連紛紛 趙慧瑩 馬譽(yù)瑋 鐘子桉 吳偉

上海體育學(xué)院,上海 200438

骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis,OA)是最普遍的關(guān)節(jié)疾病之一,主要表現(xiàn)為關(guān)節(jié)軟骨慢性進(jìn)行性變性和異常重建,最初常為分子或細(xì)胞功能障礙,而后逐漸出現(xiàn)軟骨降解、骨重塑改變,并發(fā)展為與疼痛和殘疾相關(guān)的臨床疾病[1]。流行病學(xué)研究顯示,膝關(guān)節(jié)因其透明關(guān)節(jié)軟骨結(jié)構(gòu)特殊,僅由軟骨細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)組成,缺乏血管和淋巴,出現(xiàn)損傷后不易修復(fù),通常是OA的高發(fā)部位,發(fā)生率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于髖、手、腕骨等部位[2]。

最近研究發(fā)現(xiàn),軟骨細(xì)胞衰老是造成膝關(guān)節(jié)炎的高危因素,而運(yùn)動(dòng)可以緩解衰老相關(guān)疾病,本文將系統(tǒng)綜述運(yùn)動(dòng)對軟骨細(xì)胞衰老作用的潛在機(jī)制,為臨床上治療OA提供可能的新靶點(diǎn)[3]。

1 軟骨細(xì)胞衰老機(jī)制

細(xì)胞衰老被認(rèn)為是信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中由于DNA損傷、基因突變或微環(huán)境的變化引起細(xì)胞自我分化和再生的能力降低,并伴隨著細(xì)胞形態(tài)和生理變化的一種永久性細(xì)胞周期阻滯現(xiàn)象[4]?，F(xiàn)階段研究將軟骨細(xì)胞衰老類型分為復(fù)制性衰老和過早衰老[5]。復(fù)制性衰老是指端?？s短而引起的復(fù)制能力下降,而過早衰老則指外界刺激所引起的細(xì)胞周期停止,造成DNA損傷、自噬和機(jī)體抗氧化能力減弱,以及炎癥因子等表達(dá)異常[6],表現(xiàn)為生長停滯、細(xì)胞周期抑制劑表達(dá)增加、細(xì)胞結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)表達(dá)發(fā)生變化[7]。

軟骨細(xì)胞是關(guān)節(jié)軟骨中獨(dú)特的細(xì)胞(占95%),是細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)產(chǎn)生和周轉(zhuǎn)的關(guān)鍵,因其生存在低氧、低pH值且高滲透壓的體內(nèi)環(huán)境中,故軟骨細(xì)胞較體內(nèi)其他細(xì)胞更易衰老。研究發(fā)現(xiàn)OA患者的軟骨細(xì)胞表現(xiàn)出與衰老細(xì)胞相似的特征,如端粒縮短、線粒體DNA突變累積、細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核之間連通性變化、代謝改變以及端?？s短和衰老相關(guān)的β-半乳糖苷酶(senescence-associated β-galactosidase,SA-βgal)活性增加[8]。

盡管軟骨細(xì)胞衰老的確切分子機(jī)制尚在探索,但它與衰老相關(guān)基因、信號通路及分泌表型密切[9]。衰老細(xì)胞相關(guān)分泌表型(senescence associated secretory phenotype,SASP)或衰老信息分泌體(senescence-messaging secretome,SAM)是指由衰老細(xì)胞所分泌的生長因子、細(xì)胞因子和蛋白酶等,其能夠與其他細(xì)胞以及微環(huán)境溝通,通過自分泌方式或旁分泌機(jī)制刺激鄰近的細(xì)胞衰老[10-11]。研究發(fā)現(xiàn),SASP還會對周圍的正常軟骨細(xì)胞產(chǎn)生促退作用,并通過腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α,TNF-α)、血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)和白介素(interleukin,IL)等細(xì)胞因子作用于正常軟骨細(xì)胞,導(dǎo)致軟骨退化[8]。見圖1。此外,對于軟骨細(xì)胞衰老機(jī)制探索中發(fā)現(xiàn)部分微小RNAs(MicroRNAs)發(fā)揮著重要作用[12],見表1。

圖1 軟骨細(xì)胞衰老特征

表1 部分Mirco RNA對軟骨衰老的機(jī)制

2 運(yùn)動(dòng)對軟骨細(xì)胞衰老的作用機(jī)制

聯(lián)合國表示,如果大眾積極運(yùn)動(dòng),世界人口的預(yù)期壽命有望增加0.68歲[18]。同時(shí),人們很早就開始研究運(yùn)動(dòng)與衰老的關(guān)系,盡管運(yùn)動(dòng)介導(dǎo)的延緩衰老效應(yīng)的潛在機(jī)制尚未完全了解,但不少研究表明運(yùn)動(dòng)可以減緩衰老相關(guān)疾病[19]。此外,運(yùn)動(dòng)也被廣泛應(yīng)用于臨床OA的治療。最近研究表明,任何運(yùn)動(dòng)(包括太極和瑜伽等)都可以改善OA患者的疼痛,這與運(yùn)動(dòng)延緩軟骨細(xì)胞衰老有關(guān)[20]。運(yùn)動(dòng)抑制軟骨細(xì)胞衰老主要表現(xiàn)在以下方面,見圖2。

圖2 運(yùn)動(dòng)抑制軟骨細(xì)胞衰老

2.1 減少端粒長度(telomere length,TL)縮短

端粒是位于染色體末端的異染色體結(jié)構(gòu),由端粒DNA重復(fù)序列和結(jié)合蛋白組成[21]。端粒學(xué)說一直以來都是軟骨細(xì)胞衰老的研究熱點(diǎn)[5]。TL與OA的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[22]。研究發(fā)現(xiàn),TL縮短會產(chǎn)生代謝活躍的細(xì)胞,從而導(dǎo)致組織衰老[23],因此TL縮短也被認(rèn)為是衰老的標(biāo)志[24]。大量證據(jù)表示運(yùn)動(dòng)能緩解TL縮短[25-26]。報(bào)道稱參與運(yùn)動(dòng)的人的TL比不運(yùn)動(dòng)的人的TL更長[27-28],甚至只進(jìn)行日常休閑活動(dòng)便可減少端粒的磨損。運(yùn)動(dòng)還能影響端粒酶的活性[29],在運(yùn)動(dòng)過程中,端粒酶的活性可以從39.84個(gè)TPG單位明顯增加到58.10個(gè)TPG;沃納通過比較運(yùn)動(dòng)員和非運(yùn)動(dòng)員兩者的端粒,發(fā)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)員中端粒重復(fù)結(jié)合因子2(TRF2)增加,而TRF2可以很好保護(hù)TL不縮短。Zhu等[30]利用英國生物庫將284 479名受試者納入25項(xiàng)體育活動(dòng)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)堅(jiān)持進(jìn)行體力活動(dòng)衰老加速指數(shù)(即TL)的值越低。因此筆者認(rèn)為運(yùn)動(dòng)能夠很好地緩解TL縮短,從而減緩軟骨細(xì)胞衰老。

2.2 修復(fù)DNA損傷

DNA損傷是造成軟骨細(xì)胞衰老的重要原因[31-32],減少DNA損傷可以抑制軟骨細(xì)胞衰老[33]。許多研究都表示運(yùn)動(dòng)有利于修復(fù)DNA損傷[34-35],誘發(fā)DNA保護(hù)機(jī)制,減少DNA鏈斷裂,并激活其修復(fù)途徑[36]。Liang等[37]通過對大鼠進(jìn)行衰老造模后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干預(yù),發(fā)現(xiàn)與對照組大鼠相比,運(yùn)動(dòng)組大鼠DNA損傷得到明顯改善;Nair等[38]研究則發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)可以緩解氧化性DNA損傷和增強(qiáng)DNA修復(fù)。以往有研究表示,急性運(yùn)動(dòng)會增加活性氧和氮物質(zhì)(RONS)的產(chǎn)生,從而造成氧化應(yīng)激,加重DNA損傷[39],而近期研究則認(rèn)為急性運(yùn)動(dòng)引起的DNA損傷不一定是有害的[40],其可以保護(hù)免疫細(xì)胞進(jìn)而避免DNA鏈斷裂。因此通過運(yùn)動(dòng)來緩解軟骨細(xì)胞中的DNA損傷可能是治療OA的新策略。

2.3 抑制炎癥因子

細(xì)胞炎癥因子是指機(jī)體受到來自外界的刺激后發(fā)生炎癥反應(yīng),誘導(dǎo)個(gè)體組織產(chǎn)生并釋放能夠維持機(jī)體穩(wěn)態(tài)的細(xì)胞因子[41]。其在OA病程進(jìn)展過程中有著重要作用。大量證據(jù)表明隨著體內(nèi)部分炎癥因子的堆積,緩慢發(fā)展的炎性微環(huán)境會促進(jìn)軟骨細(xì)胞衰老,從而加重OA[42]。而研究發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)可促進(jìn)體內(nèi)血液循環(huán),加快炎癥因子代謝,同時(shí)還能增加白細(xì)胞介素4(interleukin-4,IL-4)和白細(xì)胞介素10(interleukin-10,IL-10)等抗炎癥因子的表達(dá),以減少體內(nèi)炎癥因子堆積,并通過抑制JNK/NF-κB炎癥通路抑制白細(xì)胞介素1(interleukin-1,IL-1)和TNF-α信號,減少軟骨細(xì)胞凋亡,促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖和ECM合成[43]。以及Silva等[44]在OA的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕线M(jìn)行運(yùn)動(dòng)干預(yù),發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)組的軟骨細(xì)胞核中的白細(xì)胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)、含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(cysteinyl aspartate specific proteinase-3,Caspase-3)以及基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMP-13)的表達(dá)均較低,表明運(yùn)動(dòng)具有減緩炎癥的能力。此外,運(yùn)動(dòng)還可通過PI3K/Akt和HDAC3/NF-κB途徑使某些細(xì)胞因子自發(fā)誘導(dǎo)抗炎反應(yīng)[45]。研究表明,運(yùn)動(dòng)可使白細(xì)胞介素6(interleukin-6,IL-6)表達(dá)增加,IL-6可誘導(dǎo)產(chǎn)生白細(xì)胞介素1受體拮抗劑(interleukin-1 receptor antagonist,IL-1ra),從而刺激抗炎細(xì)胞因子生成[46];另外在炎癥期間時(shí),IL-6還可限制編碼炎性細(xì)胞因子基因的表達(dá),并增強(qiáng)免疫細(xì)胞對IL-4的反應(yīng)性[47]。因此運(yùn)動(dòng)能很好地抑制炎癥因子積累,改善體內(nèi)炎癥環(huán)境,從而抑制軟骨細(xì)胞衰老,減緩OA進(jìn)展。

2.4 促進(jìn)自噬

自噬是細(xì)胞的自我防御機(jī)制,其作為真核生物衰老調(diào)節(jié)機(jī)制之一,與衰老密切相關(guān)。有研究通過抑制雷帕霉素靶蛋白(mechanistic target of rapamycin,MTOR)通路來激活自噬,發(fā)現(xiàn)自噬對調(diào)節(jié)細(xì)胞衰老有著潛在的抑制作用[48]。然而隨著年齡的增長,自噬活性會降低[49],有報(bào)道稱自噬可被多種刺激調(diào)節(jié)和誘導(dǎo)[50],其中運(yùn)動(dòng)能雙向且動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)自噬。吳長勇等[51]發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)可通過叉頭框轉(zhuǎn)錄因子(forkhead box O,FOXO)和轉(zhuǎn)錄因子EB(transcription factor EB,TFEB)調(diào)控抗胸腺淋巴細(xì)胞球蛋白(Anti-human thymus lymphocyte globulin,ATG)家族的轉(zhuǎn)錄增加自噬能力,其中FOXO通過絲氨酸/蘇氨酸激酶-腺苷酸激活蛋白激酶(AKT/AMPK)介導(dǎo)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)應(yīng)答中自噬成分的轉(zhuǎn)錄,包括微管相關(guān)蛋白3(microtubule-associated proteins,LC3)和Bcl2相互作用蛋白3(Bcl2/interacting protein3,BNIP3)等。Huang等[52]研究證明運(yùn)動(dòng)能增加沉默調(diào)節(jié)蛋白1(sirtuin1,Sirt1)的表達(dá),并調(diào)節(jié)LC3-II、p62和LAMP2等自噬相關(guān)蛋白的水平從而增強(qiáng)自噬。Pinto等[53]研究發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)還可使Beclin-1、Atg5、Atg12和Atg7等自噬調(diào)節(jié)蛋白水平增加,同時(shí)使AMPK、磷酸化AMPK和FOXO3在內(nèi)的上游信號通路上調(diào),及p62和LC3-II/LC3-I降低,起到抗衰老的作用。另外運(yùn)動(dòng)還可以使Pitx1過表達(dá),從而抑制PI3K/Akt/mTOR信號通路,并提高線粒體活性[54],進(jìn)而延緩軟骨細(xì)胞衰老。由此可見,通過干預(yù)自噬來延緩軟骨細(xì)胞衰老是運(yùn)動(dòng)延緩OA的有效途徑之一。

2.5 提高機(jī)體抗氧化能力

人體內(nèi)具有兩套氧化相關(guān)系統(tǒng),分別為氧化和抗氧化兩套系統(tǒng),其中抗氧化系統(tǒng)能夠消除人體代謝過程中產(chǎn)生的自由基并維持平衡狀態(tài)。據(jù)報(bào)道運(yùn)動(dòng)可激活活性氧途徑,并在某種程度上通過激活能夠產(chǎn)生適應(yīng)運(yùn)動(dòng)的某些信號來維持體內(nèi)氧化和抗氧化之間的平衡[55]。Feng等[56]通過對雄性SD大鼠進(jìn)行跑臺實(shí)驗(yàn),結(jié)果顯示運(yùn)動(dòng)組大鼠體內(nèi)超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)等的活性以及總抗氧能力(total antioxidant capacity,T-AOC)和自由基代謝率都明顯高于非運(yùn)動(dòng)組大鼠。以往研究也通過嚙齒動(dòng)物模型證明,運(yùn)動(dòng)可通過適應(yīng)過程長期抑制全身氧化應(yīng)激,提高抗氧化劑和氧化損傷修復(fù)酶(谷胱甘肽等)的水平及活性[57]?？梢娺\(yùn)動(dòng)可改善機(jī)體自由基代謝,并提高體內(nèi)抗氧化酶活性,增強(qiáng)抗氧化的能力,減少自由基帶來的損害,同時(shí)減少線粒體膜電位活性氧(reactive oxygen species,ROS)的產(chǎn)生[58],從而起到保護(hù)關(guān)節(jié)軟骨,延緩軟骨細(xì)胞衰老的作用。

2.6 降低胰島素樣生長因子1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)

IGF-1是重要的代謝/合成代謝激素軸,它介導(dǎo)了體育活動(dòng)許多有益效應(yīng),其主要在肝臟中合成并存于血液中,已證實(shí)軟骨中也能產(chǎn)生IGF-1,其與受體結(jié)合后可發(fā)揮效應(yīng)[59]。IGF-1/胰島素信號通路作為長壽有關(guān)的信號通路,IGF-1可以促進(jìn)Akt磷酸化,進(jìn)而抑制長壽因子FOXOs的活性,從而導(dǎo)致細(xì)胞衰老。別連鈺[60]實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,IGF-1可促進(jìn)大鼠軟骨細(xì)胞中Akt的表達(dá)與激活,進(jìn)而促進(jìn)軟骨細(xì)胞衰老相關(guān)的β-半乳糖苷酶活性,以及衰老相關(guān)的標(biāo)志物p53和p21的表達(dá),加速軟骨細(xì)胞衰老。既往研究顯示,運(yùn)動(dòng)干預(yù)對IGF-1會產(chǎn)生影響[61]。近些年Hu等[62]和Zhou等[63]也都證實(shí)了運(yùn)動(dòng)可使體內(nèi)IGF-1水平降低。因此運(yùn)動(dòng)可以通過降低血液循環(huán)中游離IGF-1的水平,從而抑制軟骨細(xì)胞衰老,進(jìn)而延緩OA進(jìn)展。

2.7 促進(jìn)巨噬細(xì)胞轉(zhuǎn)變

巨噬細(xì)胞是OA滑膜中最主要的免疫細(xì)胞[64]。研究表示,隨著年齡增長,巨噬細(xì)胞功能會發(fā)生變化[65]。一方面,細(xì)胞效應(yīng)能力會下降,巨噬細(xì)胞上TLR的表達(dá)會降低,表現(xiàn)為刺激后TNF-α和IL-6的表達(dá)減少以及IL-10產(chǎn)生水平增加;另一方面,衰老的巨噬細(xì)胞對炎癥刺激的反應(yīng)能力會減弱。炎癥通過交替激活巨噬細(xì)胞的積聚,使微小血管生成增加,并使炎癥細(xì)胞因子的產(chǎn)生增加,從而導(dǎo)致軟骨基質(zhì)破壞,造成軟骨細(xì)胞衰老加速[66]。另外,巨噬細(xì)胞可細(xì)分為M1型和M2型,M1型常被認(rèn)為是促炎型且會加重OA進(jìn)展,而M2型可以緩解骨關(guān)節(jié)炎發(fā)展同時(shí)有利于軟骨修復(fù)[67]。有報(bào)道稱,運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練會導(dǎo)致血液中M1/M2巨噬細(xì)胞發(fā)生變化,可以改變滑膜微環(huán)境,使M1型巨噬細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)镸2型巨噬細(xì)胞,并抑制巨噬細(xì)胞群體向促炎性M1型轉(zhuǎn)變[68]。因此筆者認(rèn)為運(yùn)動(dòng)可以通過促進(jìn)巨噬細(xì)胞轉(zhuǎn)變,進(jìn)而改善體內(nèi)的炎癥環(huán)境,從而抑制軟骨細(xì)胞衰老,對關(guān)節(jié)起到保護(hù)性作用。

3 總結(jié)和展望

OA是一種與年齡相關(guān)的關(guān)節(jié)疾病,隨著老齡化人口的增加,OA的發(fā)病率在世界范圍內(nèi)穩(wěn)步上升。軟骨細(xì)胞衰老能夠直接影響細(xì)胞外基質(zhì),在OA發(fā)生和發(fā)展中起著重要作用。

本綜述系統(tǒng)地揭示了運(yùn)動(dòng)抑制軟骨細(xì)胞衰老的潛在機(jī)制。后續(xù)將進(jìn)一步探討運(yùn)動(dòng)種類、強(qiáng)度、頻率、時(shí)間等因素對軟骨細(xì)胞衰老的影響以及研究在實(shí)際臨床應(yīng)用中OA患者的個(gè)體差異、運(yùn)動(dòng)依從性等相關(guān)因素對運(yùn)動(dòng)治療效果的影響,并提供相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)范圍制定合適的運(yùn)動(dòng)處方。此外,在未來還可以研究我國傳統(tǒng)體育鍛煉氣功等運(yùn)動(dòng)對OA的治療效果,為患者提供更多的參考和選擇。