運動對軟骨代謝影響的研究進展

吳偉 焦俊玥 李慧 張玲莉*

1. 上海體育學院，上海 200438 2. 浙江中醫藥大學第三臨床醫學院，浙江 杭州 310053

骨關節炎是當今難治疾病之一，當關節軟骨出現損傷時，不同的信號通路通過接收關節內的炎性刺激及應激等，導致軟骨細胞凋亡，破壞關節軟骨[1-3]。本文對關節軟骨細胞的Notch信號通路、Wnt信號通路及MAPK信號通路3條經典通路進行闡述，分析其對關節軟骨細胞分化不同時期的不同作用機制，且當出現軟骨損傷時3條通路對軟骨細胞代謝的作用。同時，總結運動作為一種非藥物治療方法，對受損關節軟骨細胞的作用，為骨關節炎中軟骨損傷治療提供一定的理論參考。

1 Notch信號通路

Notch信號通路是骨代謝中的一條經典通路，對骨的發育及骨細胞的活性很重要，具有調節成骨細胞和破骨細胞分化的功能[4]。近幾年，有學者發現Notch信號通路對軟骨形成也具有重要作用，Notch信號通路能調節軟骨細胞在不同時期的分化，包括軟骨細胞誘導分化期、分化期及終末分化期[5]。

Notch信號通路有4個受體(Notch 1、2、3、4)和5個配體(Delta-like 1、3、4及Jagged 1、2)。當這些受體跟配體結合后，Notch基因編碼完成才可以激活Notch信號通路[6]。

軟骨細胞來源于骨髓間充質干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)，Notch信號通路在BMSCs分化為軟骨細胞的過程中起到關鍵作用[7]。在BMSCs分化時，通過Notch信號通路上調SOX-9(SRY-related high mobility group-box gene 9)的表達可以促進軟骨細胞的發育，SOX-9是調節軟骨細胞發育的重要因子，能促進膠原蛋白Ⅱ、Ⅸ和蛋白聚糖等的表達[8]。但當過表達Notch 1時，SOX-9和蛋白聚糖的表達則隨之降低[9]。此外，在BMSCs分化中，Jagged 1配體表達增加，軟骨細胞重要基因HES(hairy and enhancer of split)1、5通過Notch信號通路表達增強[10]。說明在BMSCs向軟骨細胞分化中，Jagged 1配體是關鍵催化劑，可以促進早期軟骨細胞的分化。在早期骨關節炎動物實驗中，同樣可發現Jagged 1配體表達的增強[11]。

在軟骨細胞分化、軟骨形成過程中，HES 1、5仍有著重要作用[12]。HES 1表達水平可代表Notch 1的信號強度，HES 5有顯著促進軟骨細胞增殖的作用。早期軟骨細胞分化、軟骨形成過程中，HES 1、5通過Notch信號通路表達迅速增強，快速促進軟骨細胞成熟及增殖。當達到某一介點時，HES 1、HEY 1(Notch信號通路重要靶基因)與SOX-9被激活且在相應的識別位點的序列結合，抑制軟骨膠原蛋白Ⅱ形成，從而負向調節軟骨細胞成熟及增殖[13]。

軟骨細胞終末分化時，即使誘導Jagged 1表達增強，軟骨的形成仍受到抑制。且如果抑制Notch信號通路，亦可使軟骨細胞增殖和肥大，說明此階段Notch信號通路以負向調節為主。其機制可能與HEY 1表達量增加有關[14]。

2 Wnt信號通路

Wnt信號通路是一條高度保守的信號通路，主要分為經典Wnt/β-catenin信號通路及非經典信號通路[15]。研究發現，Wnt/β-catenin信號通路對早期軟骨細胞分化、增殖及軟骨生成起到重要作用[16-17]。動物實驗發現，2周齡大鼠軟骨細胞Wnt/β-catenin信號通路處于激活狀態時，可促進軟骨細胞分化及增殖。當8周齡時，同樣激活Wnt/β-catenin信號通路則增加了軟骨細胞的凋亡，伴有基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)高表達[18]。在成年小鼠軟骨細胞中，Wnt/β-catenin信號通路被激活可導致類似骨關節炎的早期表型[19]。

Wnt信號通路中，Wnt蛋白、β-catenin、Frz及Gsk3蛋白有著重要作用，它們的表達量對軟骨細胞分化增殖具有調節作用[20]。Wnt5a和Wnt5b可調節軟骨細胞的分化增殖，此外誘導Wnt-4、Frizzled-2、β-catenin的高表達，可激活Wnt/β-catenin信號通路促進軟骨細胞分化增殖[21-22]。

骨形成蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)和MMP-13是Wnt/β-catenin信號通路2個重要的下游基因，BMP是轉化生長因子β(transforming growth factor β，TGF-β)的家族成員，功能廣泛，可促進BMSCs向軟骨細胞分化[23-24]。MMP-13是MMP中一種膠原酶，可直接降解關節軟骨中的Ⅱ型膠原(軟骨破壞的限速酶，在軟骨基質中含量最高)[25-26]。研究發現BMP-2表達可促進β-catenin表達，同時抑制糖原合成酶激酶3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β)的表達，從而促進軟骨細胞的分化增殖[27]。而在骨關節炎(osteoarthritis，OA)軟骨中發現β-catenin和環氧合酶2(cyclooxygenase，COX-2)大量表達，從而引發MMP-13高表達，最終導致軟骨流失[28]。筆者認為在軟骨生長早期，關節軟骨細胞通過Wnt/β-catenin、BMP信號通路得以大量分化增殖，促進軟骨形成。當達到一定飽和后，在軟骨細胞中，β-catenin處于一個較低水平或者休眠狀態。若軟骨表面出現損傷可激活β-catenin持續表達，持續的β-catenin高表達則引起了MMP-13表達，造成軟骨丟失。高寧陽等[29]研究發現，特異性調高Wnt/β-catenin信號通路，上調BMP-2、MMP-13引起了關節軟骨表面的骨贅生成及軟骨破壞。說明當軟骨損傷時，Wnt/β-catenin信號通路對軟骨代謝的影響可能會逐漸轉向對骨代謝的影響。

3 MAPK信號通路

MAPK信號通路可以接受不同細胞外刺激而激活，并且具有十分重要的作用[30]。MAPK在關節軟骨損傷時是最為重要的信號通路。當關節軟骨受損時，相關炎性因子如白細胞介素1(interleukin，IL-1)、腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor，TNF-α)激活MAPK信號通路，促進MMP表達，從而抑制軟骨細胞分化增殖、破壞軟骨生成，亦可促使軟骨細胞的肥大鈣化[31-32]。

MAPK信號通路主要包括p38MAPK信號通路、JNK信號通路及ERK信號通路。

p38MAPK信號通路主要參與軟骨細胞炎癥反應及細胞凋亡過程，p38蛋白激酶在OA軟骨破壞中處于樞紐地位，尤其在OA退化過程中有重要作用[33]。IL-1和TNF-α等炎性因子可以激活軟骨細胞中的p38MAPK信號通路，促進MMP-13高表達，降解軟骨中的Ⅱ型膠原，破壞關節軟骨[34]。p38MAPK信號通路還是NO誘導軟骨細胞凋亡的上游通路，OA過程中，滑膜細胞和軟骨細胞會共同生成大量NO，促進MMP表達，從而抑制軟骨蛋白多糖的合成，降解軟骨膠原。此外，p38MAPK信號通路激活可促進COX-2表達，觸發疼痛，并使關節軟骨內環境產生惡性循環。在關節軟骨受損時，由于關節內炎癥反應、水腫、脹痛等因素都會激活p38MAPK信號通路，促進一系列軟骨細胞凋亡、降解的酶高表達，最終破壞關節軟骨[35]。

JNK信號通路主要在關節軟骨損傷后應激反應和軟骨細胞凋亡中起重要作用[36]，傳導通路大致分為：損傷應激→生發中心激酶(germinall center kinase，GCK)→分裂酶原蛋白激酶(MAP kinase kinase kinase，MEKK)→JNK→軟骨細胞凋亡[37]。與p38MAPK信號通路相似，JNK信號通路在IL-1和TNF-α等炎性因子表達時也可被激活，促進COX-2和MMP-13高表達，導致軟骨細胞降解凋亡，并引發疼痛[38]。JNK信號通路調控NO合酶(i-NOS)表達來增強NO表達，促進MMP-13表達[39]。但在應激情況下，短時間內NO表達增加可促進氧自由基(reactive oxygen species，ROS)的消除，從而在一定程度上緩解了應激狀態[40]。JNK信號通路和p38MAPK信號通路共同參與了軟骨細胞的凋亡，阻斷兩條通路可以抑制軟骨細胞凋亡。此外，JNK信號通路可抑制SOX-9表達，影響軟骨細胞發育[41]。JNK信號通路在軟骨損傷后應激反應中起著重要作用，與NO關系密切，其接受應力刺激的活性要比p38MAPK信號通路更強，反應更迅速。

ERK信號通路對軟骨細胞具有雙向調節的作用[42]。一方面，在正常軟骨細胞中，ERK是一個存活信號，它可以調節Ⅱ型膠原、軟骨蛋白等表達，維持軟骨細胞分化增殖[43]。此時，ERK的表達處于一個穩定的水平。另一方面，當軟骨受損時，炎性因子如IL-1β和TNF-α等則進一步激活ERK信號通路，使MMP-13、COX-2等表達增加，最終造成軟骨細胞凋亡或肥大鈣化[44]。有研究者提出，損傷關節軟骨處于應激狀態時，通過激活MAPK信號通路，同時引起炎性因子(IL、TNF-α)和生長因子(TGF-β、IGF)的表達，進而形成正反饋，使軟骨細胞能夠繼續合成分化或者凋亡分解[45]。筆者認為，造成這一結果的原因可能是因為在短時間內，抗氧化劑可以消除一定ROS緩解應激狀態。其次，很可能和ERK的表達量有關，ERK在一定范圍內是有利于軟骨細胞的合成分化的。當超出其臨界點時，ERK信號通路對軟骨細胞具有負向調節作用。Notch、Wnt及MAPK信號通路對軟骨細胞的作用見表1。

表1 Notch、Wnt及MAPK信號通路在軟骨細胞分化不同時期和炎性因子、應激狀態下的作用

4 運動對軟骨細胞代謝的影響

4.1 運動對受損軟骨細胞代謝的影響

從軟骨細胞早期誘導分化到分化終末期，及關節軟骨受損后，Notch信號通路、Wnt信號通路及MAPK信號通路都起到重要作用。特別是在軟骨受損后，由于關節腔內的炎性因子及水腫、壓力等應激因素，對3條信號通路產生較大影響，不利于軟骨修復。因此，當軟骨受損時，減緩炎癥及應激狀態成為軟骨修復的重點。運動對炎性因子和應激具有影響，運動強度、持續時間、方式等是關鍵因素。

炎性因子與應激本身關系密切，炎性因子表達可引起軟骨細胞應激，而長時間的應激又誘發炎性因子分泌。應激狀態時，大量活性ROS產生，若不能及時清除過剩的ROS，最終將導致軟骨細胞損傷[46]。

運動本身也是一種應激，運動時耗氧量增加，為滿足機體的需氧量，大量ROS產生，此時抗氧化酶的活性也隨之增強，以提高機體耐受氧化應激，清除過剩的ROS。一般來說，中小強度有氧運動能顯著提高抗氧化酶超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)和過氧化氫酶(catalase，CAT)，提高機體抗ROS能力。Kaczor等[47]研究發現，長期低強度運動可以增加細胞適應性應答，減緩ROS造成的細胞損傷，抑制細胞凋亡。何曉玲等[48]研究發現，中低強度有氧運動可降低炎性因子IL-1β、TNF-α的表達，而高等強度則會增加其表達。中小強度有氧運動提高機體抗氧化酶活性的效果在運動后48 h最為明顯，抗氧化酶的活性與有氧運動的強度及持續時間有關，其強度越大或者持續時間越長，抗氧化酶活性增高越明顯[49]。此外，Muyesaier等[50]研究發現，持續被動運動可降低大白兔骨關節炎模型組關節液中IL-1和TNF-α的水平，其機制可能與ERK信號通路的激活有關。

筆者認為，在關節軟骨受損時，Notch信號通路、Wnt信號通路及MAPK信號通路處于高度激活狀態。而適宜的運動通過減緩炎性因子(如IL-1β、TNF-α等)及軟骨細胞應激(ROS的清除)而抑制了3條信號通路的高度激活，使3條信號通路逐漸趨于穩定狀態，因為運動本身對3條信號通路具有一定激活作用。中低強度有氧運動可作為受損軟骨干預的較好方式，當炎性因子和應激狀態處于較高水平時，持續被動運動可作為首選。

4.2 運動對早期誘導分化期軟骨細胞代謝的影響

關節內軟骨細胞處于終末期時，Notch信號通路、Wnt信號通路及MAPK信號通路都起到抑制軟骨細胞合成，使其處于穩定水平作用。當此時關節軟骨受損時，由于炎性因子及軟骨細胞應激激活了相關信號通路，加速了軟骨細胞凋亡。通過適宜的運動可以減緩炎性因子表達，改善應激狀態，但很難或者無法將被破壞的軟骨組織得以修復。原因有：(1)3條信號通路對于分化后期的軟骨細胞多是具有抑制作用。(2)關節軟骨組織結構特殊，既無血管、神經組織，又沒有淋巴管，代謝及修復能力極差。早期關節軟骨可由軟骨下骨通路獲得部分營養，成年關節軟骨無此營養通路。因此，想要使被破壞的軟骨組織得以修復，在關節軟骨內無炎性因子及軟骨細胞應激時，將早期誘導分化期的軟骨細胞移植入關節內，可能將被破壞的軟骨組織得以修復。Notch信號通路、Wnt/β-catenin信號通路及ERK信號通路對早期誘導分化期的軟骨細胞都具有促進合成分化的作用。

在此階段，不同的運動方式對于Notch信號通路、Wnt信號通路及MAPK都具一定激活作用。但此過程中需避免過度訓練，過度訓練會再次造成關節軟骨的炎性反應和應激導致的ROS過剩。李軍勇等[51]研究中將正常關節軟骨大鼠進行上下午跑臺訓練，每次時間為30 min，共60 min，每周5 d，共6周。結果發現，從第4周開始，引起了大鼠正常關節軟骨細胞的凋亡。其原因主要由于過度訓練導致大鼠關節內的炎癥反應及ROS過剩。因此，雖在關節軟骨分化前期不同的運動通過3條信號通路都具正向調節作用，但此時若是因為運動強度過大、運動持續時間過長等因素導致的關節內炎癥反應和ROS過剩時，還是會造成關節軟骨細胞的凋亡。因此，對受損軟骨的運動處方(建議)是：強度：中低強度有氧運動；持續時間：30～60 min；頻率：每周至少3次；方式：周期性運動(受損嚴重者考采用被動運動)。對軟骨細胞移植(誘導分化期)的運動處方(建議)是：不同運動，如有氧耐力、力量訓練等。注意避免過度訓練，運動強度過大、持續時間過長、疲勞累積等。

關節軟骨受損時，運動的主要目的是消除關節內的炎癥及過度應激，當關節內炎癥及過度應激消除后，為修復被破壞的軟骨細胞，可考慮軟骨細胞移植(誘導分化期軟骨細胞)，此時不同的運動皆可，但需避免過度訓練。

5 小結

Notch信號通路、Wnt信號通路及MAPK信號通路在關節軟骨細胞代謝過程中起著雙向調節作用，Notch和Wnt信號通路對軟骨細胞代謝的作用相似，在軟骨細胞分化前期具有促進作用，后期具有抑制作用。而MAPK信號通路主要在關節軟骨受損時起到負向調節，可造成軟骨細胞凋亡，軟骨破損，其中炎性因子(IL-1β、TNF-α等)和過剩ROS是激活MAPK信號通路的主要誘因。在MAPK信號通路中，ERK信號通路對軟骨細胞代謝具有雙向調節作用，在正常軟骨細胞中，ERK維持著穩定水平，確保Ⅱ型膠原、軟骨蛋白等表達，當關節內有炎癥和過度應激時，ERK信號通路會被激活，對軟骨細胞產生負向調節。

針對以上軟骨細胞代謝的特點，當軟骨受損時，可以采用中低強度的有氧運動以消除過多的炎性因子和ROS，使相關信號通路趨于平穩狀態。為了徹底修復受損的軟骨，可考慮關節內移植誘導分化期的軟骨細胞，此時不同運動都具有一定促進作用，但需注意避免過度訓練。