劉冬戀 張雨晴 楊婷 何欣宇 王玉江

(成都醫(yī)學(xué)院四川養(yǎng)老與老年健康協(xié)同創(chuàng)新中心，四川 成都 610500)

骨性關(guān)節(jié)炎(OA)是一種因關(guān)節(jié)軟骨退變、破壞所導(dǎo)致的關(guān)節(jié)疼痛，以不同程度的活動(dòng)受限、軟骨下骨質(zhì)硬化、關(guān)節(jié)周圍骨贅形成等為主要表現(xiàn)的關(guān)節(jié)退行性疾患。由于該疾患病程長(zhǎng)且不能根治，病變將隨著時(shí)間的延長(zhǎng)不斷破壞關(guān)節(jié)軟骨、滑膜，侵犯軟骨下骨質(zhì)及關(guān)節(jié)周圍肌肉等組織，最終造成關(guān)節(jié)疼痛癥狀加重甚至關(guān)節(jié)生理功能喪失，極大地增加了老年人病殘率，對(duì)病患的身體健康及生活質(zhì)量帶來(lái)嚴(yán)重的影響。對(duì)糖尿病患者來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)期暴露在糖尿病環(huán)境中，通過(guò)分子和結(jié)構(gòu)水平上的各種機(jī)制，會(huì)導(dǎo)致骨代謝的改變和骨微結(jié)構(gòu)的受損〔1〕。同時(shí)患有OA和糖尿病的人群中，與OA相關(guān)的步行困難是糖尿病并發(fā)癥如高血糖、感染、視網(wǎng)膜病變等出現(xiàn)的一個(gè)重要的潛在危險(xiǎn)因素。OA患者有限的活動(dòng)性和避免高強(qiáng)度、高沖擊性下肢運(yùn)動(dòng)可能會(huì)阻止患者遵循健康的活動(dòng)/運(yùn)動(dòng)方案，從而導(dǎo)致血糖控制惡化〔2〕。膝關(guān)節(jié)OA+糖尿病患者患單側(cè)和雙側(cè)膝關(guān)節(jié)疼痛的可能性分別是膝關(guān)節(jié)OA+非DM患者的2.45和2.55倍〔3〕。這些研究告訴我們，糖尿病與OA是密切相連的，糖尿病性關(guān)節(jié)炎是機(jī)體功能紊亂的表現(xiàn)，也是糖尿病的并發(fā)癥之一。

Wnt/β-catenin信號(hào)通路主要分為經(jīng)典信號(hào)通路和非經(jīng)典信號(hào)通路，前者是研究的最為廣泛的信號(hào)通路，控制著不同的生物過(guò)程，包括胚胎發(fā)育、細(xì)胞周期進(jìn)程、糖原代謝和免疫調(diào)節(jié)，與癌癥、2型糖尿病(T2DM)、炎癥、OA和帕金森癥等疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。本文以經(jīng)典的Wnt/β-catenin信號(hào)通路作為研究對(duì)象，研究Wnt/β-catenin信號(hào)通路在糖尿病性關(guān)節(jié)炎發(fā)病中的作用。

1 T2DM導(dǎo)致糖尿病性關(guān)節(jié)炎的主要途徑

Cannata等〔4〕梳理了高血糖導(dǎo)致OA的主要途徑，見圖1。一方面，高血糖通過(guò)氧化應(yīng)激，促進(jìn)腫瘤壞死因子(TNF)-α、前列腺素(PG)E2、白細(xì)胞介素(IL)-1β、IL-6、IL-10等促炎癥介質(zhì)的分泌，從而促進(jìn)基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)-1、MMP-3、MMP-13、含血小板結(jié)合蛋白基序的解聚蛋白樣金屬蛋白酶(ADAMTS)-4和ADAMTS-5等基因激活發(fā)生轉(zhuǎn)錄，而這些基因在OA中處于異常激活的狀態(tài)，參與了OA的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程〔5〕。

另一方面，因?yàn)殛P(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞以糖酵解為主，故而軟骨細(xì)胞細(xì)胞膜內(nèi)存在大量的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(GLUT)。GLUT可誘導(dǎo)并在生理上上調(diào)葡萄糖消耗，以便最大限度地?cái)z入葡萄糖。當(dāng)關(guān)節(jié)內(nèi)血糖水平升高，軟骨細(xì)胞適應(yīng)局部葡萄糖水平的能力在OA期間喪失，GLUT持續(xù)過(guò)度表達(dá)，可能導(dǎo)致葡萄糖毒性，造成軟骨細(xì)胞凋亡、自噬和衰老〔6〕。

MMP、ADAMTS等基因的異常激活和葡萄糖毒性造成的軟骨細(xì)胞凋亡、自噬和衰老，導(dǎo)致了關(guān)節(jié)膠原合成減少、蛋白多糖分解和軟骨細(xì)胞活性降低，從而導(dǎo)致OA的發(fā)生、發(fā)展。因此，T2DM是通過(guò)氧化應(yīng)激和葡萄糖毒性這兩個(gè)主要途徑而導(dǎo)致糖尿病性關(guān)節(jié)炎。

圖1 高血糖導(dǎo)致OA的主要途徑

2 Wnt/β-catenin信號(hào)通路轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程

在失活狀態(tài)下，β-catenin與糖原合成酶激酶(GSK)-3β、Axin、結(jié)腸腺瘤性息肉病基因蛋白(APC)和酪蛋白激酶(CK)-1形成的復(fù)合物結(jié)合，使β-catenin磷酸化進(jìn)而將其降解。當(dāng)Wnt/β-catenin信號(hào)通路被激活時(shí)，由Frizzled(FzD)和脂蛋白受體相關(guān)蛋白(LRP)5/6組成的受體復(fù)合物與Wnt蛋白結(jié)合，激活細(xì)胞內(nèi)的Disheveled(Dvl)蛋白，隨后，GSK-3β、APC和Axin等組成的破壞β-catenin的復(fù)合物被募集到細(xì)胞膜上，從而阻止了β-catenin的磷酸化〔7〕。β-catenin的磷酸化被阻止，β-catenin便會(huì)在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)聚集，升高的β-catenin進(jìn)入細(xì)胞核，激活淋巴樣增強(qiáng)因子(LEF)/T 細(xì)胞因子(TCF)，進(jìn)而激活下游的 C-myc、G1/S-特異性周期蛋白(cyclin)D1、MMP-7、survivin、PPAR等下游靶基因〔8〕。

3 Wnt/β-catenin信號(hào)通路與T2DM的發(fā)病機(jī)制相關(guān)

胰腺β細(xì)胞功能進(jìn)行性的下降是T2DM發(fā)病機(jī)制的核心。研究發(fā)現(xiàn)，Wnt/β-catenin信號(hào)通路在小鼠胰腺的誘導(dǎo)、擴(kuò)張、模式化和分化等不同階段均能進(jìn)行精確的調(diào)節(jié)〔9〕。小鼠胰腺/胰島細(xì)胞可以分泌多個(gè)Wnt亞型蛋白(Wnts)，并且胰島釋放的Wnts可能參與糖尿病前期β細(xì)胞的調(diào)節(jié)。Maschio等〔10〕發(fā)現(xiàn)，糖尿病前期小鼠胰島細(xì)胞增生，Wnts3a和5b在增生性胰島中的基因表達(dá)明顯高于對(duì)照組小鼠。Kurita等〔11〕也發(fā)現(xiàn)，Wnt4是β細(xì)胞中表達(dá)最為豐富的Wnts亞型蛋白，高脂高糖飼喂的小鼠胰島中Wnt4表達(dá)上調(diào)，提示W(wǎng)nt4信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)增加與胰島素分泌增加和β細(xì)胞增殖受損有關(guān)。

除了Wnts與T2DM發(fā)病機(jī)制相關(guān)，Wnt/β-catenin信號(hào)通路的某些其他環(huán)節(jié)也發(fā)現(xiàn)與T2DM相關(guān)。Sacco等〔12〕發(fā)現(xiàn)，β-catenin的負(fù)調(diào)節(jié)因子GSK-3β參與了β細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)，GSK-3β激酶通過(guò)調(diào)控β細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子PDX1而抑制T2DM患者胰島素的分泌。通過(guò)對(duì)不同人群的全基因組關(guān)聯(lián)研究發(fā)現(xiàn)，Wnt信號(hào)通路的關(guān)鍵細(xì)胞內(nèi)效應(yīng)器TCF轉(zhuǎn)錄因子如TCF7L2的基因變異與T2DM有關(guān)，高脂飲食飼喂的TCF7L2基因敲除小鼠出現(xiàn)了糖耐量受損、胰島素敏感性受損、體重增加和脂肪組織質(zhì)量增加〔13〕。

4 Wnt/β-catenin信號(hào)通路與OA的發(fā)病機(jī)制相關(guān)

在人類遺傳學(xué)研究中，Wnt/β-catenin信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)基因的改變被認(rèn)為是OA發(fā)生的易感因素。Wnt/β-catenin信號(hào)通路的異常激活會(huì)促進(jìn)OA的發(fā)展，如R-防御素2可以通過(guò)促進(jìn)軟骨內(nèi)的Wnt/β-catenin信號(hào)而促進(jìn)軟骨細(xì)胞向肥大軟骨細(xì)胞的分化；關(guān)節(jié)內(nèi)注射米安色林可抑制β-catenin的積累，并阻止OA中異常激活的Wnt/β-catenin信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)〔14〕。因此，Wnt/β-catenin信號(hào)在OA的發(fā)生發(fā)展中起著重要作用，而β-catenin水平的高低是維持軟骨內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定所必需的。

當(dāng)Wnt/β-catenin途徑激活后，β-catenin在細(xì)胞質(zhì)中上調(diào)并轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核，在細(xì)胞核與TCF結(jié)合，使得 C-myc、MMP-3、MMP-9、MMP-13、ADAMTS-4，ADAMTS-5及骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)-2等下游靶基因激活發(fā)生轉(zhuǎn)錄，這些基因在OA中處于異常激活的狀態(tài)，參與了OA的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程〔15,16〕。

在上述的下游靶基因中，MMP-13作為軟骨降解網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)而最受關(guān)注。Yun等〔17〕發(fā)現(xiàn)LEF1與β-catenin結(jié)合后，直接結(jié)合在MMP-13基因的3′-區(qū)并且通過(guò)使MMP-13啟動(dòng)子DNA構(gòu)象的改變而反式激活MMP-13啟動(dòng)子。當(dāng)軟骨細(xì)胞受到IL-1β的攻擊時(shí)，LEF1蛋白水平和基因表達(dá)增強(qiáng)，導(dǎo)致MMP-13表達(dá)增加〔18〕。在OA微環(huán)境中，MMP-13存在過(guò)度表達(dá)，其表達(dá)水平與OA的嚴(yán)重程度相對(duì)應(yīng)〔19〕。MMP-13通過(guò)降解OA關(guān)節(jié)軟骨和骨中的Ⅱ型膠原發(fā)揮作用。目前，已有較多的實(shí)驗(yàn)致力于研究MMPs抑制劑用來(lái)控制OA的發(fā)生發(fā)展，但在臨床試驗(yàn)中，廣譜MMPs抑制劑可能導(dǎo)致一些疼痛和關(guān)節(jié)僵硬的副作用，稱為肌肉骨骼綜合征(MSS)。因此，開發(fā)選擇性MMP-13抑制劑是OA治療的一個(gè)潛在策略〔20〕。

ADAMTS目前發(fā)現(xiàn)了19種亞型，其中很多亞型都被發(fā)現(xiàn)參與了OA軟骨的病理生理過(guò)程，這些酶可能在軟骨基質(zhì)合成代謝(如ADAMTS-2、ADAMTS-3和ADAMTS-14)、軟骨細(xì)胞分化和增殖(如ADAMTS-9、ADAMTS-10、ADAMTS-12)及促進(jìn)軟骨分解代謝(如ADAMTS-7和ADAMTS-12)等各方面發(fā)揮作用〔21〕。目前研究得較多的ADAMTS-4和ADAMTS-5被證實(shí)在OA軟骨細(xì)胞中表達(dá)增加，通過(guò)增加分泌金屬蛋白酶而使細(xì)胞外基質(zhì)的Ⅱ型膠原和軟骨蛋白聚糖降解增加〔22〕。

5 糖尿病性關(guān)節(jié)炎的治療現(xiàn)狀

OA主要的治療方案分為藥物治療和手術(shù)治療。藥物治療選用非甾體類抗炎藥、止痛藥、關(guān)節(jié)保護(hù)藥物及四環(huán)素、基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑、炎性細(xì)胞因子抑制及記憶治療等。藥物治療大多屬對(duì)癥處理范疇。手術(shù)治療被公認(rèn)最有效的為關(guān)節(jié)鏡手術(shù)，有創(chuàng)傷性小、恢復(fù)快且并發(fā)癥小的優(yōu)點(diǎn)，但關(guān)節(jié)鏡對(duì)己損傷的關(guān)節(jié)軟骨無(wú)法修復(fù)，對(duì)存在關(guān)節(jié)畸形的晚期病例基本無(wú)效，部分病例在術(shù)后較長(zhǎng)時(shí)間后仍會(huì)復(fù)發(fā)。目前，能根治OA的手術(shù)是關(guān)節(jié)置換術(shù)。但是，由于患者T2DM的存在，患者的年齡、體重指數(shù)和其他潛在的混雜因素使得術(shù)后死亡風(fēng)險(xiǎn)增加，感染率增加〔23〕。那么，抗糖尿病藥物是否對(duì)糖尿病性關(guān)節(jié)炎的預(yù)后有積極的影響呢？在英國(guó)的一項(xiàng)調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)，3 217例T2DM患者使用二甲雙胍治療時(shí)，與T2DM并發(fā)癥之一的OA的出現(xiàn)沒(méi)有相關(guān)性〔24〕。另一項(xiàng)調(diào)查研究也發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有證據(jù)顯示，T2DM患者服用噻唑烷二酮類藥物后有改善OA的作用〔25〕。因此，尋找糖尿病性關(guān)節(jié)炎治療中存在的潛在靶點(diǎn)，開發(fā)能延緩其發(fā)生發(fā)展的藥物，是目前較為迫切的一項(xiàng)研究。

6 Wnt/β-catenin信號(hào)通路在糖尿病性關(guān)節(jié)炎治療中潛在的靶點(diǎn)

6.1細(xì)胞外潛在靶點(diǎn) 在細(xì)胞外，Wnt/β-catenin信號(hào)通路的激活受不同蛋白質(zhì)家族的調(diào)控，包括分泌型FzD相關(guān)蛋白(SFRPs)和Dickkopfs(DKK)。在骨關(guān)節(jié)疾病中，F(xiàn)zD蛋白的表達(dá)譜改變，可能是Wnt/β-catenin信號(hào)通路異常激活的原因，SFRPs能與其細(xì)胞膜受體FzD蛋白結(jié)合，抑制Wnt/β-catenin信號(hào)通路的異常激活，從而調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)和細(xì)胞外基質(zhì)重塑的能力〔26〕。IL-1β會(huì)通過(guò)介導(dǎo)SFRP4的分泌，抑制胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，在骨骼肌、脂肪組織和肝臟中引起胰島素抵抗，導(dǎo)致β細(xì)胞衰竭，最終導(dǎo)致T2DM〔27〕。SFRP5則主要通過(guò)抑制非經(jīng)典Wnt/β-catenin信號(hào)通路，抑制TNF-α和IL-6的表達(dá)，從而減輕炎癥反應(yīng)和胰島素抵抗〔28〕。

DKK家族是Wnt信號(hào)通路中最重要的拮抗劑之一，由脊椎動(dòng)物分泌的4種蛋白(DKK 1、2、3、4)組成。其通常通過(guò)結(jié)合和抑制LRP5/6來(lái)拮抗Wnt/β-catenin信號(hào)傳導(dǎo)〔29〕。Theologis等〔30〕對(duì)40例56～87歲原發(fā)性膝關(guān)節(jié)OA患者和20名健康人展開研究，發(fā)現(xiàn)OA組關(guān)節(jié)滑液中Dkk-1水平明顯高于對(duì)照組，說(shuō)明Dkk-1可能在OA退行性變過(guò)程中發(fā)揮重要作用。在T2DM方面，T2DM大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞生長(zhǎng)活性和成骨分化潛能減弱，可能與DKK-1在骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞中的表達(dá)增加有關(guān)〔31〕。Tsentidis等〔32〕發(fā)現(xiàn)Dkk-1表達(dá)升高會(huì)下調(diào)T1D兒童和青少年的Wnt/β-catenin信號(hào)通路，使成骨細(xì)胞活性降低，破骨細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)增強(qiáng)，對(duì)糖尿病骨病有明顯的促進(jìn)作用。

sclerostin是一種由SOST基因編碼，抑制成骨細(xì)胞的糖蛋白，主要由骨細(xì)胞分泌，受激素變化和骨骼負(fù)荷的調(diào)節(jié)。sclerostin可與LRP5/6結(jié)合,阻斷Wnt/β-catenin信號(hào)通路。在OA的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中，sclerostin表達(dá)下降，從而促進(jìn)軟骨下骨硬化和增加軟骨分解代謝活性而加重小鼠膝關(guān)節(jié)OA〔33〕。當(dāng)葡萄糖水平升高，sclerostin的表達(dá)增加而抑制骨細(xì)胞形成，因此，糖尿病患者成骨細(xì)胞的成骨作用可能會(huì)降低，從而導(dǎo)致骨密度降低，骨脆性增加〔34〕。

Wnts是一類分泌型糖蛋白，目前在人體中已發(fā)現(xiàn)19種。除上述Wnts與T2DM發(fā)病機(jī)制相關(guān)外，Wnts對(duì)軟骨細(xì)胞的增殖分化和骨祖細(xì)胞的合成代謝有直接影響，是維持骨骼細(xì)胞正常發(fā)育的必要條件〔35〕。體外實(shí)驗(yàn)顯示，Wnt10a對(duì)OA患者的滑膜間充質(zhì)干細(xì)胞(SMSCs)有明顯的抗衰老作用；Wnt5b顯著抑制SMSCs的分化；Wnt5a和Wnt10a可顯著增加SMSCs中炎性細(xì)胞因子的表達(dá)。在OA大鼠模型中，Wnt5a明顯加重關(guān)節(jié)退行性變，而Wnt10a對(duì)軟骨完整性有輕度的保護(hù)作用〔36〕。Ding等〔37〕在人OA軟骨中檢測(cè)到FzD7、Wnt3a蛋白水平的升高。同時(shí)，F(xiàn)zD7通過(guò)胞外富含半胱氨酸結(jié)構(gòu)域(CRD)與配體Wnt3a結(jié)合，以劑量依賴的方式拮抗Wnt3a/β-catenin信號(hào)通路，具有軟骨保護(hù)作用。

綜上，在細(xì)胞外，Wnt/β-catenin信號(hào)通路受不同蛋白質(zhì)家族的調(diào)控，如SFRPs、DKK和sclerostin，進(jìn)而對(duì)T2DM和OA 的發(fā)生發(fā)展起到調(diào)控作用，可作為糖尿病性關(guān)節(jié)炎的潛在靶點(diǎn)。

6.2細(xì)胞質(zhì)內(nèi)潛在靶點(diǎn) 在正常細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中，β-catenin與GSK-3β、Axin2、APC和CK-1形成的復(fù)合物結(jié)合，β-catenin蛋白濃度處于較低水平。GSK-3β是細(xì)胞分化和凋亡的重要調(diào)節(jié)因子，可以調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞之間的平衡，敲除GSK-3β可增加成骨細(xì)胞中β-catenin的表達(dá)〔38〕。當(dāng)抑制劑滅活GSK-3β/β-catenin途徑時(shí)，會(huì)抑制MMPs和ADAMTS等下游基因的表達(dá)，抑制軟骨細(xì)胞凋亡〔39〕。在T2DM方面，篩選GSK-3β/β-catenin途徑的抑制劑是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)，通過(guò)藥物降低GSK-3β的表達(dá)，從而激活Wnt/β-catenin通路，使胰島β細(xì)胞增殖和質(zhì)量升高，同時(shí)修復(fù)糖尿病患者的骨代謝紊亂〔40,41〕。

因此，在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，GSK-3β和β-catenin糖尿病性關(guān)節(jié)炎的值得關(guān)注的靶點(diǎn)。

6.3細(xì)胞核內(nèi)潛在靶點(diǎn) TCF是Wnt信號(hào)通路的關(guān)鍵細(xì)胞內(nèi)效應(yīng)器，TCF除了上述的與T2DM有關(guān)，目前的研究也發(fā)現(xiàn)其與OA有關(guān)。 某些藥物通過(guò)抑制小鼠原代軟骨細(xì)胞TCF/LEF啟動(dòng)子活性而阻止軟骨細(xì)胞肥大分化，從而阻止軟骨進(jìn)一步降解〔42〕?；蛲ㄟ^(guò)藥物直接靶向β-catenin mRNA而調(diào)節(jié)β-catenin的表達(dá)，降低β-catenin/TCF復(fù)合物的相對(duì)轉(zhuǎn)錄活性，減輕OA小鼠模型的進(jìn)展〔43〕。

6.4Wnt/β-catenin信號(hào)通路下游潛在靶點(diǎn) β-catenin與TCF/LEF結(jié)合后的下游靶基因中，MMP-13、ADAMTS-4和ADAMTS-5除了是OA治療的潛在靶點(diǎn)，也可能是T2DM治療的潛在靶點(diǎn)。高糖會(huì)通過(guò)上調(diào)糖尿病性O(shè)A患者膝關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞MMP-13、ADAMTS-4和ADAMTS-5的表達(dá)而激活炎癥反應(yīng)〔44〕。MMPs和ADAMTS是細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的主要分解代謝因子，過(guò)度激活會(huì)導(dǎo)致ECM中Ⅱ型膠原和軟骨蛋白聚糖過(guò)度降解，提示軟骨早期級(jí)聯(lián)性退變的開始。目前，一些新型抗糖尿病藥物如杜拉魯肽、利西那肽可以抑制MMP-13、ADAMTS-4和ADAMTS-5的表達(dá)，對(duì)軟骨細(xì)胞損傷具有很強(qiáng)的保護(hù)作用〔45,46〕。

綜上，Wnt/β-catenin信號(hào)通路在糖尿病性關(guān)節(jié)炎中起到了至關(guān)重要的作用。深入研究 Wnt/β-catenin信號(hào)通路對(duì)于闡明糖尿病性關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機(jī)制有重要意義。目前采用針對(duì)Wnt/β-catenin信號(hào)通路的生物制劑大都停留在細(xì)胞或動(dòng)物模型階段，開發(fā)通過(guò)Wnt/β-catenin信號(hào)通路作用糖尿病性關(guān)節(jié)炎的藥物，實(shí)現(xiàn)從科研到臨床的轉(zhuǎn)化，是未來(lái)的研究方向。