Caspase-1与骨关节炎的研究进展

龚 明 邱 波

武汉大学人民医院骨科，湖北武汉430060

Caspase-1与骨关节炎的研究进展

龚 明1邱 波2

武汉大学人民医院骨科，湖北武汉430060

骨关节炎的发病机制尚不完全清楚，目前认为软骨细胞死亡和细胞外基质的破坏是该病的主要病理改变。白介素（IL）-1β和IL-18在骨关节炎的发病过程中发挥着关键的作用，而IL-1β转化酶（Caspase-1）能将IL-1β和IL-18的前体加工成为成熟的活性形式，发挥二者的生物学作用，从而参与骨关节炎的发生发展。因此，Caspase-1在骨关节炎的发生发展中起着重要的作用，Caspase-1抑制剂有可能为骨关节炎的治疗提供新的策略。本文就Caspase-1与骨关节炎的相关研究进展作一综述。

骨关节炎；Caspase-1；研究进展

骨关节炎是一种多见于老年人的退变性关节病。骨关节炎的发病机制至今尚未完全明确，一般认为是生物学和机械力学因素共同作用下导致软骨细胞、细胞外基质以及软骨下骨三者合成和降解偶联失衡的结果。白介素（IL）-1β在骨关节炎的病理过程中发挥着关键的作用，它可以破坏软骨细胞外基质，加速软骨下骨的暴露及关节软骨的破坏。IL-18也参与了软骨基质降解、软骨细胞调亡和滑膜炎症的过程。Caspase-1是一种特异性半胱氨酸蛋白酶，它能将IL-1β和IL-18的前体加工裂解，使之成为成熟的活性形式，发挥生物学功能。因此，Caspase-1在骨关节炎中起着重要的作用，其抑制剂可能为骨关节炎的治疗提供新的策略。本文就Caspase-1与骨关节炎的相关研究进展作一综述。

1 IL-1β

在骨关节炎软骨的中、上层软骨细胞及其基质中可见到大量的IL-1β的表达，IL-1β通过一系列级联反应引起关节软骨的破坏和炎性反应。

1.1 对软骨细胞的作用

IL-1β是骨关节炎中常见的促炎症因子，它可以刺激TNF、TNFR-1B、TRAF-2、TRADD、Fas相关死亡区域蛋白、Caspase-3、Caspase-8及NF-κB mRNA的表达而增加软骨细胞的凋亡；也可促进软骨细胞内窖蛋白-1表达增高而诱导软骨细胞过早衰老而发生凋亡，从而促进骨关节炎发展［1］。IL-1β能刺激软骨细胞和滑膜产生一氧化氮（NO），抑制软骨细胞增殖，诱导软骨细胞凋亡；诱导软骨细胞表型由梭形、圆形逐渐变为类似纤维细胞样的扁平长梭形或不规则形，从而更易凋亡［2］。

1.2 对细胞外基质的作用

蛋白聚糖和Ⅱ型胶原是软骨细胞外基质的重要成分，二者的合成减少或降解增加会降低软骨对压力负荷的承受能力，从而导致关节软骨的退变［3］。IL-1β能刺激软骨细胞和滑膜细胞产生基质金属蛋白酶（MMPs），减少MMPs抑制剂的表达，降解基质中的Ⅱ型胶原和蛋白聚糖，加速关节软骨的破坏［4］。IL-1β可以抑制Ⅱ型胶原和蛋白聚糖的合成，促进软骨纤维化；诱导环氧化酶-2的过表达使前列腺素E2（PGE2）合成增加，后者通过积累细胞间环腺苷酸诱导软骨细胞凋亡，而PGE2可加强IL-1β对软骨细胞的分解作用，从而导致软骨破坏［5］。IL-1β可通过刺激诱生型一氧化氮合酶的分泌而使NO的合成增加，NO能减少Ⅱ型胶原α1链mRNA的表达，从而抑制Ⅱ型胶原的合成，并激活MMPs，破坏细胞外基质［6-7］。

2 IL-18

IL-18属于IL-1家族，其结构与IL-1β相似。IL-18在骨关节炎患者中明显高于正常人，提示IL-18参与了软骨基质降解、软骨细胞调亡和滑膜炎症的过程［8］。在关节滑液中，IL-18刺激单核细胞释放肿瘤坏死因子α（TNF-α）、IL-1β，并诱导产生γ干扰素（IFN-γ）。IFN-γ在关节液中能显著刺激IL-6、NO、PGE2等的释放，而TNF-α可促进关节软骨合成MMPs、PGE2、NO，从而抑制Ⅱ型胶原和蛋白多糖的合成，并促进其降解，加速软骨细胞的凋亡，使关节软骨受到破坏［8-10］。IL-18在骨关节炎关节液及软骨中表达较正常组显著增高，且其增高水平与骨关节炎影像学严重程度呈正相关［9］，提示关节中IL-18表达水平与骨关节炎活动期密切相关。IL-18能增加MMP-1、MMP-3和MMP-13的产生，降解Ⅱ型胶原和蛋白聚糖，破坏软骨细胞外基质［10-11］。因此，IL-18是骨关节炎发病机制中重要的炎症性因子。

3 Caspase-1与骨关节炎

Caspase-1主要有促炎性作用、促凋亡作用和介导细胞焦亡［12］。它能将IL-1β和IL-18的前体加工裂解成为成熟的活性形式，从而发挥二者的生物学功能，在骨关节炎发生发展中起重要作用。

既往认为Caspase-1主要与炎症的发生有关，但随着对Caspase-1研究的深入，发现其与细胞凋亡也有关［13］。Puri等［14］在Caspase-1基因缺失的沙门杆菌感染小鼠体内发现巨噬细胞凋亡加剧，而敲除Caspase-1基因的小鼠关节软骨在骨关节炎诱导因素作用下更易退变，软骨细胞凋亡和细胞外基质破坏会加剧［15］，说明Caspase-1在正常关节软骨中有一定的保护作用。骨关节炎的滑液中Caspase-1和IL-1β表达明显升高，软骨细胞凋亡和软骨破坏明显加剧［16］。在急性胃损伤小鼠试验中，Caspase-1抑制剂ACYVAD-CMK减少了Caspase-1的合成，细胞凋亡水平明显下降［17］。D＇Lima等［18］认为Caspase-1过度表达能促进细胞凋亡，而使用Caspase-1选择性抑制剂则能明显减轻细胞凋亡。从而证实Caspase-1在骨关节炎中有一定的促凋亡作用。综上所述，Caspase-1可调节细胞凋亡，但是何时促凋亡或抑制凋亡的机制并不清楚。此外，Caspase-1还与骨骼肌的分化以及细胞的迁移有关［19］。与正常软骨组织比较，骨关节炎软骨中Caspase-1表达明显增加，并且是产生活性IL-1β的关键酶［20］。因此，Caspase-1在维持正常软骨基质和软骨细胞代谢平衡中起着重要作用［15］。

Caspase-1在体内的另一功能是介导细胞焦亡，这是一种依赖于Caspase-1的不同于凋亡的细胞程序性死亡，会释放大量的炎症介质，如IL-1β、IL-18、TNF-α等［21］。在神经系统疾病如脑损伤、帕金森病、癫痫等，均可发现过度表达的Caspase-1，且可观察到细胞焦亡，而对Caspase-1的抑制可以减缓疾病的进展［22-24］。在胶原诱导性关节炎小鼠模型中，发现关节滑液中NLRP-3（核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白-3）、IL-1β和IL-18的表达较正常组明显增加，且NLRP-3的表达跟临床关节炎严重度及关节破坏程度相关［25］。而在类风湿关节炎研究中，Yang等［26］发现Caspase-1表达增加，并且可以一种不依赖NLRP-3的方式抑制IL-18在中性粒细胞的激活，促进病情进展。目前，细胞焦亡与骨关节炎的研究并不多，二者之间的关系尚待进一步研究。

4 Caspase-1抑制剂与骨关节炎

当前，骨关节炎的治疗不能有效地减缓骨关节炎的发展。而IL-1β和IL-18在骨关节炎中发挥着重要的作用，若能阻断Caspase-1对前体IL-1β和前体IL-18的剪切，减少活性IL-1β和IL-18的生成，或可阻止软骨细胞的凋亡和细胞外基质的破坏。

Caspase-1抑制剂的研究正在日益深入，并且时有新的抑制剂的报道。细胞因子反应调节蛋白A（CrmA）是最早发现的Caspase天然抑制剂。因它的氨基酸序列中有LVAD结构与ICE的特异性底物YVAD类似，使CrmA可以作为假底物与ICE特异性结合，并使ICE失活，从而抑制ICE对pro-IL-1β的剪切，减少活性IL-1β的表达。研究发现ICE抑制剂能够减轻兔骨关节炎软骨病变程度［18，27］。壳聚糖能够作为载体介导CrmA基因在软骨细胞中的表达，并发挥其功能，抑制IL-1β诱导的软骨细胞MMP-1的表达［28］，并抑制软骨细胞凋亡［29］。Ma等［30］利用透明质酸-壳聚糖-CrmA微粒处理IL-1β诱导的骨关节炎软骨细胞，发现可以显著抑制软骨细胞的凋亡并呈剂量依耐性。Zhang等［31］在关节炎小鼠腹膜中注射Caspase-1抑制剂VX765，显著抑制了IL-1β和IL-18的产生，减轻了滑膜炎和关节软骨破坏。IAPs（凋亡抑制分子）对Caspase-1的作用尚未明确，Labbé等［32］研究发现，在缺乏cIAP1和cIAP2的条件下Caspase-1的激活会受到抑制。而Vince等［33］试验发现在cIAP1、cIAP2和XIAP低含量的环境下，Caspase-1的活化会增加。Lawlor等［34］发现在小鼠髓细胞IAP缺失时，Caspase-8激活，从而促进NLRP-3途径Caspase-1的激活和IL-1β的成熟。因此，IAPs对Caspase-1是促进还是抑制尚待进一步研究。

从虎骨草中提取的有效成分含槲皮素-5-葡萄糖苷也可以通过抑制Caspase-1的活性来发挥抗炎及抗凋亡作用［35］。由于Caspase-1的活性中心易受氧化作用的破坏，因此Kawarski等［36］利用此原理发现抗氧化物拉扎洛依（U83836E和U74389G）对Caspase-1具有可逆的抑制作用，并且呈时间依赖性。

NLRP-3在Caspase-1的活化中起着关键作用，若能抑制NLRP-3合成，则可进一步减少Caspase-1的合成。Ding等［37］在研究佐剂性关节炎小鼠时发现，仙茅苷A可以下调NLRP-3的表达，降低IL-1β、TNF-α和IL-6的浓度，从而达到减缓关节炎发展的效果。在巨噬细胞p58IPK基因过表达时NLRP-3被抑制，p58IPK基因可以通过下调蛋白激酶PKR的合成来抑制NLRP-3炎性小体的激活，从而减少Caspase-1和IL-1β等炎性因子的合成，延缓疾病的发展［39］。

Caspase抑制剂以往只在体外试验中相当有效，在细胞水平却不能有效通过细胞膜而发挥作用，目前多种微粒载体的出现改善了这种窘境［28，30，39-40］，并且逐渐获得令人满意的效果。

5 结论

骨关节炎的具体发病机制至今仍未能完全阐释清楚，而IL-1β和IL-18在骨关节炎的发生发展过程中发挥着非常重要的作用。虽然对Caspase-1抑制剂的研究日益发展，但是关于Caspase-1抑制剂如何在细胞水平有效发挥疗效，有待进一步的深入研究。细胞焦亡与骨关节炎均有大量炎症介质的释放，且Caspase-1都发挥了重要作用，那么，细胞焦亡在骨关节炎的发生发展中是否发挥了重要的作用，目前没有定论，此方面的研究有待深入发展。

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Research progress of Caspase-1 and osteoarthritis

GONG Ming1QIU Bo2
Department of Orthopedics，Renmin Hospital of Wuhan University，Hubei Province，Wuhan430060，China

The pathogenesis of osteoarthritis is not yet completely clear.It is recognized that the death of chondrocyte and the damage of extracellular matrix are the main pathological changes at present.Interleukin（IL）-1β and IL-8 play a vital role in the pathological process of osteoarthritis，while IL-1β invertase（Caspase-1）can process the precursor of IL-1β and IL-18 into ripe active form，play the biological effects of them，so as to participate in the occurrence and progress of osteoarthritis.Thus，Caspase-1 plays an important role in the occurrence and progress of osteoarthritis，Caspase-1 inhibitor may offer a new strategy for the treatment of osteoarthritis.This paper reviews the related research progress of Caspase-1 with osteoarthritis.

Osteoarthritis；Caspase-1；Research progress

R684.3

A

1673-7210（2016）07（b）-0030-04

2016-05-04本文编辑：张瑜杰）

国家自然科学基金资助项目（81071494）；湖北省自然科学基金项目（2014CFB207）；湖北省卫生计生科研项目（WJ2015MB024）。

邱波（1971.9-），男，博士学位，主任医师；研究方向：骨关节外科。