細(xì)胞焦亡在骨代謝異常疾病中的研究

楊小瑞 曹林忠,2* 胡康一 張勇杰 尚征亞 萬(wàn)超超

1甘肅中醫(yī)藥大學(xué),甘肅 蘭州 730000

2甘肅中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院,甘肅 蘭州 730099

骨代謝相關(guān)細(xì)胞在骨組織的合成、分泌、吸收、礦化等過(guò)程中發(fā)揮著重要作用,是骨修復(fù)重建的關(guān)鍵細(xì)胞。骨代謝相關(guān)細(xì)胞分化及功能的異常與許多骨代謝疾病的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)。

隨著對(duì)細(xì)胞焦亡與骨代謝細(xì)胞相關(guān)研究的不斷深入,細(xì)胞焦亡過(guò)程中炎癥小體的激活及下游關(guān)鍵細(xì)胞因子的表達(dá)在骨代謝過(guò)程中具有重要調(diào)控作用,會(huì)導(dǎo)致骨代謝調(diào)節(jié)處于紊亂狀態(tài),打破骨代謝過(guò)程中骨代謝相關(guān)細(xì)胞骨形成與骨破壞作用的動(dòng)態(tài)平衡,是骨代謝異常疾病發(fā)生發(fā)展的重要病理環(huán)節(jié)。本文就細(xì)胞焦亡在骨代謝相關(guān)細(xì)胞中發(fā)生的分子作用機(jī)制與激素性股骨頭壞死、類(lèi)風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、骨質(zhì)疏松癥、骨關(guān)節(jié)炎等骨代謝異常疾病的相關(guān)研究進(jìn)行綜述,以期為進(jìn)一步探究骨代謝異常疾病的預(yù)防和治療提供理論參考和指導(dǎo)。

1 細(xì)胞焦亡概述

細(xì)胞焦亡(pyroptosis)又稱(chēng)促炎性程序性細(xì)胞死亡,1986年Friedlander 等[1]最早在原代小鼠腹腔巨噬細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)該自然死亡現(xiàn)象并首次提出細(xì)胞焦亡的概念。細(xì)胞焦亡是由打孔蛋白Gasdermin-D介導(dǎo)核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3 (nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3,NLRP3)炎癥小體參與并依賴(lài)半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(主要是caspase-1,4,5,11)的新型促炎癥細(xì)胞程序性死亡方式[2],包括依賴(lài)caspase-1和非依賴(lài)caspase-1兩種途徑(見(jiàn)圖1),常發(fā)生在單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和樹(shù)突狀細(xì)胞等一些專(zhuān)業(yè)吞噬細(xì)胞中[3]。其形態(tài)學(xué)特征表現(xiàn)為細(xì)胞發(fā)生腫脹,形成焦亡小體,細(xì)胞膜破裂,釋放炎癥因子[4],是機(jī)體抵抗外界有害因素刺激的重要的天然免疫反應(yīng)之一。在某些病理因素(如氧化應(yīng)激、高血糖、炎癥損傷等)的作用下,細(xì)胞焦亡出現(xiàn)過(guò)度激活,導(dǎo)致骨代謝相關(guān)細(xì)胞發(fā)生死亡并介導(dǎo)多種骨代謝異常疾病的發(fā)生[5]。

圖1 細(xì)胞焦亡經(jīng)典和非經(jīng)典途徑發(fā)生機(jī)制

2 細(xì)胞焦亡與骨代謝異常疾病

2.1 細(xì)胞焦亡與激素性股骨頭壞死

激素性股骨頭壞死(steroid-induced avascular necrosis of the femoral head,SANFH)是由于糖皮質(zhì)激素(glucocorticoids,GC)過(guò)量使用致使股骨頭內(nèi)微循環(huán)障礙、骨吸收/形成代謝失衡,出現(xiàn)以股骨頭局部組織無(wú)菌性炎癥、變性、壞死、塌陷為主要病理表現(xiàn)的骨代謝性疾病[6]。

GC屬于類(lèi)固醇類(lèi),常用于感染性、自身免疫性疾病。在長(zhǎng)期使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn),GC會(huì)影響脂質(zhì)代謝,造成脂肪堆積,形成的脂肪栓子會(huì)導(dǎo)致骨代謝紊亂和炎癥反應(yīng)上調(diào)[7]。炎癥可以抑制BMSCs 向成骨細(xì)胞、成脂細(xì)胞或成軟骨細(xì)胞的分化。NLRP3及相關(guān)細(xì)胞因子作為啟動(dòng)細(xì)胞焦亡的重要免疫信號(hào)復(fù)合物,貫穿細(xì)胞焦亡引起的炎癥反應(yīng)全過(guò)程,對(duì)SANFH骨代謝和穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)具有重要作用[8]。高濃度GC暴露會(huì)破壞PC-12細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中未折疊或錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)積累,通過(guò)激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可以誘導(dǎo)NLRP3炎癥小體的活性增強(qiáng),顯著增加炎癥小體的數(shù)量[9],炎性小體的過(guò)度激活會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞因子(如T輔助細(xì)胞17)來(lái)誘導(dǎo)骨溶解,導(dǎo)致破骨細(xì)胞活性增加,成骨細(xì)胞活性降低。在GC誘導(dǎo)的大鼠SANFH模型中,GC通過(guò)刺激線粒體產(chǎn)生應(yīng)激,刺激活性氧(ROS)大量增加,核因子-κB(NF-κB)信號(hào)通路被激活,使得破骨細(xì)胞活性及相關(guān)蛋白的表達(dá)顯著上調(diào),造成股骨頭骨量大量丟失[10]。

Jiang等[11]在體外高糖(HG)誘導(dǎo)大鼠BMSCs糖尿病模型發(fā)現(xiàn),HG可能會(huì)刺激TXNIP的表達(dá),TXNIP與硫氧還蛋白(TRX)分離,通過(guò)TXNIP/NLRP3信號(hào)通路在胞內(nèi)的轉(zhuǎn)導(dǎo),可以直接結(jié)合并激活NLRP3炎癥小體各組分,并促進(jìn)TNF-α和IL-1β、IL-18等炎癥因子的高度表達(dá),導(dǎo)致BMSCs炎癥反應(yīng)的發(fā)生,從而抑制BMSCs成骨分化的能力[12]。Yang等[13]在構(gòu)建的體外體內(nèi)糖尿病模型牙槽骨內(nèi)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)成骨細(xì)胞焦亡相關(guān)蛋白caspase-1、GSDMD的表達(dá)水平明顯升高,并且使用caspase-1抑制劑可以降低對(duì)成骨細(xì)胞增殖分化的抑制作用。Rocha等[14]通過(guò)體外構(gòu)建LPS誘導(dǎo)小鼠破骨細(xì)胞發(fā)生牙周炎的模型中分別敲除小鼠NLRP3基因和caspase-1基因后,小鼠破骨細(xì)胞的骨吸收程度都被削弱且破骨細(xì)胞的上游信號(hào)分子NF-KB發(fā)生轉(zhuǎn)導(dǎo),導(dǎo)致促炎因子的數(shù)量增加。Drummer等[15]發(fā)現(xiàn)早期高脂血癥可以誘導(dǎo)caspase-11激活,活化后釋放的大量促炎癥細(xì)胞因子IL-18參與并調(diào)控高脂血癥誘導(dǎo)的體內(nèi)血管內(nèi)皮細(xì)胞死亡相關(guān)基因的表達(dá),同時(shí)介導(dǎo)BMSCs血管內(nèi)皮細(xì)胞炎癥反應(yīng)的發(fā)生[16],加重壞死股骨頭局部缺血缺氧狀態(tài)。

2.2 細(xì)胞焦亡與骨質(zhì)疏松癥

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis,OP)是一種全身性的臨床常見(jiàn)代謝性骨病,通常好發(fā)于中老年人群,主要由于骨形成/骨吸收失衡所致,包括原發(fā)性、繼發(fā)性和特發(fā)性三種類(lèi)型,其特點(diǎn)是骨密度降低、骨量減少和骨組織微觀結(jié)構(gòu)改變,致使骨的脆性增加,常易引起脊柱變形、骨折等并發(fā)癥,并增加死亡風(fēng)險(xiǎn)[17]。

NLRP3炎癥小體是一種細(xì)胞內(nèi)多蛋白復(fù)合物,由NOD樣受體(NOD-like receptor)、凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白(apoptosis-associated speck-like protein,ASC)、pro-caspases組成,具有調(diào)節(jié)機(jī)體固有免疫的作用。NLRP3炎癥小體的激活依賴(lài)上游絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPKs)、NF-κB信號(hào)通路以及有效激動(dòng)劑如離子轉(zhuǎn)移、ROS等重要因素[18]。衰老、糖代謝紊亂、激素的使用以及絕經(jīng)后雌激素缺乏可以促使NF-κB活化,刺激骨微環(huán)境中慢性炎癥水平升高,誘導(dǎo)NLRP3和IL-1β前體蛋白過(guò)表達(dá),NLRP3炎癥小體的異常激活不僅能夠通過(guò)促進(jìn)炎癥因子IL-1β和IL-18的產(chǎn)生來(lái)介導(dǎo)破骨細(xì)胞的分化,還可以通過(guò)上調(diào)Caspase-1和GSDMD的表達(dá)造成成骨細(xì)胞破裂死亡和功能障礙[19-20]。

An等[21]研究發(fā)現(xiàn),在高糖(high glucose,HG)誘導(dǎo)的體外破骨細(xì)胞(OCs)中,HG 可以誘導(dǎo)ROS的產(chǎn)生以及MAPKs、NF-κB信號(hào)通路相關(guān)蛋白的表達(dá),通過(guò)ROS/MAPKs/NF-κB/NLRP3信號(hào)通路的轉(zhuǎn)導(dǎo)不僅可以促進(jìn)NLRP3炎癥小體的激活,還可以在NF-κB的活化作用下擴(kuò)大炎癥反應(yīng)從而增強(qiáng)破骨細(xì)胞的骨吸收作用。羅立慧等[22]采用HG處理小鼠胚胎成骨細(xì)胞MC3T3-E1可明顯促進(jìn)NLRP3和caspase-1基因的表達(dá)且會(huì)引起成骨細(xì)胞MC3T3-E1發(fā)生腫脹破裂,誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡的發(fā)生,同時(shí)造成成骨細(xì)胞炎癥和損傷的發(fā)生,導(dǎo)致成骨細(xì)胞分化與礦化功能下降,骨生成作用減弱。鳶尾素作為一種可以抗衰老并且可以強(qiáng)化骨骼的骨骼肌分泌物,與衰老或絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松密切相關(guān)[23]。Morgan等[24]發(fā)現(xiàn)經(jīng)鳶尾素干預(yù)后的卵巢切除(OVX)大鼠,可檢測(cè)出抗氧化因子Nrf2蛋白以及Runx2成骨基因的mRNA的表達(dá)水平明顯下降,而NLRP3、Caspase-1的表達(dá)與前者正好相反,這也進(jìn)一步證明衰老或雌激素缺乏引起的慢性炎癥微環(huán)境是促使細(xì)胞發(fā)生焦亡的關(guān)鍵因素。

2.3 細(xì)胞焦亡與骨關(guān)節(jié)炎

骨關(guān)節(jié)炎 (osteoarthritis,OA) 是一種由于骨自主修復(fù)和破壞之間的不平衡引起的慢性炎癥性關(guān)節(jié)疾病。軟骨基質(zhì)降解、滑膜炎癥和軟骨下骨重塑等是OA病變過(guò)程中的典型病理表現(xiàn)[25]。軟骨細(xì)胞異常肥大或死亡導(dǎo)致軟骨細(xì)胞代謝失衡從而出現(xiàn)軟骨基質(zhì)降解及軟骨骨質(zhì)破壞[26][27]及滑膜組織中具有高代謝活性的巨噬樣滑膜細(xì)胞吞噬浸潤(rùn)作用介導(dǎo)的滑膜炎癥反應(yīng)和成纖維樣細(xì)胞的纖維化作用引起的細(xì)胞外基質(zhì)沉積均是 OA 發(fā)病的關(guān)鍵觸發(fā)因素[28-29]。

研究認(rèn)為關(guān)節(jié)急性損傷、慢性勞損、關(guān)節(jié)異物或異常的生物應(yīng)力導(dǎo)致ROS和炎癥因子的累積和釋放與OA的發(fā)生發(fā)展關(guān)系密切[30]。ROS是體內(nèi)一類(lèi)氧的單電子還原產(chǎn)物,高水平的ROS會(huì)引起線粒體膜去極化,造成線粒體途徑的ROS大量增多,ROS過(guò)度激活誘導(dǎo)NLRP3激活和GSDMD氧化,導(dǎo)致軟骨細(xì)胞發(fā)生焦亡而腫脹破裂死亡,促進(jìn)軟骨退行性改變的發(fā)生[31]。同時(shí),作為炎癥介質(zhì)的IL-1β和IL-18 已明確證實(shí)可以促進(jìn)軟骨細(xì)胞死亡,并通過(guò)抑制Ⅱ型膠原蛋白和蛋白聚糖的產(chǎn)生來(lái)加速軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的降解,從而導(dǎo)致OA的發(fā)生發(fā)展[32]。

Bostan等[33]利用LPS/ATP誘導(dǎo)構(gòu)建體外滑膜成纖維細(xì)胞焦亡模型,發(fā)現(xiàn)NLRP3炎癥小體在OA 患者膝關(guān)節(jié)滑膜組織中呈現(xiàn)高表達(dá)狀態(tài);敲除NLRP3基因后能夠顯著降低下游信號(hào)分子ASC、caspase-1、GSDMD基因和蛋白的表達(dá)水平,可以減緩滑膜成纖維細(xì)胞焦亡的發(fā)生。智佳佳等[34]發(fā)現(xiàn)高濃度的LPS/ATP可以誘導(dǎo)C28軟骨細(xì)胞內(nèi)ROS大量產(chǎn)生從而激活NLRP3炎癥小體,明顯降低軟骨細(xì)胞活性。另外,研究發(fā)現(xiàn)鈣化軟骨區(qū)軟骨下骨血流灌注減少會(huì)引起軟骨下骨缺氧,可以刺激低氧誘導(dǎo)因子-1α (hypoxia-inducible factor 1-alpha,HIF-1α)的表達(dá)。HIF-1α可以促進(jìn)促炎因子和生長(zhǎng)因子的產(chǎn)生,從而激活成纖維細(xì)胞并參與 OA 滑膜纖維化病理過(guò)程的形成[35];同時(shí)又可以通過(guò)誘導(dǎo)NLRP3炎癥小體活化促進(jìn)滑膜成纖維細(xì)胞發(fā)生焦亡[36],明確證實(shí)細(xì)胞焦亡在OA 軟骨和滑膜細(xì)胞病變過(guò)程中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用。

2.4 細(xì)胞焦亡與類(lèi)風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎

類(lèi)風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎(rheumatoid arthritis,RA)是發(fā)生在滑膜內(nèi)襯及軟骨表面并累及周?chē)P(guān)節(jié)的一種常見(jiàn)的慢性、炎癥性、自身免疫性疾病。RA的基本病理特征為滑膜炎癥和骨與軟骨組織的破壞[37]。炎癥作為先天免疫的主要反應(yīng),滑膜內(nèi)炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)是RA發(fā)生的重要驅(qū)動(dòng)因素。

細(xì)胞焦亡是一種新型促炎性細(xì)胞死亡形式,在RA和NLRP3基因遺傳多態(tài)性分析中,研究發(fā)現(xiàn)NLRP3 rs10754558 C/G多態(tài)性與中國(guó)漢族RA患者發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)、發(fā)病人群和臨床特征密切相關(guān)[38]。NLRP3炎癥小體是連接先天免疫和適應(yīng)性免疫的重要橋梁[39],活化后的NLRP3炎癥小體可以激活caspase-1和GSDMD,產(chǎn)生具有生物活性的促炎細(xì)胞因子IL-1β和IL-18。IL-1β和IL-18是IL-1家族中促進(jìn)先天免疫系統(tǒng)細(xì)胞活化的重要炎癥調(diào)節(jié)因子,在RA的病理過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[40]。IL-1β是RA的主要致病因素之一,可以上調(diào)破骨細(xì)胞前體細(xì)胞上的NF-kB受體激活因子(RANK)的表達(dá),使RANK與核因子kB受體激活劑配體(RANKL)相結(jié)合[41-42],從而增強(qiáng)其活性并刺激破骨細(xì)胞的產(chǎn)生以誘導(dǎo)骨與軟骨組織的破壞[43]。IL-1β也可以與其他促炎癥因子如TNF-a發(fā)生協(xié)同作用[44],進(jìn)一步放大炎癥反應(yīng)并加速骨丟失。IL-18是一種多效性細(xì)胞因子,在RA炎癥反應(yīng)的級(jí)聯(lián)上調(diào)和維持中發(fā)揮重要作用。IL-18通過(guò)激活滑膜中的T細(xì)胞產(chǎn)生炎性細(xì)胞因子、RANKL等[45],介導(dǎo)骨破壞的發(fā)生。

王秋苑等[40]發(fā)現(xiàn)RA患者血清和關(guān)節(jié)液中的NLRP3、caspase-1、IL-1β、IL-18表達(dá)水平明顯升高,且與疾病活動(dòng)程度和滑膜炎性水平呈正相關(guān),證實(shí)細(xì)胞焦亡相關(guān)因此參與了滑膜細(xì)胞焦亡導(dǎo)致的RA關(guān)節(jié)滑膜炎的病理過(guò)程。DNA聚合酶β (DNA polymerase β,Pol β)是一種堿基切除修復(fù)的關(guān)鍵酶,對(duì)RA穩(wěn)定器損傷的骨組織具有修復(fù)作用。Gu等[46]研究報(bào)道在活動(dòng)性RA患者和膠原誘導(dǎo)性關(guān)節(jié)炎小鼠的外周血單核細(xì)胞中,Pol β的表達(dá)顯著降低,而在RA巨噬細(xì)胞焦亡模型中,Pol β敲除會(huì)導(dǎo)致DNA損傷積累,誘導(dǎo)NF-kB信號(hào)通路轉(zhuǎn)導(dǎo)并上調(diào)NLRP3、IL-1β和IL-18的表達(dá)。因此,靶向NF-kB-NLRP3對(duì)于改善促炎細(xì)胞因子造成的炎癥損傷具有重要意義。

3 小結(jié)與展望

細(xì)胞焦亡作為一種新型的促炎性程序性死亡,關(guān)于焦亡相關(guān)細(xì)胞因子及信號(hào)通路與骨代謝異常疾病發(fā)病機(jī)制的相關(guān)性已經(jīng)得到了初步研究證實(shí)。NLRP3炎癥小體作為細(xì)胞焦亡發(fā)生的關(guān)鍵功能分子,在骨代謝相關(guān)細(xì)胞內(nèi)可以通過(guò)NF-κB信號(hào)通路轉(zhuǎn)導(dǎo)、氧化應(yīng)激、線粒體功能障礙等多種途徑被激活介導(dǎo)炎癥反應(yīng)的發(fā)生;同時(shí)由NLRP3炎癥小體介導(dǎo)的IL-1β和IL-18又可以通過(guò)RANK、MAPKs等細(xì)胞因子的調(diào)節(jié)影響骨代謝相關(guān)細(xì)胞的增殖、分化、吸收等功能,造成骨代謝紊亂及骨穩(wěn)態(tài)失衡,導(dǎo)致骨代謝異常疾病的發(fā)生發(fā)展。

本文通過(guò)系統(tǒng)綜述細(xì)胞焦亡過(guò)程中炎癥小體的激活以及下游促炎癥因子IL-1β和IL-18成熟對(duì)骨代謝相關(guān)細(xì)胞的影響以及與激素性股骨頭壞死、類(lèi)風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、骨質(zhì)疏松癥、骨關(guān)節(jié)炎等發(fā)病機(jī)制的相關(guān)性,證實(shí)細(xì)胞焦亡在骨代謝異常疾病中發(fā)揮著重要調(diào)控作用。但是除此之外,關(guān)于細(xì)胞焦亡還有更多值得我們?nèi)ヌ剿骱屯诰虻臒狳c(diǎn),比如人體免疫調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)對(duì)細(xì)胞焦亡是否具有分級(jí)靶向的作用以及如何有效避免焦亡過(guò)度激活對(duì)骨與關(guān)節(jié)組織造成嚴(yán)重?fù)p傷。相信隨著未來(lái)對(duì)細(xì)胞焦亡不斷地深入研究,可以進(jìn)一步揭示關(guān)鍵信號(hào)通路和分子作用靶點(diǎn),為闡明細(xì)胞焦亡與骨代謝疾病的發(fā)病機(jī)制研究及防治策略奠定基礎(chǔ),并為臨床研究改善骨代謝異常疾病的新型靶向抑制劑藥物提供理論支撐和指導(dǎo),將其更好地運(yùn)用于未來(lái)臨床防治,從而有效減緩骨代謝異常疾病的發(fā)展進(jìn)程,有效提高患者臨床生存質(zhì)量及預(yù)后。