TGF-β 信号通路在骨关节炎中的研究进展

张磊

成县人民医院，甘肃 陇南 742500

骨关节炎（osteoarthritis，OA）是一种与老龄化、关节损伤等多种因素相关的常见关节退行性病变，往往会导致关节功能的衰退和患者生活质量的下降，其病变主要集中在关节滑膜和关节软骨中。关节软骨的功能主要由关节软骨、钙化软骨和软骨下骨三者决定，其任何改变都可能直接或间接影响关节软骨的稳态和功能，从而造成OA 的发生与发展。OA 的发生机制尚不明确，但OA 的发展与软骨下骨骨重塑、异常血管增生、骨赘形成、滑膜炎症等密切相关，此过程中生物化学信号扮演的角色不可或缺，其中转化生长因子β（transforming growth factor β，TGF-β） 在 OA 的发生发展中起到了重要作用［1，2］。因此，本文对 TGF-β 在 OA的发生与发展中的作用进行综述，以期为OA 的机制研究与治疗提供新的思路。

1 OA 的发生与发展

OA 是最常见的关节炎之一，据统计，全球OA 患者约2.5 亿，并且膝关节炎的患病风险可达40%［3］。OA的临床症状主要有关节疼痛及肿胀、关节功能障碍等，其发病机制主要与环境和基因的相互作用及关节整体结构改变相关，如进行性的关节软骨退变、骨重塑、骨赘形成和滑膜炎症等，近年来也有研究证明，去分化样等的软骨细胞表型也是OA 发展的机制之一［4］。治疗通常包括保守治疗与手术治疗两种方式，但由于糖皮质激素等药物存在副作用，长期药物维持往往疗效不佳且在临床治疗中存在着许多用药禁忌。OA 患者的有效手术治疗方式为关节置换，但关节置换手术有着高成本、高社会医疗负担、术后并发症严重等缺点。因此，对于OA 进行分子生物学研究进而寻找新的有效药物治疗靶点至关重要。近年来，学者发现了许多与OA 密切相关的生物信号分子，比如包括白介素-6、白介素-1β 在内的细胞因子，肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α），趋化因子，转化生长因子 β（Transforming Growth Factor β，TGF-β），神经肽类激素和脂质炎症介质（如前列腺素、白三烯）等。其中，TGF-β 作为经典且重要的信号分子，在OA 的发生发展中至关重要。

2 TGF-β 信号通路

TGF-β 超家族超过35 种，在骨骼、软骨和滑膜组织中广泛表达，调控着细胞的增殖、分化、新陈代谢、凋亡和细胞外基质的代谢。在OA 的发生发展中，TGF-β和骨形态发生蛋白（bone morphogenetic proteins，BMPs）作为TGF-β 超家族中的一员，起着多种复杂的作用。TGF-β 有 TGF-β1、TGF-β2 和 TGF-β3 三种亚型，这三种亚型都有诱导骨髓间充质干细胞向软骨细胞分化的潜能，进而引起蛋白聚糖的生物合成和细胞外基质的沉积。在促进软骨形成时，TGF-β2 和TGF-β3 比TGF-β1 效率更高，可引起 2 倍的蛋白聚糖的积聚［5］。

TGF-β 信号由 TGF-β1 型和 2 型受体结合于细胞表面而启动，其中2 型受体使1 型受体磷酸化，这两种受体本质均为丝氨酸/苏氨酸蛋白酶，具有高度同源性。这种复合体的下游通路具有两种途径，一是被称为非经典途径的激活磷脂酰肌醇-3 激酶途径，另一种则是通过受体调控R-Smad 蛋白C-末端磷酸化而启动的细胞内经典信号传导途径。非经典途径包括下游的PI3K 途径和ERK 途径等，这些途径不仅对SMAD 蛋白的作用有不同程度的交互作用，并且其自身也有着相应的生物学作用，在OA 患者的滑膜成纤维细胞中调节着细胞的生长（ERK）与代谢（Rac1/Cdc42）［6］。

3 TGF-β 信号与OA之间的关系

3.1 TGF-β 信号通路在OA 调控中的途径 TGF-β信号通路在OA 的调控中主要存在两种途径，一是TGF-β/SMAD2/3，另一种则是 BMP/SMAD1/5/8。研究证明，TGF-β/SMAD2/3 信号通路通过激活素样激酶5（activin-like kinase 5，ALK5）受体来诱导蛋白聚糖和2型胶原表达，这两种产物都是细胞外基质的主要构成成分，具有维持软骨细胞代谢、减少关节软骨机械应力等作用，进而形成对关节软骨的保护；而BMP/SMAD1/5/8 信号通路通过AKL1 诱导软骨细胞末端分化，并且增加基质金属蛋白酶-13 的表达，基质金属蛋白酶-13是唯一能够裂解胶原分子中三维螺旋结构的酶，且对胶原具有特异性，从而分解细胞外基质中的2 型胶原，造成对关节软骨的破坏作用［7］。而ALK1 和ALK5 作为TGF-β 信号通路的1 型受体，两者的比例和浓度的改变可导致信号通路传导的异常，进而造成软骨细胞的退变。OA 患者软骨细胞中ALK1 受体量与MMP-13的表达相关，使用siRNA 作用于ALK1 可减少MMP-13 的表达至不可检测的水平；而ALK5 可增加2 型胶原的表达，同样使用siRNA 作用于ALK5 可增加MMP-13 的表达，这也进一步证实了SMAD2/3通路对于关节软骨的保护作用和SMAD1/5/8 对关节软骨的破坏作用［7］。并且随着老龄化的进展，ALK1 和 ALK5 的表达均有一定程度的下调，但ALK5 的表达下调多于ALK1，造成ALK1/ALK5 的比值上升，进而导致OA 的发病率增高，这与随着老龄化的进展OA 发病率明显上升的结论是一致的［7］。

3.2 TGF-β 信号通路与OA 的发生发展 关节软骨为胚胎期形成的永久性透明软骨，主要由细胞外基质和较少的软骨细胞组成，而细胞外基质则主要包含胶原纤维和蛋白聚糖等成分。2 型胶原是细胞外主要的胶原纤维，其水平的下降与关节软骨的退变紧密相关。TGF-β 可通过 SMAD2/3 通路调控软骨细胞下游PAPSS2 mRNA 的转录，促进OA 中软骨细胞的分化和基质形成，导致2 型胶原和蛋白聚糖表达上调，从而诱导细胞外基质表达增加，保护关节软骨［8］；TGF-β 还可通过SMAD2/3 通路抑制软骨细胞的进一步分化，维持软骨细胞的正常表型而抑制OA 的进展。

在 TGF-β 信号经典途径中，TGF-β1 型和 2 型受体结合而成的复合物进一步激活受体调控的SMAD蛋白（receptor-regulated SMAD proteins，R-SMADs），包括SMAD2 和SMAD3，从而激活其下游通路；而在细胞质进一步中与SMAD4 和Co-SMAD 结合，进入细胞核结合于相应的DNA 结合位点而调节基因的表达，抑制软骨细胞终末分化，促进软骨细胞合成细胞外基质，从而阻止软骨基质钙化、血管浸润，阻止OA 的发生发展。TGF-β 不仅可以通过BMP/SMAD1/5/8 信号通路降解细胞外基质和诱导软骨细胞分化，而且其下游还存在着一些靶基因如Runx2、Mmp13，这些通路可以促进软骨的退变，进而诱导骨关节炎的发展［9］。同时，TGF-β 信号通路还具有促进滑膜纤维化和骨赘形成的潜能［10］。有学者证明系统使用靶向软骨下骨TGF-β中和抗体可以抑制TGT-β 的过度激活来阻止关节软骨降解，进而抑制 OA 的发展［11］。

TGF-β 的浓度也与信号通路传导的方向有关。如在人成纤维细胞中，低浓度的TGF-β（≤1ng/mL）主要激活SMAD2/3 通路，而高浓度（＞5ng/mL）则主要激活SMAD1/5/8 通路，并且 Smad2/3 和 Smad1/5/8 通路的激活对基因表达有不同的影响，并有规律地相互拮抗［1］。因此，TGF-β 的不同浓度下激活的通路与其下游的其他OA 靶基因相互影响，共同对OA 的发生发展产生综合性调节作用，但对于人OA 来说，其综合性作用主要表现为对关节软骨的保护作用，所以低浓度TGF-β增补剂在OA 的治疗中有着一定的应用前景。但由于OA 的发病和进展是由多种因素、多种信号分子共同作用的，所以对于OA 的治疗，可能仅仅单一针对某一特定的分子生物学靶点并不能够起到足够有效的作用，而对于多靶点进行联合性治疗可能具有更高的临床治疗意义。

4 小结

总而言之，在骨关节炎的发生发展中，存在着许多信号通路的调控。由于骨关节炎病因不明且临床上暂无保守治疗的特效药，所以对于OA 机制研究就显得至关重要。与OA 的调控相关的TGF-β 信号通路主要包括 TGF-β/SMAD2/3 和 BMP/SMAD1/5/8 两种，而在这两种信号通路下游还有许多靶基因如RunX2、Mmp13、PAPSS2 等，抑制或促进上述通路或靶基因的表达均可对OA 的发生发展起到相应的作用，这可能为OA 的机制研究与治疗提供新的思路与靶点。