Wnt/β-catenin信號通路對骨關節炎關節軟骨的影響研究

張傳成 陳利鋒

·綜述與進展·

Wnt/β-catenin信號通路對骨關節炎關節軟骨的影響研究

張傳成1陳利鋒2

1.武漢科技大學醫學院，湖北武漢 430065； 2.中國人民解放軍中部戰區總醫院風濕免疫科，湖北武漢 300700

近年來，Wnt信號通路在骨關節炎中的研究越來越受到人們的關注。研究發現，Wnt信號通路與軟骨細胞、成骨細胞、破骨細胞的生長密切相關，在骨關節炎中Wnt/β-catenin信號通路的相關分子明顯表達異常，與骨關節炎病情進展密切相關，本文對Wnt/β-catenin信號通路與骨關節炎軟骨關系進行綜述，且討論了基于該通路的相關療法。

Wnt信號；β-catenin；骨關節炎；軟骨細胞

骨關節炎（osteoarthritis，OA）是一種退行性關節病，好發于中老年人，致殘率較高[1]。OA發病率逐年增高，年齡、遺傳和創傷等為常見的發病危險因素[2]。研究證實，關節軟骨在OA的發生、發展過程中起著不可或缺的作用[3]，關節軟骨退化是OA的主要病理變化，但滑膜炎的參與加重了關節組織破壞[4]。有研究指出，Wnt組分在不同器官中的表達和分布隨年齡的變化而變化。OA作為一種與年齡密切相關的退行性疾病，其發生、發展與Wnt信號通路有關，Wnt信號通路相關因子在OA患者和OA動物模型中均會表達異常[5]。本文就Wnt/β-catenin信號通路與OA的關系綜述如下。

1 Wnt/β-catenin信號通路

Wnt信號通路是一種進化非常保守的通路，在胚胎發育過程中參與了細胞的發育、分化、極化等過程，也與了某些疾病的發生、發展過程。

Wnt一詞是由導致果蠅翅膀組織缺失的基因wingless和小鼠體內的原癌基因int1合并而來[6]。Wnt屬于分泌型糖脂蛋白家族，其能夠以自分泌或旁分泌方式發揮作用。Wnt信號通路是由19個Wnt配體和10個跨膜受體相互作用形成，這些信號通路控制著生物體內許許多多的生物活動，可以在多個器官、組織發揮作用，尤其在骨組織中的作用尤為重要。迄今為止，已知的Wnt信號通路主要分為經典通路即Wnt/β-catenin信號通路及其他非依賴β-catenin的非經典通路，其中以Wnt/β-catenin信號通路研究較多，最重要的同時也與OA病情關系最密切。

1.1 Wnt/β-catenin信號通路調控機制

Wnt/β-catenin信號通路的關鍵性蛋白有連環素蛋白（β-catenin）、細胞外因子、卷曲蛋白（Frizzled，Frz）、散亂蛋白（dishevelled，Dsh）、軸蛋白（Axin）、糖原合酶激酶-3β（glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β）、腺瘤性結腸息肉病蛋白（adenomatous polyposis coli protein，APC）、T細胞因子/淋巴增強因子等[7]，其中β-catenin在Wnt/β-catenin信號通路通路中最為關鍵[8]。正常細胞中β-catenin會被隔離在APC、GSK3β、CK1α三者組成的復合物中。當細胞質中Wnt配體缺乏時，APC、GSK3β、CK1α三者組成的復合物會將β-catenin磷酸化，隨后被泛素蛋白酶體系統降解[9]，使其無法進入細胞核中發揮作用，也就無法形成Wnt/β-catenin信號通路。在Wnt配體的存在的情況下，細胞膜上特異性受體蛋白frz及輔助受體低密度脂蛋白受體相關蛋白相互作用，細胞內發生信號轉導繼而Dsh被激活，激活的Dsh會抑制GSK3β的活性，從而抑制β-catenin的降解。隨著β-catenin不斷積累并進入細胞核中，此時細胞核內的β-catenin便可與轉錄因子T細胞因子/淋巴細胞增強因子（T cell transcriptional factor/ lymphid enhancer factor，Tcf/Lef）相互作用，Wnt信號下游靶基因便開始進行轉錄，如細胞周期蛋白D1（cyclinD1）、基質金屬蛋白酶-3（matrix metalloproteinase-3，MMP）、MMP-13、骨形態發生蛋白-2（bone morphogenetic protein，BMP-2）等。因此，Wnt/β-catenin信號通路的激活途徑可總結為：Wnt→Frizzled→Dsh→GSK-3β表達下調→細胞核內β-catenin 積累→ TCF/LEF1 →下游靶基因轉錄。

Wnt/β-catenin信號通路得以進行下去的最關鍵環節是β-catenin/TCF 轉錄復合體的形成，但有研究認為β-catenin某些下游因子的轉錄并不依賴于Tcf介導的信號轉導，而是由Oct4等調控[10]。

2 骨關節炎與關節軟骨

目前OA形成的原因并不明確，是在各種原因（代謝、生化和生物力學等）的影響下關節內部環境逐漸改變，而關節軟骨的退化是導致OA形成關鍵的一個環節。OA早期主要是關節軟骨發生病變，繼而逐漸影響軟骨下骨質及周圍組織，病理表現主要為軟骨變性和新生骨的形成[11]。軟骨細胞位于軟骨陷窩內，其增殖方式為有絲分裂，其增殖受到各種內部因子及外部環境的影響，成年人的軟骨細胞幾乎沒有增殖活性，它們通過自噬的方式來清理異常的軟骨細胞以維持軟骨的穩定[12]。在關節軟骨中唯一存在的細胞就是軟骨細胞，其他部分為軟骨外基質（主要成分為Ⅱ型膠原），關節受到一些損傷因素后，軟骨內穩態被打亂，軟骨細胞的表型發生轉移[13]，受損嚴重的軟骨細胞直接死亡。

隨著人們對Wnt信號靶基因組的研究不斷深入，該通路所調控的生物信息也越來越明確。大量研究表明，β-catenin高表達可以促進骨的形成，導致軟骨降解[14]。Xia等[15]研究發現OA患者軟骨中β-catenin蛋白的表達水平上調且通過對2周齡小鼠使用他莫昔芬以誘導提高其體內β-catenin水平，結果當小鼠成年后同樣可以表現出OA癥狀，包括關節軟骨變性、軟骨下硬化和骨贅形成。張棟等[16]建立KOA大鼠模型發現Wnt/β-catenin通路下游因子通過滑膜的分泌功能傳遞至關節液、關節軟骨中，進而促進關節軟骨破壞。目前已證實與OA相關的因子有許多，如基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMPs）、骨形態發生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）家族、白細胞介素1（interleukin-1，IL-1）、環氧化酶2、腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor，TNF-α）等[17,18]，這些因子中屬于Wnt/β-catenin通路的下游因子有MMP-3（matrix metalloproteinase3，MMP-3）、MMP-13（matrix metalloproteinase13，MMP-13）、骨形態發生蛋白2（bone morphogenetic protein2，BMP-2）、IL-1等，β-catenin/TCF 轉錄復合體的形成激活Wnt/β-catenin通路后，這些基因開始轉錄。

MMPs含有一種蛋白水解酶，它能夠降解關節軟骨細胞外基質以及細胞外基質中的Ⅱ型膠原和多種蛋白，細胞外基質的減少會誘發軟骨的退變，而軟骨退變后會在局部形成酸性環境，這種環境下的軟骨細胞外基質更易發生破壞，這種病理狀態下的正反饋效應大大加速了OA的形成，在MMPs家族中當屬MMP-3、MMP-13與OA的發生、發展最為密切，其過表達會導致關節軟骨更嚴重的破壞。有研究指出，某些炎癥因子會通過激活細胞外信號調節酶相關通路，促使軟骨組織釋放MMP-3和MMP-13，增加Ⅱ型膠原降解，從而引起關節軟骨的破壞[19]。

BMP屬于轉化生長因子β超家族，可以影響軟骨內骨化，在正常的軟骨細胞中BMP的水平可以忽略不計，但在OA軟骨細胞中BMP水平明顯高表達。當上調模型小鼠體內BMP-2的表達時，可以觀察到小鼠膝關節有骨贅形成，而抑制BMP-2的表達時，骨贅的生長也受到顯著抑制，這些實驗均表明BMP會導致軟骨損失，且大量研究表明，BMP的表達水平會伴隨OA病程的進展而增高[20]，所以BMP的水平變化可以作為OA病情變化的一項客觀指標。IL-1有著類似于MMPs的作用，它同樣可以抑制Ⅱ型膠原的合成，改變并破壞軟骨組織及其周圍環境，但與MMPs不同的是IL-1可以直接抑制軟骨細胞的增殖[21]，還可以刺激軟骨細胞BMP-2的表達，所以其比MMPs更具有破壞力，可以大大加速OA的形成與發展，基于這一特性，IL-1也被用于構造OA動物模型，以上因子均是Wnt/β-catenin通路的重要因子，且均已經被證明可以促進OA的形成，也就表明該通路注定與OA的發生、發展密不可分。

3 基于Wnt/β-catenin通路的骨關節炎療法

目前OA的治療主要是以緩解疼痛為主的對癥治療，晚期患者往往只能采取關節置換術，通過以上描述可以確定Wnt/β-catenin通路中的相關因子在OA中的確扮演了重要的角色。Wnt信號對OA的影響十分復雜，Wnt信號的過度表達和缺失均會導致關節軟骨破壞，但在正常軟骨細胞中本身就存在適量的Wnt信號，所以Wnt/β-catenin通路的過表達是導致OA形成的關鍵因素。盡管目前單純通過抑制此通路來根治OA是不可能的，但通過降低相關因子的表達來改善OA病情是切實可行的。Wnt/β-catenin通路的關鍵蛋白“LRP5”的抑制劑可以使KOA軟骨細胞MMP-13 mRNA的表達量明顯下降。骨硬化蛋白（sclerostin，SO）可以通過抑制Wnt/β-catenin信號通路降解MMPs起到保護軟骨作用，同時在體外實驗發現SO可劑量依賴性地抑制白細胞介素1α（interleukin-1，IL-1α）導致的軟骨破壞。在OA患者膝關節液中，WNT拮抗劑分泌型蛋白DKK1（dickkopf-1，）、FRZ在關節軟骨中表達異常[22]，有研究指出TNF-α可以通過增加β-catenin和MMP13的表達，抑制Ⅱ型膠原蛋白的合成，而當給予Dkk1干預后，II型膠原蛋白的合成抑制作用明顯降低。當敲出大鼠Dkk1基因后會使大鼠表現出OA癥狀，相反給大鼠注射Dkk1后，大鼠關節軟骨得到保護。過表達miR-1可以通過阻止細胞質中β-catenin進入細胞核中，有效抑制Wnt/β-catenin通路的激活，使下游靶基因表達降低。miR-127-3p可以抑制軟骨細胞中的鈣黏著蛋白11（cadherin-11，CDH11），從而阻斷Wnt/β-catenin途徑的活化并緩解OA中的軟骨細胞損傷[23]。采用骨髓間充質干細胞（mesenchymal stem cells，MSCs）可以減輕炎癥，促進軟骨再生，MSCs治療OA已被得到廣泛認可。

Lorecivivint是一種IA小分子藥物，它可以通過抑制核內激酶CLK2和DYRK1A，調節該通路下游因子，目前該藥物已經進入臨床試驗階段，研究顯示受試OA患者的疼痛和關節功能均得到改善[24]。我國傳統中藥也可以抑制該通路起到改善OA病情的作用，如青蒿素可以抑制IL-1的表達起到抗炎作用[25]。

目前靶向治療OA已經得到廣泛的認可，而尋找有價值的靶基因必須充分了解不同信號通路的相互作用[26]。目前，基于Wnt/β-catenin信號通路的OA療法理論上可以適用于所有分期的OA患者，但對于疼痛嚴重，關節畸形甚至完全喪失活動能力的晚期OA患者，目前最有效的治療方式是關節置換，能最大限度地改善關節功能[27]。因此，此通路療法適用于以關節疼痛、活動受限和輕度關節畸形的早中期OA患者[28]。基于Wnt/β-catenin信號通路的OA療法目前仍處于實驗性研究階段，但Wnt/β-catenin通路與OA的相關因子的機制是明確的，因此利用此通路治療OA是相對安全的。將實驗研究成果真正轉化為有效地臨床治療藥物，開發出關于該通路的治療藥物，將是未來的OA研究熱點。

[1] Sharif B, Garner R, Hennessy D, et al. Productivity costs of work loss associated with osteoarthritis in Canada from 2010 to 2031[J]. Osteoarthritis Cartilage, 2017, 25(2): 249–258.

[2] Masson AO, Krawetz RJ. Understanding cartilage protection in OA and injury: A spectrum of possibilities[J]. BMC Musculoskelet Disord, 2020, 21(1): 432.

[3] He B, Jiang D. HOTAIR-induced apoptosis is mediated by sponging miR-130a-3p to repress chondrocyte autophagy in knee osteoarthritis[J]. Cell Biol Int, 2020, 44(2): 524–535.

[4] Kwan Tat S, Lajeunesse D, Pelletier JP, et al. Targeting subchondral bone for treating osteoarthritis: What is the evidence?[J]. Best Pract Res Clin Rheumatol, 2010, 24(1): 51–70.

[5] Yang Y, Wang Y, Jia H, et al. MicroRNA-1 Modulates chondrocyte phenotype by regulating FZD7 of Wnt/ β-Catenin signaling pathway[J]. Cartilage, 2021, 13(2_suppl): 1019S–1029S.

[6] Nusse R, Varmus HE. Many tumors induced by the mouse mammary tumor virus contain a provirus integrated in the same region of the host genome[J]. Cell, 1982, 31(1): 99–109.

[7] 唐芳, 馬武開, 姚血明. Wnt/β-catenin信號通路與骨關節炎[J]. 風濕病與關節炎, 2014, 3(2): 70–73.

[8] Willert K, Nusse R. Beta-catenin: A key mediator of wnt signaling[J]. Curr Opin Genet Dev, 1998, 8(1): 95–102.

[9] Yonezawa H, Sugawara A, Sakyo T, et al. IMU1003, An atrarate der,ivative, inhibits Wnt/β-catenin signaling[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2020, 532(3): 440–445.

[10] Schuijers J, Mokry M, Hatzis P, et al. Wnt-induced transcriptional activation is exclusively mediated by TCF/LEF[J]. EmboJ, 2014, 33(2): 146–156.

[11] 張鍵, 林堅平, 周鋼, 等. MRI半定量評估早期膝骨關節炎軟骨退變[J]. 中國組織工程研究, 2022, 26(3): 441–446.

[12] 趙振國, 王泉, 王成雙, 等. 軟骨細胞增殖調控機制的研究進展[J]. 廣東醫學, 2012, 33(20): 3177–3180.

[13] 鄭曉芬. 骨關節炎發病機制和治療的最新進展[J]. 中國組織工程研究, 2017, 21(20): 3255–3262.

[14] Miclea RL, Karperien M, Bosch CA, et al. Adenomatous polyposis coli-mediated control of beta-catenin is essential for both chondrogenic and osteogenic differentiation of skeletal precursors[J]. BMC Dev Biol, 2009, 9: 26.

[15] Xia C, Wang P, Fang L,et al. Activation of β-catenin in Col2-expressing chondrocytes leads to osteoarthritis- like defects in hip joint[J]. J Cell Physiol, 2019, 234(10): 18535–18543.

[16] 張棟, 王慶甫, 張曉哲, 等. β-catenin與NF-κB信號通路在膝骨關節炎滑膜炎癥中的表達特點及意義[J].中國骨傷, 2019, 32(8): 721–726.

[17] Kawaguchi H. Regulation of osteoarthritis development by Wnt-beta-catenin signaling through the endochondral ossification process[J]. J Bone Miner Res, 2009, 24(1): 8–11

[18] 陳亮, 楊曉凌. 骨關節炎患者血清中炎癥因子IL-1β、IL-6和COX-2的表達[J]. 中國臨床醫學, 2016, 23(1): 61–62.

[19] 余毅, 張婷, 熊逸嘯, 等. 活血化瘀法對膝骨性關節炎模型兔基質金屬蛋白酶的影響[J]. 湖南中醫藥大學學報, 2021, 41(7): 998–1002.

[20] Blaney Davidson EN, Vitters EL,Van der Kraan PM, et al. Expression of transforming growth factor-beta (TGFbeta) and the TGFbeta signalling molecule SMAD-2P in spontaneous and instability-induced osteoarthritis: Role in cartilage degradation, chondrogenesis and osteophyte formation[J]. Ann Rheum Dis, 2006, 65(11): 1414–1421.

[21] 張延輝, 高春陽, 李少華. 骨性關節炎患者退變軟骨及滑膜組織中細胞因子的表達[J]. 中國組織工程研究, 2013, 17(37): 6671–6675.

[22] Huang X, Post JN, Zhong L, et al. Dickkopf-related protein 1 and gremlin 1 show different response than frizzled-related protein in human synovial fluid following knee injury and in patients with osteoarthritis[J]. Osteoarthritis Cartilage, 2018, 26(6): 834–843.

[23] Dong J, Li L, Fang X, et al. Exosome-encapsulated microRNA-127-3p released from bone marrow-derived mesenchymal stem cells alleviates osteoarthritis through regulating CDH11-mediated Wnt/β-Catenin pathway[J]. J Pain Res, 2021, 14: 297–310.

[24] Yazici Y, McAlindon TE, Gibofsky A, et al. A Phase 2b randomized trial of lorecivivint, a novel intra-articular CLK2/DYRK1A inhibitor and wnt pathway modulator for knee osteoarthritis[J].Osteoarthritis Cartilage, 2021, 29(5): 654–666.

[25] Zhong G, Liang R, Yao J, et al. Artemisinin ameliorates osteoarthritis by inhibiting the Wnt/β-Catenin signaling pathway[J]. Cell Physiol Biochem, 2018, 51(6): 2575–2590.

[26] Vincent TL. Of mice and men: converging on a common molecular understanding of osteoarthritis[J]. Lancet Rheumatol, 2020, 2(10): e633–e645.

[27] 劉付杰, 王罡, 丁利偉. 單髁關節置換術和全膝關節置換術治療膝關節內側間室重度骨關節炎的效果比較[J]. 中國實用醫刊, 2022, 49(12): 37–40.

[28] 王欣, 羅文, 黃文澤, 等. 單側膝骨關節炎臨床分期與雙足足底壓力的相關性[J]. 中國組織工程研究, 2021, 25(27): 4312–4317.

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