骨關節炎軟骨細胞凋亡主要調控因子的研究新進展

張麗梅　李高權　姚新苗　徐守宇★

骨關節炎軟骨細胞凋亡主要調控因子的研究新進展

張麗梅李高權姚新苗徐守宇★

骨性關節炎（osteoarthritis，OA）是一種以關節軟骨退行性變和繼發性骨質增生為主要病理特征的慢性骨關節疾病，臨床上以緩慢性關節疼痛、僵硬、腫脹伴關節功能障礙為主要表現。細胞凋亡是一種由基因控制并依賴三磷酸腺苷（ATP）供能的細胞自主性死亡方式。隨著細胞分子生物學的發展，國內外許多學者研究發現軟骨細胞凋亡在OA的發生發展中起到關鍵作用［1～3］。但OA關節軟骨中的軟骨細胞凋亡機制還未明確，隨著越來越多的凋亡相關因子的發現，軟骨細胞凋亡的機制似乎更復雜。本文就近年來骨關節炎關節軟骨細胞凋亡的主要調控因子的研究進展作一綜述。

1　細胞凋亡的主要調控因子

1.1Bcl-2家族 在細胞凋亡過程中，Bcl-2家族成員起著至關重要的作用。目前確立的由Bcl-2基因家族編碼的蛋白質是細胞凋亡途徑中的主要調控元件。Bcl-2家族可分為兩大類：一類是抑制細胞凋亡（死亡阻遏）基因，以Bcl-2最為重要；另一類是凋亡促進（死亡誘導）基因，以Bax最為重要。尤笑迎等［4］通過實驗發現，軟骨細胞凋亡參與了OA發病過程，而Bcl-2表達的增多則可能是OA過程中機體自身的一種保護機制，這一發現與Lin等［5］研究結果一致。歐陽侃等［6］通過實驗研究發現，在軟骨細胞中，Bax的表達陽性率實驗組高于對照組，實驗組軟骨細胞凋亡程度與Bax的表達呈正相關，從而得出結論認為Bax基因與OA的發生發展有著密切的聯系，這一現象與劉瑞芬等［7］的研究結果一致。由此可知，Bcl-2在OA發病過程中起到了重要調節作用，機體對凋亡的調控主要是通過上調Bcl-2的表達，從而保護軟骨細胞免遭凋亡。軟骨細胞凋亡程度與Bcl-2的表達成負相關，與Bax的表達呈正相關，這種關系是否有其他因素影響和參與，仍需進一步的研究。

1.2P53基因 P53，腫瘤抑制基因，是生物體內一種抑制細胞轉變為癌細胞的基因，與細胞凋亡亦有關聯［8］，它也是一種轉錄調節因子，在細胞凋亡的啟動中發揮了重要作用，而且在OA的軟骨細胞凋亡過程中，由p53介導的細胞凋亡占主導地位。正常情況下，細胞中p53蛋白的含量很低。P53主要通過調節Bax來發揮其誘導凋亡的作用，通過上調Bax的表達水平，以及下調Bcl-2的表達共同完成促進細胞凋亡作用，還可通過死亡信號受體蛋白途徑誘導凋亡［9］。張鐵峰等［10］通過研究證實了，在OA中，p53蛋白表達上調，而且與OA病程密切相關。P53表達增加，導致凋亡和抗凋亡平衡的失調，可能是OA的發病機制之一。在OA發病過程中，軟骨細胞凋亡雖然有p53的參與，但其精確的機制還有待進一步闡明。

1.3Caspase 在凋亡過程中起主要作用的蛋白酶稱為含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶（caspase），caspase通過對靶蛋白的水解，導致細胞凋亡的發生［11］。細胞凋亡的核心事件是蛋白質水解和線粒體失活。目前已證實caspase-3是細胞凋亡過程中的主要效應因子［12］，在各種刺激因素的作用下它都被證明是凋亡的關鍵執行者。Caspase-3的激活和表達對軟骨細胞的凋亡過程起到一定的作用，它可以激活DNA降解酶，降解DNA成為特異性片段，從而導致軟骨細胞凋亡的發生［13～15］。郭華等［16］通過實驗發現，在兔OA模型軟骨中，細胞凋亡指數caspase-3和Caspase-8的表達水平較高。吳志新等［17］亦通過實驗發現，體外培養的軟骨細胞通過凋亡誘導，觀察到凋亡發生時，Caspase-3基因和蛋白表達均顯著上升。增加的caspase-8的表達亦與減少人和動物的OA軟骨細胞密度有關［18］。

1.4NO 一氧化氮（NO）是活潑的自由基分子，作為關節損傷和抑制基質合成的介質，參與OA關節軟骨細胞和基質的代謝過程，在OA發病中的作用日益受到重視研究證實。患OA時，可在軟骨和關節液中檢測到大量釋放的NO。目前認為NO與OA軟骨細胞凋亡有著重要的關系［19］。周建林等［20］通過研究NO對體外培養大鼠軟骨細胞Caspase-3表達的影響，得出NO誘導的軟骨細胞凋亡可能與通過促進Caspase-3表達有關。實驗研究發現［21］，抑制NO的合成可延緩關節軟骨的退變，這也間接證實了NO可以誘導OA軟骨的細胞凋亡。由此可知，NO可誘導軟骨細胞凋亡，抑制蛋白多糖及膠原蛋白的合成而促進其分解。由于蛋白多糖和膠原蛋白的減少和缺乏，使軟骨彈性降低，缺乏對抗正常活動的應力而易致磨損破裂，從而誘發炎性反應，加劇關節軟骨細胞的破壞。

2　細胞凋亡其他相關因子

2.1轉化生長因子-β1 轉化生長因子-β1（TGF-β1）是具有多種生理功能的多肽細胞因子，一方面能促進軟骨細胞合成代謝，刺激蛋白多糖和DNA合成，增加軟骨基質合成，另一方面又可抑制多種炎性介質的生物學活性。邢建民等［22］采用新西蘭白兔膝關節OA模型進行實驗研究，發現注射TGF-β1可有效地抑制軟骨細胞凋亡，從而阻止OA的進一步發展。故認為TGF-β1具有抑制軟骨細胞凋亡的作用。TGF-β1主要通過自分泌或旁分泌等形式調節軟骨細胞的增殖、分化及基質金屬蛋白酶抑制因子基因的表達，在軟骨代謝中產生促成效應。

2.2熱休克蛋白70 熱休克蛋白70（HSP70），是一組在進化上高度保守的蛋白質，應激時細胞合成增加，在細胞內發揮作用，啟動內源性保護機制，屬于非分泌性蛋白質［23］。在正常情況下，它在細胞內呈基礎表達，表達水平較低；而在OA等損傷時，它的合成速度顯著增加，以提高生物體的抗應激能力。同時，OA發病過程中的各種相關刺激因素本身也可誘發內源性HSP70。有研究發現，在OA發病過程中，HSP70抑制了caspase-3的凋亡作用，阻止軟骨細胞發生凋亡，進而起到了保護細胞的作用［24］。

2.3p38絲裂原活化蛋白激酶 p38絲裂原活化蛋白激酶（p38MAPK），是一種具有絲氨酸和酪氨酸雙重磷酸化能力的蛋白激酶，其信號轉導途徑是細胞外信號引起細胞內反應的通道之一，可被多種刺激因子激活，參與細胞的形成、生長、分化、凋亡等多種生理過程。目前有研究發現［25］，在炎癥反應、細胞的生長分化過程中具有重要作用的p38MAPK信號通路，在OA的發病過程中也扮演著重要的角色。P38信號通路與軟骨細胞凋亡、軟骨基質金屬蛋白酶的合成、炎性細胞因子產生等有密切關系。秦泗通等［26］通過向關節腔內注射p38MAPK抑制劑，發現能有效抑制軟骨細胞凋亡，間接證實了p38MAPK能促進細胞凋亡的發生。

2.4白細胞介素-1β 白細胞介素-1β（IL-1β），是一種炎癥介質，在整個致炎以及軟骨細胞凋亡過程中處于關鍵地位，是OA病因之一［27］。諸多的在體和離體實驗均顯示，OA患者的軟骨中有較高水平的IL-1β存在。IL-1β主要是由活化的單核吞噬細胞產生，正常軟骨細胞也能夠產生微量的IL-1β，但僅存在于表層軟骨的個別細胞中，而損傷的軟骨細胞能合成和分泌大量的IL-1β，并誘導軟骨細胞膜上白介素1受體的高表達［28］。高水平的IL-1β與軟骨細胞膜上的受體結合，通過信息傳遞系統將病變的信息輸送到細胞內，從而干擾了軟骨細胞的正常代謝活動，如促進軟骨細胞凋亡發生等，對OA的發生和發展起著至關重要的作用。IL-1β對OA的發病進程起推動作用，它能刺激軟骨細胞分泌基質金屬蛋白酶，加速軟骨基質中蛋白多糖及膠原蛋白的降解，并抑制蛋白多糖和膠原蛋白的合成，從而促進軟骨細胞凋亡的發生，參與病變軟骨的破壞。

3　小結與展望

目前臨床上治療OA的方法眾多，但缺少特別有效的方法。只有深入研究并闡明OA發病的機制，才能指導臨床治療以及新藥的研發。而軟骨細胞凋亡的研究為此提供了一個良好的思路和途徑。

影響細胞存活的主要因素包括Bcl-2和Bax（以及它們的同系物）的表達，細胞色素C，caspase，p53以及細胞外信號調節蛋白激酶等。細胞凋亡的第一階段（即決策階段）是細胞凋亡的基因控制點，之后的第二階段（即執行階段）是負責細胞凋亡的形態學變化。決策階段似乎由Bcl-2和p53兩個基團介導的，而執行階段則是由caspase的激活所致。在OA中，干預細胞凋亡過程，可以為治療及干預措施提供一個潛在的靶點，其中一個干預就是抑制caspase，它是凋亡級聯反應中最終執行階段的主要參與者。目前，caspase抑制劑的研發已成為最關注的焦點。其它一些影響凋亡的刺激物，也是阻止軟骨細胞凋亡的潛在靶點，如IL-1β轉化酶抑制蛋白、NO合成酶抑制劑等，應當成為今后研究的重點。

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浙江省醫藥衛生科技計劃項目（2011KYA116，2012K YA137）；國家中醫藥管理局重點學科建設經費資助項目［國中醫藥人教發（2012）32號］

310005浙江中醫藥大學附屬第三醫院康復醫學科