低氧誘導因子2α可能作為治療骨關(guān)節(jié)炎的一個新靶點

吳文彬 榮杰生

哈爾濱醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院，黑龍江哈爾濱150081

骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis，OA)是一種關(guān)節(jié)軟骨的慢性退行性疾病，好發(fā)于中老年人，女性明顯多于男性，其主要病理改變?yōu)檐浌腔|(zhì)降解，軟骨周圍骨質(zhì)增生，骨贅形成［1］。OA被認為是造成世界范圍內(nèi)慢性殘疾的主要公共健康問題，對社會經(jīng)濟具有較深的影響。截至目前，OA發(fā)病病因尚不明確，可能與創(chuàng)傷、性別、年齡、炎癥以及某些代謝因子有關(guān)。近年來發(fā)現(xiàn)，低氧誘導因子2α(hypoxia-inducible factor 2α，HIF-2α)參與OA的發(fā)展，是軟骨骨化過程的一個廣泛調(diào)節(jié)因子。因此，本文主要闡述低氧誘導因子2α在OA中的調(diào)控機制，從而為將來治療OA提供一個可能的新的治療靶點。

1 低氧誘導因子概述

HIF屬于轉(zhuǎn)錄因子家族，由α和β亞基構(gòu)成。其中 α 亞基主要分為 HIF-1α、2α、3α，其中 HIF-1α和HIF-2α是與氧敏感有關(guān)的關(guān)鍵效應器;β亞基又被稱為芳烴受體核轉(zhuǎn)位因子(aryl hydrocarbon receptor nuclear translocation factor，ARNT)，屬于堿性螺旋-環(huán)-螺旋(alkaline helix-ring-helix，bHLH) 轉(zhuǎn)錄因子超家族中新發(fā)現(xiàn)的 PAS(periodicity［per］/aryl aryl hydrocarbon receptor nuclear translocation factor［ARNT］/single-minded［Sim］)亞家族，該家族的成員以一個高度保守的毗鄰于螺旋-環(huán)-螺旋化區(qū)域的堿性DNA結(jié)合序列為特征，是一類生物遺傳傳感器，在細胞內(nèi)穩(wěn)定表達［2］，不僅可以調(diào)節(jié)細胞中相關(guān)基因的表達和活性，促進正常細胞的生長發(fā)育和分化增殖，還參與細胞缺氧及特定環(huán)境刺激的應答，同時也是遺傳和環(huán)境刺激的結(jié)合位點。在ARNT的氨基尾端含有保守度很高的bHLH序列，這一序列也存在于很多與DNA結(jié)合的其他轉(zhuǎn)錄因子中。這些轉(zhuǎn)錄因子主要以同源二聚體后者異源二聚體的形式存在。在人體內(nèi)，ARNT是大部分bHLH-PAS蛋白共同的專性二聚化配偶體，其中就包括芳香烴受體、HIF-1α和2α，參與人體內(nèi)許多重要的生物學過程。其中HIF-1α可能通過促進軟骨細胞的生成及發(fā)育，維持軟骨細胞的內(nèi)在活性，使軟骨細胞適應低氧環(huán)境，從而對關(guān)節(jié)軟骨細胞起到保護作用［3］。而HIF-2α的分布和作用可能與HIF-1α剛好相反，HIF-2α也被稱為內(nèi)皮Per-Arnt-Sim結(jié)構(gòu)域蛋白-1，是低氧條件下軟骨分解代謝的重要調(diào)節(jié)因子［4］。一般分布在關(guān)節(jié)軟骨的周邊部分，對誘導軟骨內(nèi)骨化及關(guān)節(jié)骨贅的形成有密切的關(guān)系。

2 HIF-2α及其相關(guān)因子在OA中的調(diào)控機制

2.1 HIF-2α調(diào)節(jié)OA關(guān)節(jié)軟骨中基質(zhì)金屬蛋白酶-13的表達

基質(zhì)金屬蛋白酶-13(matrix metalloproteinase-13，MMP-13)屬于基質(zhì)金屬蛋白酶家族的一種，在多種病理狀態(tài)下降解I、II、III、V和XI型膠原纖維，尤其可以優(yōu)先降解II型膠原纖維，而軟骨基質(zhì)的主要成分就是II型膠原纖維［5］。MMP-13在正常的軟骨組織中很少表達，多表達于OA患者的關(guān)節(jié)軟骨中。近年研究表明，MMP-13在OA患者的關(guān)節(jié)軟骨中表達明顯高于正常人。最近有研究表明，靜水壓力可以影響小鼠內(nèi)皮細胞中HIF-2α的表達;培養(yǎng)的軟骨細胞在0、5、10或50 MPa的流體靜壓下進行刺激，刺激后MMP-13表達增加［6］。靜水壓力可影響軟骨退化，通過誘導HIF-2α的表達從而加強MMP-13的表達，進而導致軟骨基質(zhì)降解，軟骨退變，進一步誘導 OA 的發(fā)生［7］。

2.2 HIF-2α調(diào)控血管內(nèi)皮生長因子從而誘導OA的發(fā)生

血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)是新生血管形成的最關(guān)鍵的細胞因子，是目前發(fā)現(xiàn)功能最強大的內(nèi)皮細胞有絲分裂原。VEGF通過促進血管生成及增加血管通透性的作用，促進滑膜細胞增生、血管新生，從而促進OA及滑膜炎［8］。其機制可能是通過促進血管生成，從而為滑膜細胞的增生提供更多的營養(yǎng)，為其向關(guān)節(jié)腔中心的侵蝕提供動力;滑膜細胞增生分泌一些細胞因子，促進滑膜炎的同時也促進新生血管的形成，如此惡性循環(huán)，進一步加重 OA的進展［9］。另外，VEGF還可以通過抑制關(guān)節(jié)軟骨細胞II型膠原和蛋白聚糖的表達，加速軟骨細胞及軟骨基質(zhì)的降解，從而促進OA的發(fā)生發(fā)展。近年來，有學者研究發(fā)現(xiàn)OA患者關(guān)節(jié)軟骨細胞中HIF-2α的表達較正常軟骨中明顯增多，HIF-2α主要表達在軟骨周邊鈣化層高分化的肥大軟骨細胞，誘導軟骨凋亡，上調(diào)VEGF的表達，導致軟骨基質(zhì)降解，促進新生成熟的血管形成并侵入［10］。另外，有學者通過 PCR和 Western blot進行定量膝OA軟骨細胞中HIF-2α與VEGF的表達發(fā)現(xiàn)，在 OA軟骨中，HIF-2α的表達水平與VEGF在mRNA和蛋白水平中的表達呈顯著正相關(guān)［11］。HIF-2α和VEGF協(xié)同促進OA的發(fā)展，同時HIF-2α可以上調(diào)VEGF的表達，表明這兩個因素可以單獨作為確定疾病嚴重程度的檢測指標［12-14］。

2.3 HIF-2α直接上調(diào)煙酰胺磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶的表達促進OA的進展

煙酰胺磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶(nicotinamide phosphoribosyltransferase，NAMPT)是煙酰胺嘌呤二核苷酸(nicotinamide guanidine dinucleotide，NAD+)補救合成途徑中的限速酶，具有類炎癥因子作用，在多種炎癥刺激時可抑制中性粒細胞的凋亡［15］。NAMPT在人體內(nèi)的存在形式主要有兩種，分別為細胞內(nèi)和細胞外NAMPT。eNAMPT(細胞外NAMPT)除了參與調(diào)控NAD+的生物合成，還與其類細胞因子作用有關(guān)［16］。關(guān)節(jié)軟骨中eNAMPT的水平高低與OA的發(fā)病機制密切相關(guān)。eNAMPT在人類關(guān)節(jié)軟骨中通過抑制蛋白多糖的合成和增加金屬蛋白酶的表達加速OA的進展。另外，白細胞介素1β在軟骨細胞中促進NAMPT的表達來抑制II型膠原蛋白的合成。Little等［17］發(fā)現(xiàn)NAMPT是骨關(guān)節(jié)炎患者中HIF-2α的直接靶基因。NAMPT在關(guān)節(jié)軟骨細胞中通過直接上調(diào)基質(zhì)金屬蛋白酶3、12、13的表達，從而激活HIF-2α下游分解代謝因子的活性［18-19］。有研究表明HIF-2α與NAMPT-NAD+-SIRT軸呈相互作用關(guān)系，即HIF-2α促進NAMPT的表達，進而激活NAD+以及SIRT家族;相反，NAD+/SIRT的激活又反過來促進HIF-2α蛋白的穩(wěn)定性及提高其轉(zhuǎn)錄活 性［20-21］。這 也 表 明 了 HIF-2α 與 NAMPTNAD+-SIRT軸的相互調(diào)節(jié)機制可能是骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機制之一［22-23］。因此，NAMPT是 HIF-2α 所介導的OA軟骨破壞的重要分解調(diào)控因子之一。

2.4 骨橋蛋白抑制HIF-2α的表達延緩OA的發(fā)生

有研究表明，骨橋蛋白(osteopontin，OPN)抑制OA軟骨細胞中HIF-2α mRNA的表達［24］。骨橋蛋白在骨組織中含量豐富，可能由許多不同的細胞類型包括軟骨細胞和滑膜細胞分泌。OPN在人類軟骨細胞中表達上調(diào)。與正常軟骨相比，從人OA軟骨分離的OPN mRNA水平增加。此外，OPN在血漿、滑膜液和關(guān)節(jié)軟骨中的表達水平與進行性關(guān)節(jié)損傷有關(guān)，并且可能是用于確定膝OA疾病嚴重程度和進展的有用生物標志物［25-26］。OPN與多種細胞表面受體相互作用，包括整聯(lián)蛋白和CD44，CD44受體參與OA的發(fā)生和發(fā)展，關(guān)節(jié)軟骨中存在的CD44與進行性膝關(guān)節(jié) OA關(guān)節(jié)損傷有關(guān)［27］。在Altur等［28］進行的人類OA軟骨樣品研究中，發(fā)現(xiàn)OPN在OA軟骨中的表達增加，與正常軟骨相比，OPN mRNA表達顯著上調(diào)，并在離體條件下向骨并在OA軟骨添加重組OPN抑制了一氧化氮和前列腺素E2的產(chǎn)生。這表明OPN在OA軟骨中過度表達，并可能作為軟骨炎性介質(zhì)的內(nèi)源性抑制劑。有研究還發(fā)現(xiàn)OPN缺陷導致誘導MMP-13的增加［29］。OPN能夠抑制膝OA患者軟骨細胞中HIF-2α的mRNA表達水平，HIF-2α mRNA表達隨OPN的上調(diào)而降低，隨OPN的下調(diào)而表達增加［30］。由于HIF-2α是OA軟骨破壞的分解代謝因子，因此，OPN水平升高導致HIF-2α下調(diào)可能是受影響的軟骨細胞返回到穩(wěn)態(tài)的一種機制。用抗CD44阻斷mAb預處理軟骨細胞抑制了OPN對HIF-2α mRNA表達的抑制作用，結(jié)果提示OPN對軟骨細胞HIF-2α的抑制作用是通過CD44與OPN相互作用介導的［29］。因此，OPN可能通過抑制骨關(guān)節(jié)炎軟骨細胞HIF-2α基因的表達，從而發(fā)揮骨OA保護作用。

2.5 微小RNA-365抑制HIF-2α的表達

微小 RNA-365(microRNA-365，miR-365)是一種長度為22個左右核苷酸的非編碼單鏈小RNA，主要參與轉(zhuǎn)錄后基因表達的調(diào)控，在細胞的生長發(fā)育以及各種疾病的發(fā)生發(fā)展過程中起到非常重要的作用。而miR-365屬于miRNAs中的重要一員，在OA的發(fā)生發(fā)展中參與一定的作用。與正常軟骨相比，人OA軟骨的miR-365水平顯著降低，使用編碼人HIF-2α mRNA的3’非翻譯區(qū)(untranslated area，UTR)熒光酶報告基因測定法，顯示miR-365過度表達顯著抑制了IL-1β誘導的人關(guān)節(jié)軟骨細胞中HIF-2α的表達［31］。熒光酶測定證實，miR-365直接與HIF-2α mRNA的3’UTR相互作用。miRNA的下調(diào)導致HIF-2α和MMP-13以及其他多種分解代謝因子(包括 COX2、iNOX和 MMP-3等)的表達增加［32］。這些結(jié)果表明miR-365通過在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)節(jié)HIF-2α并通過交叉調(diào)節(jié)MAPK-NF-kB信號傳導來減輕IL-1β誘導的分解代謝［33］。有研究已經(jīng)證明OA關(guān)節(jié)軟骨細胞中miR-365水平明顯受到抑制［31］。miR-365在關(guān)節(jié)軟骨細胞的單層和3D培養(yǎng)物中抑制IL-1β介導的分解代謝反應，同時調(diào)控HIF-2α表達，表明miR-365是OA的保護因子，其通過HIF-2α在OA的形成中發(fā)揮作用。

2.6 HIF-2α增強脂肪酸合成酶介導的軟骨細胞凋亡

脂肪酸合成酶(fatty acid synthase，F(xiàn)as)是腫瘤壞死因子家庭的一員，可以直接介導軟骨細胞凋亡，通過與配體FasL結(jié)合觸發(fā)細胞凋亡信號［34］。有研究已經(jīng)證實Fas在OA軟骨細胞中的表達明顯高于正常軟骨細胞，F(xiàn)as在損傷軟骨細胞中的表達也高于正常軟骨細胞［35］。HIF-2α與Fas的轉(zhuǎn)錄活性密切相關(guān)，HIF-2α通過直接上調(diào)Fas基因的表達，并且激活下游信號，激發(fā)由抗Fas抗體介導的細胞凋亡，顯著地增強由Fas所介導的細胞凋亡，進而加速了OA患者軟骨細胞的破壞［36］。HIF-2α通過直接或間接上調(diào)Fas和下游凋亡信號的放大來增加軟骨細胞凋亡。

3 展望

OA最重要的特征就是軟骨的退變及軟骨基質(zhì)的降解，由于軟骨缺乏神經(jīng)分布及血管供應，一旦成熟的軟骨損傷很難通過自身修復來愈合。目前，對OA的早期治療主要以抗炎鎮(zhèn)痛為主，其優(yōu)點是起效快，可迅速緩解疼痛癥狀，且長期口服非甾體類抗炎藥會產(chǎn)生胃黏膜損傷等一系列并發(fā)癥，且不能阻止OA的進一步發(fā)展［37］。HIF-2α可能作為OA疾病進展中的調(diào)控中心，可通過抑制HIF-2α的表達，從而降低各種分解代謝因子的水平，來緩解關(guān)節(jié)軟骨的降解，從而延緩OA的進一步發(fā)展，為OA的治療提供了一個新的思路。