(shí)，由于關(guān)節(jié)內(nèi)炎癥反應(yīng)、水腫、脹痛等因素都會激活p38MAPK信號通路，促進(jìn)一系列軟骨細(xì)胞凋亡、降解的酶高表達(dá)，最終破壞關(guān)節(jié)軟骨[35]。

JNK信號通路主要在關(guān)節(jié)軟骨損傷后應(yīng)激反應(yīng)和軟骨細(xì)胞凋亡中起重要作用[36]，傳導(dǎo)通路大致分為：損傷應(yīng)激→生發(fā)中心激酶(germinall center kinase，GCK)→分裂酶原蛋白激酶(MAP kinase kinase kinase，MEKK)→JNK→軟骨細(xì)胞凋亡[37]。與p38MAPK信號通路相似，JNK信號通路在IL-1和TNF-α等炎性因子表達(dá)時(shí)也可被激活，促進(jìn)COX-2和MMP-13高表達(dá)，導(dǎo)致軟骨細(xì)胞降解凋亡，并引發(fā)疼痛[38]。JNK信號通路調(diào)控NO合酶(i-NOS)表達(dá)來增強(qiáng)NO表達(dá)，促進(jìn)MMP-13表達(dá)[39]。但在應(yīng)激情況下，短時(shí)間內(nèi)NO表達(dá)增加可促進(jìn)氧自由基(reactive oxygen species，ROS)的消除，從而在一定程度上緩解了應(yīng)激狀態(tài)[40]。JNK信號通路和p38MAPK信號通路共同參與了軟骨細(xì)胞的凋亡，阻斷兩條通路可以抑制軟骨細(xì)胞凋亡。此外，JNK信號通路可抑制SOX-9表達(dá)，影響軟骨細(xì)胞發(fā)育[41]。JNK信號通路在軟骨損傷后應(yīng)激反應(yīng)中起著重要作用，與NO關(guān)系密切，其接受應(yīng)力刺激的活性要比p38MAPK信號通路更強(qiáng)，反應(yīng)更迅速。

ERK信號通路對軟骨細(xì)胞具有雙向調(diào)節(jié)的作用[42]。一方面，在正常軟骨細(xì)胞中，ERK是一個(gè)存活信號，它可以調(diào)節(jié)Ⅱ型膠原、軟骨蛋白等表達(dá)，維持軟骨細(xì)胞分化增殖[43]。此時(shí)，ERK的表達(dá)處于一個(gè)穩(wěn)定的水平。另一方面，當(dāng)軟骨受損時(shí)，炎性因子如IL-1β和TNF-α等則進(jìn)一步激活ERK信號通路，使MMP-13、COX-2等表達(dá)增加，最終造成軟骨細(xì)胞凋亡或肥大鈣化[44]。有研究者提出，損傷關(guān)節(jié)軟骨處于應(yīng)激狀態(tài)時(shí)，通過激活MAPK信號通路，同時(shí)引起炎性因子(IL、TNF-α)和生長因子(TGF-β、IGF)的表達(dá)，進(jìn)而形成正反饋，使軟骨細(xì)胞能夠繼續(xù)合成分化或者凋亡分解[45]。筆者認(rèn)為，造成這一結(jié)果的原因可能是因?yàn)樵诙虝r(shí)間內(nèi)，抗氧化劑可以消除一定ROS緩解應(yīng)激狀態(tài)。其次，很可能和ERK的表達(dá)量有關(guān)，ERK在一定范圍內(nèi)是有利于軟骨細(xì)胞的合成分化的。當(dāng)超出其臨界點(diǎn)時(shí)，ERK信號通路對軟骨細(xì)胞具有負(fù)向調(diào)節(jié)作用。Notch、Wnt及MAPK信號通路對軟骨細(xì)胞的作用見表1。

表1 Notch、Wnt及MAPK信號通路在軟骨細(xì)胞分化不同時(shí)期和炎性因子、應(yīng)激狀態(tài)下的作用

4 運(yùn)動(dòng)對軟骨細(xì)胞代謝的影響

4.1 運(yùn)動(dòng)對受損軟骨細(xì)胞代謝的影響

從軟骨細(xì)胞早期誘導(dǎo)分化到分化終末期，及關(guān)節(jié)軟骨受損后，Notch信號通路、Wnt信號通路及MAPK信號通路都起到重要作用。特別是在軟骨受損后，由于關(guān)節(jié)腔內(nèi)的炎性因子及水腫、壓力等應(yīng)激因素，對3條信號通路產(chǎn)生較大影響，不利于軟骨修復(fù)。因此，當(dāng)軟骨受損時(shí)，減緩炎癥及應(yīng)激狀態(tài)成為軟骨修復(fù)的重點(diǎn)。運(yùn)動(dòng)對炎性因子和應(yīng)激具有影響，運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、方式等是關(guān)鍵因素。

炎性因子與應(yīng)激本身關(guān)系密切，炎性因子表達(dá)可引起軟骨細(xì)胞應(yīng)激，而長時(shí)間的應(yīng)激又誘發(fā)炎性因子分泌。應(yīng)激狀態(tài)時(shí)，大量活性ROS產(chǎn)生，若不能及時(shí)清除過剩的ROS，最終將導(dǎo)致軟骨細(xì)胞損傷[46]。

運(yùn)動(dòng)本身也是一種應(yīng)激，運(yùn)動(dòng)時(shí)耗氧量增加，為滿足機(jī)體的需氧量，大量ROS產(chǎn)生，此時(shí)抗氧化酶的活性也隨之增強(qiáng)，以提高機(jī)體耐受氧化應(yīng)激，清除過剩的ROS。一般來說，中小強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)能顯著提高抗氧化酶超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)和過氧化氫酶(catalase，CAT)，提高機(jī)體抗ROS能力。Kaczor等[47]研究發(fā)現(xiàn)，長期低強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)可以增加細(xì)胞適應(yīng)性應(yīng)答，減緩ROS造成的細(xì)胞損傷，抑制細(xì)胞凋亡。何曉玲等[48]研究發(fā)現(xiàn)，中低強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)可降低炎性因子IL-1β、TNF-α的表達(dá)，而高等強(qiáng)度則會增加其表達(dá)。中小強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)提高機(jī)體抗氧化酶活性的效果在運(yùn)動(dòng)后48 h最為明顯，抗氧化酶的活性與有氧運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間有關(guān)，其強(qiáng)度越大或者持續(xù)時(shí)間越長，抗氧化酶活性增高越明顯[49]。此外，Muyesaier等[50]研究發(fā)現(xiàn)，持續(xù)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)可降低大白兔骨關(guān)節(jié)炎模型組關(guān)節(jié)液中IL-1和TNF-α的水平，其機(jī)制可能與ERK信號通路的激活有關(guān)。

筆者認(rèn)為，在關(guān)節(jié)軟骨受損時(shí)，Notch信號通路、Wnt信號通路及MAPK信號通路處于高度激活狀態(tài)。而適宜的運(yùn)動(dòng)通過減緩炎性因子(如IL-1β、TNF-α等)及軟骨細(xì)胞應(yīng)激(ROS的清除)而抑制了3條信號通路的高度激活，使3條信號通路逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)本身對3條信號通路具有一定激活作用。中低強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)可作為受損軟骨干預(yù)的較好方式，當(dāng)炎性因子和應(yīng)激狀態(tài)處于較高水平時(shí)，持續(xù)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)可作為首選。

4.2 運(yùn)動(dòng)對早期誘導(dǎo)分化期軟骨細(xì)胞代謝的影響

關(guān)節(jié)內(nèi)軟骨細(xì)胞處于終末期時(shí)，Notch信號通路、Wnt信號通路及MAPK信號通路都起到抑制軟骨細(xì)胞合成，使其處于穩(wěn)定水平作用。當(dāng)此時(shí)關(guān)節(jié)軟骨受損時(shí)，由于炎性因子及軟骨細(xì)胞應(yīng)激激活了相關(guān)信號通路，加速了軟骨細(xì)胞凋亡。通過適宜的運(yùn)動(dòng)可以減緩炎性因子表達(dá)，改善應(yīng)激狀態(tài)，但很難或者無法將被破壞的軟骨組織得以修復(fù)。原因有：(1)3條信號通路對于分化后期的軟骨細(xì)胞多是具有抑制作用。(2)關(guān)節(jié)軟骨組織結(jié)構(gòu)特殊，既無血管、神經(jīng)組織，又沒有淋巴管，代謝及修復(fù)能力極差。早期關(guān)節(jié)軟骨可由軟骨下骨通路獲得部分營養(yǎng)，成年關(guān)節(jié)軟骨無此營養(yǎng)通路。因此，想要使被破壞的軟骨組織得以修復(fù)，在關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)無炎性因子及軟骨細(xì)胞應(yīng)激時(shí)，將早期誘導(dǎo)分化期的軟骨細(xì)胞移植入關(guān)節(jié)內(nèi)，可能將被破壞的軟骨組織得以修復(fù)。Notch信號通路、Wnt/β-catenin信號通路及ERK信號通路對早期誘導(dǎo)分化期的軟骨細(xì)胞都具有促進(jìn)合成分化的作用。

在此階段，不同的運(yùn)動(dòng)方式對于Notch信號通路、Wnt信號通路及MAPK都具一定激活作用。但此過程中需避免過度訓(xùn)練，過度訓(xùn)練會再次造成關(guān)節(jié)軟骨的炎性反應(yīng)和應(yīng)激導(dǎo)致的ROS過剩。李軍勇等[51]研究中將正常關(guān)節(jié)軟骨大鼠進(jìn)行上下午跑臺訓(xùn)練，每次時(shí)間為30 min，共60 min，每周5 d，共6周。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，從第4周開始，引起了大鼠正常關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的凋亡。其原因主要由于過度訓(xùn)練導(dǎo)致大鼠關(guān)節(jié)內(nèi)的炎癥反應(yīng)及ROS過剩。因此，雖在關(guān)節(jié)軟骨分化前期不同的運(yùn)動(dòng)通過3條信號通路都具正向調(diào)節(jié)作用，但此時(shí)若是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)強(qiáng)度過大、運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間過長等因素導(dǎo)致的關(guān)節(jié)內(nèi)炎癥反應(yīng)和ROS過剩時(shí)，還是會造成關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的凋亡。因此，對受損軟骨的運(yùn)動(dòng)處方(建議)是：強(qiáng)度：中低強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)；持續(xù)時(shí)間：30～60 min；頻率：每周至少3次；方式：周期性運(yùn)動(dòng)(受損嚴(yán)重者考采用被動(dòng)運(yùn)動(dòng))。對軟骨細(xì)胞移植(誘導(dǎo)分化期)的運(yùn)動(dòng)處方(建議)是：不同運(yùn)動(dòng)，如有氧耐力、力量訓(xùn)練等。注意避免過度訓(xùn)練，運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度過大、持續(xù)時(shí)間過長、疲勞累積等。

關(guān)節(jié)軟骨受損時(shí)，運(yùn)動(dòng)的主要目的是消除關(guān)節(jié)內(nèi)的炎癥及過度應(yīng)激，當(dāng)關(guān)節(jié)內(nèi)炎癥及過度應(yīng)激消除后，為修復(fù)被破壞的軟骨細(xì)胞，可考慮軟骨細(xì)胞移植(誘導(dǎo)分化期軟骨細(xì)胞)，此時(shí)不同的運(yùn)動(dòng)皆可，但需避免過度訓(xùn)練。

5 小結(jié)

Notch信號通路、Wnt信號通路及MAPK信號通路在關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞代謝過程中起著雙向調(diào)節(jié)作用，Notch和Wnt信號通路對軟骨細(xì)胞代謝的作用相似，在軟骨細(xì)胞分化前期具有促進(jìn)作用，后期具有抑制作用。而MAPK信號通路主要在關(guān)節(jié)軟骨受損時(shí)起到負(fù)向調(diào)節(jié)，可造成軟骨細(xì)胞凋亡，軟骨破損，其中炎性因子(IL-1β、TNF-α等)和過剩ROS是激活MAPK信號通路的主要誘因。在MAPK信號通路中，ERK信號通路對軟骨細(xì)胞代謝具有雙向調(diào)節(jié)作用，在正常軟骨細(xì)胞中，ERK維持著穩(wěn)定水平，確保Ⅱ型膠原、軟骨蛋白等表達(dá)，當(dāng)關(guān)節(jié)內(nèi)有炎癥和過度應(yīng)激時(shí)，ERK信號通路會被激活，對軟骨細(xì)胞產(chǎn)生負(fù)向調(diào)節(jié)。

針對以上軟骨細(xì)胞代謝的特點(diǎn)，當(dāng)軟骨受損時(shí)，可以采用中低強(qiáng)度的有氧運(yùn)動(dòng)以消除過多的炎性因子和ROS，使相關(guān)信號通路趨于平穩(wěn)狀態(tài)。為了徹底修復(fù)受損的軟骨，可考慮關(guān)節(jié)內(nèi)移植誘導(dǎo)分化期的軟骨細(xì)胞，此時(shí)不同運(yùn)動(dòng)都具有一定促進(jìn)作用，但需注意避免過度訓(xùn)練。