离子通道在骨关节炎发病机制中的作用研究进展

保超宇 潘斯学 夏吉良 何光雄 向俊宜 李具宝*

1.云南中医药大学，云南 昆明 650500

2.云南省中医医院，云南 昆明 650021

骨关节炎(osteoarthritis，OA)是目前最常见的关节炎类型，OA的病理生理学研究不足，目前唯一的终点治疗仍然是关节置换手术[1]。OA已成为世界上第四大致残原因，给世界带来了巨大的经济负担[2]。疼痛是骨关节炎患者中最常见的症状，也是导致健康相关生活质量(health-related quality of life，HRQOL)下降的最重要原因之一[3]。目前尚缺乏有效的治疗手段来改善OA软骨的病理改变，逆转骨关节炎的发展[4]。目前离子通道学说在关节炎的发病机制中的研究越来越多，因此本文将对离子通道在骨关节炎的发病机制中的作用进行系统综述，以期为OA的靶向治疗和药物研发提供参考。

1 电压门控钠通道NaV1.7

电压门控钠通道NaV1.7在传递伤害性信息中起着关键作用，这个通道在人类遗传性疼痛疾病中有很大的相关性，并且是一个被证实的疼痛靶点[5]。电压门控钠通道NaV1.7的突变可导致痛感的改变，如OA等慢性疼痛疾病[6]。

疼痛是通过特殊的神经细胞介导的，当潜在的有害物质影响到身体的某个部位时，这些神经细胞就会被激活，它们有一个特殊的离子通道，在把疼痛信号发送给大脑的过程中起着关键作用。

随着测序技术的进步，在破译的序列中，有一个基因负责制造Nav1.7的离子通道蛋白质，位于神经细胞膜内的Nav1.7起着钠离子通道的作用。该通道允许钠离子通过神经元传导对神经细胞的变化做出反应膜电位。控制人类疼痛的SCN9A基因(编码Nav1.7蛋白)的功能缺失突变会导致对疼痛不敏感[7]和嗅觉缺失[8]。为了确定这些变化是否会对Nav1.7的功能造成很大影响，研究人员将序列插入青蛙卵和人类肾脏组织中。结果显示，将任何一种氨基酸换掉都没有产生什么影响，但这3个变化加在一起，使Nav1.7突变成一个触发性通道，能比未突变形式更快地触发疼痛冲动。最终，研究人员确定钠通道Nav1.7对于周围疼痛途径的产生和传导至关重要[9]。

2 嘌呤类受体P2X3

感觉神经的免疫组织化学证据表明，P2X3亚单位集中在两个外周神经以及初级细胞的细胞体感觉传入[10]，位于P2X3在关键部位包含受体以启动和调节伤害性活动。P2X3受体作为治疗慢性疼痛的靶点，有几种三磷酸腺苷(ATP)来源能够启动P2X3介导的信号传导。据估计，ATP的胞浆浓度为1～10 mmol(Millimole，mM)[11]；因此，损伤后可以释放大量ATP。事实上，在人体切口模型中皮肤受伤后细胞外ATP含量从0.18 μm3/5 min增加到14 μm3/5 min，浓度高到足以直接激活含有P2X3的受体[12]。在外周，三磷酸腺苷可作为一种“损伤”通过主动的囊泡释放从炎症细胞中释放信号[13]，可直接作用于周围神经上含有P2X3的受体，从而启动伤害性反应。

ATP是伤害性感受途径的关键调制器。从受伤的组织或交感传出物释放ATP对周围的感觉神经元有致敏作用，突触前从中央终端释放ATP可增加谷氨酸的释放，从而增强下游中枢致敏机制，这一情况被认为是许多慢性疼痛的基础。感觉神经上主要负责ATP信号传导的嘌呤能受体是P2X3和P2X2/3。选择性敲除实验或小分子抑制表明，含有P2X3的受体是调节伤害性感受信号的关键靶点。临床前研究[14]已经确认含有P2X3的受体对关节的感觉传导至关重要，临床研究也显示了治疗骨关节炎相关疼痛的前景。

有研究证据表明含有P2X3受体的药物是治疗某些类型慢性疼痛的一个重要靶点：①发现P2X3激动剂导致在受伤或炎症组织中ATP水平升高[15]；②P2X3亚单位在临床疼痛症状前和临床疼痛症状后的感觉神经元中均有表达组织[16]；③神经元中P2X3的表达显示出与神经损伤部位同侧的可塑性[17]；④P2X3-含有受体激动剂的药物可直接激活感觉纤维，并在临床疼痛症状前和临床疼痛症状后引起伤害性行为[18]。

含有P2X3受体独特结构的拮抗剂已在临床前疼痛模型中证明有效。吉法匹生(Gefapixant)是一种含有P2X3的选择性受体拮抗剂[19]，在两种OA模型中进行了检测：弗氏完全佐剂(complete freund’s adjuvant，CFA)和单碘乙酸诱导实验性骨关节炎模型。当以30 mg/kg的速度口服给药并停药时，Gefapixant显示出强烈的超敏反应逆转阈值(冯·弗雷)和主要疗效终点，两种模型的疗效与萘普生相似。OA模型中，Gefapixant完全逆转机械性痛觉过敏，和加巴喷丁相比具有等效终点。最后，分离出两种具有代表性的P2X3选择性受体拮抗剂MK-3901和MK-2548，临床研究结果表明P2X3受体拮抗剂对OA模型治疗有效。OA是最常见的慢性疼痛疾病之一，也是最难管理的一种病变。选择性P2X3受体拮抗剂已被证明在OA模型中治疗疼痛有效[20]。

3 瞬时感受器电位受体TRPV1

炎性细胞因子在OA的发生和发展中起着至关重要的作用[21]。关节内促炎和抗炎细胞因子共同维持动态平衡，符合关节软骨的生理代谢需求。但促炎细胞因子与抗炎细胞因子的动态失衡可导致膝关节软骨代谢异常，进而导致变形、丢失和软骨异常再生，最终破坏膝关节的正常结构。传统的修复方法有一些固有的缺点，而结合促炎和抗炎细胞因子为OA提供了一种新的治疗方法。与OA相关的促炎因子，包括IL-1、TNF-lin、IL-6、IL-15、IL-17和IL-18，以及减少OA相关关节损伤的关键抗炎因子，包括IL-4、胰岛素样生长因子，促炎作用超过抗炎细胞因子作用最终导致OA的发生。

炎症是一种机体的自我防御，是为了刺激炎性细胞对抗病原体和被破坏的组织再生。它与免疫细胞和促炎因子(细胞因子、趋化因子)的分泌密切相关[22]。目前，随着研究的深入，炎症的过程越来越受到关注。TRPV1作为一种与神经源性疼痛相关的疼痛和热传感器，主要与神经源性炎症有关[23]。然而，在mRNA和蛋白质水平上表达，TRPV1也在非神经细胞类型表达，因此，最近的研究表明TRPV1在其他炎症性疾病中，如OA、类风湿关节炎等疾病中起重要作用[24]。TRPV1在炎症过程中的作用尚不明确，TRPV1的激活主要与诱导有关，但最近的研究也证明了它的抗炎特性[25]。基于TRPV1与炎症过程的研究表明，(1)炎症组织中TRPV1激活并过度表达；(2)应用TRPV1拮抗剂或TRPV1基因消融术可引起炎症发生；(3)TRPV1激活与相关性促炎细胞因子的基因表达相关。

在Hoffmeister等[26]的研究中，TRPV1是在急性期与痛觉和炎症有关。大鼠关节注射尿酸单钠诱导痛觉过敏、痛觉超敏、白细胞浸润和IL-1β产生，应用TRPV1拮抗剂SB366791可抑制这些反应。注射TRPV1拮抗剂也减少了伤害感和相关的疼痛表现。尿酸单钠晶体增加了TRPV1在关节组织中的相关炎症反应峰值和伤害性感受的表达[27]。此外，TRPV1基因的缺失可以减弱滑膜损伤治疗过程中关节炎的炎症、骨质侵蚀及软骨损伤[28]。由此可知，TRPV1可以被热、组织损伤、促炎细胞因子等激活，并与疼痛和炎症有关，研究TRPV1相关离子通道将为OA的治疗提供新的靶点和药物研究思路。

4 氯离子(Cl-)通道

在关节软骨细胞对各种刺激的反应过程中，离子通道(包括阳离子通道和阴离子通道)被认为是调节软骨细胞功能的重要节点。其中，氯离子(Cl-)通道是阴离子通道的重要组成部分，具有不可替代的生物学功能。一般来说，Cl-通道不是一种蛋白质，而是一个蛋白质家族，通过不同的机制进行调控，包括电压依赖性Cl-通道(ClC)、囊性纤维化跨膜传导调节器通道(CFTR)、钙激活Cl-通道、配位门控配体Cl-通道[28]。这些Cl-通道与人体的生理活动有关，调节离子稳态、维持细胞兴奋性和肌肉张力、调节神经信号或激素传递和物质运输，调节细胞体积和存活。近年来，越来越多的研究将注意力转移到这一领域，试图寻找潜在的氯离子通道和骨关节炎之间的关系或机制[29]。在总结了最近的文献发现Cl-通道在OA的发病机制中起着至关重要的作用，包括细胞外微环境的改变、细胞外基质代谢异常、炎症和炎症反应、异常细胞死亡。这些研究已经证明了Cl-的一些特定通道与OA发病机制密切相关。

健康人体关节液的渗透压为高渗(404±57)mOsm/L，而OA关节液的渗透压降低至(297±16.9)mOsm/L[30]。细胞渗透压的变化会影响细胞的体积并在随后的生理和代谢细胞过程中引起一系列变化[31]。山田和其他研究机构的研究学者们已经证明，在健康的关节中，关节软骨细胞暴露在一个相对高渗的动态环境中，并通过调节性容积减小(regulatory volume decrease，RVD)保护自身关节免受肿胀和破坏。如果细胞长期处于相对低渗的环境中，一旦渗透压的压力变化超过细胞自我调节阈值，其RVD机制无法再完全补偿，细胞会持续膨胀直至死亡，引发OA[32]。除了上述变化外，OA的病理性低张环境引起的细胞水肿也可导致容积敏感性外向整流(volumesensitive outwardly rectifying，VSOR)氯电流的激活，从而引发RVD。此外，OA也会导致细胞外环境酸化(pH≤5.0)，激活酸敏外向整流(acid-sensitive outwardly rectifying，ASOR)氯化物电流。在低张和酸性刺激下，软骨细胞VSOR和ASOR氯电流共同激活，延长激活会使VSOR和ASOR氯电流失活，损害软骨细胞的体积调节能力，并加重炎症反应导致软骨细胞凋亡[33]。

氯离子通道3(ClC-3)是一种由Cl-电压门控通道3(CLCN3)基因编码的离子通道，在软骨细胞电活动中起关键作用，参与软骨细胞增殖、迁移、侵袭和凋亡。ClC-3上调基质金属蛋白酶-9(matrix metalloprotein 9，MMP-9)，从而促进软骨细胞外基质的代谢[34]。此外，在病理性低渗环境的长期刺激下(<180 mOsm/L)，ClC-3通过激活软骨细胞参与调节氯电流、细胞肿胀和RVD，反过来又导致人体前列腺素E2(PGE2)释放软骨细胞。研究证实[35]，在低渗状态下，软骨细胞中氯离子通道7(ClC-7)的表达状态降低，这种变化导致软骨细胞和软骨细胞静息膜电位的超极化，增加软骨细胞凋亡。其他研究人员已积极下调健康人ClC-7通道的软骨细胞表达，在这些细胞中可以观察到类似的变化。

ClC-7通道和上述ClC-3通道参与骨关节炎软骨细胞凋亡和细胞外基质分解代谢[36]。最近发现的富含亮氨酸的8A重复序列(LRRC8A)被证明是调节阴离子通道的重要组成部分。作为细胞体积敏感的重要组成部分氯离子通道LRRC8A参与许多病理生理过程[37]。研究表明降低细胞外液的渗透压会导致细胞肿胀，从而激活炎症小体Caspase-1释放炎症因子IL-1β，进而触发一系列细胞炎症反应，最终会导致炎症细胞凋亡[38]。这些病理生理过程与细胞氯离子通道激活导致细胞体积异常增加有关。笔者认为这将可能是一个新的和有潜在价值的OA研究方向。

5 小结与展望

在许多不同的细胞生物力学研究中，机械感受器之间在细胞表面和细胞间的生化反应信号有直接联系，进而控制下游效应分子[39]。在细胞膜上的机械感受器中，机械感受器离子通道对信号转导至关重要，能将机械刺激转化为生物相关信号，离子通道固有的力感应能力可以传递机械信号。机械刺激可以诱导软骨细胞代谢的改变并影响关节软骨的稳态。在关节运动过程中体重是影响软骨最重要的生理载荷刺激，过分的肥胖可能会导致有害的机械损伤刺激，从而加速关节老化，导致OA发生。然而，机械刺激的显著减少，如久坐、久站也可能因为缺乏足够的生理机械刺激导致关节软骨病理性变性[40]。因此，适度的运动和健康的体重可以使机械刺激与离子通道感受器的激活达到平衡，从而对关节软骨起到保护作用。肥胖或骨折可能会导致关节面软骨合成代谢和分解代谢活动之间的不平衡，以及细胞外基质(extracellular matrix，ECM)分解代谢，导致OA的发展，并损害关节软骨的机械弹性。

虽然离子通道在软骨细胞表面膜(质膜)上通过不同跨膜通道传导影响关节ECM的形成，对OA的发生至关重要[41]，机械敏感离子通道作用可能延缓OA软骨退行性变和减弱OA诱导的机械性痛觉超敏，但从分子机制来说目前尚不清楚哪些离子通道参与了机械传导过程，以及其中一些离子之间的相互作用关系也是未知的。需要进行更多的研究了解离子交换、离子通道对软骨细胞机械性代谢改变的机制。离子通道通过机械刺激可以防止关节软骨退变并促进关节软骨的修复，通过对离子通道的不断研究，将会提高OA的发病机制认知水平和治疗手段创新。