信號通路在骨關節炎發生中作用的研究進展

周澤浩，閻偉，李金松，史娜

1 山東中醫藥大學中醫學院，濟南250014；2 山東中醫藥大學附屬醫院關節骨科；3 山東大學齊魯醫院德州醫院影像科

近年來，隨著人口老齡化加劇，骨關節炎（OA）的發病率不斷增高。據統計，我國40 歲以上人群OA的患病率達到43.6%，已成為中老年人生活質量下降和致殘的主要原因［1］。OA 是一種關節退行性疾病，主要病理特征為關節軟骨退化損傷、軟骨下骨硬化或囊性病變、關節邊緣骨質增生等。目前，OA的發病機制尚不完全清楚。正常軟骨的功能依賴多種信號通路的調節，而這些信號通路亦參與調控OA的發生、發展。因此，以信號通路為切入點對OA 的發病機制進行深入研究，已然成為當前的研究熱點。目前，研究較多的信號通路有Notch 信號通路、Wnt信號通路、核因子κB（NF-κB）信號通路、轉化生長因子β（TGF-β）/Smad 信號通路、c-Jun 氨基末端激酶（JNK）信號通路、磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）/絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶B（Akt）/雷帕霉素靶蛋白（mTOR）信號通路及骨保護素（OPG）/核因子κB 受體活化因子（RANK）/RANK 配體（RANKL）信號通路。這些信號通路可能通過調控軟骨細胞合成或分解代謝、炎癥反應等參與OA 的發生、發展。通過對這些信號通路的深入研究，或許可為OA 的治療提供新的思路。本文結合文獻就信號通路在OA 發生中作用的研究進展作一綜述。

1 Notch信號通路在OA發生中的作用

Notch 信號通路由Notch 受體（Notch1、Notch2、Notch3、Notch4）、Notch 配 體（DLL1、DLL3、DLL4、Jagged1、Jagged2）及細胞內效應器分子（CSL-DNA結合蛋白）三部分組成。在經典的Notch 信號通路中，細胞表面的Notch 受體被激活后，經過3 次裂解將Notch 胞內段（NICD）釋放入細胞質，隨后轉移至細胞核與CSL 結合并募集核轉錄激活蛋白家族MAML，最終形成NICD-CSL-MAML三元絡合轉錄激活物，進而參與目標基因的轉錄，之后該通路中的轉錄因子會激活并促進下游靶基因的表達［2］，從而起到促進細胞增殖、抑制細胞分化等作用。

Notch 信號通路對OA 的發生、發展具有重要作用，其被短暫激活可維持關節穩定和軟骨細胞外基質合成增加，若其被持續激活則會加速軟骨退化和OA 進展［3］。有研究報道，OA 病情越重，Notch 受體蛋白表達越高［4］。LUO 等［5］研究發現，早期阻斷Notch 信號通路可有效延緩OA 進展期軟骨破壞。吳紹軍等［6］研究發現，抑制Notch信號通路可顯著降低Bax 蛋白表達并提高Bcl-2 蛋白表達，進而抑制軟骨細胞凋亡，加速軟骨與骨形成，促進骨缺損修復。因此，防止Notch 信號通路過度激活有可能是治療OA的關鍵。

2 Wnt信號通路在OA發生中的作用

Wnt 信號通路可分為Wnt/β-catenin 信號通路、Wnt/PCP 信號通路、Wnt/Ca2+信號通路以及胞內通路。其中，Wnt/β-catenin 信號通路可激活核內靶基因的表達，Wnt/PCP 信號通路可參與JNK 激活和細胞骨架重排，Wnt/Ca2+信號通路可激活磷脂酶C 和蛋白激酶C，胞內通路可調節紡錘體方向和非對稱性細胞分裂。而Wnt/β-catenin 信號通路一直是研究的重點和熱點。

Wnt/β-catenin 信號通路由Wnt 家族蛋白、低密度脂蛋白受體相關蛋白5/6、卷曲蛋白及β-catenin、T 細胞因子、淋巴樣增強因子轉錄因子等組成。Wnt/β-catenin信號通路激活是分泌型配體蛋白Wnt與膜表面受體蛋白結合后激活胞內蓬亂蛋白（DVL）的過程［7］。DVL可降低β-catenin 降解復合物的降解活性，穩定細胞質中游離態β-catenin 蛋白水平。而細胞質中穩定積累的β-catenin 進入細胞核后，會結合T細胞因子/淋巴樣增強因子轉錄因子，啟動下游靶基因的轉錄，從而參與胚胎發育、器官形成、組織再生等生物學過程。

Wnt/β-catenin 信號通路可參與對軟骨細胞、成骨細胞以及滑膜細胞的功能調控［8］。據報道，Wnt-5a和Wnt-5b 能夠通過參與調控成骨細胞、軟骨細胞分化，產生蛋白酶，參與OA 的發病過程，二者在OA組織中呈過表達狀態。Wnt/β-catenin 信號通路蛋白通常處于被抑制表達狀態，當信號通路被激活后，這些蛋白過表達，將會促進軟骨細胞基質水解酶類表達，進而誘導軟骨基質降解［9］。有研究證實，Wnt/β-catenin 信號通路蛋白過表達與OA 患者軟骨特異性細胞外基質的降解有著密切聯系［10］。但β-catenin 表達過低同樣也可加速軟骨細胞降解，進而導致OA 的發生。這表明通過適度抑制Wnt/β-catenin 信號通路來控制軟骨降解，有可能是治療OA的有效手段。

3 NF-κB信號通路在OA發生中的作用

NF-κB 信號通路包括NF-κB1（p50）、NF-κB2（p52）、RelA（p65）、RelB 和c-Rel 五部分。正常情況下，NF-κB信號通路處于失活狀態，當遇到高水平腫瘤壞死因子α、佛波酯、脂多糖等刺激時，可激活NF-κB 誘導性絲裂原蛋白激酶，將NF-κB 抑制蛋白磷酸化，然后NF-κB會被運送至細胞核與κB位點結合，從而調控多種靶基因的表達［11］，繼而參與機體炎癥反應、應激反應、免疫應答以及細胞周期等一系列生物學過程。

在OA 發生、發展過程中，NF-κB 信號通路能夠廣泛參與滑膜、關節軟骨以及軟骨下骨的病理改變，尤其以關節軟骨破壞最為明顯。在OA 患者關節軟骨中，NF-κB 信號通路明顯處于高激活狀態［12］。NF-κB 信號通路被激活后，能夠促進基質金屬蛋白酶（MMP）生成，進而引起并加重軟骨降解和關節損傷，從而導致OA 進程加快。有研究報道，MMP 在兔OA 模型關節軟骨中高表達［13］。ZHANG 等［14］研究發現，通過降鈣素抑制NF-κB 信號通路激活可對關節軟骨起到保護作用。有學者認為，NF-κB 信號通路在OA 軟骨下骨中處于激活狀態，該信號通路激活將會引起軟骨下骨異常重塑［15］。安方玉等［16］研究報道，抑制PI3K/Akt/NF-κB信號通路激活能夠達到治療OA 的目的。以上研究表明，NF-κB 信號通路在OA 的發生、發展過程中發揮重要作用，其機制可能與該信號通路被激活能夠誘發滑膜炎或引起并加重軟骨降解有關。因此，通過抑制NF-κB 信號通路激活來改善軟骨破壞，有可能成為治療OA的新方向。

4 TGF-β/Smad信號通路在OA發生中的作用

TGF-β超家族包括骨形成蛋白、生長分化因子、抗繆勒式管激素、激活素、Nodal及TGF-β，該家族成員可廣泛參與細胞生長、分化、凋亡等生物學過程。TGF-β/Smad信號通路主要由TGF-β信號分子、細胞膜表面Ⅰ型和Ⅱ型絲氨酸/蘇氨酸跨膜受體以及細胞內效應物質Smad蛋白組成，這些分子通過特異性膜結合的方式進行信號傳導。其中，Smad蛋白磷酸化是該信號通路的重要環節，TGF-β 信號分子與細胞膜表達的跨膜受體結合使Smad 蛋白磷酸化并將信息傳遞至細胞核內，從而調控細胞的穩態。

TGF-β/Smad 信號通路能夠參與OA 的發生、發展，其機制可能與該信號通路能夠調控軟骨細胞活性有關。有學者認為，TGF-β/Smad 信號通路在軟骨細胞的增殖、分化及成熟過程中具有重要的調控作用［17］。ZHENG 等［18］研究報道，TGF-β/Smad 信號通路蛋白表達上調可促進軟骨形成并維持軟骨內穩態，從而促進OA 恢復。HU 等［19］研究同樣發現，通過靶向刺激促進軟骨細胞TGF-β/Smad 信號通路蛋白表達，可起到抑制軟骨退變的作用。這表明TGFβ/Smad 信號通路激活可起到改善OA 的作用。但TARDIF 等［20］研究發現，TGF-β/Smad 信號通路能夠降低miR-140表達，而miR-140表達缺失會引起骨骼異常并導致軟骨肥大細胞形成。目前，TGF-β/Smad信號通路與OA 的關系仍存在爭議。有學者推測，TGF-β/Smad 信號通路在不同時間和空間會產生不同的生物學效應［17］。因此，掌握OA 關節內不同組織中TGF-β/Smad 信號通路蛋白的表達變化，從而制定針對性干預措施，可能為OA 的治療提供新的思路。

5 JNK信號通路在OA發生中的作用

JNK 是絲裂原活化蛋白激酶超家族的重要成員，由JNK1、JNK2 和JNK3 三種基因編碼。JNK 主要存在于細胞質內，能夠被缺血再灌注損傷、高滲環境損傷等激活，還能被非經典的Wnt信號通路激活。受到刺激后，JNK 會迅速聚集于細胞核內并發生磷酸化，導致相應靶基因的表達改變。JNK 信號通路的大致路徑：細胞質中的JNK→應激→JNK 活化轉位細胞核→磷酸化核內轉錄→靶基因轉錄及新蛋白質合成→生物學效應。JNK 信號通路在細胞增殖、分化、凋亡以及應激反應等生理和病理過程中具有重要作用。

JNK信號通路在OA的發生、發展過程中起重要作用。ZHOU 等［21］研究發現，特異性抑制JNK 磷酸化能夠有效抑制OA 的發生、發展。LU 等［22］在應用JNK 信號通路抑制劑對軟骨細胞JNK 信號通路抑制后發現，軟骨細胞凋亡程度明顯降低。因此，我們認為JKN 信號通路具有促進軟骨細胞凋亡的作用，而抑制JNK 信號通路有可能成為治療OA 的新方向。但亦有學者認為，長期單獨使用JNK 信號通路抑制劑將會抑制軟骨細胞外基質合成，加重軟骨損傷［23］。因此，JNK 信號通路抑制劑長期使用的安全性問題尚需進一步驗證。

6 PI3K/Akt/mTOR信號通路在OA發生中的作用

PI3K/Akt/mTOR 信 號 通 路 是 由PI3K、Akt、mTOR三個作用分子組成。PI3K是該信號通路的起始因子，Akt 為PI3K 下游的主要效應分子，激活PI3K/Akt 信號通路可使Akt 蛋白磷酸化，并將信號傳導至下游靶點最終激活mTOR，從而抑制細胞的自噬水平和調控與細胞凋亡相關基因的表達。PI3K/Akt/mTOR 信號通路是細胞內重要的自噬信號調節途徑，該信號通路激活在抑制細胞凋亡過程中具有關鍵作用，與多種疾病的發生、發展有著密切聯系［24］。

PI3K/Akt/mTOR 信號通路與OA 的發生、發展存在密切聯系。目前，對OA 的研究已聚焦于自噬機制，mTOR 作為抑制自噬的關鍵因子，受PI3K/Akt上游信號通路的調控［25］，該信號通路被激活后，可起到抑制細胞自噬的作用。有研究表明，軟骨細胞可在應激性刺激下啟動保護性自噬，從而延緩軟骨組織退變，抑制軟骨細胞凋亡，從而改善OA 的發生、發展［26］。CHENG 等［27］研究同樣發現，實驗性OA 早期自噬水平增強，而晚期自噬水平降低。PI3K/Akt/mTOR 信號通路能夠通過上調自噬相關因子的表達，抑制軟骨細胞凋亡，延緩骨關節退變，促進骨關節重構。因此，深入研究PI3K/Akt/mTOR 信號通路在OA 發生、發展中的具體作用機制，研制安全可靠的靶向藥物，或許能夠為OA治療帶來更多的福音。

7 OPG/RANK/RANKL 信號通路在OA 發生中的作用

OPG/RANKL/RANK 信號通路是骨代謝過程中一條非常重要的信號通路，由OPG、RANK、RANKL三個作用分子組成。其中，OPG 與骨含量和骨代謝有關，是抑制骨吸收的關鍵細胞因子；RANK 是誘導破骨細胞成熟的關鍵細胞因子，可激活NF-κB 信號通路、JNK 信號通路等，促使破骨細胞成熟；RANKL是介導骨吸收的關鍵細胞因子，與RANK 結合后可激活相關信號傳導通路，誘導破骨細胞的分化與成熟。

OPG/RANK/RANKL 信號通路是成骨細胞與破骨細胞相互作用的信號通路，與軟骨下骨代謝密切相關，在骨重構與破骨細胞分化過程中發揮重要作用。OPG 是RANKL 的假性受體，可競爭性地與RANKL 結合以抑制RANK 表達，進而抑制破骨細胞激活，促進破骨細胞凋亡。有研究發現，RANKL 增加會對關節軟骨造成較大破壞，而OPG 增多可導致RANKL 減少，此時對軟骨破壞有緩解作用［28］。結果表明，OPG 增多可有效抑制RANK 與RANKL 結合，阻斷信號傳遞，進而減輕骨組織破壞。LIU 等［29］研究發現，OA 患者軟骨細胞中RANK/RANKL 較健康志愿者顯著增加，OPG/RANKL 較健康志愿者明顯降低。王斌等［30］研究發現，增加軟骨細胞中OPG 表達會抑制破骨細胞的形成和活化，減輕軟骨下骨破壞，最終延緩OA 進展。由此可見，OPG/RANK/RANKL信號通路能夠影響破骨細胞功能，OPG 增加可抑制破骨細胞增殖和分化，而RANKL增加則會促進其增殖和分化，尤其是OPG/RANKL 變化可直接影響破骨細胞增殖和分化，無論是OPG 下降還是RANKL 升高，都會導致骨破壞發生。因此，OPG/RANK/RANKL 信號通路未來將會給OA 治療帶來不小的變革。

綜上所述，Notch信號通路、Wnt信號通路、NF-κB信號通路、TGF-β/Smad 信號通路、JNK 信號通路、PI3K/Akt/mTOR 信號通路及OPG/RANK/RANKL信號通路可能通過調控軟骨細胞合成或分解代謝、炎癥反應等參與OA 的發生、發展。通過對這些信號通路的深入研究，或許可為骨關節炎的治療提供新的思路。