細胞焦亡在骨代謝異常疾病中的研究

楊小瑞 曹林忠,2* 胡康一 張勇杰 尚征亞 萬超超

1甘肅中醫藥大學,甘肅 蘭州 730000

2甘肅中醫藥大學附屬醫院,甘肅 蘭州 730099

骨代謝相關細胞在骨組織的合成、分泌、吸收、礦化等過程中發揮著重要作用,是骨修復重建的關鍵細胞。骨代謝相關細胞分化及功能的異常與許多骨代謝疾病的發病機制密切相關。

隨著對細胞焦亡與骨代謝細胞相關研究的不斷深入,細胞焦亡過程中炎癥小體的激活及下游關鍵細胞因子的表達在骨代謝過程中具有重要調控作用,會導致骨代謝調節處于紊亂狀態,打破骨代謝過程中骨代謝相關細胞骨形成與骨破壞作用的動態平衡,是骨代謝異常疾病發生發展的重要病理環節。本文就細胞焦亡在骨代謝相關細胞中發生的分子作用機制與激素性股骨頭壞死、類風濕關節炎、骨質疏松癥、骨關節炎等骨代謝異常疾病的相關研究進行綜述,以期為進一步探究骨代謝異常疾病的預防和治療提供理論參考和指導。

1 細胞焦亡概述

細胞焦亡(pyroptosis)又稱促炎性程序性細胞死亡,1986年Friedlander 等[1]最早在原代小鼠腹腔巨噬細胞中發現該自然死亡現象并首次提出細胞焦亡的概念。細胞焦亡是由打孔蛋白Gasdermin-D介導核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3 (nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3,NLRP3)炎癥小體參與并依賴半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(主要是caspase-1,4,5,11)的新型促炎癥細胞程序性死亡方式[2],包括依賴caspase-1和非依賴caspase-1兩種途徑(見圖1),常發生在單核細胞、巨噬細胞和樹突狀細胞等一些專業吞噬細胞中[3]。其形態學特征表現為細胞發生腫脹,形成焦亡小體,細胞膜破裂,釋放炎癥因子[4],是機體抵抗外界有害因素刺激的重要的天然免疫反應之一。在某些病理因素(如氧化應激、高血糖、炎癥損傷等)的作用下,細胞焦亡出現過度激活,導致骨代謝相關細胞發生死亡并介導多種骨代謝異常疾病的發生[5]。

圖1 細胞焦亡經典和非經典途徑發生機制

2 細胞焦亡與骨代謝異常疾病

2.1 細胞焦亡與激素性股骨頭壞死

激素性股骨頭壞死(steroid-induced avascular necrosis of the femoral head,SANFH)是由于糖皮質激素(glucocorticoids,GC)過量使用致使股骨頭內微循環障礙、骨吸收/形成代謝失衡,出現以股骨頭局部組織無菌性炎癥、變性、壞死、塌陷為主要病理表現的骨代謝性疾病[6]。

GC屬于類固醇類,常用于感染性、自身免疫性疾病。在長期使用過程中發現,GC會影響脂質代謝,造成脂肪堆積,形成的脂肪栓子會導致骨代謝紊亂和炎癥反應上調[7]。炎癥可以抑制BMSCs 向成骨細胞、成脂細胞或成軟骨細胞的分化。NLRP3及相關細胞因子作為啟動細胞焦亡的重要免疫信號復合物,貫穿細胞焦亡引起的炎癥反應全過程,對SANFH骨代謝和穩態的調節具有重要作用[8]。高濃度GC暴露會破壞PC-12細胞內質網內穩態導致內質網中未折疊或錯誤折疊的蛋白質積累,通過激活內質網應激可以誘導NLRP3炎癥小體的活性增強,顯著增加炎癥小體的數量[9],炎性小體的過度激活會通過調節細胞因子(如T輔助細胞17)來誘導骨溶解,導致破骨細胞活性增加,成骨細胞活性降低。在GC誘導的大鼠SANFH模型中,GC通過刺激線粒體產生應激,刺激活性氧(ROS)大量增加,核因子-κB(NF-κB)信號通路被激活,使得破骨細胞活性及相關蛋白的表達顯著上調,造成股骨頭骨量大量丟失[10]。

Jiang等[11]在體外高糖(HG)誘導大鼠BMSCs糖尿病模型發現,HG可能會刺激TXNIP的表達,TXNIP與硫氧還蛋白(TRX)分離,通過TXNIP/NLRP3信號通路在胞內的轉導,可以直接結合并激活NLRP3炎癥小體各組分,并促進TNF-α和IL-1β、IL-18等炎癥因子的高度表達,導致BMSCs炎癥反應的發生,從而抑制BMSCs成骨分化的能力[12]。Yang等[13]在構建的體外體內糖尿病模型牙槽骨內檢測發現成骨細胞焦亡相關蛋白caspase-1、GSDMD的表達水平明顯升高,并且使用caspase-1抑制劑可以降低對成骨細胞增殖分化的抑制作用。Rocha等[14]通過體外構建LPS誘導小鼠破骨細胞發生牙周炎的模型中分別敲除小鼠NLRP3基因和caspase-1基因后,小鼠破骨細胞的骨吸收程度都被削弱且破骨細胞的上游信號分子NF-KB發生轉導,導致促炎因子的數量增加。Drummer等[15]發現早期高脂血癥可以誘導caspase-11激活,活化后釋放的大量促炎癥細胞因子IL-18參與并調控高脂血癥誘導的體內血管內皮細胞死亡相關基因的表達,同時介導BMSCs血管內皮細胞炎癥反應的發生[16],加重壞死股骨頭局部缺血缺氧狀態。

2.2 細胞焦亡與骨質疏松癥

骨質疏松癥(osteoporosis,OP)是一種全身性的臨床常見代謝性骨病,通常好發于中老年人群,主要由于骨形成/骨吸收失衡所致,包括原發性、繼發性和特發性三種類型,其特點是骨密度降低、骨量減少和骨組織微觀結構改變,致使骨的脆性增加,常易引起脊柱變形、骨折等并發癥,并增加死亡風險[17]。

NLRP3炎癥小體是一種細胞內多蛋白復合物,由NOD樣受體(NOD-like receptor)、凋亡相關斑點樣蛋白(apoptosis-associated speck-like protein,ASC)、pro-caspases組成,具有調節機體固有免疫的作用。NLRP3炎癥小體的激活依賴上游絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPKs)、NF-κB信號通路以及有效激動劑如離子轉移、ROS等重要因素[18]。衰老、糖代謝紊亂、激素的使用以及絕經后雌激素缺乏可以促使NF-κB活化,刺激骨微環境中慢性炎癥水平升高,誘導NLRP3和IL-1β前體蛋白過表達,NLRP3炎癥小體的異常激活不僅能夠通過促進炎癥因子IL-1β和IL-18的產生來介導破骨細胞的分化,還可以通過上調Caspase-1和GSDMD的表達造成成骨細胞破裂死亡和功能障礙[19-20]。

An等[21]研究發現,在高糖(high glucose,HG)誘導的體外破骨細胞(OCs)中,HG 可以誘導ROS的產生以及MAPKs、NF-κB信號通路相關蛋白的表達,通過ROS/MAPKs/NF-κB/NLRP3信號通路的轉導不僅可以促進NLRP3炎癥小體的激活,還可以在NF-κB的活化作用下擴大炎癥反應從而增強破骨細胞的骨吸收作用。羅立慧等[22]采用HG處理小鼠胚胎成骨細胞MC3T3-E1可明顯促進NLRP3和caspase-1基因的表達且會引起成骨細胞MC3T3-E1發生腫脹破裂,誘導細胞焦亡的發生,同時造成成骨細胞炎癥和損傷的發生,導致成骨細胞分化與礦化功能下降,骨生成作用減弱。鳶尾素作為一種可以抗衰老并且可以強化骨骼的骨骼肌分泌物,與衰老或絕經后骨質疏松密切相關[23]。Morgan等[24]發現經鳶尾素干預后的卵巢切除(OVX)大鼠,可檢測出抗氧化因子Nrf2蛋白以及Runx2成骨基因的mRNA的表達水平明顯下降,而NLRP3、Caspase-1的表達與前者正好相反,這也進一步證明衰老或雌激素缺乏引起的慢性炎癥微環境是促使細胞發生焦亡的關鍵因素。

2.3 細胞焦亡與骨關節炎

骨關節炎 (osteoarthritis,OA) 是一種由于骨自主修復和破壞之間的不平衡引起的慢性炎癥性關節疾病。軟骨基質降解、滑膜炎癥和軟骨下骨重塑等是OA病變過程中的典型病理表現[25]。軟骨細胞異常肥大或死亡導致軟骨細胞代謝失衡從而出現軟骨基質降解及軟骨骨質破壞[26][27]及滑膜組織中具有高代謝活性的巨噬樣滑膜細胞吞噬浸潤作用介導的滑膜炎癥反應和成纖維樣細胞的纖維化作用引起的細胞外基質沉積均是 OA 發病的關鍵觸發因素[28-29]。

研究認為關節急性損傷、慢性勞損、關節異物或異常的生物應力導致ROS和炎癥因子的累積和釋放與OA的發生發展關系密切[30]。ROS是體內一類氧的單電子還原產物,高水平的ROS會引起線粒體膜去極化,造成線粒體途徑的ROS大量增多,ROS過度激活誘導NLRP3激活和GSDMD氧化,導致軟骨細胞發生焦亡而腫脹破裂死亡,促進軟骨退行性改變的發生[31]。同時,作為炎癥介質的IL-1β和IL-18 已明確證實可以促進軟骨細胞死亡,并通過抑制Ⅱ型膠原蛋白和蛋白聚糖的產生來加速軟骨細胞外基質的降解,從而導致OA的發生發展[32]。

Bostan等[33]利用LPS/ATP誘導構建體外滑膜成纖維細胞焦亡模型,發現NLRP3炎癥小體在OA 患者膝關節滑膜組織中呈現高表達狀態;敲除NLRP3基因后能夠顯著降低下游信號分子ASC、caspase-1、GSDMD基因和蛋白的表達水平,可以減緩滑膜成纖維細胞焦亡的發生。智佳佳等[34]發現高濃度的LPS/ATP可以誘導C28軟骨細胞內ROS大量產生從而激活NLRP3炎癥小體,明顯降低軟骨細胞活性。另外,研究發現鈣化軟骨區軟骨下骨血流灌注減少會引起軟骨下骨缺氧,可以刺激低氧誘導因子-1α (hypoxia-inducible factor 1-alpha,HIF-1α)的表達。HIF-1α可以促進促炎因子和生長因子的產生,從而激活成纖維細胞并參與 OA 滑膜纖維化病理過程的形成[35];同時又可以通過誘導NLRP3炎癥小體活化促進滑膜成纖維細胞發生焦亡[36],明確證實細胞焦亡在OA 軟骨和滑膜細胞病變過程中發揮著重要的調控作用。

2.4 細胞焦亡與類風濕關節炎

類風濕關節炎(rheumatoid arthritis,RA)是發生在滑膜內襯及軟骨表面并累及周圍關節的一種常見的慢性、炎癥性、自身免疫性疾病。RA的基本病理特征為滑膜炎癥和骨與軟骨組織的破壞[37]。炎癥作為先天免疫的主要反應,滑膜內炎癥細胞浸潤是RA發生的重要驅動因素。

細胞焦亡是一種新型促炎性細胞死亡形式,在RA和NLRP3基因遺傳多態性分析中,研究發現NLRP3 rs10754558 C/G多態性與中國漢族RA患者發病風險、發病人群和臨床特征密切相關[38]。NLRP3炎癥小體是連接先天免疫和適應性免疫的重要橋梁[39],活化后的NLRP3炎癥小體可以激活caspase-1和GSDMD,產生具有生物活性的促炎細胞因子IL-1β和IL-18。IL-1β和IL-18是IL-1家族中促進先天免疫系統細胞活化的重要炎癥調節因子,在RA的病理過程中發揮著關鍵作用[40]。IL-1β是RA的主要致病因素之一,可以上調破骨細胞前體細胞上的NF-kB受體激活因子(RANK)的表達,使RANK與核因子kB受體激活劑配體(RANKL)相結合[41-42],從而增強其活性并刺激破骨細胞的產生以誘導骨與軟骨組織的破壞[43]。IL-1β也可以與其他促炎癥因子如TNF-a發生協同作用[44],進一步放大炎癥反應并加速骨丟失。IL-18是一種多效性細胞因子,在RA炎癥反應的級聯上調和維持中發揮重要作用。IL-18通過激活滑膜中的T細胞產生炎性細胞因子、RANKL等[45],介導骨破壞的發生。

王秋苑等[40]發現RA患者血清和關節液中的NLRP3、caspase-1、IL-1β、IL-18表達水平明顯升高,且與疾病活動程度和滑膜炎性水平呈正相關,證實細胞焦亡相關因此參與了滑膜細胞焦亡導致的RA關節滑膜炎的病理過程。DNA聚合酶β (DNA polymerase β,Pol β)是一種堿基切除修復的關鍵酶,對RA穩定器損傷的骨組織具有修復作用。Gu等[46]研究報道在活動性RA患者和膠原誘導性關節炎小鼠的外周血單核細胞中,Pol β的表達顯著降低,而在RA巨噬細胞焦亡模型中,Pol β敲除會導致DNA損傷積累,誘導NF-kB信號通路轉導并上調NLRP3、IL-1β和IL-18的表達。因此,靶向NF-kB-NLRP3對于改善促炎細胞因子造成的炎癥損傷具有重要意義。

3 小結與展望

細胞焦亡作為一種新型的促炎性程序性死亡,關于焦亡相關細胞因子及信號通路與骨代謝異常疾病發病機制的相關性已經得到了初步研究證實。NLRP3炎癥小體作為細胞焦亡發生的關鍵功能分子,在骨代謝相關細胞內可以通過NF-κB信號通路轉導、氧化應激、線粒體功能障礙等多種途徑被激活介導炎癥反應的發生;同時由NLRP3炎癥小體介導的IL-1β和IL-18又可以通過RANK、MAPKs等細胞因子的調節影響骨代謝相關細胞的增殖、分化、吸收等功能,造成骨代謝紊亂及骨穩態失衡,導致骨代謝異常疾病的發生發展。

本文通過系統綜述細胞焦亡過程中炎癥小體的激活以及下游促炎癥因子IL-1β和IL-18成熟對骨代謝相關細胞的影響以及與激素性股骨頭壞死、類風濕關節炎、骨質疏松癥、骨關節炎等發病機制的相關性,證實細胞焦亡在骨代謝異常疾病中發揮著重要調控作用。但是除此之外,關于細胞焦亡還有更多值得我們去探索和挖掘的熱點,比如人體免疫調節系統以及細胞內環境穩態對細胞焦亡是否具有分級靶向的作用以及如何有效避免焦亡過度激活對骨與關節組織造成嚴重損傷。相信隨著未來對細胞焦亡不斷地深入研究,可以進一步揭示關鍵信號通路和分子作用靶點,為闡明細胞焦亡與骨代謝疾病的發病機制研究及防治策略奠定基礎,并為臨床研究改善骨代謝異常疾病的新型靶向抑制劑藥物提供理論支撐和指導,將其更好地運用于未來臨床防治,從而有效減緩骨代謝異常疾病的發展進程,有效提高患者臨床生存質量及預后。