曹燕,李雪萍
(南京醫(yī)科大學(xué)附屬南京醫(yī)院 南京市第一醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科,南京 210006)
骨關(guān)節(jié)炎是一種年齡相關(guān)的關(guān)節(jié)退行性疾病,全球范圍內(nèi)骨關(guān)節(jié)炎患者已超過(guò)3億人[1]。65歲以上人群中骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病率較高,其病理特征包括軟骨損傷、滑膜炎癥、軟骨下骨和關(guān)節(jié)周圍軟組織的破壞,并伴有關(guān)節(jié)功能障礙。軟骨損傷是骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生發(fā)展的主要因素,正常軟骨由大量細(xì)胞外基質(zhì)及少量軟骨細(xì)胞構(gòu)成,軟骨細(xì)胞是關(guān)節(jié)軟骨中唯一的細(xì)胞類型[2]。骨關(guān)節(jié)炎是一種多因素疾病,其病因包括遺傳因素、年齡、創(chuàng)傷、糖尿病、肥胖和代謝綜合征[3]?;钚匝躅?reactive oxygen species,ROS)在軟骨細(xì)胞中主要由煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase,NOX)產(chǎn)生,生理情況下可以調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞凋亡、基因表達(dá)及細(xì)胞外基質(zhì)合成和分解,有助于維持軟骨穩(wěn)態(tài)[4]。研究表明,ROS的過(guò)量積累可引起氧化應(yīng)激,進(jìn)而引起軟骨細(xì)胞受損和軟骨基質(zhì)的降解,促進(jìn)骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生[5]。現(xiàn)著重闡述氧化應(yīng)激及其相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病機(jī)制中的作用,為骨關(guān)節(jié)炎靶向治療提供新思路和新方法。
1.2ROS功能 ROS是細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、基因調(diào)節(jié)等生理過(guò)程中重要的信使分子。有研究表明,ROS可以參與激酶、磷酸酶、半胱氨酸蛋白酶和轉(zhuǎn)錄因子等生物分子的翻譯后修飾[11]。細(xì)胞對(duì)ROS的反應(yīng)方式取決于信號(hào)的強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間以及細(xì)胞的氧化還原狀態(tài)等。生理?xiàng)l件下在軟骨細(xì)胞內(nèi)主要由NOX產(chǎn)生低濃度ROS,參與細(xì)胞內(nèi)信號(hào)調(diào)節(jié)、維持軟骨代謝[12]。過(guò)量ROS可以參與促炎細(xì)胞因子對(duì)骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生發(fā)展的驅(qū)動(dòng)過(guò)程,導(dǎo)致軟骨細(xì)胞凋亡等[13]。ROS還可以通過(guò)激活基質(zhì)金屬蛋白酶破壞軟骨基質(zhì)中的蛋白聚糖和Ⅱ型膠原,抑制基質(zhì)合成,導(dǎo)致軟骨完整性的喪失[14]。持續(xù)的內(nèi)源性ROS積累可導(dǎo)致軟骨細(xì)胞凋亡、基質(zhì)降解及氧化還原相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的破壞,在骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生發(fā)展中具有重要作用。
1.3抗氧化系統(tǒng) 細(xì)胞內(nèi)清除ROS、保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激損傷的機(jī)制稱為抗氧化系統(tǒng)??寡趸到y(tǒng)包括SOD、過(guò)氧化氫酶(catalase,CAT)、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶、過(guò)氧化物氧化還原酶等酶促抗氧化劑和非酶抗氧化劑[15]??寡趸到y(tǒng)可以清除ROS,維持細(xì)胞內(nèi)的氧化還原平衡,保護(hù)細(xì)胞免受氧化損傷。SOD2是一種能夠代謝ROS的線粒體酶,軟骨細(xì)胞中SOD2缺乏可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)ROS過(guò)度積聚,引起氧化損傷[16]。CAT是關(guān)鍵的抗氧化酶之一,通過(guò)破壞細(xì)胞中的H2O2產(chǎn)生水和氧氣,在很大程度上減輕ROS過(guò)度產(chǎn)生引起的氧化應(yīng)激作用。CAT的缺乏或功能障礙被認(rèn)為與骨關(guān)節(jié)炎等衰老相關(guān)疾病的發(fā)生有關(guān)[17]。過(guò)氧化物氧化還原酶是主要負(fù)責(zé)還原H2O2的抗氧化蛋白家族,可以保護(hù)軟骨免受氧化損傷,在軟骨中發(fā)揮重要的氧化還原平衡作用[18]。
1.4氧化應(yīng)激 當(dāng)細(xì)胞內(nèi)ROS的產(chǎn)生超過(guò)抗氧化系統(tǒng)對(duì)ROS的清除能力時(shí),過(guò)量的ROS導(dǎo)致細(xì)胞和組織的氧化損傷,稱為氧化應(yīng)激[19]。在細(xì)胞水平上,氧化應(yīng)激導(dǎo)致線粒體DNA和核DNA損傷、脂質(zhì)過(guò)氧化、蛋白質(zhì)羰基化、端??s短以及細(xì)胞信號(hào)和代謝途徑的改變。研究發(fā)現(xiàn),骨關(guān)節(jié)炎患者軟骨細(xì)胞中總過(guò)氧化物濃度和氧化應(yīng)激水平升高[20]。除了ROS產(chǎn)生增加外,骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞中抗氧化酶水平下降也可引起氧化應(yīng)激。Zhuang等[21]研究發(fā)現(xiàn),骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞中SOD、CAT等抗氧化酶水平顯著低于正常軟骨細(xì)胞,表明抗氧化能力不足可能引起軟骨損傷,氧化應(yīng)激在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病機(jī)制中起重要作用。
氧化應(yīng)激是骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生發(fā)展的主要因素之一。在軟骨細(xì)胞中,氧化應(yīng)激通過(guò)促進(jìn)細(xì)胞凋亡、誘導(dǎo)細(xì)胞自噬失衡等機(jī)制參與骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病。
2.1氧化應(yīng)激與軟骨細(xì)胞凋亡 軟骨細(xì)胞缺乏自我更新能力,軟骨細(xì)胞凋亡在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病機(jī)制中起重要作用[22]。細(xì)胞凋亡是氧化應(yīng)激期間的主要病理改變之一,ROS可以通過(guò)誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞凋亡促進(jìn)骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生發(fā)展。Pan等[23]將暴露于H2O2的軟骨細(xì)胞用作實(shí)驗(yàn)性氧化應(yīng)激模型,通過(guò)磷脂酰絲氨酸-碘化丙啶雙染色法發(fā)現(xiàn)H2O2可以促進(jìn)軟骨細(xì)胞凋亡,應(yīng)用抗氧化劑可以降低細(xì)胞內(nèi)丙二醛水平、增加SOD表達(dá),且抑制軟骨細(xì)胞內(nèi)聚腺苷二磷酸核糖聚合酶、胱天蛋白酶(caspase)等凋亡相關(guān)蛋白的表達(dá),表明抑制氧化應(yīng)激可以減少H2O2誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞凋亡。Li等[24]研究通過(guò)評(píng)估H2O2誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞內(nèi)ROS水平、誘導(dǎo)型一氧化氮合酶的表達(dá)以及軟骨細(xì)胞內(nèi)磷脂酰肌醇-3-激酶、磷酸化的絲/蘇氨酸蛋白激酶、caspase-9和caspase-3的表達(dá)發(fā)現(xiàn),氧化應(yīng)激可以通過(guò)激活磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B和caspase途徑導(dǎo)致軟骨細(xì)胞凋亡。骨氧還蛋白1是一種巰基二硫鍵氧化還原酶,可以參與抗氧化、抗凋亡等細(xì)胞過(guò)程。Sun等[25]研究發(fā)現(xiàn)骨氧還蛋白1表達(dá)上調(diào)可以通過(guò)增加環(huán)磷酸腺苷反應(yīng)元件結(jié)合蛋白,經(jīng)血紅素加氧酶1途徑限制骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞的氧化應(yīng)激,減少軟骨細(xì)胞凋亡,為骨關(guān)節(jié)炎的治療提供了新方向。
2.2氧化應(yīng)激與軟骨細(xì)胞自噬 自噬是一種重要的細(xì)胞穩(wěn)態(tài)機(jī)制,用于清除細(xì)胞內(nèi)失活的細(xì)胞器和大分子,與程序性細(xì)胞死亡、氧化應(yīng)激等生物學(xué)過(guò)程相關(guān)[26]。Goutas等[27]的研究揭示了健康人和骨關(guān)節(jié)炎患者的軟骨細(xì)胞對(duì)急性氧化損傷的自噬反應(yīng)的差異,表明氧化應(yīng)激相關(guān)的軟骨細(xì)胞自噬反應(yīng)在骨關(guān)節(jié)炎中具有重要作用。該研究還發(fā)現(xiàn),暴露于氧化應(yīng)激后,正常軟骨細(xì)胞中自噬相關(guān)基因的信使RNA和蛋白質(zhì)表達(dá)水平最初增加,6~24 h后降至基礎(chǔ)水平;而在骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞中,自噬基因的表達(dá)即使在24 h后仍保持較高水平,表明其調(diào)節(jié)自噬的能力減弱。提示氧化應(yīng)激可能通過(guò)引起軟骨細(xì)胞自噬缺陷導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生。Tang等[28]使用叔丁基過(guò)氧化氫誘導(dǎo)的小鼠軟骨細(xì)胞和實(shí)施內(nèi)側(cè)半月板失穩(wěn)術(shù)的小鼠作為骨關(guān)節(jié)炎模型,分別在體內(nèi)和體外研究自噬誘導(dǎo)劑海藻糖對(duì)氧化應(yīng)激下骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞及軟骨的作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn),海藻糖可以改善氧化應(yīng)激導(dǎo)致的線粒體膜電位塌陷、ATP水平降低和DNA損傷,自噬抑制劑可以抵消海藻糖對(duì)氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞的保護(hù)作用。以上結(jié)果表明誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞自噬可為骨關(guān)節(jié)炎的治療提供新方向。
2.3氧化應(yīng)激與微RNA(microRNA,miRNA/miR) miRNA是進(jìn)化上保守的短鏈非編碼RNA亞家族,其序列長(zhǎng)度約為22個(gè)核苷酸。miRNA可以作為有效的轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)因子,是調(diào)節(jié)疾病和衰老過(guò)程中分子機(jī)制的潛在靶標(biāo)[29]。一項(xiàng)對(duì)老年人和骨關(guān)節(jié)炎患者軟骨進(jìn)行的微陣列研究結(jié)果顯示,多種miRNA在衰老軟骨和骨關(guān)節(jié)炎軟骨中的表達(dá)水平發(fā)生改變[30]。Zou等[31]在體外用IL-1β誘導(dǎo)小鼠軟骨細(xì)胞,模擬骨關(guān)節(jié)炎時(shí)的病理環(huán)境,采用實(shí)時(shí)熒光定量聚合酶鏈反應(yīng)和Western blotting法檢測(cè)miR-375和Janus激酶2-信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子3通路的表達(dá),結(jié)果顯示與對(duì)照組相比,IL-1β誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞中miR-375顯著增加,細(xì)胞增殖和SOD水平降低,而軟骨降解酶表達(dá)上調(diào),細(xì)胞外基質(zhì)成分合成減少。Cheleschi等[32]用miR-34a、miR-181a抑制劑轉(zhuǎn)染氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞,通過(guò)實(shí)時(shí)熒光定量聚合酶鏈反應(yīng)檢測(cè)miRNA、抗氧化酶的表達(dá),結(jié)果發(fā)現(xiàn)氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞中miR-34a、miR-181a、SOD2和CAT表達(dá)增加,抑制miR-34a、miR-181a可以減輕骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞凋亡和氧化損傷。董寶鐵等[33]研究發(fā)現(xiàn)miR-1286a在骨關(guān)節(jié)炎軟骨組織及碘乙酸誘導(dǎo)的骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞中表達(dá)顯著升高,抑制miR-1286a可以減輕骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞凋亡和氧化應(yīng)激損傷。以上研究結(jié)果表明,部分miRNA可能通過(guò)氧化應(yīng)激途徑參與骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生,近年來(lái)miRNA已用于監(jiān)測(cè)骨關(guān)節(jié)炎的進(jìn)展,并作為評(píng)估軟骨修復(fù)的工具。
氧化應(yīng)激導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機(jī)制與多種氧化還原相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的調(diào)節(jié)有關(guān),其中涉及核因子κB(nuclear factor kappa B,NF-κB)通路、核因子紅系2相關(guān)因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2,Nrf2)通路、沉默信息調(diào)節(jié)因子2同源蛋白1(sirtuin 1,SIRT1)通路以及叉頭框轉(zhuǎn)錄因子O(forkhead box O,F(xiàn)oxO)信號(hào)通路。
3.1NF-κB通路與骨關(guān)節(jié)炎 NF-κB是一種廣泛存在于真核生物細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄激活因子,可以調(diào)節(jié)與免疫、炎癥、應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)的多種基因,在機(jī)體的病理生理反應(yīng)中發(fā)揮重要功能[34]。在軟骨細(xì)胞中,NF-κB是多種炎癥因子在細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的共同途徑,作為氧化應(yīng)激的傳感器,可以導(dǎo)致軟骨代謝異常,促進(jìn)骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)展[35]。有研究發(fā)現(xiàn),川芎嗪、白藜蘆醇等可以通過(guò)抑制NF-κB通路減輕IL-1β誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng),延緩骨關(guān)節(jié)炎的進(jìn)展[36-37]。Hu等[38]研究表明,沙克列汀可以通過(guò)下調(diào)NF-κB通路減少骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞中ROS的產(chǎn)生和增加谷胱甘肽的表達(dá),并且降低基質(zhì)金屬蛋白酶-1、基質(zhì)金屬蛋白酶-3、基質(zhì)金屬蛋白酶-13以及解聚蛋白樣金屬蛋白酶的表達(dá),進(jìn)而減少氧化應(yīng)激引起的軟骨細(xì)胞凋亡和基質(zhì)降解。以上研究表明,NF-κB通路的調(diào)控可能成為骨關(guān)節(jié)炎治療的新方法。
3.2Nrf2通路與骨關(guān)節(jié)炎 Nrf2是調(diào)控細(xì)胞內(nèi)氧化還原反應(yīng)和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子,在減少細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激損傷、延緩細(xì)胞衰老和預(yù)防衰老相關(guān)疾病等方面發(fā)揮重要作用[39]。Nrf2能夠調(diào)節(jié)參與應(yīng)激反應(yīng)的基因表達(dá)水平,并且參與CAT、SOD等抗氧化酶的合成[40]。Khan等[41]研究發(fā)現(xiàn),與正常軟骨相比,骨關(guān)節(jié)炎軟骨中Nrf2及其靶基因的表達(dá)顯著升高。Nrf2過(guò)表達(dá)可以激活胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2信號(hào)及其下游靶標(biāo),顯著抑制IL-1β誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞中ROS的生成,減輕線粒體功能障礙和軟骨細(xì)胞凋亡,表明Nrf2激活在骨關(guān)節(jié)炎中具有抗氧化和抗凋亡功能,并可以通過(guò)激活胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2信號(hào)起作用。宋永周等[42]研究發(fā)現(xiàn)姜黃素可以通過(guò)增強(qiáng)Nrf2表達(dá)而降低H2O2誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞的氧化應(yīng)激水平。Gao等[43]研究發(fā)現(xiàn)鋅指家族成員Kruppel樣因子2可以通過(guò)增強(qiáng)Nrf2的核易位,導(dǎo)致其下游的靶分子血紅素加氧酶-1和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸:醌氧化還原酶1的表達(dá)增加,進(jìn)而抑制ROS的產(chǎn)生以減輕IL-1β誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞凋亡和基質(zhì)降解??傊?,Nrf2通路激活可以降低軟骨細(xì)胞內(nèi)ROS的水平,抑制氧化應(yīng)激過(guò)程,從而保護(hù)軟骨細(xì)胞免于氧化應(yīng)激損傷。
3.3SIRT1途徑與骨關(guān)節(jié)炎 SIRT1是一種依賴煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的去乙?;?,具有調(diào)節(jié)機(jī)體代謝、修復(fù)DNA損傷、抵抗應(yīng)激反應(yīng)、延緩衰老等作用。SIRT1在骨關(guān)節(jié)炎中具有抗炎、抗氧化應(yīng)激和抗凋亡作用,并且可以調(diào)節(jié)骨穩(wěn)態(tài)、抑制骨關(guān)節(jié)炎的進(jìn)展[44]。Feng等[45]用叔丁基過(guò)氧化氫刺激的大鼠軟骨細(xì)胞作為骨關(guān)節(jié)炎體外模型來(lái)研究槲皮素的作用,結(jié)果表明槲皮素可以通過(guò)激活SIRT1/AMP活化的蛋白激酶信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路減輕氧化應(yīng)激、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和軟骨細(xì)胞凋亡,在動(dòng)物模型中也證實(shí)了其對(duì)骨關(guān)節(jié)炎軟骨的保護(hù)作用。Feng等[46]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)姜黃素通過(guò)促進(jìn)氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的大鼠軟骨細(xì)胞中SIRT1表達(dá),降低軟骨細(xì)胞中C/EBP同源蛋白水平并上調(diào)軟骨保護(hù)蛋白Bcl-2的表達(dá),從而抑制氧化應(yīng)激引起的軟骨細(xì)胞凋亡,延緩骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)展。SIRT1是目前研究最充分的沉默信息調(diào)節(jié)蛋白之一,該家族其他成員是否也有類似作用還需要更多的研究進(jìn)行證實(shí)。綜上所述,SIRT1有望成為治療骨關(guān)節(jié)炎的重要靶點(diǎn)。
3.4FoxO轉(zhuǎn)錄因子與骨關(guān)節(jié)炎 FoxO家族是一類調(diào)節(jié)炎癥、自噬、衰老等過(guò)程的轉(zhuǎn)錄因子,其活性與磷酸化狀態(tài)直接相關(guān)。有研究表明FoxO轉(zhuǎn)錄因子可以調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞的生長(zhǎng)、成熟和基質(zhì)合成,并通過(guò)調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激反應(yīng)對(duì)軟骨細(xì)胞發(fā)揮保護(hù)作用[47]。Akasaki等[48]研究發(fā)現(xiàn),F(xiàn)oxO轉(zhuǎn)錄因子在老年人和骨關(guān)節(jié)炎患者的軟骨中表達(dá)下降且發(fā)生磷酸化改變,提示FoxO表達(dá)變化可能與軟骨退變相關(guān)。Akasaki等[49]進(jìn)一步研究了下調(diào)的FoxO轉(zhuǎn)錄因子對(duì)骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞的影響,用叔丁基過(guò)氧化氫處理人關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞,并將靶向FoxO1和FoxO3的小干擾RNA轉(zhuǎn)染入軟骨細(xì)胞中沉默F(xiàn)oxO1和FoxO3的表達(dá),通過(guò)噻唑藍(lán)比色法測(cè)定細(xì)胞活力,檢測(cè)軟骨細(xì)胞中凋亡相關(guān)的caspase蛋白表達(dá),并評(píng)估了CAT等抗氧化酶和SIRT1蛋白表達(dá)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)染后的軟骨細(xì)胞中凋亡明顯增加、細(xì)胞活力下降,抗氧化酶和SIRT1水平明顯降低。上述結(jié)果表明,F(xiàn)oxO轉(zhuǎn)錄因子在骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞中具有抗氧化應(yīng)激、抗凋亡的作用,可為骨關(guān)節(jié)炎的治療提供新靶點(diǎn)。
骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生發(fā)展受到多種因素的調(diào)控,氧化應(yīng)激在骨關(guān)節(jié)炎的進(jìn)展中起重要作用,可通過(guò)多種機(jī)制促進(jìn)骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)展。軟骨細(xì)胞內(nèi)ROS過(guò)度產(chǎn)生及內(nèi)源性抗氧化能力不足可引起氧化應(yīng)激,進(jìn)一步導(dǎo)致軟骨細(xì)胞凋亡和軟骨基質(zhì)降解,破壞軟骨結(jié)構(gòu)完整性,加重軟骨損傷。研究發(fā)現(xiàn)NF-κB、Nrf2及SIRT1等氧化應(yīng)激相關(guān)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路參與骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生發(fā)展。氧化應(yīng)激影響軟骨代謝的機(jī)制非常復(fù)雜,目前對(duì)維持軟骨細(xì)胞的氧化還原穩(wěn)態(tài)的機(jī)制及相關(guān)通路仍不明確,需要進(jìn)一步研究闡明氧化應(yīng)激與骨關(guān)節(jié)炎的關(guān)系,從多角度深入揭示氧化應(yīng)激導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎的具體機(jī)制,為臨床上骨關(guān)節(jié)炎的治療提供新思路。