運動對軟骨細胞衰老作用機制研究進展

連紛紛 趙慧瑩 馬譽瑋 鐘子桉 吳偉

上海體育學院,上海 200438

骨關節炎(osteoarthritis,OA)是最普遍的關節疾病之一,主要表現為關節軟骨慢性進行性變性和異常重建,最初常為分子或細胞功能障礙,而后逐漸出現軟骨降解、骨重塑改變,并發展為與疼痛和殘疾相關的臨床疾病[1]。流行病學研究顯示,膝關節因其透明關節軟骨結構特殊,僅由軟骨細胞和細胞外基質組成,缺乏血管和淋巴,出現損傷后不易修復,通常是OA的高發部位,發生率遠遠高于髖、手、腕骨等部位[2]。

最近研究發現,軟骨細胞衰老是造成膝關節炎的高危因素,而運動可以緩解衰老相關疾病,本文將系統綜述運動對軟骨細胞衰老作用的潛在機制,為臨床上治療OA提供可能的新靶點[3]。

1 軟骨細胞衰老機制

細胞衰老被認為是信號轉導過程中由于DNA損傷、基因突變或微環境的變化引起細胞自我分化和再生的能力降低,并伴隨著細胞形態和生理變化的一種永久性細胞周期阻滯現象[4]。現階段研究將軟骨細胞衰老類型分為復制性衰老和過早衰老[5]。復制性衰老是指端粒縮短而引起的復制能力下降,而過早衰老則指外界刺激所引起的細胞周期停止,造成DNA損傷、自噬和機體抗氧化能力減弱,以及炎癥因子等表達異常[6],表現為生長停滯、細胞周期抑制劑表達增加、細胞結構和蛋白質表達發生變化[7]。

軟骨細胞是關節軟骨中獨特的細胞(占95%),是細胞外基質(extracellular matrix,ECM)產生和周轉的關鍵,因其生存在低氧、低pH值且高滲透壓的體內環境中,故軟骨細胞較體內其他細胞更易衰老。研究發現OA患者的軟骨細胞表現出與衰老細胞相似的特征,如端粒縮短、線粒體DNA突變累積、細胞質和細胞核之間連通性變化、代謝改變以及端粒縮短和衰老相關的β-半乳糖苷酶(senescence-associated β-galactosidase,SA-βgal)活性增加[8]。

盡管軟骨細胞衰老的確切分子機制尚在探索,但它與衰老相關基因、信號通路及分泌表型密切[9]。衰老細胞相關分泌表型(senescence associated secretory phenotype,SASP)或衰老信息分泌體(senescence-messaging secretome,SAM)是指由衰老細胞所分泌的生長因子、細胞因子和蛋白酶等,其能夠與其他細胞以及微環境溝通,通過自分泌方式或旁分泌機制刺激鄰近的細胞衰老[10-11]。研究發現,SASP還會對周圍的正常軟骨細胞產生促退作用,并通過腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α,TNF-α)、血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)和白介素(interleukin,IL)等細胞因子作用于正常軟骨細胞,導致軟骨退化[8]。見圖1。此外,對于軟骨細胞衰老機制探索中發現部分微小RNAs(MicroRNAs)發揮著重要作用[12],見表1。

圖1 軟骨細胞衰老特征

表1 部分Mirco RNA對軟骨衰老的機制

2 運動對軟骨細胞衰老的作用機制

聯合國表示,如果大眾積極運動,世界人口的預期壽命有望增加0.68歲[18]。同時,人們很早就開始研究運動與衰老的關系,盡管運動介導的延緩衰老效應的潛在機制尚未完全了解,但不少研究表明運動可以減緩衰老相關疾病[19]。此外,運動也被廣泛應用于臨床OA的治療。最近研究表明,任何運動(包括太極和瑜伽等)都可以改善OA患者的疼痛,這與運動延緩軟骨細胞衰老有關[20]。運動抑制軟骨細胞衰老主要表現在以下方面,見圖2。

圖2 運動抑制軟骨細胞衰老

2.1 減少端粒長度(telomere length,TL)縮短

端粒是位于染色體末端的異染色體結構,由端粒DNA重復序列和結合蛋白組成[21]。端粒學說一直以來都是軟骨細胞衰老的研究熱點[5]。TL與OA的發生發展密切相關[22]。研究發現,TL縮短會產生代謝活躍的細胞,從而導致組織衰老[23],因此TL縮短也被認為是衰老的標志[24]。大量證據表示運動能緩解TL縮短[25-26]。報道稱參與運動的人的TL比不運動的人的TL更長[27-28],甚至只進行日常休閑活動便可減少端粒的磨損。運動還能影響端粒酶的活性[29],在運動過程中,端粒酶的活性可以從39.84個TPG單位明顯增加到58.10個TPG;沃納通過比較運動員和非運動員兩者的端粒,發現在運動員中端粒重復結合因子2(TRF2)增加,而TRF2可以很好保護TL不縮短。Zhu等[30]利用英國生物庫將284 479名受試者納入25項體育活動進行分析,發現堅持進行體力活動衰老加速指數(即TL)的值越低。因此筆者認為運動能夠很好地緩解TL縮短,從而減緩軟骨細胞衰老。

2.2 修復DNA損傷

DNA損傷是造成軟骨細胞衰老的重要原因[31-32],減少DNA損傷可以抑制軟骨細胞衰老[33]。許多研究都表示運動有利于修復DNA損傷[34-35],誘發DNA保護機制,減少DNA鏈斷裂,并激活其修復途徑[36]。Liang等[37]通過對大鼠進行衰老造模后進行運動干預,發現與對照組大鼠相比,運動組大鼠DNA損傷得到明顯改善;Nair等[38]研究則發現運動可以緩解氧化性DNA損傷和增強DNA修復。以往有研究表示,急性運動會增加活性氧和氮物質(RONS)的產生,從而造成氧化應激,加重DNA損傷[39],而近期研究則認為急性運動引起的DNA損傷不一定是有害的[40],其可以保護免疫細胞進而避免DNA鏈斷裂。因此通過運動來緩解軟骨細胞中的DNA損傷可能是治療OA的新策略。

2.3 抑制炎癥因子

細胞炎癥因子是指機體受到來自外界的刺激后發生炎癥反應,誘導個體組織產生并釋放能夠維持機體穩態的細胞因子[41]。其在OA病程進展過程中有著重要作用。大量證據表明隨著體內部分炎癥因子的堆積,緩慢發展的炎性微環境會促進軟骨細胞衰老,從而加重OA[42]。而研究發現運動可促進體內血液循環,加快炎癥因子代謝,同時還能增加白細胞介素4(interleukin-4,IL-4)和白細胞介素10(interleukin-10,IL-10)等抗炎癥因子的表達,以減少體內炎癥因子堆積,并通過抑制JNK/NF-κB炎癥通路抑制白細胞介素1(interleukin-1,IL-1)和TNF-α信號,減少軟骨細胞凋亡,促進軟骨細胞增殖和ECM合成[43]。以及Silva等[44]在OA的動物實驗模型上進行運動干預,發現運動組的軟骨細胞核中的白細胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)、含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(cysteinyl aspartate specific proteinase-3,Caspase-3)以及基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMP-13)的表達均較低,表明運動具有減緩炎癥的能力。此外,運動還可通過PI3K/Akt和HDAC3/NF-κB途徑使某些細胞因子自發誘導抗炎反應[45]。研究表明,運動可使白細胞介素6(interleukin-6,IL-6)表達增加,IL-6可誘導產生白細胞介素1受體拮抗劑(interleukin-1 receptor antagonist,IL-1ra),從而刺激抗炎細胞因子生成[46];另外在炎癥期間時,IL-6還可限制編碼炎性細胞因子基因的表達,并增強免疫細胞對IL-4的反應性[47]。因此運動能很好地抑制炎癥因子積累,改善體內炎癥環境,從而抑制軟骨細胞衰老,減緩OA進展。

2.4 促進自噬

自噬是細胞的自我防御機制,其作為真核生物衰老調節機制之一,與衰老密切相關。有研究通過抑制雷帕霉素靶蛋白(mechanistic target of rapamycin,MTOR)通路來激活自噬,發現自噬對調節細胞衰老有著潛在的抑制作用[48]。然而隨著年齡的增長,自噬活性會降低[49],有報道稱自噬可被多種刺激調節和誘導[50],其中運動能雙向且動態調節自噬。吳長勇等[51]發現運動可通過叉頭框轉錄因子(forkhead box O,FOXO)和轉錄因子EB(transcription factor EB,TFEB)調控抗胸腺淋巴細胞球蛋白(Anti-human thymus lymphocyte globulin,ATG)家族的轉錄增加自噬能力,其中FOXO通過絲氨酸/蘇氨酸激酶-腺苷酸激活蛋白激酶(AKT/AMPK)介導調節運動應答中自噬成分的轉錄,包括微管相關蛋白3(microtubule-associated proteins,LC3)和Bcl2相互作用蛋白3(Bcl2/interacting protein3,BNIP3)等。Huang等[52]研究證明運動能增加沉默調節蛋白1(sirtuin1,Sirt1)的表達,并調節LC3-II、p62和LAMP2等自噬相關蛋白的水平從而增強自噬。Pinto等[53]研究發現運動還可使Beclin-1、Atg5、Atg12和Atg7等自噬調節蛋白水平增加,同時使AMPK、磷酸化AMPK和FOXO3在內的上游信號通路上調,及p62和LC3-II/LC3-I降低,起到抗衰老的作用。另外運動還可以使Pitx1過表達,從而抑制PI3K/Akt/mTOR信號通路,并提高線粒體活性[54],進而延緩軟骨細胞衰老。由此可見,通過干預自噬來延緩軟骨細胞衰老是運動延緩OA的有效途徑之一。

2.5 提高機體抗氧化能力

人體內具有兩套氧化相關系統,分別為氧化和抗氧化兩套系統,其中抗氧化系統能夠消除人體代謝過程中產生的自由基并維持平衡狀態。據報道運動可激活活性氧途徑,并在某種程度上通過激活能夠產生適應運動的某些信號來維持體內氧化和抗氧化之間的平衡[55]。Feng等[56]通過對雄性SD大鼠進行跑臺實驗,結果顯示運動組大鼠體內超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)等的活性以及總抗氧能力(total antioxidant capacity,T-AOC)和自由基代謝率都明顯高于非運動組大鼠。以往研究也通過嚙齒動物模型證明,運動可通過適應過程長期抑制全身氧化應激,提高抗氧化劑和氧化損傷修復酶(谷胱甘肽等)的水平及活性[57]。可見運動可改善機體自由基代謝,并提高體內抗氧化酶活性,增強抗氧化的能力,減少自由基帶來的損害,同時減少線粒體膜電位活性氧(reactive oxygen species,ROS)的產生[58],從而起到保護關節軟骨,延緩軟骨細胞衰老的作用。

2.6 降低胰島素樣生長因子1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)

IGF-1是重要的代謝/合成代謝激素軸,它介導了體育活動許多有益效應,其主要在肝臟中合成并存于血液中,已證實軟骨中也能產生IGF-1,其與受體結合后可發揮效應[59]。IGF-1/胰島素信號通路作為長壽有關的信號通路,IGF-1可以促進Akt磷酸化,進而抑制長壽因子FOXOs的活性,從而導致細胞衰老。別連鈺[60]實驗結果顯示,IGF-1可促進大鼠軟骨細胞中Akt的表達與激活,進而促進軟骨細胞衰老相關的β-半乳糖苷酶活性,以及衰老相關的標志物p53和p21的表達,加速軟骨細胞衰老。既往研究顯示,運動干預對IGF-1會產生影響[61]。近些年Hu等[62]和Zhou等[63]也都證實了運動可使體內IGF-1水平降低。因此運動可以通過降低血液循環中游離IGF-1的水平,從而抑制軟骨細胞衰老,進而延緩OA進展。

2.7 促進巨噬細胞轉變

巨噬細胞是OA滑膜中最主要的免疫細胞[64]。研究表示,隨著年齡增長,巨噬細胞功能會發生變化[65]。一方面,細胞效應能力會下降,巨噬細胞上TLR的表達會降低,表現為刺激后TNF-α和IL-6的表達減少以及IL-10產生水平增加;另一方面,衰老的巨噬細胞對炎癥刺激的反應能力會減弱。炎癥通過交替激活巨噬細胞的積聚,使微小血管生成增加,并使炎癥細胞因子的產生增加,從而導致軟骨基質破壞,造成軟骨細胞衰老加速[66]。另外,巨噬細胞可細分為M1型和M2型,M1型常被認為是促炎型且會加重OA進展,而M2型可以緩解骨關節炎發展同時有利于軟骨修復[67]。有報道稱,運動訓練會導致血液中M1/M2巨噬細胞發生變化,可以改變滑膜微環境,使M1型巨噬細胞轉變為M2型巨噬細胞,并抑制巨噬細胞群體向促炎性M1型轉變[68]。因此筆者認為運動可以通過促進巨噬細胞轉變,進而改善體內的炎癥環境,從而抑制軟骨細胞衰老,對關節起到保護性作用。

3 總結和展望

OA是一種與年齡相關的關節疾病,隨著老齡化人口的增加,OA的發病率在世界范圍內穩步上升。軟骨細胞衰老能夠直接影響細胞外基質,在OA發生和發展中起著重要作用。

本綜述系統地揭示了運動抑制軟骨細胞衰老的潛在機制。后續將進一步探討運動種類、強度、頻率、時間等因素對軟骨細胞衰老的影響以及研究在實際臨床應用中OA患者的個體差異、運動依從性等相關因素對運動治療效果的影響,并提供相關運動參數范圍制定合適的運動處方。此外,在未來還可以研究我國傳統體育鍛煉氣功等運動對OA的治療效果,為患者提供更多的參考和選擇。