骨关节炎发生发展相关信号通路的研究进展

王越，王新军，袁银鹏，王宇泽山西医科大学第二医院，太原 030000

骨关节炎(OA)是以关节进行性退变为特征，以关节疼痛为主要临床表现的退行性疾病[1]。2020年起OA将成为全球第四大致残疾病，给家庭及社会造成巨大的经济负担[2]。但OA的发病原因及其发展机制目前尚未完全明确。多个信号通路在骨关节炎发生发展过程中起重要作用，涉及软骨细胞的凋亡及细胞外基质的改变等。深入研究信号通路对阐释OA的发生发展机制有重要意义，同时也为OA的早期诊断及治疗提供理论基础。本文就目前研究较多的几条信号通路与OA发生发展的关系进行综述，以期为OA的研究及治疗提供新方向。

1 丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号通路

1.1 p38MAPK信号通路 在关节软骨细胞的损伤中p38 MAPK信号通路有非常重要的作用。该通路在诱导细胞衰老中起直接作用，与软骨细胞分化、肥大化、钙化、调亡、MMP合成及促炎因子的产生等关系密切。机械应力、细胞因子及炎性介质均可激活p38MAPK信号通路，从而诱导炎性介质如环氧合酶2(COX-2)、诱导型一氧化氮合酶(iNOS)及多种MMP等的表达，促进OA的发生发展[3]。p38MAPK有四种亚型：p38α、p38β、p38δ、p38γ，在正常软骨细胞中的表达情况为p38γ>p38α≥p38β>p38δ。而OA软骨细胞中p38亚型比例发生改变，磷酸化p38α表达远高于磷酸化p38γ的表达。这种改变影响了激活子蛋白1、MAPK2等的活性，导致MMP-13的表达增加，促进了骨关节炎的发生发展。Huang等[4]发现，p38MAPK信号通路被特异性抑制剂PAR2抑制后，软骨细胞活性提高。同时炎症因子iNOS、COX-2、MMP-1、MMP-13、血小板结合蛋白基序的解聚蛋白样金属蛋白酶5等的表达均被抑制，使得细胞外周围基质的降解减少。

研究发现，p38 MAPK信号通路对软骨分化有良性作用。Ma等[5]发现，p38 MAPK信号通路在骨髓间充质干细胞(BMSC)向成骨、成软骨分化过程中起重要作用。p38MAPK是转化生长因子β1(TGF-β1)诱导BMSC向软骨分化中的调节因子，可明显促进Ⅱ型胶原、Aggrecan及SRY相关的高迁移率族盒基因9(SOX-9)等的表达，从而在TGF-β1诱导的软骨分化中起促进作用。这为p38 MAPK信号通路的研究提供了新方向。

1.2 JNK信号通路 JNK信号通路是MAPK信号通路的重要亚型，在细胞发育、凋亡和应激等过程中起重要作用[6]。JNK蛋白激酶的亚型有JNK1、JNK2、JNK3。前两者在全身各组织广泛表达，而后者仅发现于脑、心脏和睾丸组织。肿瘤坏死因子α(TNF-α)等因子可激活JNK信号通路，从而促进软骨细胞发生凋亡或死亡[7]。Zhou等[8]发现，JNK磷酸化被金皂甙(Kin)特异性抑制后，JNK信号通路被抑制，炎性因子的表达量减少，同时Kin能减轻炎性M1型巨噬细胞的浸润和关节软骨的退变，拮抗OA的发生发展。

1.3 ERK信号通路 细胞外调节蛋白激酶(ERK)是信号从细胞表面到细胞核传递过程中的关键因子，有多个亚型，如ERK1～5及ERK7/8，目前研究多集中于ERK1、ERK2。与p38MAPK信号通路及JNK信号通路相比较，ERK信号通路对于细胞外基质的影响较小，其功能主要调节细胞增殖、分化和分裂。ERK信号通路与OA发生发展过程中软骨钙化和骨赘的形成有关[9]。研究发现，ERK通路可被小檗碱特异性阻断，继而影响调节活性脂质的表达，抑制细胞增殖和炎症反应，从而在调脂、抗关节炎和抑制滑膜增生过程中起重要作用[10]。

2 Notch信号通路

Notch信号通路进化上高度保守，广泛存在于脊椎及非脊椎动物，可使相邻细胞相互作用，进而调整细胞、组织及器官的分化和发育。Notch信号通路组成包括Notch受体、Notch配体、CSL DNA结合蛋白、其他效应物及调节分子等。在哺乳动物中发现Notch受体4种亚型Notch-l、Notch-2、Notch-3及Notch-4，其中Notch-1和Notch-2受体在关节软骨细胞中高表达，位于关节软骨的细胞表面，但在变性软骨中易位到细胞核中。Notch配体在哺乳动物中发现5种亚型Jagged-1、Jagged-2、DLL-1、DLL-3、DLL-4，其中Jagged-1在OA模型的软骨细胞中大量表达。Notch信号通路下游的信号传导分子有Hes-1、Hes-5、Hes-7、Hey-1、Hey-2、HeyL等，有直接转录靶目标并介导Notch信号传导的作用，其中只有Hes-1在关节软骨细胞中高表达。Hes-1过表达可以诱导许多炎症相关分子表达，如白细胞介素6(IL-6)、IL-1受体样1等的表达，促进OA的发展。

Notch信号通路被激活后，可调控细胞增殖、分化与凋亡的进程，在维持软骨细胞表型及其周围基质的平衡中起重要作用。Notch信号通路通过抑制干细胞或祖细胞分化来调节器官发生，包括软骨的平衡。同时，Notch-1在表层的软骨细胞中高表达，Notch信号的抑制会增强软骨细胞的集落形成能力[11]。Xiao等[12]发现，Notch信号的激活通过抑制关节软骨细胞的增殖，并促进其肥大化，参与了早期OA的发生和发展。这个过程中Notch信号通路通过关键因子Runx-2调节MMP-13的表达，并且该通路还参与了OA早期细胞外基质的降解。另外，分泌酶抑制剂(DAPT)是Notch信号通路的一种小分子抑制剂，将其加入软骨细胞中进行孵育，可增加关节软骨细胞中Col-Ⅱ的表达，同时显著抑制IL-1β诱导的MMP-13的表达。Biao等[13]发现，Notch-Hes-1信号与人解整合素样金属蛋白酶8(ADAM-8)形成促进OA进展的正反馈回路，在OA发生发展中起到重要作用。Notch信号通路的下游成分Hes-1与ADAM-8启动子区结合后，促进ADAM-8表达，继而使TNF-α、IL-6、Ⅱ型胶原和Aggrecan的表达增加，发生细胞增殖和凋亡，促进OA的进展。吴绍军等[14]采用Jagged-1蛋白(Notch信号通路激活剂)和DAPT蛋白(Notch信号通路抑制剂)对Notch信号通路进行双向调控，发现Notch信号通路激活后，会发生Bax蛋白表达上调和Bcl-2蛋白表达下调，继而促进软骨细胞的凋亡。

3 Wnt信号通路

Wnt信号由于其在胚胎发育、分化、细胞增殖、细胞运动、细胞极性和成体组织稳态中的中心作用被广泛重视。Wnt信号通路在进化上高度保守，目前已有4条Wnt途径被证实，经典Wnt/β-catenin信号通路、平面细胞极性通路、Wnt/Ca2+通路以及调节纺锤体方向、非对称细胞分裂的胞内通路[15]。其中以Wnt经典信号通路研究较多，其组成包括Wnt蛋白(即Wnt配体)、Wnt受体、Dishevelled蛋白、β-连环蛋白、糖原合成酶激酶-3β、Axin/Conductin及APC蛋白等。

经典Wnt/β-catenin信号通路主要参与软骨基质分解代谢的调节、关节软骨细胞去分化过程和软骨细胞的凋亡过程，在OA的发生发展过程中起重要作用[16]。经典Wnt信号通路在OA的发生发展过程中起到正负双重调节的作用，适度的活性对正常软骨细胞增殖和维持其典型特征至关重要，而过度激活会增加软骨细胞肥大化和基MMP的表达。所以经典Wnt信号通路活性的微妙平衡对维持软骨内稳态有重要意义。另外经典Wnt信号通路的过度激活，会导致滑膜的增生以及软骨下骨的异常重塑和骨赘的形成[17]。Béla等[18]发现，成骨细胞中的Wnt信号通路激活会产生强烈的重塑信号，一些激动剂如Wisp-1，参与了软骨细胞的凋亡和骨赘生物的形成；而某些因子如Wnt-16，却具有保护作用。OA成骨细胞和软骨细胞中Wnt-5a mRNA和蛋白表达升高。某些Wnt抑制剂如硬骨素，可抑制关节软骨损伤；再如另一种抑制剂DKK-1，不仅可以阻止Wnt信号传导，还可以降低血管内皮生长因(VEGF)的表达和骨赘的形成。Cai等[19]发现，在炎症因子刺激下，经典Wnt信号途径过度激活，使得循环中的间充质干细胞(MSC)扩增，导致OA滑膜下层血清铁蛋白积聚，促进OA的发生发展。Mao等[20]发现，OA的滑膜组织和滑膜细胞中存在高表达的HOX转录反义RNA(HOTAIR)，抑制ncRNA-HOTAIR后Wnt信号通路可被抑制，使得炎症因子表达降低、滑膜炎症减轻、滑膜细胞增殖减少，从而减轻软骨细胞凋亡，延缓OA的进展。Wang等[21]发现低Wnt信号激活促进软骨细胞分化，而高Wnt信号则减弱软骨细胞分化，这个过程与Exostosin-1(Ext1)有关，Ext1和Wnt信号之间存在一个调节环，两者之间呈正相关，Ext1可以增强软骨分化过程中典型Wnt信号的传导活性。

4 TGF-β信号通路

TGF-β具有多种生物学功能，属于TGF-β超家族，在全身大部分组织和器官广泛表达。TGF-β信号通路在软骨的发育、保持以及修复过程中起重要的作用。除TGF-β外，TGF-β超家族还包括骨形态发生蛋白(BMP)、生长分化因子、Nodal、活化素和抑制素等，其中BMP在间充质细胞向软骨细胞的分化过程中发挥主导作用，而TGF-β信号则使软骨细胞维持于未分化状态，抑制软骨细胞的肥大、分化等。TGF-β超家族成员在形成功能性受体复合物后，可以激活多种细胞内信号通路，可分为受体SMAD依赖性(R-SMAD)和非依赖性，R-SMAD被认为是TGF-β家族成员特有的典型信号通路。研究表明，TGF-β在软骨中的表达会随着年龄的增加而出现衰退[22]。

TGF-β信号传导在软骨中具有重要的抗炎作用，尤其在调节软骨细胞肥大化过程中更为明显。在OA发生的早中期，MMP-13的表达增加，在这种刺激下TGF-β会出现反应性升高以自发保护软骨细胞的微环境。随着病程的进展，软骨细胞微环境被破坏而TGF-β不能代偿时，就会出现不可逆改变，使软骨细胞发生自噬、凋亡及坏死等。Takano等[23]研究发现，TGF-β介导的VEGF在OA发病过程中具有保护作用。TGF-β通过典型途径和非典型途径调节OA患者滑膜中VEGF的表达。另外，TGF-β还可通过MAPK途径诱导VEGF的表达。其中典型的TGF-β信号途径(SMAD2/3和SMAD1/5/8途径)起到键作用，若被特异性抑制后，可降低TGF-β介导的VEGF的表达，从而对OA的发生发展产生影响。Hu等[24]发现，激活软骨细胞中TGF-β/Smad信号通路后，SOX-9、COL2A1和ACAN水平升高，RUNX-2、COL10A1和MMP-13水平降低；抑制软骨细胞TGF-β/Smad信号通路会促进软骨细胞肥大化的进展microRNAs-455-3p，而通过直接靶向抑制P21激活激酶，可以促进软骨细胞TGF-β/Smad信号通路表达，从而抑制软骨退变。

5 核因子κB(NF-κB)信号通路

NF-κB可与免疫球蛋白κ轻链基因的增强子区域特异性结合。NF-κB最初被认为是B细胞分化和发挥功能的调节剂，但后来发现其是各种细胞中普遍存在的转录因子。NF-κB家族在哺乳动物中主要有五种亚型：p65(RelA)、c-Rel、RelB、NF-κB1(p105/p50)、NF-κB2(p100/p52)。在未被外界因子刺激的细胞中，NF-κB二聚体通过与抑制性IκB蛋白相互作用而保留在细胞质中，当被刺激后，IκB被IκB激酶(IKK)磷酸化，并被蛋白酶降解，游离的NF-κB复合物转移到细胞核，结合NF-κB反应元件，并激活数百种免疫调节蛋白的表达，使得炎性因子、趋化因子、黏附因子和生长因子等表达增加。NF-κB激活有两种方式：经典途径和替代途径。经典途径中由p65、c-Rel、p50亚基组成NF-κB二聚体，在IKK复合物调节下进入细胞核，与相应基因位点结合，发挥作用，该途径是快速作用并且可逆，参与了骨骼发育，尤其是软骨内骨化；替代途径主要通过IKKα激活p52和RelB。与经典途径相比，替代途径中的NF-κB活化较慢且持续时间更长，可调节软骨细胞的增殖和分化，以维持软骨内骨化。

炎症因子可刺激NF-κB信号通路过度表达，影响关节软骨的生成。NF-κB信号通路可刺激炎性和破坏性介质的表达，如环COX-2、前列腺素E2、iNOS等。Piao等[25]发现，NF-κB信号通路可被内源性DHA衍生的脂质介质PDX特异性抑制，从而降低iNOS、COX-2和MMP-13等的表达，减轻炎症反应。Cho等[26]研究发现，IL-1β可通过激活NF-κB信号通路促进的MMP-13的产生，促使软骨细胞发生凋亡。

6 mTOR信号通路

TOR由进化保守的非典型丝氨酸苏氨酸激酶组成，是磷脂酰肌醇激酶相关激酶家族的一部分，在哺乳动物中的对应物即为mTOR。mTOR在哺乳动物体内有两种形式：mTOR-1和mTOR-2。mTOR-1对调节和促进细胞生长、调节细胞周期、抑制自噬、营养吸收和代谢等非常重要。mTOR-2对控制细胞内吞、调节鞘脂生物合成及细胞骨架极化中起作用。mTOR通路在骨骼发育过程中对软骨细胞增殖、成熟和软骨基质的产生起着积极和主导作用，并且mTOR信号转导还有助于MSC向软骨细胞的分化。

外界因素如炎症因子等的刺激，会使得软骨中mTOR表达上调，继而促进软骨细胞的凋亡，促进OA的发生发展。Cai等[27]发现，miR-27a是人软骨细胞中PI3K-Akt/mTOR轴的调节因子，参与软骨细胞的退变。MiR-27a是以PI3K的保守位点为靶点，可以针对不同的基因，如DKK2、SFRP1、TLR4、FOXO1和CASR等。PI3K-Akt/mTOR轴及其下游成分，特别是调节细胞凋亡的因子(括Bcl-xL、Bcl-2、Bax、VEGF和MMP等)都在OA的发生发展中起重要作用。故miR-27a的表达上调可通过直接下调PI3K-Akt/mTOR轴，拮抗炎症因子的作用。Kong等[28]发现,AMPK/mTOR信号可被活性维他命D或其类似物激活，减少炎症因子(TNF-α、IL-6等)的产生，继而减轻炎症反应。同时AMPK/mTOR是一种公认的自噬相关通路，其中mTOR是自噬相关基因的上游激酶，其激活可抑制细胞发生自噬。

多种信号通路可被外界刺激激活，在炎性反应的调控、软骨细胞及细胞外基质的代谢调节中起到重要作用。通过对这些信号通路的研究，寻找通路上游或下游的关节效应因子，可以为OA的治疗提供更加行之有效的方法。