天然免疫介導(dǎo)凋亡-炎癥途徑參與骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病的研究進展

周炎，劉世清

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院骨科，湖北 武漢 430060)

骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis，OA)是多種因素作用于滑膜、關(guān)節(jié)囊、軟骨及軟骨下骨，以慢性滑膜炎、關(guān)節(jié)軟骨退變及軟骨下骨重塑為特點的退行性骨關(guān)節(jié)疾病[1]。流行病學(xué)調(diào)查顯示，美國50歲以上人群中因OA引起的重度疼痛及功能受限約占23%?；诹笮姓^(qū)劃的中國40歲以上人群原發(fā)性O(shè)A總體患病率為46.3%[2]。隨著社會老齡化進程及肥胖的日益加重，OA發(fā)病率逐年增加，導(dǎo)致患者身體殘疾及生活質(zhì)量降低，給患者帶來沉重的經(jīng)濟負擔(dān)，OA已經(jīng)演變成為嚴重的社會問題，值得廣泛關(guān)注。

長期以來，許多學(xué)者致力于關(guān)節(jié)軟骨生理、病理及軟骨細胞代謝等方面的基礎(chǔ)研究，并在OA病因及病理機制方面達成了一定共識。目前普遍認為OA與遺傳因素、年齡、體重及外傷等因素有關(guān)，其病理改變主要涉及關(guān)節(jié)軟骨細胞外基質(zhì)降解、軟骨細胞凋亡及軟骨成分自身免疫反應(yīng)等[3]，軟骨細胞凋亡及炎癥機制在OA中扮演著重要的角色。近年來，隨著研究的逐漸深入，OA在分子生物學(xué)方面的發(fā)病機制越來越引起學(xué)者們的關(guān)注，由機體天然免疫系統(tǒng)介導(dǎo)的慢性、低度炎癥反應(yīng)在OA發(fā)病機制中的作用逐漸成為研究熱點[4]，開辟了OA研究的新領(lǐng)域，將使我們更加全面地認識OA，為OA早期防治提供新思路。

1 天然免疫系統(tǒng)與OA密切相關(guān)

過去十余年，對OA發(fā)病機理的認識經(jīng)歷了漸進而根本的轉(zhuǎn)變，OA不再僅僅被認為是由于自身正常磨損所致典型的退行性疾病，而是由多種危險因素共同參與及相互作用引起，其中低度及慢性炎癥反應(yīng)起著至關(guān)重要的作用，尤其在OA早期階段表現(xiàn)更為突出。近年研究提出，OA所表現(xiàn)的低度及慢性炎癥反應(yīng)是由機體天然免疫系統(tǒng)激發(fā)，同時伴有關(guān)節(jié)局部組織損傷及代謝功能紊亂[5]。

不同于獲得性免疫系統(tǒng)，天然免疫系統(tǒng)是機體天然免疫細胞和分子在識別病原體及其產(chǎn)物或體內(nèi)損傷、衰老、突變細胞等抗原性異物后，發(fā)生活化并有效吞噬殺傷病原體或體內(nèi)"非己"抗原性異物，產(chǎn)生非特異性免疫保護作用的過程[6]。而對于OA表現(xiàn)的炎癥及其他病理學(xué)改變，天然免疫系統(tǒng)作為機體抵御的第一道防線是如何發(fā)揮作用呢？Scanzello等[7]研究表明由創(chuàng)傷、勞損及退變等因素引起的軟骨細胞及細胞外基質(zhì)的損傷相關(guān)分子模式(damage-associated molecular patterns，DAMPs)，可激活機體天然免疫系統(tǒng)，從而調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)炎癥反應(yīng)及促進損傷組織的修復(fù)。在OA形成過程中，DAMPs作為內(nèi)源性分子可傳導(dǎo)信號至天然免疫細胞，通過與細胞膜上多種模式識別受體(pattern recognition receptors，PRRs)相互作用，引起關(guān)節(jié)無菌性炎癥反應(yīng)，并觸發(fā)機體的保護作用[8]，其中，Toll樣受體(Toll like receptors，TLRs)為最主要的PRRs。通過激活蛋白-1、環(huán)磷酸腺苷反應(yīng)元件結(jié)合蛋白、干擾素調(diào)節(jié)因子及核轉(zhuǎn)錄因子-κB(nuclear factor-κB，NF-κB)的作用，被激活的TLRs可導(dǎo)致促炎細胞因子釋放，并證實與滑膜炎、軟骨退變及OA易感性密切相關(guān)[7]。研究表明，人體軟骨細胞中可檢測到TLRs表達，在OA患者關(guān)節(jié)軟骨及滑膜組織中TLR2及TLR4表達量明顯升高，且經(jīng)TLRs激動劑刺激后，軟骨細胞中基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteases，MMPs)、一氧化氮(nitric oxide，NO)及前列腺素E2表達明顯升高，并激活巨噬細胞的活性，導(dǎo)致軟骨退變加速[9]。

補體系統(tǒng)是先天免疫的另一個重要組成部分，由30多種血漿和膜結(jié)合蛋白組成，可通過經(jīng)典途徑、替代途徑和凝集素途徑激活，但都會聚到C5b到C9形成的補體膜攻擊復(fù)合體中。補體系統(tǒng)的主要生物學(xué)功能是識別“異物”顆粒和大分子，并通過調(diào)理或裂解促進其消除[10]。在OA患者滑膜及滑液組織成分中，均可檢測到補體成分的沉積，OA軟骨細胞通過上調(diào)IL-1β和TNF-α等促炎細胞因子，亦可合成補體成分[11]。由于軟骨重塑和修復(fù)失調(diào)而導(dǎo)致軟骨細胞外基質(zhì)的釋放，以及軟骨細胞凋亡改變等OA特征性病理改變，可能是通過激活補體系統(tǒng)來完成，軟骨細胞產(chǎn)生的補體可以與滑膜來源的補體協(xié)同作用，可顯著增強OA的病理性反應(yīng)[12]。研究表明，在內(nèi)側(cè)半月板切除小鼠模型中，敲除補體途徑(C5和C6)組分，可減輕OA關(guān)節(jié)軟骨損傷，而敲除CD59保護素可促進野生型小鼠的關(guān)節(jié)軟骨退行性改變[12]。通過阻斷補體激活的策略已成為OA治療的潛在靶標，但是否需要補體慢性抑制以及這種抑制可能產(chǎn)生的不良影響尚未清楚，有待進一步探討。

作為天然免疫細胞的重要成員，被DAMPs及補體活化的巨噬細胞及肥大細胞與OA發(fā)病密切相關(guān)。OA關(guān)節(jié)滑膜組織中被激活的巨噬細胞通過產(chǎn)生白細胞介素-1β(interleukin，IL-1β)、淋巴毒素-α及MMPs等細胞因子，廣泛參與OA軟骨組織破壞及骨贅形成[13]。OA滑膜組織中也存在被激活的肥大細胞，肥大細胞數(shù)量越多，滑膜炎癥和結(jié)構(gòu)損傷程度越高[14]。此外，OA滑膜組織肥大細胞的類胰蛋白酶活性高于正?；そM織，肥大細胞類胰蛋白酶釋放到關(guān)節(jié)滑液中，刺激纖維母細胞的增殖和促炎細胞因子的釋放，導(dǎo)致OA發(fā)病[15]。另一種典型的肥大細胞介質(zhì)是組胺，與類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎(rheumatoid arthritis，RA)相比，OA滑膜組織肥大細胞的組胺含量接近或更高，但組胺釋放量較低[16]，肥大細胞及其介導(dǎo)因子在OA發(fā)病中的確切作用尚不清楚。

脂肪細胞可產(chǎn)生許多脂肪因子，包括瘦素、抵抗素、脂聯(lián)素和減脂素，它們作為OA的生物標志物，在某些情況下，可能通過上調(diào)MMPs和蛋白聚糖酶介導(dǎo)關(guān)節(jié)軟骨破壞[17]。在OA患者關(guān)節(jié)滑液中瘦素的濃度高于血清中的濃度，與嚴重OA患者的體重指數(shù)(body mass index，BMI)顯著相關(guān)，與相同年齡和BMI的男性相比，女性關(guān)節(jié)腔內(nèi)具有更高的瘦素濃度，這些結(jié)果高度提示關(guān)節(jié)內(nèi)瘦素水平可能有助于增加女性O(shè)A發(fā)病率，瘦素介導(dǎo)的信號通路對于調(diào)節(jié)代謝引發(fā)的炎癥反應(yīng)至關(guān)重要[18]。脂聯(lián)素作為一種脂肪細胞因子具有維持能量代謝內(nèi)穩(wěn)態(tài)、調(diào)節(jié)免疫平衡、調(diào)控細胞增殖的作用，為先天免疫系統(tǒng)與新陳代謝之間建立了額外聯(lián)系，與OA發(fā)病呈負相關(guān)性[19]。

天然免疫系統(tǒng)被DAMP-PRR信號途徑激活后，產(chǎn)生一系列炎性介質(zhì)，啟動正常的免疫應(yīng)答，從而開啟關(guān)節(jié)軟骨組織自我修復(fù)之旅，同時DAMP-PRR信號長期異常活化引發(fā)的炎癥反應(yīng)，可加重軟骨組織的損傷。天然免疫系統(tǒng)在OA發(fā)生發(fā)展中具有雙向調(diào)節(jié)作用，可能成為OA發(fā)病機制中重要的組成部分，值得深入研究及探討。

2 天然免疫重要分子-表面活性蛋白D(surfactant protein D，SP-D)在OA中的異常表達及功能

生物體在長期種系發(fā)生及進化過程中逐漸形成的天然免疫體系，主要由屏障結(jié)構(gòu)、天然免疫細胞、天然免疫分子組成。SP-D是起初在肺組織中發(fā)現(xiàn)的一種重要天然免疫分子，主要由Ⅱ型肺泡細胞和呼吸性細支氣管上Clara細胞分泌并儲存于板層小體，屬于凝集素蛋白家族成員，為親水性蛋白，在維持肺免疫功能、參與宿主防御、清除機體凋亡細胞及調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)等方面發(fā)揮著重要作用[20]。SP-D是一種膠原凝集素，分子量約為43 000 Da，其一級結(jié)構(gòu)由鈣離子依賴的碳水化合物識別區(qū)域(carbohydrate recognition domain，CRD)、氨基酸末端區(qū)、頸區(qū)及膠原樣區(qū)四部分組成，三級結(jié)構(gòu)為3個單位的膠原樣區(qū)以并聯(lián)形式相連的三聚體，四級結(jié)構(gòu)由4個三聚體以二硫鍵形式交聯(lián)形成十字形結(jié)構(gòu)[21]。近年來，在肺外如腎臟、腸系膜上皮、胰腺、膽囊、鼻黏膜、前列腺及生殖系統(tǒng)中，紛紛檢測到SP-D表達。體外研究證實SP-D具有參與介導(dǎo)調(diào)節(jié)多種免疫細胞如巨噬細胞、單核細胞、中性粒細胞、淋巴細胞、嗜酸性粒細胞、肥大細胞和樹突細胞等功能[22]。近期Zhou等[23]研究發(fā)現(xiàn)，人及大鼠軟骨組織中檢測到SP-D表達，且正常軟骨組織中的表達量高于OA軟骨組織。

研究發(fā)現(xiàn)，在RA患者關(guān)節(jié)滑液中SP-D表達升高，其來源主要由滑膜深層的血管內(nèi)皮細胞產(chǎn)生[25]；血清SP-D在RA患者不同階段及健康個體中呈現(xiàn)晝夜變化趨勢；SP-D基因編碼的多態(tài)性與RA侵襲性及患者吸煙史密切相關(guān)，在有吸煙史的侵襲性RA中，血清SP-D表達顯著降低；表明SP-D在體現(xiàn)RA發(fā)病機制方面，可能在激發(fā)機體天然免疫系統(tǒng)及調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)炎癥反應(yīng)等方面扮演著重要的角色[26]。SP-D可抑制硝普鈉(Sodium nitroprusside，SNP)誘導(dǎo)的軟骨細胞凋亡，在體內(nèi)發(fā)揮對大鼠關(guān)節(jié)軟骨組織的保護作用[23]。通過敲除SP-D基因或過表達，觀察小鼠體內(nèi)凋亡細胞清除速率，發(fā)現(xiàn)SP-D過表達小鼠體內(nèi)的清除速率明顯高于SP-D敲除小鼠，提示SP-D具有清除凋亡細胞的功能[27]。通過盲腸結(jié)扎穿孔術(shù)后膿毒癥誘導(dǎo)急性胰腺炎及腎損傷時，SP-D基因敲除小鼠中胰腺細胞及腎小管上皮細胞凋亡率及血清促炎細胞因子明顯高于野生型小鼠[28-29]。SP-D可降低由肺炎誘導(dǎo)的膿毒癥小鼠小腸上皮細胞凋亡，減少促炎細胞因子釋放，達到保護腸道屏障的功能[30]，由膽囊產(chǎn)生的SP-D可釋放到腸道內(nèi)，與腸道共生的菌群選擇性結(jié)合，維持腸道免疫內(nèi)穩(wěn)態(tài)[31]。SP-D可調(diào)節(jié)小鼠睪丸免疫環(huán)境，通過抑制睪丸免疫炎性反應(yīng)，讓精子更好獲能，提升精子的生殖功能[32]。在內(nèi)毒素誘導(dǎo)的大鼠腦室周圍白質(zhì)軟化實驗研究中，SP-D通過降低少突膠質(zhì)細胞凋亡及低髓鞘化，達到腦神經(jīng)功能保護作用[33]。SP-D可特異性結(jié)合TLR4胞外受體結(jié)構(gòu)域，從而抑制TLR4表達及炎癥因子釋放，維持表面活性物質(zhì)穩(wěn)態(tài)，介導(dǎo)先天性防御、清除凋亡細胞及調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)[34]。

軟骨細胞凋亡是OA關(guān)節(jié)軟骨的特征性病理學(xué)改變，主要表現(xiàn)為軟骨細胞皺縮、核染色體固縮、DNA碎裂、質(zhì)膜囊泡及凋亡小體形成，并伴有軟骨基質(zhì)鈣化及降解。軟骨細胞凋亡發(fā)生率與軟骨基質(zhì)損耗及破壞程度具有高度一致性，確立了軟骨細胞凋亡機制在OA發(fā)生發(fā)展過程中的重要地位。另一方面，多種促炎因子如IL-1β、IL-6、腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF)-α等已被證實在OA發(fā)病進程中起關(guān)鍵性作用，可導(dǎo)致軟骨細胞合成與分解代謝失平衡，使軟骨細胞成分、結(jié)構(gòu)及功能發(fā)生改變，共同促進OA炎癥的發(fā)生、發(fā)展，現(xiàn)如今OA已被確認為是一種炎性疾病[35]。研究證實SP-D與OA發(fā)生發(fā)展存在重要的相關(guān)性，SP-D通過抑制軟骨細胞凋亡[23]，并可能通過降低促炎性細胞因子釋放，在OA發(fā)病過程中扮演著抗凋亡及抗炎角色，起到保護關(guān)節(jié)軟骨的作用。

3 SP-D參與調(diào)節(jié)OA軟骨細胞凋亡-炎癥的可能機制

TLR信號級聯(lián)包含許多蛋白質(zhì)，如骨髓分化初級反應(yīng)蛋白88(myeloid differentiation primaryresponse gene 88，MyD88)及NF-κB，它們的活性均由S-亞硝基化來調(diào)節(jié)[36]。SP-D中具有高親和力的CRD識別區(qū)域與一種可溶性形式復(fù)合體TLR4和髓樣分化蛋白-2(myeloid differentiation protein-2，MD-2)相互作用，可抑制脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)與TLR4/MD-2胞膜受體結(jié)合，阻止TLR4二聚化，從而下調(diào)TNF-α表達及抑制NF-κB通路活化[37]。SP-D的寡聚結(jié)構(gòu)是其關(guān)鍵的功能基團，其CRD識別區(qū)域與炎癥抑制受體-信號調(diào)節(jié)蛋白-1α(signal regulatory protein-1α，SIRP-1α)進行相互作用，通過激活蛋白酪氨酸磷酸酶-1(tyrosine-protein phosphatase-1，SHP-1)來抑制NF-κB通路活化，是SP-D另一種調(diào)節(jié)機制[38]。

NF-κB是一種能特異性結(jié)合相關(guān)基因啟動子或增強子的真核細胞轉(zhuǎn)錄因子，廣泛參與調(diào)控細胞增殖、分化、周期、凋亡及炎性反應(yīng)等過程，是Rel基因家族重要成員。NF-κB家族包括Rel(c-Rel)、RelA(p65)、p50、p52及RelB五種亞基。在靜息狀態(tài)下，無活性NF-κB以潛在狀態(tài)分布于胞漿中，并與抑制因子結(jié)合成為異源多聚體P50-P60-IκBα(IκBβ)。在多種因素的刺激下，IκBα從三聚體中游離出來，p50亞基上的易位信號及p56亞基上DNA結(jié)合位點被充分暴露，使異二聚物顯示出NF-κB活性，并易位入細胞核，結(jié)合到啟動子/增強子區(qū)域，激活靶基因，發(fā)揮其調(diào)控作用[39]。研究證實，激活NF-κB信號通路可促進IL-6、TNF-α、MMPs等多種炎性及降解因子的轉(zhuǎn)錄，調(diào)控Caspase-3、Bcl-2及Bax表達，廣泛參與調(diào)節(jié)軟骨細胞炎癥及凋亡過程，引起軟骨基質(zhì)降解，在OA發(fā)病機制中具有重要作用[40]。在OA發(fā)生發(fā)展過程中，SP-D異常表達對OA軟骨細胞凋亡及炎癥的影響，可能存在凋亡-炎癥信號TLR4/MyD88/NF-κB通路介導(dǎo)SP-D抑制OA軟骨細胞凋亡及炎癥的關(guān)鍵分子事件，有待深入探討。

綜上所述，從天然免疫系統(tǒng)及天然免疫分子SP-D介導(dǎo)OA發(fā)病及調(diào)節(jié)軟骨細胞凋亡及炎癥角度，闡明OA發(fā)生發(fā)展的分子機制，有利于深化天然免疫系統(tǒng)與OA發(fā)病機制的關(guān)系，有望成為揭示OA發(fā)生發(fā)展的一種新機制，為建立可能的干預(yù)手段尋找到新的靶點。