Caspase-1與骨關節炎的研究進展

龔 明 邱 波

武漢大學人民醫院骨科，湖北武漢430060

Caspase-1與骨關節炎的研究進展

龔 明1邱 波2

武漢大學人民醫院骨科，湖北武漢430060

骨關節炎的發病機制尚不完全清楚，目前認為軟骨細胞死亡和細胞外基質的破壞是該病的主要病理改變。白介素（IL）-1β和IL-18在骨關節炎的發病過程中發揮著關鍵的作用，而IL-1β轉化酶（Caspase-1）能將IL-1β和IL-18的前體加工成為成熟的活性形式，發揮二者的生物學作用，從而參與骨關節炎的發生發展。因此，Caspase-1在骨關節炎的發生發展中起著重要的作用，Caspase-1抑制劑有可能為骨關節炎的治療提供新的策略。本文就Caspase-1與骨關節炎的相關研究進展作一綜述。

骨關節炎；Caspase-1；研究進展

骨關節炎是一種多見于老年人的退變性關節病。骨關節炎的發病機制至今尚未完全明確，一般認為是生物學和機械力學因素共同作用下導致軟骨細胞、細胞外基質以及軟骨下骨三者合成和降解偶聯失衡的結果。白介素（IL）-1β在骨關節炎的病理過程中發揮著關鍵的作用，它可以破壞軟骨細胞外基質，加速軟骨下骨的暴露及關節軟骨的破壞。IL-18也參與了軟骨基質降解、軟骨細胞調亡和滑膜炎癥的過程。Caspase-1是一種特異性半胱氨酸蛋白酶，它能將IL-1β和IL-18的前體加工裂解，使之成為成熟的活性形式，發揮生物學功能。因此，Caspase-1在骨關節炎中起著重要的作用，其抑制劑可能為骨關節炎的治療提供新的策略。本文就Caspase-1與骨關節炎的相關研究進展作一綜述。

1 IL-1β

在骨關節炎軟骨的中、上層軟骨細胞及其基質中可見到大量的IL-1β的表達，IL-1β通過一系列級聯反應引起關節軟骨的破壞和炎性反應。

1.1 對軟骨細胞的作用

IL-1β是骨關節炎中常見的促炎癥因子，它可以刺激TNF、TNFR-1B、TRAF-2、TRADD、Fas相關死亡區域蛋白、Caspase-3、Caspase-8及NF-κB mRNA的表達而增加軟骨細胞的凋亡；也可促進軟骨細胞內窖蛋白-1表達增高而誘導軟骨細胞過早衰老而發生凋亡，從而促進骨關節炎發展［1］。IL-1β能刺激軟骨細胞和滑膜產生一氧化氮（NO），抑制軟骨細胞增殖，誘導軟骨細胞凋亡；誘導軟骨細胞表型由梭形、圓形逐漸變為類似纖維細胞樣的扁平長梭形或不規則形，從而更易凋亡［2］。

1.2 對細胞外基質的作用

蛋白聚糖和Ⅱ型膠原是軟骨細胞外基質的重要成分，二者的合成減少或降解增加會降低軟骨對壓力負荷的承受能力，從而導致關節軟骨的退變［3］。IL-1β能刺激軟骨細胞和滑膜細胞產生基質金屬蛋白酶（MMPs），減少MMPs抑制劑的表達，降解基質中的Ⅱ型膠原和蛋白聚糖，加速關節軟骨的破壞［4］。IL-1β可以抑制Ⅱ型膠原和蛋白聚糖的合成，促進軟骨纖維化；誘導環氧化酶-2的過表達使前列腺素E2（PGE2）合成增加，后者通過積累細胞間環腺苷酸誘導軟骨細胞凋亡，而PGE2可加強IL-1β對軟骨細胞的分解作用，從而導致軟骨破壞［5］。IL-1β可通過刺激誘生型一氧化氮合酶的分泌而使NO的合成增加，NO能減少Ⅱ型膠原α1鏈mRNA的表達，從而抑制Ⅱ型膠原的合成，并激活MMPs，破壞細胞外基質［6-7］。

2 IL-18

IL-18屬于IL-1家族，其結構與IL-1β相似。IL-18在骨關節炎患者中明顯高于正常人，提示IL-18參與了軟骨基質降解、軟骨細胞調亡和滑膜炎癥的過程［8］。在關節滑液中，IL-18刺激單核細胞釋放腫瘤壞死因子α（TNF-α）、IL-1β，并誘導產生γ干擾素（IFN-γ）。IFN-γ在關節液中能顯著刺激IL-6、NO、PGE2等的釋放，而TNF-α可促進關節軟骨合成MMPs、PGE2、NO，從而抑制Ⅱ型膠原和蛋白多糖的合成，并促進其降解，加速軟骨細胞的凋亡，使關節軟骨受到破壞［8-10］。IL-18在骨關節炎關節液及軟骨中表達較正常組顯著增高，且其增高水平與骨關節炎影像學嚴重程度呈正相關［9］，提示關節中IL-18表達水平與骨關節炎活動期密切相關。IL-18能增加MMP-1、MMP-3和MMP-13的產生，降解Ⅱ型膠原和蛋白聚糖，破壞軟骨細胞外基質［10-11］。因此，IL-18是骨關節炎發病機制中重要的炎癥性因子。

3 Caspase-1與骨關節炎

Caspase-1主要有促炎性作用、促凋亡作用和介導細胞焦亡［12］。它能將IL-1β和IL-18的前體加工裂解成為成熟的活性形式，從而發揮二者的生物學功能，在骨關節炎發生發展中起重要作用。

既往認為Caspase-1主要與炎癥的發生有關，但隨著對Caspase-1研究的深入，發現其與細胞凋亡也有關［13］。Puri等［14］在Caspase-1基因缺失的沙門桿菌感染小鼠體內發現巨噬細胞凋亡加劇，而敲除Caspase-1基因的小鼠關節軟骨在骨關節炎誘導因素作用下更易退變，軟骨細胞凋亡和細胞外基質破壞會加劇［15］，說明Caspase-1在正常關節軟骨中有一定的保護作用。骨關節炎的滑液中Caspase-1和IL-1β表達明顯升高，軟骨細胞凋亡和軟骨破壞明顯加劇［16］。在急性胃損傷小鼠試驗中，Caspase-1抑制劑ACYVAD-CMK減少了Caspase-1的合成，細胞凋亡水平明顯下降［17］。D＇Lima等［18］認為Caspase-1過度表達能促進細胞凋亡，而使用Caspase-1選擇性抑制劑則能明顯減輕細胞凋亡。從而證實Caspase-1在骨關節炎中有一定的促凋亡作用。綜上所述，Caspase-1可調節細胞凋亡，但是何時促凋亡或抑制凋亡的機制并不清楚。此外，Caspase-1還與骨骼肌的分化以及細胞的遷移有關［19］。與正常軟骨組織比較，骨關節炎軟骨中Caspase-1表達明顯增加，并且是產生活性IL-1β的關鍵酶［20］。因此，Caspase-1在維持正常軟骨基質和軟骨細胞代謝平衡中起著重要作用［15］。

Caspase-1在體內的另一功能是介導細胞焦亡，這是一種依賴于Caspase-1的不同于凋亡的細胞程序性死亡，會釋放大量的炎癥介質，如IL-1β、IL-18、TNF-α等［21］。在神經系統疾病如腦損傷、帕金森病、癲癇等，均可發現過度表達的Caspase-1，且可觀察到細胞焦亡，而對Caspase-1的抑制可以減緩疾病的進展［22-24］。在膠原誘導性關節炎小鼠模型中，發現關節滑液中NLRP-3（核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白-3）、IL-1β和IL-18的表達較正常組明顯增加，且NLRP-3的表達跟臨床關節炎嚴重度及關節破壞程度相關［25］。而在類風濕關節炎研究中，Yang等［26］發現Caspase-1表達增加，并且可以一種不依賴NLRP-3的方式抑制IL-18在中性粒細胞的激活，促進病情進展。目前，細胞焦亡與骨關節炎的研究并不多，二者之間的關系尚待進一步研究。

4 Caspase-1抑制劑與骨關節炎

當前，骨關節炎的治療不能有效地減緩骨關節炎的發展。而IL-1β和IL-18在骨關節炎中發揮著重要的作用，若能阻斷Caspase-1對前體IL-1β和前體IL-18的剪切，減少活性IL-1β和IL-18的生成，或可阻止軟骨細胞的凋亡和細胞外基質的破壞。

Caspase-1抑制劑的研究正在日益深入，并且時有新的抑制劑的報道。細胞因子反應調節蛋白A（CrmA）是最早發現的Caspase天然抑制劑。因它的氨基酸序列中有LVAD結構與ICE的特異性底物YVAD類似，使CrmA可以作為假底物與ICE特異性結合，并使ICE失活，從而抑制ICE對pro-IL-1β的剪切，減少活性IL-1β的表達。研究發現ICE抑制劑能夠減輕兔骨關節炎軟骨病變程度［18，27］。殼聚糖能夠作為載體介導CrmA基因在軟骨細胞中的表達，并發揮其功能，抑制IL-1β誘導的軟骨細胞MMP-1的表達［28］，并抑制軟骨細胞凋亡［29］。Ma等［30］利用透明質酸-殼聚糖-CrmA微粒處理IL-1β誘導的骨關節炎軟骨細胞，發現可以顯著抑制軟骨細胞的凋亡并呈劑量依耐性。Zhang等［31］在關節炎小鼠腹膜中注射Caspase-1抑制劑VX765，顯著抑制了IL-1β和IL-18的產生，減輕了滑膜炎和關節軟骨破壞。IAPs（凋亡抑制分子）對Caspase-1的作用尚未明確，Labbé等［32］研究發現，在缺乏cIAP1和cIAP2的條件下Caspase-1的激活會受到抑制。而Vince等［33］試驗發現在cIAP1、cIAP2和XIAP低含量的環境下，Caspase-1的活化會增加。Lawlor等［34］發現在小鼠髓細胞IAP缺失時，Caspase-8激活，從而促進NLRP-3途徑Caspase-1的激活和IL-1β的成熟。因此，IAPs對Caspase-1是促進還是抑制尚待進一步研究。

從虎骨草中提取的有效成分含槲皮素-5-葡萄糖苷也可以通過抑制Caspase-1的活性來發揮抗炎及抗凋亡作用［35］。由于Caspase-1的活性中心易受氧化作用的破壞，因此Kawarski等［36］利用此原理發現抗氧化物拉扎洛依（U83836E和U74389G）對Caspase-1具有可逆的抑制作用，并且呈時間依賴性。

NLRP-3在Caspase-1的活化中起著關鍵作用，若能抑制NLRP-3合成，則可進一步減少Caspase-1的合成。Ding等［37］在研究佐劑性關節炎小鼠時發現，仙茅苷A可以下調NLRP-3的表達，降低IL-1β、TNF-α和IL-6的濃度，從而達到減緩關節炎發展的效果。在巨噬細胞p58IPK基因過表達時NLRP-3被抑制，p58IPK基因可以通過下調蛋白激酶PKR的合成來抑制NLRP-3炎性小體的激活，從而減少Caspase-1和IL-1β等炎性因子的合成，延緩疾病的發展［39］。

Caspase抑制劑以往只在體外試驗中相當有效，在細胞水平卻不能有效通過細胞膜而發揮作用，目前多種微粒載體的出現改善了這種窘境［28，30，39-40］，并且逐漸獲得令人滿意的效果。

5 結論

骨關節炎的具體發病機制至今仍未能完全闡釋清楚，而IL-1β和IL-18在骨關節炎的發生發展過程中發揮著非常重要的作用。雖然對Caspase-1抑制劑的研究日益發展，但是關于Caspase-1抑制劑如何在細胞水平有效發揮療效，有待進一步的深入研究。細胞焦亡與骨關節炎均有大量炎癥介質的釋放，且Caspase-1都發揮了重要作用，那么，細胞焦亡在骨關節炎的發生發展中是否發揮了重要的作用，目前沒有定論，此方面的研究有待深入發展。

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Research progress of Caspase-1 and osteoarthritis

GONG Ming1QIU Bo2
Department of Orthopedics，Renmin Hospital of Wuhan University，Hubei Province，Wuhan430060，China

The pathogenesis of osteoarthritis is not yet completely clear.It is recognized that the death of chondrocyte and the damage of extracellular matrix are the main pathological changes at present.Interleukin（IL）-1β and IL-8 play a vital role in the pathological process of osteoarthritis，while IL-1β invertase（Caspase-1）can process the precursor of IL-1β and IL-18 into ripe active form，play the biological effects of them，so as to participate in the occurrence and progress of osteoarthritis.Thus，Caspase-1 plays an important role in the occurrence and progress of osteoarthritis，Caspase-1 inhibitor may offer a new strategy for the treatment of osteoarthritis.This paper reviews the related research progress of Caspase-1 with osteoarthritis.

Osteoarthritis；Caspase-1；Research progress

R684.3

A

1673-7210（2016）07（b）-0030-04

2016-05-04本文編輯：張瑜杰）

國家自然科學基金資助項目（81071494）；湖北省自然科學基金項目（2014CFB207）；湖北省衛生計生科研項目（WJ2015MB024）。

邱波（1971.9-），男，博士學位，主任醫師；研究方向：骨關節外科。