王新軍，袁銀鵬，王越，田晨陽，王宇澤

山西醫(yī)科大學第二醫(yī)院，太原030000

骨關節(jié)炎(OA)是全世界范圍內最常見的骨關節(jié)疾病，據(jù)估計發(fā)達國家每年在治療OA方面的費用高達國內生產總值的1%～1.5%[1]。該病主要包括軟骨細胞凋亡和細胞外基質(ECM)的退行性變化兩方面因素，導致關節(jié)軟骨結構和功能喪失，同時伴隨有軟骨修復和骨贅形成。生理狀態(tài)下，軟骨細胞增殖和凋亡處于動態(tài)平衡，以維持細胞數(shù)量及功能的穩(wěn)定。然而，一旦軟骨細胞發(fā)生過度凋亡就會打破這一動態(tài)平衡。研究表明，軟骨細胞凋亡在OA病理進程中起重要作用?，F(xiàn)從軟骨細胞凋亡的媒介、誘導劑及信號轉導通路三個方面對軟骨細胞凋亡誘導OA的可能機制作一綜述。

1 軟骨細胞凋亡的媒介

1.1 Caspase 在生理條件下，Caspase以無活性的酶原形式存在于細胞質中，并通過不可逆的蛋白水解作用而激活。例如：凋亡效應子Caspase-3和Caspase-7，它們通常以無活性的二聚體形式存在，其活性受大小亞基之間的連接子調控。連接子一旦被蛋白水解，使Caspase-3和Caspase-7的催化位點得以組裝，從而影響凋亡的下游調控事件。由于軟骨細胞三維計數(shù)減少與Caspase-3活化相關，因此Caspase-3陽性細胞數(shù)量被作為細胞凋亡的指標。Gao等[2]研究發(fā)現(xiàn)，在OA大鼠軟骨細胞中Caspase-3表達增高，表明軟骨細胞凋亡在OA中起重要作用。Musumeci等[3]分離OA患者膝關節(jié)軟骨中的軟骨細胞，發(fā)現(xiàn)DR5受體、TNF相關凋亡誘導配體(TRAIL)和Caspase-3表達增強，提示在凋亡的軟骨細胞中存在外源性凋亡途徑的激活。學者們通過固定新西蘭大白兔的后肢導致發(fā)育性髖關節(jié)脫位，從而誘發(fā)繼發(fā)性OA。結果發(fā)現(xiàn)，在疾病的早期階段，髖關節(jié)軟骨中軟骨細胞過度凋亡、Caspase-3過表達，且兩者之間呈正相關[4]。

1.2 Bcl-2蛋白家族 細胞質中的Bcl-2蛋白家族對細胞凋亡起著中心調控的作用，其家族成員通過調節(jié)線粒體膜通透性來控制線粒體凋亡信號[5]。細胞凋亡主要取決于Bcl-2蛋白家族成員之間的相互作用，促凋亡和促存活蛋白整合了上游眾多的生存和破壞信號后，確定是否發(fā)出細胞凋亡指令。實驗表明，Bcl-2的表達水平會影響OA的發(fā)生和發(fā)展。Huang等[6]采用橫斷前交叉韌帶的術式建立大鼠OA模型，通過免疫印跡技術發(fā)現(xiàn)Bcl-2表達水平降低。Miao等[7]實驗表明，OA關節(jié)軟骨和IL-1β處理的軟骨ATDC5細胞中Bax表達均上調。

2 軟骨細胞凋亡相關的誘導劑

在受損的軟骨組織中，軟骨細胞產生一氧化氮(NO)，這是一種介導軟骨細胞雙重作用的多功能分子。Marcello等[8]發(fā)現(xiàn)，NO對培養(yǎng)的軟骨細胞無細胞毒性，反而可以保護軟骨細胞免受氧化應激損傷。但是，NO異常升高可能是OA病理生理的一個重要因素，因為它可以減少軟骨細胞中白介素1受體拮抗劑(IL-1RA)的合成，而軟骨細胞產生的IL-1RA可阻止軟骨的損傷與破壞。研究表明，創(chuàng)傷性關節(jié)炎大鼠軟骨細胞中誘導型一氧化氮合酶(iNOS)和NO的表達顯著升高。iNOS和NO異常升高可導致軟骨細胞凋亡和ECM代謝失衡，抑制軟骨細胞增殖，并在創(chuàng)傷性關節(jié)炎的病理進程中發(fā)揮相應的作用[9]。

OA病理過程中，IL-1β和TNF-α是兩個重要的炎癥因子。軟骨細胞受到IL -1β刺激后，生成對細胞有害的氧自由基，與NO反應的產物可誘導細胞凋亡。IL-1β誘導NF-κB和絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號通路中關鍵酶的激活，包括p50、p52、Rel、Rel A、Rel B、p38、c-Jun氨基末端激酶(JNK)和細胞外信號調節(jié)激酶(ERK)[10]，而上述兩種信號通路參與了軟骨細胞的增殖、分化和凋亡。Larsson等[11]研究發(fā)現(xiàn)，隨著膝關節(jié)滑液中TNF-α水平升高，OA患者關節(jié)間隙的丟失及日?；顒幽芰Φ慕档蛯⑦M一步惡化。盡管TNF是否介導軟骨細胞凋亡仍有爭議，但實驗證明TRAIL可通過激活Caspase-8和Caspase-3介導細胞凋亡，并且細胞毒性呈劑量依賴性。

在外源性凋亡途徑中，死亡受體Fas與其配體FasL相結合，從而生成死亡誘導信號轉導復合物；后者通過Fas相關蛋白和死亡結構域銜接分子募集并激活Caspase-8，Caspase-8的活性片段在胞質中釋放，通過裂解和產生有活性的Caspase-3片段傳遞凋亡信號。Hashimoto等[12]用Fas抗體處理軟骨細胞，經電子顯微鏡分析細胞凋亡的典型胞核和細胞質變化，發(fā)現(xiàn)部分軟骨細胞表達Fas且對Fas誘導的細胞凋亡敏感。

3 軟骨細胞凋亡的相關信號轉導通路

3.1 MAPKs通路 MAPKs是一類絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶，經細胞外刺激活化，如細胞因子、神經遞質、細胞應激和黏附等。MAPKs途徑通過三層激酶級聯(lián)轉導細胞外刺激因子進入核內并激活相應基因表達，從而促進細胞增殖、分化和凋亡。該途徑由ERK1/2、p38和JNK 3個信號級聯(lián)通路組成，在多條信號轉導通路中充當中心節(jié)點。Sun等[13]研究表明，通過抑制p38-MAPK通路可以抑制人OA軟骨細胞凋亡，降低炎癥因子表達。Ge等[14]研究發(fā)現(xiàn)，OA患者的ERK1水平升高與細胞凋亡和軟骨退變有關，ERK1可能通過p38-MAPK信號通路促進OA患者的軟骨細胞凋亡。p38-MAPK信號通路對于細胞外刺激向細胞核的傳遞和調節(jié)轉錄因子活性至關重要，并且在介導OA軟骨損傷中起關鍵作用。促炎細胞因子等刺激因子活化MAPKi激酶激酶(MKKK)，反過來觸發(fā)MAPK激酶(MKK)表達和蛋白磷酸化，最終增加p38-MAPK或JNK-MAPK相關基因的表達。在OA軟骨細胞中，JNK磷酸化以激活AP-1；后者調節(jié)炎癥因子表達，如TNF-α、IL-1β，使得蛋白多糖合成抑制、軟骨降解酶MMP-13合成增加[15]。同樣，p38通路能夠激活活化轉錄因子2和Caspase-3，進而轉導與凋亡相關的信號[16]。研究發(fā)現(xiàn)，抑制ERK、p38和JNK途徑降低了MKK基因的表達，下調了ERK、p38和JNK總蛋白濃度和磷酸化，進而抑制了細胞凋亡[13]。

3.2 PI3K/AKT通路 PI3K/AKT通路有多種生物作用，包括營養(yǎng)物質吸收、合成代謝、細胞生長、遷移和生存等諸多方面。PI3K活化并激活AKT，將其定位于質膜中。AKT可以產生許多下游效應，如激活環(huán)磷腺苷效應元件結合蛋白，抑制p27和激活mTOR[17]。研究發(fā)現(xiàn)，抑制PI3K/AKT/mTOR途徑可促進關節(jié)軟骨細胞的自噬，并且減弱OA大鼠的炎癥反應[18]。AKT能介導中性粒細胞中CXCR2信號的轉導，CXCR2可以活化細胞內鈣離子并導致PI3K/AKT通路激活。Sherwood等[19]認為，破壞CXCR1/2信號轉導是OA中的重要事件，導致軟骨細胞表型穩(wěn)定性喪失并促進OA樣改變。

3.3 Wnt/β-catenin通路 許多研究集中在關節(jié)組織中Wnt信號轉導的參與，雖然為Wnt信號在軟骨穩(wěn)態(tài)和OA中的功能提供了充分的證據(jù)，但支撐這些作用的機制仍有待進一步探究。Wnt通路中的蛋白分子能保持一定的平衡以實現(xiàn)細胞穩(wěn)態(tài)和關節(jié)完整性。與其他生長因子相比，Wnt信號轉導能夠在誘導細胞增殖的同時賦予生長組織成形的能力，并發(fā)揮定向生長因子的作用。Wnt/β-catenin通路的主要組成為異源三聚體復合物，包括配體Wnt、單次跨膜共受體LRP和7-跨膜信號轉導受體Frizzled。該通路可通過控制軟骨細胞、成骨細胞和滑膜細胞的功能在關節(jié)組織中發(fā)揮獨特作用[20]，Wnt通路通過調節(jié)β-catenin的細胞內水平和亞細胞定位來觸發(fā)其在軟骨細胞內的信號轉導。Wnt信號通路在正常軟骨細胞中被抑制，一旦被激活將導致OA軟骨損傷[21]。特定條件下，成年小鼠關節(jié)軟骨細胞中Wnt5a可以激活β-catenin，進而導致軟骨細胞過早分化和OA樣表型，包括軟骨基質的逐漸丟失和骨贅的形成[22]。

3.4 Fas/FasL通路 Fas(CD95)是腫瘤壞死因子受體家族的成員，是一種含有死亡結構域的受體，可激活細胞凋亡信號。死亡受體Fas是軟骨細胞凋亡的重要生物標志物之一，與其配體FasL結合后可導致細胞凋亡[23]。Fas信號轉導可以通過激活Caspase-8來觸發(fā)細胞凋亡，Caspase-8可激活下游效應子Caspase-3。雖然Fas在軟骨細胞凋亡中的作用飽受爭議，但仍有許多證據(jù)來支持這種關聯(lián)。例如，與正常軟骨組織相比，OA軟骨組織中Fas表達升高。在人類軟骨組織中，OA病灶附近的Fas表達高于病灶遠端區(qū)域。據(jù)報道，老年人軟骨組織中Fas水平較高，在OA患者滑液中也發(fā)現(xiàn)了大量的可溶性FasL。Ryu等[24]研究發(fā)現(xiàn)，缺氧誘導因子2α可通過上調Fas表達放大Fas誘導的軟骨細胞凋亡信號。

3.5 NF-κB通路 NF-κB通路被認為是OA軟骨病理生理學中眾多炎癥機制的常見最終通路，在維持軟骨細胞穩(wěn)態(tài)中具有廣泛的功能。NF-κB是一種核轉錄因子，可進入細胞核以調節(jié)基因表達，并具有多種細胞調控功能，如炎癥、促存活和應激誘導等。Liu等[25]發(fā)現(xiàn)，隨著OA病理進程的不斷惡化，TLR-2、NF-κB和MMP-13及相關炎癥因子的表達也不斷上調。NF-κB通路通過誘導HIF-2α引起軟骨細胞中MMP-13表達上調，而MMP-13表達上調在OA的發(fā)病機制中起重要作用?？傊?，NF-κB信號轉導通路影響軟骨基質重塑、軟骨細胞凋亡、滑膜炎癥，并且對末端軟骨細胞分化的下游調節(jié)劑具有間接刺激作用[26]。

3.6 JAK/STAT通路 JAK/STAT信號轉導通路通過細胞中各種蛋白質之間的相互作用，將細胞外的化學信號傳遞到細胞核，激活相應的基因，參與細胞免疫、分裂、死亡及腫瘤形成等發(fā)生。該信號轉導通路包括Janus激酶(JAK)、信號轉導和轉錄蛋白激活因子(STAT)以及細胞表面受體(結合化學信號)共3個關鍵蛋白。細胞信號抑制因子(SOCS)是JAK/STAT通路的一類內源性負調控因子，由SOCS1～7和CIS至少8種成分組成。降低SOCS2和CIS1基因表達并激活JAK/STAT信號通路，可能導致OA進展、軟骨ECM代謝失衡[27]。Wiegertjes等[28]使用編碼SOCS3的腺病毒轉染G6人軟骨細胞系和原代軟骨細胞，發(fā)現(xiàn)SOCS3過表達可完全抑制TGF-β對STAT3的磷酸化，表明SOCS3可能是軟骨細胞重要的調節(jié)因子，對OA相關的軟骨損傷有重要意義。STAT3是一種有效的轉錄因子，調節(jié)多種涉及OA發(fā)病機制的靶基因表達，包括蛋白酶(如MMP-3、MMP-13)、細胞因子和趨化因子(如IL-6、MCP-1)，以及重要的軟骨細胞增殖、分化和凋亡的調節(jié)因子(如Sox9、細胞周期蛋白D1、Bcl-3)。

3.7 高流體剪切力通路 Zhu等[29]使用cDNA微陣列結合聚類算法，提出了一種新的信號通路；通過該通路，高流體剪切可介導COX-2/L-PGDS依賴性軟骨細胞凋亡。他們通過實驗發(fā)現(xiàn)，L-PGDS控制蛋白激酶A(PKA)的下調，而PKA又調節(jié)Polo樣激酶1(Plk1)和Plk3。Plks控制參與軟骨細胞凋亡的p53效應子(TP53INPs、Fas和Bax)的轉錄。

綜上所述，OA發(fā)病機制遠比想象的要更為復雜，這也為該病的藥物治療提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。這也可能是目前臨床對OA的治療集中在緩解癥狀，而不是預防或治愈的原因之一。針對某一條信號轉導通路上的關鍵靶點藥物，在阻斷軟骨細胞凋亡的同時，還可能具有潛在的毒性作用。因此，針對軟骨細胞凋亡信號轉導通路的生物靶向治療,未來可能還有很長的路要走。令人振奮的是，人們越來越關注研究不同OA表型背景中細胞凋亡的分子機制，這將為OA和軟骨細胞凋亡之間的相關性提供更多證據(jù)，以期進一步研究各種通路間的復雜關系以及各種蛋白分子、媒介、基因之間的相互作用。通過對OA病理機制不斷地深入探究，將為這一慢性疾病的診斷、治療、轉歸等提供更先進的理論依據(jù)和研究手段。