基于Wnt信號通路與骨關節(jié)炎的研究進展

蔣總 陳琳英 盧向陽 蘭維婭 李宇 蔡鑫 樊梅 唐芳 馬武開 周靜

(1貴陽中醫(yī)藥大學,貴州 貴陽 550002；2貴陽中醫(yī)藥大學第二附屬醫(yī)院風濕免疫科)

骨關節(jié)炎(OA)是一種發(fā)病率與年齡呈正相關的慢性漸進性關節(jié)退行性病變〔1,2〕，不論種族、性別，臨床主要表現(xiàn)雖各有差異，但總離不開關節(jié)疼痛、腫脹和活動受限等。OA是一種發(fā)病機制尚未明確、發(fā)病率逐漸升高的疾病，仍然缺乏有效的藥物及物理治療〔3〕，目前治療主要以緩解關節(jié)疼痛和減少關節(jié)致殘率為目標，已然成為醫(yī)療經(jīng)濟的一大負擔。OA的基本病理改變?yōu)殛P節(jié)軟骨變性、硬化，軟骨代償反應后經(jīng)骨化形成骨贅、韌帶退化和變形半月板(膝蓋)和關節(jié)囊肥大〔4〕。近年研究發(fā)現(xiàn)，OA是在各種理化因子和生物學改變的共同作用下，導致關節(jié)及其附屬物炎癥的病變過程，因此，就關于OA的發(fā)病機制的研究顯得尤為重要。從基因序列研究中發(fā)現(xiàn)Wnt信號通路在OA的病程中起著主要的作用，Wnt信號通路持續(xù)激活，在軟骨形成的不同階段發(fā)生作用〔5〕，通過調(diào)控成骨和破骨細胞的平衡從而調(diào)節(jié)軟骨代謝，從而參與OA進展。因此通過對Wnt信號轉(zhuǎn)導通路的進一步研究，尋求Wnt與OA的發(fā)病機制的關系，從中找尋有效的治療靶點，為防治OA開辟新的思路。

1 Wnt信號通路

Wnt信號通路廣泛存在于各種生物體中，自1982年Nusse等〔6〕研究發(fā)現(xiàn)Wnt基因以來，超過60位基因逐漸被發(fā)現(xiàn)與該通路相關。隨著Wnt信號通路的不斷研究深入，目前認為與Wnt基因相關的信號通路主要有4條，即激活核內(nèi)靶基因表達的Wnt/β-catenin信號通路、參與JNK的激活及細胞骨架重排的平面細胞極性通路、激活磷脂酶C和蛋白激酶C的Wnt/Ca+通路、調(diào)節(jié)紡錘體方向和非對稱細胞分裂的胞內(nèi)通路。Wnt/β-catenin信號通路是一種獨特的信號通路，可調(diào)節(jié)關節(jié)炎的發(fā)展，并且該特定通路中的分子可能起作用。Wnt信號通路是一類主要由β-catenin介導的、多種蛋白參與的高度保守的信號通路，主要成分包括：分泌蛋白Wnt家族、跨膜受體Frizzled家族、酪氨酸蛋白激酶Ⅰ散亂蛋白(Dsh或Dvl)、糖原合成酶激酶(GSK)-3、結腸腺瘤息肉蛋白(APC)、Axin、β-catenin及轉(zhuǎn)錄因子T細胞因子(TCF)/淋巴增強因子(LEF)家族等〔7〕。在Wnt信號通路中，β-catenin的濃度直接決定了Wnt信號通路的激活與否。當β-catenin的濃度較低時，β-catenin與Axin、GSK-3、APC等形成復合體，使細胞核內(nèi)的β-catenin磷酸化且結構趨于穩(wěn)定，從而使β-catenin不能進入細胞核內(nèi)，導致核內(nèi)的Wnt相關靶基因的表達受抑制，Wnt信號傳導失活；當β-catenin的濃度較高時，細胞外的Wnt蛋白發(fā)出信號，Wnt蛋白與受體卷曲蛋白(Fz)及配體LRP5、LRP6結合，激活Wnt信號通路，Wnt信號從核外開始轉(zhuǎn)移，進一步使細胞質(zhì)中的Dsh或活化，使Axin、GSK-3及β-catenin所形成的復合物瓦解，隨著瓦解的、逐漸非磷酸化的β-catenin在細胞質(zhì)內(nèi)累計引起濃度梯度的改變，與細胞核中的TCF片段結合，引起Wnt相關靶基因的表達，參與各種生理病理的改變〔8〕(如圖1)。其中，Axin作為Wnt/β-catenin信號通路的蛋白支架，無論Wnt信號通路是否激活都起著相當重要的作用，對維持Wnt信號通路的空間結構起著重要作用，其可與GSK-3β、APC、酪氨酸蛋白激酶Iα、β-catenin等結合形成復合體，使GSK-3β失活，直接參與β-catenin磷酸化、降解、維持穩(wěn)定性的全過程，起最主要的負性調(diào)節(jié)作用〔9〕。

圖1 Wnt/β-catenin信號通路調(diào)控示意圖

2 Wnt信號通路與關節(jié)軟骨

2.1關節(jié)軟骨與軟骨細胞 關節(jié)軟骨僅見于關節(jié)部分組織，由于缺乏血管、神經(jīng)末梢、淋巴管，因此關節(jié)軟骨損傷很難再次修復。關節(jié)軟骨主要由軟骨細胞和細胞外基質(zhì)組成，軟骨細胞僅占組織總體積的2%～5%，軟骨細胞外基質(zhì)主要由膠原蛋白組成，其中膠原蛋白Ⅱ是最豐富的。骨髓間充質(zhì)干細胞是軟骨細胞的始源，間充質(zhì)干細胞大部分分化為軟骨細胞，一部分分化為成纖維細胞，少部分直接分化為成骨細胞。軟骨細胞進一步分化為成纖維細胞與肥厚性軟骨細胞，其中肥厚性軟骨細胞通過分化轉(zhuǎn)移形成成骨細胞，成纖維細胞可分化轉(zhuǎn)移為脂肪細胞和再分化為軟骨細胞，進一步轉(zhuǎn)換為肥厚性軟骨細胞再轉(zhuǎn)移為成骨細胞，進一步形成關節(jié)軟骨，其中任何一個轉(zhuǎn)化途徑失調(diào)均會導致關節(jié)軟骨生成減少(圖2)。此外，軟骨細胞也會隨著人的年齡增加而出現(xiàn)細胞衰老，由于細胞耗竭而進入細胞周期，阻滯連續(xù)細胞培養(yǎng)過程中的增殖能力，導致軟骨再生障礙〔10〕。

2.2Wnt信號通路與軟骨細胞的損傷 OA的發(fā)生是由于骨平衡被打破，關節(jié)軟骨的進一步喪失甚至軟骨硬化。軟骨細胞的成熟與凋亡是導致OA的關鍵〔11〕，Wnt信號通路通過調(diào)節(jié)關節(jié)軟骨細胞外基質(zhì)的合成與分解〔12〕，抑制軟骨細胞向軟骨增殖分化的Wnt-1、Wnt-7a、Wnt-14，跟隨著Wnt信號的激活與否激活相關的表達引起軟骨細胞的轉(zhuǎn)化與否，如由促分裂素原活化蛋白激酶和AP1信號傳導Wnt-7a可誘導軟骨抑制作用。有研究發(fā)現(xiàn)，在退變的軟骨細胞中β-catenin表達水平明顯上升〔13〕，這就說明Wnt信號通路可能介導關節(jié)軟骨的破壞，進而導致關節(jié)炎癥的發(fā)生。其中，Wnt/β-catenin信號下游通路可能在關節(jié)組織中通過控制軟骨細胞、成骨細胞中起重要作用，比如說基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)和MMP的過度表達在軟骨細胞和巨噬細胞中的軟骨聚集蛋白聚糖酶可以導致關節(jié)軟骨退化。β-catenin過表達可以刺激MMP-2、MMP-3、MMP-7、MMP-9、MMP-13及ADAMTS5的表達增加〔14〕，其中，最廣泛存在的MMP-2對維持關節(jié)軟骨結構與代謝相當重要〔15〕,再次最重要的MMP參與軟骨退化是MMP-13，目前已經(jīng)在關節(jié)軟骨破壞的患者中發(fā)現(xiàn)高表達的MMP-13，可作為OA關節(jié)軟骨損傷標志物〔16〕。

圖2 軟骨細胞分化

β-catenin的表達可刺激MMPs和骨形態(tài)發(fā)生蛋白的表達增加，可引起軟骨基質(zhì)的降解，加速軟骨細胞的凋亡導致關節(jié)軟骨破壞〔17〕。

2.3Wnt信號通路與軟骨細胞的保護 Dickkopf 相關蛋白(DKK)被認為通過抑制Wnt信號轉(zhuǎn)導與LRP5/6和另一種受體Kremen結合。DKK通過中斷Wnt-Frizzled-LRP三元復合物的形成來抑制Wnt信號通路與LRP5/6的相互作用，特別是破壞經(jīng)典Wnt信號通路。DKK-1為Wnt/β-catenin信號通路中重要的拮抗因子之一，通過抑制DKK-1可使損傷的關節(jié)軟骨逆轉(zhuǎn)〔18,19〕，Axin作為Wnt/β-catenin的負性調(diào)節(jié)因子，其表達的強度可直接影響軟骨細胞的增殖分化與凋亡〔20,21〕。因此，通過調(diào)節(jié)β-catenin的表達對軟骨細胞的增殖分化與凋亡有著密切的關系。軟骨細胞中β-catenin信號可以以某種方式調(diào)節(jié)骨重塑依賴于RANKL/骨保護素(OPG)。OPG是一個誘餌受體與RANK競爭〔22〕,它與RANKL結合在一起基質(zhì)/成骨細胞前體細胞，但不會將信號轉(zhuǎn)導到破骨細胞譜系細胞，這些細胞應該相互作用與基質(zhì)/成骨細胞前體細胞接受RANKL信號。以這種方式，OPG對破骨細胞發(fā)揮抑制分化作用〔23〕。不同RANKL和OPG的表達方式對軟骨細胞中的破骨細胞呈現(xiàn)出不同的調(diào)控作用〔24〕。

3 Wnt信號通路與OA

3.1Wnt信號的異常激活 OA主要是由于關節(jié)軟骨的破壞、變形，缺乏神經(jīng)感覺纖維的無菌性炎癥，軟骨病變是OA的核心〔25,26〕，關節(jié)軟骨自身修復是一個緩慢的過程，由于衰老、異常機械負載、遺傳易感性、創(chuàng)傷或炎癥進一步損傷關節(jié)軟骨，使得關節(jié)軟骨成骨和破骨不平衡，因此關節(jié)炎癥會愈發(fā)加重。軟骨細胞的成熟與凋亡是導致OA的關鍵，Wnt信號通路通過調(diào)節(jié)關節(jié)軟骨細胞外基質(zhì)的合成與分解〔27〕，維持其平衡。在Wnt信號轉(zhuǎn)導通路中任何一步傳導途徑發(fā)生障礙都可導致關節(jié)軟骨形成與破壞發(fā)生異常反應。其異常情況大致可分為三類：①在Wnt信號途徑細胞核內(nèi)外的相關蛋白、轉(zhuǎn)錄因子親和力異常導致該途徑關閉或局部途徑異?；钴S〔28〕;②過多的Wnt信號使整個途徑都異常活化，破骨細胞進行不必要的增殖，造成成骨細胞與破骨細胞平衡被打破，導致關節(jié)軟骨喪失〔29〕；③在Wnt信號不足時Wnt信號通路理應處于關閉狀態(tài)，但參與Wnt通路的其他細胞因子異常活化也會使Wnt信號通路活化，導致細胞及機體不正常反應。如APC、Axin等，這些細胞突變使β-catenin在細包膜外過度表達進一步向細胞核內(nèi)的轉(zhuǎn)移，激活Wnt信號通路〔30〕。

3.2Wnt信號通路與OA 在Wnt信號通路中，上游細胞因子Wnt分子,APC,GSK-3和Axin的功能障礙不能與β-catenin結合形成復合體，導致β-catenin的過量表達，使Wnt信號通路異常激活，進一步加重OA病程。研究表明，任何負性調(diào)節(jié)Wnt/β-catenin信號通路的調(diào)節(jié)因子均可影響軟骨細胞向成骨細胞的轉(zhuǎn)化，Axin作為該信號通路的支架蛋白，對該通路的激活與否起著重要的轉(zhuǎn)導作用。研究發(fā)現(xiàn)，在退變的軟骨細胞內(nèi)觀察到β-catenin表達顯著增高，另外，與骨折病人相比，OA患者軟骨細胞培養(yǎng)液中β-catenin表達也顯著升高，從而推斷Wnt/β-catenin可能與軟骨代謝明顯相關〔31,32〕。Wnt通路中的關鍵分子包括β-catenin、APC、GSK-3β、Dsh等結合形成復合體，影響成骨細胞的分裂、分化和成熟，導致骨形成不足〔33〕，Wnt誘導分泌蛋白(WISP)-1和WISP1基因過度表達OA患者的骨贅形成明顯相關。此外，Wnt下游因子MMPs及其他促炎因子及介質(zhì)如前列腺素E2和一氧化氮(NO)等，會誘導軟骨細胞表型的喪失與凋亡。這些發(fā)現(xiàn)表明促炎介質(zhì)是軟骨退化的重要介質(zhì)。MMP家族中，MMP-3，MMP-8，MMP-13和MMP-13聚集蛋白聚糖酶等促炎介質(zhì)參與軟骨的退化，特別是ADAMTS-5，已經(jīng)被認定為帶有軟骨記錄損害的標志〔34〕。

3.3肥胖與OA 肥胖已經(jīng)成為OA的獨立危險因素〔35〕，當Wnt信號在前脂肪細胞中被激活時，它會抑制轉(zhuǎn)錄因子C/EBPa和PPARc的表達和抑制脂肪生成；此外，調(diào)節(jié)脂肪細胞形成的Wnt5a與酪氨酸激酶樣孤兒受體結合，促進脂肪細胞的活化，增進脂肪形成〔36〕。除了Wnt之外，轉(zhuǎn)化生長因子β途徑在脂肪細胞分化的調(diào)節(jié)中起主要作用，Wnt信號通路也參通過抑制PPARgamma與CEBPalpha與相關脂肪代謝，引起肥胖，與OA的發(fā)生密切相關〔37〕。

4 展 望

目前，OA的診斷僅基于臨床癥狀和影像學標準，對于發(fā)病機制尚缺乏統(tǒng)一的認識，尚無統(tǒng)一的治療方案，均為緩解疼痛和延緩關節(jié)破壞，而人工關節(jié)置換是晚期最成功的治療方案。迫于當前的實時要求，這必然使人們有興趣轉(zhuǎn)向疾病過程的早期診斷、預防及治療。Wnt信號通路對OA并不僅限于對軟骨細胞的影響，可用于解釋OA復雜的生理病理，并確定合適的藥物治療新靶點。通過對Wnt/β-catenin信號通路研究發(fā)現(xiàn)OA發(fā)病機制，為關節(jié)炎的治療干預提供額外的見解，為研究這些基因在關節(jié)軟骨水平上的分子機制及新的治療靶點提供了機會。但是就目前的研究技術而言，Wnt信號相關轉(zhuǎn)導途徑的實驗研究均建立在動物實驗上，尚未有人體相關研究的報道。