Cathepsin在類風濕關節炎發生發展中的作用研究進展①

余澤蕓 武 平 羅 云 王穎旎 唐 潔 陶偲鈺 （成都中醫藥大學，成都 610075）

類風濕關節炎（rheumatoid arthritis，RA）是一種慢性全身性自身免疫性疾病，以多關節對稱性疼痛、腫脹甚至畸形為主要臨床表現［1］。據研究報道，RA 約影響全球1%的人群，近年來發病率呈逐漸上升的趨勢［2］。RA 以免疫紊亂導致滑膜增生，大量炎癥細胞浸潤，以及侵襲性新生血管翳形成為主要病理表現，晚期往往會引發軟骨及骨的破壞，最終導致嚴重的關節畸形甚至殘疾［3］。

組織蛋白酶（cathepsin）是溶酶體蛋白酶家族的重要成員，與RA 病情的發展密切相關。在正常生理條件下，骨形成與骨吸收之間存在一種平衡。但在RA 患者中，這種平衡被破壞而有利于骨吸收，而骨吸收依賴于破骨細胞，破骨細胞是由滑膜組織和關節骨之間的表面單核/巨噬細胞系造血細胞發育而成的多核巨細胞，可被核轉錄因子-κB（NF-κB）、IL-1β、TNF-α 等細胞因子激活［4-5］，而cathepsin 可水解活化前IL-1β、TNF-α 和NF-κB 等細胞因子，從而促進骨吸收，加重關節破壞。此外，血管翳是一種異常的肉芽組織，由免疫細胞、血管和纖維細胞組成，在RA 患者的關節破壞中扮演重要角色，它從滑膜開始生長，最終侵入RA 患者的關節，導致不可逆的骨與軟骨破壞，而某些cathepsin 與血管內皮生長因子密切相關，可促進血管翳的形成，加重骨破壞［6］。目前，cathepsin 在骨質疏松癥、牙周炎、高血壓、腫瘤等疾病中的發病機制及作用已逐漸被學者重視［7-9］，但cathepsin 在RA 發生發展中的作用機制研究較少，明確cathepsin 在RA 發生發展中的作用，特別是其生物學意義和功能，對RA 的診斷和治療具有重要意義。

1 組織蛋白酶的組成

Cathepsin 與木瓜蛋白酶家族具有極高的同源性。現已發現有19 種cathepsin，根據結構、催化機制和降解底物蛋白質種類的不同，cathepsin 可分為絲氨酸組織蛋白酶（B、C、F、H、K、L、O、S、V、W、X）、天門冬氨酸組織蛋白酶（D、E）和半胱氨酸組織蛋白酶（G）三大類［10］。cathepsin 在酸性環境和中性環境中都可以被激活，越來越多的證據表明，cathepsin在侵襲相關性疾病的發生和進展中發揮重要作用，它們可以被分泌到細胞外降解細胞外基質。在RA 的病程進展中，cathepsin 通過對RA 相關細胞因子的調控，可加重RA 關節滑膜的炎癥，促進滑膜血管翳的形成和關節軟骨與骨的降解。

2 與RA有關的組織蛋白酶

目前，與RA病情相關的cathepsin包括了Cat G、Cat S、Cat B、Cat L 和Cat K，在RA 發生發展中，他們各自發揮不同的作用以介導關節滑膜的炎癥和促進滑膜血管翳形成，以及導致骨破壞。

2.1 組織蛋白酶G可加重關節滑膜的炎癥 RA的發病機制目前尚不明確，但關節滑膜的增生和炎癥是其最初的病理變化，也是其最主要的病理變化。研究發現，IL-1β、TNF-α、IL-1 和IFN-γ 等炎癥細胞因子可加重RA 患者關節滑膜的炎癥。如，IL-1β 可通過激活NF-κB 介導的ERK-STAT1信號通路，增加滑膜液來源的成纖維細胞樣滑膜細胞炎癥因子的表達［11］。TNF-α是一種多效性的細胞因子，在RA中是主要的促炎細胞因子，被認為與RA 滑膜炎癥的發生和發展有著最密切的關系，在RA 的局部滑膜炎癥、血管翳的生成和組織損傷中都發揮了重要作用［12］。此外，IFN-γ 主要由活化的T 細胞分泌而來，能表達主要組織相容性復合物Ⅱ類抗原，激活抗原遞呈細胞，發揮促炎癥功能［13］。組織蛋白酶G（cathepsin G，Cat G）是絲氨酸蛋白酶家族的一員，具有水解活性，是參與炎癥調節過程的一種多功能酶，可水解活化前IL-1β、TNF-α、IL-1 和IFN-γ 等與RA 相關的細胞因子，調節炎癥部位的免疫應答，參與促炎、抗炎過程［14］。還有研究發現，Cat G 在滑膜內襯細胞中表達強烈，而在滑膜巨噬細胞和中性粒細胞表達弱，提示Cat G 的單因子趨化活性可能在RA 滑膜炎的發病機制中發揮作用，且抗風濕病藥物可以抑制人白細胞Cat G 的活性被認為是這些藥物的治療作用之一，說明Cat G 在RA 關節滑膜炎癥的發生發展中發揮重要作用［15-16］。

2.2 組織蛋白酶S（cathepsin S，Cat S）能促進滑膜血管翳的形成 RA 的主要病理特征為滑膜炎癥和滑膜血管翳的形成。血管翳具有侵襲性和破壞性，可侵蝕局部組織、關節軟骨、軟骨下骨質和關節周圍軟組織，這些進行性破壞可共同引起關節破壞，最終導致關節畸形和殘廢，是RA 發生、發展的關鍵過程［17］。目前研究認為，血管內皮生長因子在滑膜血管翳中高度表達、是促進血管翳形成并維持其生物狀態的重要因子［10］。血管內皮生長因子又稱為血管通透因子，屬血小板生長因子家族，其通過與其受體相結合，一方面能使血管內皮細胞變形、遷移、分裂、增殖，誘導血管增生；另一方面具有促進炎癥滑膜組織形成新生血管及血管內物質外滲，加重滑膜組織炎癥及血管翳形成的作用，從而加重RA 的臨床癥狀，進一步導致關節畸形［18］。而Cat S主要在免疫細胞中表達，與血管內皮生長因子密切相關，Cat S 可裂解多種底物，包括細胞外基質蛋白、促血管生成肽和抗血管生成肽以及連接黏連蛋白，表明其在細胞侵襲、血管生成和細胞轉移中發揮重要作用［19-20］。此外，最近研究表明，Cat S 由TNF-α/IL-1β刺激軟骨細胞分泌，在RA患者血清中Cat S水平與RA 疾病活動度（DAS-28）呈正相關，進一步證實了Cat S在RA滑膜炎癥及滑膜血管翳形成中的作用［21-22］。

2.3 抑制組織蛋白酶B 活性可抑制RA-FLS 的侵襲 RA 滑膜成纖維細胞樣細胞（RA-FLS）可釋放大量致炎因子介導RA 的關節破壞，且RA-FLS 具有類似腫瘤樣細胞生長的特性，在RA 的發病機制中起著重要作用［23］。組織蛋白酶B（cathepsin B，Cat B）是由RA-FLS 在細胞因子的刺激下合成和分泌的，同樣Cat B 的激活與抑制也可影響RA-FLS 的侵襲。有研究證實，Cat B與RA的聯合破壞密切相關，與骨性關節炎（osteoarthritis，OA）相比，在RA 的滑膜液中積累了超過19 倍的Cat B 活性，在異常增生的滑膜組織中，尤其是軟骨和骨破壞部位，含有較多Cat B 陽性的滑膜細胞，而正常滑膜組織中僅有有限的Cat B 陽性細胞［24］。并且滑膜細胞產生的基質金屬蛋白酶（MMPs）具有降解細胞外基質的能力，在RA關節的漸進破壞中起著尤為重要的作用，其參與細胞的增殖、遷移、黏附、侵襲、分化和凋亡等多種行為。但是，有研究發現使用其特異性抑制劑CA074Me 和siCB 抑制Cat B 的活性后，可通過降低MMP-2 的活性來抑制FLS 的遷移，從而起到減輕關節滑膜炎癥的作用［24-25］。總之，由RA-FLS 合成和分泌的Cat B 在RA 滑膜細胞中高表達，抑制Cat B 活性可抑制RA-FLS 的侵襲，由此減輕滑膜炎癥和骨破壞程度。

2.4 組織蛋白酶L（cathepsin L，Cat L）可調節RA的免疫過程和骨侵蝕過程 Cat L 在人體組織中廣泛表達，但在胸腺皮質細胞中表達最為明顯，因此，Cat L 被認為是重要的積極選擇T 細胞能夠識別非自身結構［26］。在關節炎動物和RA 患者的炎癥關節中都可以檢測到Cat L的表達和活性增強，其在體外和體內均具有膠原和蛋白多糖降解活性。據研究報道，在RA的發生發展過程中，Cat L參與了關節軟骨中結構蛋白的直接降解和免疫反應的抗原呈遞及Th1/Th2極化［27-28］；Cat L缺乏的關節炎小鼠關節炎癥的嚴重程度更輕［29］。說明Cat L 可調節RA 的免疫反應，影響關節炎癥過程。且慢性RA 軟骨下骨病灶中巨噬細胞豐富，這些巨噬細胞在暴露于抗Cat L抗體后表現出強烈的反應。有研究認為，存在于RA 關節部位的巨噬細胞分泌Cat L，這些細胞釋放的Cat L 在慢性RA 患者軟骨下骨和軟骨的侵蝕中發揮作用［30］。故Cat L 可調節RA 的免疫、炎癥和骨侵蝕過程。

2.5 組織蛋白酶K（cathepsin K，Cat K）可影響軟骨結構的破壞 骨破壞在RA 的發生和發展中占有重要地位，是RA 致殘致畸的主要原因。而骨破壞是由于成骨細胞和破骨細胞失衡而引發的一個病理表現，RA 患者骨代謝的特點是骨吸收增強而骨形成不足。這兩者之間的失衡被認為是導致RA患者全身性骨丟失及關節局部骨破壞的主要原因。Cat K是破骨細胞中表達量最高、溶骨活性最強的一種半胱氨酸蛋白酶，是骨吸收過程中的一個關鍵酶，由大約12.1 kB 的單基因a 編碼，結構上和Cat L、Cat S相似，與RA 的關系密切，是近些年備受關注的靶點蛋白［31-32］。Cat K 存在于滑膜成纖維細胞中，主要由破骨細胞在溶酶體、胞質囊泡和沿破骨細胞-骨吸收界面釋放，然后進入由avB3整合素介導的骨表面破骨封閉形成的吸收腔。研究證實，Cat K可通過切斷Ⅰ型和Ⅱ型膠原的三螺旋結構和改變纖維承受拉伸力的能力，在破骨細胞功能和骨基質蛋白成分降解中發揮重要作用，最終導致軟骨結構破壞［33］。Cat K也能有效降解成骨細胞蛋白，通過破壞自身的Ⅰ型、Ⅱ型膠原和蛋白多聚糖在RA 的發病過程中發揮關鍵作用，最終導致關節壞死［34］。故Cat K 作為骨吸收過程中的關鍵酶，對RA 關節軟骨與骨的破壞發揮重要調節作用。

綜上所述，RA 作為一種自身免疫性疾病，目前無法根治。在RA 中，MMPs 和cathepsin 已被證明能驅動基質降解，特別是可以降解軟骨和骨，最終導致關節的破壞［35］。與MMPs 不同的是，cathepsin 由于結構、催化機制和降解底物蛋白質種類的不同，在RA 的疾病進程中可扮演不同的角色。如Cat G可水解活化前IL-1β、TNF-α、IL-1和IFN-γ等與RA相關的細胞因子，調節炎癥部位的免疫應答，參與促炎和抗炎過程；Cat S 可切割多種底物，在細胞侵襲、血管生成和細胞轉移中起著重要作用，可促進血管翳的形成；而Cat B 可通過影響RA-FLS 侵襲，Cat L 可通過影響免疫反應的抗原呈遞及Th1/Th2極化，Cat K可通過影響破骨細胞等在RA 關節炎癥，軟骨與骨破壞中發揮重要作用。并且，比起MMPs，軟骨和骨骼附近的酸性微環境似乎更適合組織蛋白酶的激活。由此可見，明確cathepsin 在RA 發生發展中的作用，特別是其生物學意義，能為RA 的診斷和治療提供精準的方案。