SDF-1信号在骨关节炎中的作用

邓纯博

（沈阳医学院附属中心医院运动创伤骨科，辽宁 沈阳110024）

骨关节炎（osteoarthritis，OA）是世界上最常见的关节疾病，是老年人致残的主要原因之一，给社会经济带来了巨大的挑战［1］。衰老、肥胖、性别、吸烟、遗传、炎症等原因，以及生物学或生物力学的变化参与或者加速了OA的发生［2］。软骨变性曾被认为是OA的主要病理改变，但越来越多的研究表明，OA的病理改变累及整个关节，不仅涉及软骨，还累及软骨下骨、骨髓、半月板、韧带、肌肉［3-4］。众多研究结果表明，多种生长因子和细胞因子在关节软骨的发育和维持中起着重要的作用，但在OA发展中的作用仍未完全阐明［5-6］。

基质细胞衍生因子-1（SDF-1）又称趋化因子12（CXCL12），是CXC趋化因子家族的成员。SDF-1及其同源CXC受体4（CXCR4）在各种组织中有基础性表达［7］。近年来，SDF-1参与OA和类风湿关节炎（RA）的病理机制受到广泛关注。许多研究表明，SDF-1信号通路可能是OA中关节软骨破坏的代谢调节剂［8-9］。SDF-1还参与OA软骨下骨的病理变化［10］。也有研究表明，SDF-1能够协同骨形态发生蛋白2（BMP2）诱导间充质干细胞向软骨细胞分化，促进软骨细胞增殖和成熟［11-12］。向关节腔内注射人半月板干细胞（hMeSPC）可在SDF-1/CXCR4信号通路作用下促进半月板修复，延缓OA的发展［13］。这些研究表明，SDF-1在OA的长期复杂病理学中的作用仍然存在争议，需要深入研究。本文综述了SDF-1信号通路在OA病理过程中对关节软骨和软骨下骨的调节机制，以及SDF-1在软骨修复中的作用机制。

1 SDF-1信号通路的作用

1.1 SDF-1/CXCR4信号通路 SDF-1在人脑、肺、心脏、结肠、肾脏、肝脏、骨骼肌、骨髓等组织中广泛表达，SDF-1在归巢循环干细胞到局部正常和受损组织中起着重要作用［14-16］。CXCR4既往被认为是SDF-1的唯一受体。作为G蛋白偶联受体（GPCR），CXCR4的活化过程是由与细胞膜胞质侧的异源三聚体G蛋白的耦合来介导。异源三聚体G蛋白由Gα、Gβ和Gγ亚基组成，在其基础状态下，与鸟嘌呤核苷酸GDP结合［14］。CXCR4与SDF-1的细胞外结构域结合诱导受体结构发生变化，Gα亚基结合的GDP被GTP替换，Gα亚基从三聚体解离成单体，与cAMP或IP3等细胞效应酶结合，激活不同的信号转导途径，如ERK1/2、p38、SAPK/JNK、AKT、mTOR和Bruton酪氨酸激酶（BTK）等，导致各种生物反应发生，如调控细胞存活、增殖和趋化，增加细胞内Ca2+的释放，调控基因转录等［17］。SDF-1的作用因不同组织、不同细胞而不同。

1.2 SDF-1/CXCR7信号通路 趋化因子受体7（CXCR7）是由R D C1编码的7次跨膜受体，已被确定为SDF-1的第二个受体，并与肿瘤生长和转移有关［18］。与CXCR4相比，CXCR7与SDF-1具有更高的亲和力，在动物模型中发现CXCR7参与了细胞存活、细胞黏附和肿瘤的发展等各种重要生物过程的调节［18］。CXCR7是一种非经典的GPCR，无法激活G蛋白，其主要作用机制包括：（1）SDF-1/CXCR7结合后，招募β-抑制蛋白2，激活促分裂原活化蛋白激酶，介导相关信号通路；（2）CXCR7与CXCR4形成异二聚体CXCR7/CXCR4，与SDF-1结合介导细胞内信号转导；（3）可作为SDF-1的“清道夫”，降低SDF-1水平，进而弱化CXCR4活性［19］。然而，SDF-1/CXCR7/CXCR4和其他信号通路之间的串扰较复杂，CXCR7的功能仍有争议［19］。目前，少有关于CXCR7与OA的报道。

2 SDF-1含量变化与OA

关节软骨、骨组织在代谢转化过程中释放代谢产物进入血液、尿液、关节液中，检测相关生物学标记物能够反映软骨及骨的代谢程度，不仅能够早期筛查、诊断疾病，而且能够用于疾病的分期、分级和疗效的评估。尽管OA生物学标记物的相关研究众多，但还没有任何一种生物学标记物经过充分验证、系统应用，而成为诊断OA的金标准。SDF-1与OA密切相关，反映在OA的各组织中。

2.1 OA患者体液中SDF-1的含量变化 有研究发现，OA患者血液和关节液中的SDF-1水平明显高于正常组，表明SDF-1可能与OA的发生密切相关［8，20］。Kanbe等［8］研究发现，OA患者滑液中SDF-1蛋白水平是正常对照组的3.57倍。SDF-1存在于滑膜内衬细胞、血管上皮细胞和骨髓中，而不在软骨组织中表达；OA患者行滑膜切除术或全膝髋关节置换术（TKR）后，血清中SDF-1水平与手术前相比降低了5.1倍［20］。OA患者滑液中SDF-1水平与OA严重程度呈正相关。Xu等［21］根据Kellgren和Lawrence（KL）分级系统对OA患者严重程度进行放射学分级，研究发现，OA患者的血清SDF-1水平显著高于健康对照组；KL4级的OA患者滑液中SDF-1水平显著高于KL2和KL3级患者，KL3级的OA患者滑液中SDF-1水平显著高于KL2级患者，表明OA患者滑液中SDF-1水平与OA严重程度呈正相关；然而，不同KL级OA患者血清中SDF-1水平没有显著差异，研究结果表明滑液中的SDF-1水平可能是OA进展的替代生物标志物。He等［22］研究发现，OA患者的血浆SDF-1水平与KL分级呈正相关，多变量分析显示，血浆SDF-1≥10.5 ng/ml（OR=6.76，95%C I：3.88～12.53，P＜0.01）和 滑液中SDF-1≥15.0 ng/ml（O R=8.45，95%C I：3.23～18.22，P＜0.01）是OA的高危因素。

动物实验研究也发现了相似结果。通过切断前交叉韧带的创伤后OA小鼠模型中观察到血清中SDF-1α水平升高［23］。在一项关于豚鼠OA的研究中发现，创伤性OA的SDF-1浓度高于自发性OA组，创伤性OA和自发性OA之间的生物标志物存在差异［24］。但Thomas等［25］研究发现，创伤性OA组豚鼠与自发性12月龄OA组豚鼠之间SDF-1水平无显著差异。

2.2 OA患者软骨下骨SDF-1的含量变化 软骨下骨做为软骨的支撑结构，主要生物学作用是吸收应力、缓冲震荡并将软骨的负荷传递到骨小梁。近年来研究发现软骨下骨结构、骨密度的变化与OA的发生密切相关。软骨下骨已经成为治疗OA新的靶点［26-27］。在OA的早期阶段，软骨下骨微损伤，软骨下骨厚度减少；在OA晚期，软骨下骨板增厚，软骨下骨小梁骨硬化［26］。研究人员发现软骨下骨超微结构改变发生在OA的早期，且先于关节软骨发生结构变化，软骨下骨退变可进一步损伤关节软骨，加速OA的发展［27］。在OA软骨下骨的研究中，SDF-1的含量变化尚未明确。Chen等［10］发现，膝关节置换样本中OA越严重，软骨下骨中SDF-1含量越高；在OA大鼠研究中发现，SDF-1受体阻滞剂AMD3100治疗组的软骨损伤较少。Lisignoli等［28］研究发现，从OA患者软骨下骨提取的成骨细胞含有较低的CXCR4，但SDF-1可显著诱导成骨细胞的增殖；在软骨下骨重建区域的成骨细胞可表达SDF-1和CXCR4。

2.3 SDF-1含量增高的相关机制 滑液中SDF-1由滑膜成纤维细胞合成和分泌，CXCR4在滑膜和软骨细胞表面表达［8，29］。滑液中SDF-1浓度升高是由于在OA和RA条件下刺激滑膜成纤维细胞合成增多所致，并且SDF-1可显著增加滑膜成纤维细胞中CXCR4 mRNA含量和表面表达［29］。

目前尚不清楚软骨下骨中SDF-1/CXCR4表达的变化是否早于软骨，软骨下骨中SDF-1水平的变化是否加速了早期OA的发生。因此，未来应研究SDF-1水平随OA发展的时空变化。

3 SDF-1信号通路在OA病理过程中的作用机制

3.1 对细胞外基质的调控机制 软骨稳态取决于细胞外基质蛋白的合成和分解代谢。Ⅱ型胶原蛋白（COL-Ⅱ）为软骨提供网状结构，确保其他胶原蛋白类和非胶原蛋白的稳定性，并为软骨提供拉伸强度；多种聚集蛋白聚糖在胶原蛋白网格中形成聚集体，具有较高的负电荷和水结合能力，为软骨提供可压缩性和弹性的机械性能，聚集蛋白聚糖的降解被认为是早期OA的关键事件［30］。蛋白水解酶如基质金属蛋白酶（MMP）和聚集蛋白聚糖酶家族调节细胞外基质蛋白如COL-Ⅱ和聚集蛋白聚糖的分解代谢，而软骨细胞合成新的细胞外基质蛋白以确保细胞外基质的动态平衡［30］。

软骨细胞中MMP和聚集蛋白聚糖酶的过度表达加速了软骨退变［30］。MMP-13在OA软骨中过多表达，是OA相关事件的关键诱导因子［9］。早期临床研究发现，滑膜切除术后可显著降低血清中SDF-1、MMP-13和MMP-9的含量，并且发现SDF-1以剂量依赖方式增加软骨细胞中MMP-9和MMP-13的释放［20］。Chiu等［9］发现，SDF-1可促进软骨细胞分泌MMP-13；SDF-1与软骨细胞表面CXCR4受体结合，激活胞外信号调节激酶（ERK）和下游转录因子c-Fos和c-Jun，导致MMP-13启动子上激活蛋白1（AP-1）的激活，从而导致OA的软骨破坏。SDF-1通过激活创伤后OA大鼠中的NF-κB、MAPK和Wnt/β-catenin信号途径，上调聚集蛋白聚糖酶的表达，抑制SDF-1/CXCR4信号通路可降低软骨细胞中聚集蛋白聚糖酶的表达，减轻软骨变性［31］。

3.2 对炎症因子的调节机制 滑膜和软骨中炎性细胞因子的表达与OA的关节软骨结构改变的进展有关［29，32］。Chen等［29］发现SDF-1结合CXCR4激活PI3K-Akt-c-Jun-AP-1信号通路，增加人滑膜成纤维细胞中IL-6的产生。Li等［33］通过体外细胞实验研究发现，SDF-1可促进OA软骨细胞释放炎性细胞因子IL-1β。IL-1β不仅抑制COL-Ⅱ和聚集蛋白聚糖的表达，还刺激MMP-1、MMP-3和MMP-13的释放，并诱导IL-6的产生［32］。IL-6联合IL-1β和抑瘤素可上调MMP-1和MMP-13的表达，并降低COL-Ⅱ的表达［32］。Wang等［34］研究发现，SDF-1/CXCR4轴拮抗剂AMD3100可以剂量依赖性地减弱实验诱导的大鼠颞下颌关节骨关节炎（TMJOA）的严重程度以及MMP-3和MMP-9的表达，并提示SDF-1-CXCR4轴在实验TMJOA中起着促进炎症作用。miR-22-3p与软骨退变程度相关，在OA软骨组织中表达下调；实验研究表明，miR-221-3p上调抑制了SDF-1/CXCR4信号通路，进而阻止了IL-1β诱导的软骨细胞细胞外基质降解［35］。

3.3 对软骨下骨重建的调节机制 Dong等［23］发现SDF-1信号促进破骨细胞形成，并通过激活包括ERK和p38在内的MAPK信号通路，促进抗酒石酸酸性磷酸酶、组织蛋白酶K和MMP-9的表达，促进破骨细胞的形成，加速软骨下骨吸收，导致软骨下骨质量减少，在OA早期破坏软骨下骨的结构。Yang等［36］发现通过激活颞下颌关节的骨髓间充质干细胞（BMSCs）中的Wnt5a/Ror2信号传导，可激活Ca2+/NFAT通路，促进SDF-1的表达，加速破骨细胞前体的迁移和分化，增加破骨细胞活性，导致骨小梁丢失。然而，也有研究发现，SDF-1具有促进成骨的作用，参与软骨下骨结构的重构。Lisignoli等［28］通过免疫组化分析发现SDF-1和CXCR4在OA的软骨下骨重塑区的成骨细胞中均有表达，可上调成骨细胞Col-I mRNA和碱性磷酸酶mRNA的表达，并促进成骨细胞增殖，从而促进软骨下骨的重建。Chen等［10］发现膝关节置换样本中OA越严重，软骨下骨中SDF-1含量越高；体外细胞实验证实，SDF-1/CXCR4通过Erk信号通路促进BMSCs向成骨分化。

3.4 SDF-1的其他作用机制 有研究发现，OA和类风湿关节炎的滑液中SDF-1的含量明显高于正常对照组，高浓度的SDF-1诱导软骨细胞死亡而非凋亡，CXCR4受体拮抗剂可抑制软骨细胞死亡，但不能改变软骨细胞凋亡率和凋亡蛋白酶caspase-3的水平；此外，SDF-1以剂量和时间依赖性方式刺激p38 MAPK（丝裂原活化蛋白激酶）活性，p38 MAPK抑制剂SB203580可以消除SDF-1对软骨细胞死亡的诱导［37］。血管内皮生长因子（VEGF）可显著影响软骨细胞增殖、凋亡、代谢，促进细胞释放MMP和其他介质，导致软骨基质降解；还可促进关节炎血管侵袭和骨赘形成［38］。Wang等［38］发 现，OA软 骨 细胞 过 表达SDF-1促进了p38 MAPK激活，从而促进VEGF表达，SDF-1和CXCR4在软骨祖细胞中的共表达表明它们可以维持VEGF的过表达。Kim等［39］通过体外培养胚胎原代软骨细胞和胫骨骨块发现，SDF-1诱导p38、Erk1/2 MAPK和IκB的磷酸化，p38、Erk1/2 MAPK和NF-κB信号传导与SDF-1诱导的Runx2和MMP-13的表达相关，Runx2和MMP-13是软骨细胞成熟的标志物，表明SDF-1可促进软骨细胞的增殖和成熟，因此其可能对关节软骨具有负面影响并促进OA进展。

4 SDF-1对OA的修复作用

SDF-1可以介导干细胞/前体细胞归巢至损伤器官，在促进损伤组织器官修复的过程中发挥重要作用。SDF-1可激活间充质干/祖细胞（MPCs）中的Smad和Erk通路，促进Sox9和Runx2的表达（分别为软骨分化的早期和晚期所需的关键转录因子），协同BMP-2促进MPCs向软骨细胞分化，阻断SDF-1信号通路会抑制BMP-2诱导的MPCs向软 骨细 胞分 化的 能力［40］。Shen等［13］发现，SDF-1能够增强hMeSPCs的迁移，而AMD3100抑制了SDF-1对hMeSPCs的趋化作用；hMeSPCs的移植能显著降低Col-Ⅰ和Col-Ⅹ（OA标志物）的表达，并促进Col-Ⅱ的表达，从而有效地保护关节软骨。Lu等［41］的TMJOA动物研究发现，SDF-1/CXCR4和RANTES/CCR1信号协同作用可以募集移植的BMSCs至TMJOA小鼠的软骨区，从而改善由蛋白多糖和胶原蛋白减少引起的软骨基质松弛，并且可以逆转软骨降解，AMD3100可以抑制这种作用。在软骨缺损实验中，重组人SDF-1α（rhSDF-1α）可募集软骨祖细胞（CPCs）至软骨缺损区，与空白对照组相比，含有rhSDF-1α的软骨缺损区产生的新软骨显示出明显更大的界面强度，机械性能与天然软骨相当，并且新生软骨的细胞形态、蛋白聚糖密度和超微结构与天然软骨相似［42］。软骨或滑膜中具有干细胞，但在原位基质环境中，硫酸皮肤素和其他蛋白多糖抑制细胞黏附和迁移，从而限制部分缺陷的软骨自发修复，含有SDF-1的Col-Ⅰ支架调控软骨来源的间充质干细胞和滑膜来源的间充质干细胞的迁移和黏附，定向迁移至软骨缺损部位，促进部分厚度缺损的软骨自我修复，而无需细胞移植［43］。

SDF-1促进OA软骨修复的作用与之前所述的SDF-1促进OA软骨退变的作用似乎相矛盾。合理的解释是在OA的某一病理阶段或外在条件用下，SDF-1才能够发挥修复软骨、延缓OA发展的作用。SDF-1的保护作用还具有一定的局限性：（1）SDF-1主要是通过募集外源性干细胞促进软骨修复。而大部分OA患者为老龄患者，其自身干细胞的数量和分化能力有限，如没有移植外源性干细胞，SDF-1对软骨修复的作用大大减弱。（2）SDF-1在OA形成后的重建过程中发挥作用，能否在OA的早期发生保护作用，尚无相关报道。在各种实验模型中无法真正地反映OA的真实过程，SDF-1如何发挥作用，还需深入研究。

综上所述，在OA发生的早期，SDF-1通过调节相关促炎细胞因子和MMP的释放，降解软骨细胞外基质，破坏软骨细胞外基质的动态平衡，加速关节软骨的退变。同时在软骨下骨病变的过程中，SDF-1可能先后调节破骨细胞和成骨细胞，参与了软骨的结构破坏和重塑过程。当OA形成，软骨发生损伤、退变时，在特定的条件下SDF-1能够动员干细胞、祖细胞或调控相关保护因子，参与软骨的修复、重建，延缓OA的发生。因此，能否在OA的早期阶段，通过启动SDF-1信号通路的保护作用，以防止关节软骨结构改变和推迟软骨退变是未来研究的重点。