氧化應(yīng)激反應(yīng)與骨關(guān)節(jié)炎相關(guān)性及抗氧化應(yīng)激藥物應(yīng)用的研究進(jìn)展

夏干清綜述 周龐虎審校

骨關(guān)節(jié)炎是全球最為常見的關(guān)節(jié)疾病，而軟骨的退行性改變、軟骨下骨組織的改變及滑膜炎性反應(yīng)都在疾病發(fā)生發(fā)展中起到關(guān)鍵作用。追溯其病因，包括外力、體質(zhì)量等機(jī)械因素和衰老等其他生物性因素都參與其中[1]。這些因素最終導(dǎo)致了關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞死亡，軟骨軟化缺失及骨贅形成，引發(fā)關(guān)節(jié)疼痛不適和患肢的活動受限，進(jìn)而嚴(yán)重影響生活質(zhì)量，且?guī)砹溯^大的家庭及社會負(fù)擔(dān)。

氧化應(yīng)激是一種因機(jī)體代謝產(chǎn)生的活性氧(reactive oxygen species,ROS)與相應(yīng)抗氧化劑防御機(jī)制之間的不平衡并且偏向于氧化劑增多而產(chǎn)生的現(xiàn)象，氧化應(yīng)激是衰老的主要特征之一，能夠廣泛影響組織器官的正常功能[2]。此過程與機(jī)體內(nèi)包括神經(jīng)系統(tǒng)疾病、心血管系統(tǒng)疾病等病理過程密切相關(guān)。因軟骨組織缺乏血供，軟骨細(xì)胞曾經(jīng)被認(rèn)為生活在厭氧環(huán)境中。然而有文獻(xiàn)指出實(shí)際上氧氣可以擴(kuò)散到關(guān)節(jié)軟骨之中，其淺表和中部區(qū)域并不缺氧，這意味著氧化應(yīng)激能夠在關(guān)節(jié)軟骨中產(chǎn)生影響[3-4]。正常情況下，ROS主要通過還原型輔酶Ⅱ(NADPH)氧化酶在關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞中低水平產(chǎn)生，并且能夠調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞凋亡、基因表達(dá)、細(xì)胞內(nèi)基質(zhì)合成和分解，以及細(xì)胞因子的產(chǎn)生，是維持軟骨穩(wěn)態(tài)的細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)的重要角色。已有證據(jù)表明，骨關(guān)節(jié)炎軟骨比正常軟骨具有更多的ROS誘導(dǎo)的DNA損傷。此外，骨關(guān)節(jié)炎患者的抗氧化酶也有明顯減少?？梢哉J(rèn)為，氧化應(yīng)激參與并在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病中起到重要作用。

1 氧化應(yīng)激在骨關(guān)節(jié)炎中的作用

1.1 衰老及異常機(jī)械應(yīng)力因素誘發(fā)氧化應(yīng)激 骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生通常分為兩類，一類以年輕人為主要對象，主要由曾經(jīng)的關(guān)節(jié)損傷引起，稱為創(chuàng)傷后骨關(guān)節(jié)炎；而另一類則以中老年人為主要對象，與年齡因素息息相關(guān)[5]。在衰老的過程中，關(guān)節(jié)也相應(yīng)發(fā)生一系列變化[6]。肌肉組織減少或體質(zhì)量增加，骨細(xì)胞的減少及骨密度減低等因素改變了關(guān)節(jié)負(fù)荷和機(jī)械應(yīng)力，從而影響了關(guān)節(jié)的正常功能，并引發(fā)關(guān)節(jié)炎性反應(yīng)和氧化應(yīng)激過程的產(chǎn)生。Koike等[7]通過切除內(nèi)側(cè)半月板建立小鼠骨關(guān)節(jié)炎模型，證明了在骨關(guān)節(jié)炎軟骨中改變的機(jī)械應(yīng)力可以在關(guān)節(jié)軟骨中產(chǎn)生異常水平的ROS，且抗氧化物超氧化物歧化酶2(superoxide dismutase-2, SOD2)下調(diào)，動態(tài)機(jī)械負(fù)荷可能是通過TRPV-4這類機(jī)械應(yīng)力傳感通道信號傳導(dǎo)調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞的線粒體內(nèi)超氧化物的平衡，從而維持關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)，由此可說明骨關(guān)節(jié)炎患者的ROS異常水平與其關(guān)節(jié)軟骨機(jī)械應(yīng)力的改變有關(guān)。需要注意的是，在骨關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)內(nèi)的氧化應(yīng)激發(fā)展過程中，NADPH氧化酶復(fù)合物也扮演著重要角色。NADPH氧化酶復(fù)合物廣泛存在于多種細(xì)胞，能夠通過質(zhì)膜傳遞電子產(chǎn)生ROS，從而參與到清除病原微生物等生理活動中。已有研究闡述了ROS和NADPH氧化酶復(fù)合物之間的聯(lián)系，發(fā)生骨關(guān)節(jié)炎的關(guān)節(jié)中存在氧化應(yīng)激過程，且關(guān)節(jié)中大量的ROS是由NADPH氧化酶復(fù)合物產(chǎn)生[8-10]。在整個氧化應(yīng)激過程中，細(xì)胞內(nèi)的線粒體既是產(chǎn)生ROS的主要位點(diǎn)，又是這些分子的主要靶點(diǎn)。另外，極光激酶A(Aurora A)的泛素化能夠降低SOD2的表達(dá)并導(dǎo)致線粒體功能障礙[11]，從而參與骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生。ROS能夠引起線粒體呼吸鏈抑制，ATP水平降低及mt-DNA的突變。而衰老過程中mt-DNA的突變和損失頻率明顯增高[10, 12]，這導(dǎo)致了功能受損的呼吸鏈亞基合成，并進(jìn)一步導(dǎo)致線粒體呼吸鏈功能障礙和ROS的增加，形成惡性循環(huán)[13]。過量的ROS和抗氧化能力之間的失衡，最終導(dǎo)致了氧化應(yīng)激[14-15]。過量的ROS還與DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，破壞其正常結(jié)構(gòu)，損害功能并對細(xì)胞產(chǎn)生一定的毒性。

1.2 過量ROS導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的減少 ROS包括羥自由基(OH-)、過氧化氫(H2O2)、超氧陰離子(O2-)、一氧化氮(NO)和次氯酸鹽離子(OCl-)。在氧化應(yīng)激的過程中，ROS通過不同的通路導(dǎo)致軟骨細(xì)胞的死亡或是生長抑制，從而參與到骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展過程之中。有研究通過在兔關(guān)節(jié)軟骨使用Withaferin A(WFA)證實(shí)細(xì)胞內(nèi)ROS可通過PI3K/Akt和JNK通路引起軟骨細(xì)胞的凋亡[16]。另外，ROS還通過NF-κB信號傳導(dǎo)影響軟骨基質(zhì)的重塑、軟骨細(xì)胞凋亡、滑膜炎性反應(yīng)，并對下游軟骨細(xì)胞分化的下游調(diào)節(jié)因子具有間接的刺激作用[17-18]。Vincent等[19]研究證實(shí)次黃嘌呤—黃嘌呤氧化酶(hypoxanthine-xanthine oxidase, HX-XO)系統(tǒng)產(chǎn)生的H2O2可以抑制關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的生長。一項(xiàng)研究使用氧化劑SIN-1誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞死亡后測定氧化型谷胱甘肽(GSSG)和還原型谷胱甘肽(GSH)，證實(shí)隨著衰老而增加的氧化應(yīng)激使軟骨細(xì)胞通過谷胱甘肽抗氧化劑系統(tǒng)的失調(diào)，而更容易受到氧化劑介導(dǎo)的細(xì)胞死亡的影響[20-21]。氧化應(yīng)激不僅能夠?qū)е萝浌羌?xì)胞的凋亡，抑制其生長，甚至可以加速細(xì)胞衰老，這一過程可能與影響軟骨細(xì)胞的端粒酶活性相關(guān)[22-23]。

1.3 氧化應(yīng)激影響關(guān)節(jié)滑膜及關(guān)節(jié)軟骨下骨組織 在關(guān)節(jié)滑膜中，氧化應(yīng)激過程同樣廣泛存在。骨關(guān)節(jié)炎患者關(guān)節(jié)內(nèi)的炎性反應(yīng)及微環(huán)境改變可導(dǎo)致滑膜缺氧。在這種情況下，滑膜細(xì)胞適應(yīng)缺氧環(huán)境產(chǎn)生能量并將其細(xì)胞代謝從相對靜止的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨却x活躍的狀態(tài)，而這種代謝轉(zhuǎn)變導(dǎo)致代謝中間產(chǎn)物的積累，可能增加ROS的產(chǎn)生，導(dǎo)致氧化損傷和炎性反應(yīng)[24-25]。氧化應(yīng)激過程中產(chǎn)生的過量NO可以通過調(diào)節(jié)線粒體功能，增加p-53的表達(dá)及控制細(xì)胞周期的蛋白質(zhì)來降低骨關(guān)節(jié)炎滑膜細(xì)胞的存活并誘導(dǎo)其死亡[26-28]。另外，在綿羊半月板切除的骨關(guān)節(jié)炎模型中，用NO供體化合物治療會增加軟骨下硬化，提示NO與軟骨下骨硬化有著一定聯(lián)系[29-30]。這些觀察結(jié)果表明，氧化應(yīng)激產(chǎn)物NO可能是骨關(guān)節(jié)炎中導(dǎo)致軟骨下骨硬化的重要介質(zhì)。

綜上所述，包括外部機(jī)械應(yīng)力或衰老等因素直接或間接參與了氧化應(yīng)激的產(chǎn)生。氧化應(yīng)激則通過誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞、滑膜細(xì)胞死亡，增加軟骨下骨硬化等方式促成了骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展。

2 抗氧化應(yīng)激藥物治療

在正常人體關(guān)節(jié)組織中，軟骨細(xì)胞能夠表達(dá)多種抗氧化劑，包括CAT、SOD和GPX。這些抗氧化劑水平的降低和過氧化物水平的增加會導(dǎo)致健康的關(guān)節(jié)軟骨穩(wěn)態(tài)喪失，從而隨著年齡增長關(guān)節(jié)軟骨發(fā)生病理性改變，并最終促進(jìn)骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展。而針對此機(jī)制，現(xiàn)在已經(jīng)有相關(guān)文獻(xiàn)及報(bào)道提出將天然或人工合成抗氧化藥物用于針對骨關(guān)節(jié)炎的治療。

2.1 透明質(zhì)酸(hyaluronan,HA) HA是由2個雙糖單位D-葡萄糖醛酸及N-乙酰葡糖胺組成的大型多糖類。因?yàn)镠A具有明顯的潤滑作用，是滑膜液的主要成分之一，長期被用于骨關(guān)節(jié)炎的臨床治療之中，以此緩解骨關(guān)節(jié)炎患者關(guān)節(jié)疼痛。在一項(xiàng)研究中，研究者在膝關(guān)節(jié)炎患者病變關(guān)節(jié)內(nèi)注射HA，從而證實(shí)HA減少了關(guān)節(jié)滑膜液中脂質(zhì)的過氧化[31]。此外，有報(bào)道稱研究者使用Bio-press系統(tǒng)對牛的軟骨組織施加一定的機(jī)械壓力，隨后測定蛋白聚糖(proteoglycan，PG)和ROS水平，證實(shí)機(jī)械壓力抑制了PG的合成并增強(qiáng)了ROS。而后在外部使用HA，逆轉(zhuǎn)了應(yīng)力抑制PG的合成，減弱了ROS的合成[32]。這些數(shù)據(jù)表明HA作為抗氧化劑發(fā)揮了一定的抗氧化應(yīng)激過程作用[33-34]。

2.2 維生素 維生素C和維生素E分別為水溶性和脂溶性的維生素，都具有一定的抗氧化能力。為了驗(yàn)證這2種抗氧化劑是否能夠抑制骨關(guān)節(jié)炎患者中的氧化應(yīng)激過程，Canter等[35]對維生素A、C、E和硒治療骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)行了系統(tǒng)評價，沒有明顯證據(jù)證明維生素A、C、E或用硒聯(lián)合治療任何類型的關(guān)節(jié)炎是有效的。D'adamo等[36]報(bào)道使用精氨酸(SPD)來進(jìn)行骨關(guān)節(jié)炎中抗氧化治療的策略。在評估了經(jīng)SPD預(yù)處理后的骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞死亡程度、氧化DNA損傷和Caspase-3活化的程度后，證實(shí)SPD能夠通過對Caspase-3和NF-κB產(chǎn)生影響來阻止氧化應(yīng)激對軟骨的破壞作用，且SPD治療可增強(qiáng)軟骨細(xì)胞的增殖。

2.3 自由基清除劑 自由基清除劑可以特異性針對骨關(guān)節(jié)炎患者的氧化應(yīng)激過程，在機(jī)體正常代謝過程中及保護(hù)細(xì)胞和組織免受氧化損傷中具有重要作用。水溶性富勒烯(C60)和重組超氧化物歧化酶(SOD)均能有效地抑制氧化應(yīng)激。C60可使所有循環(huán)的氧衍生自由基失活，從而抑制氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP-1、MMP-3、MMP-13)產(chǎn)生，并阻止下調(diào)人類軟骨細(xì)胞中基質(zhì)的產(chǎn)生、凋亡和過早衰老。在手術(shù)誘發(fā)的兔骨關(guān)節(jié)炎模型中，其保護(hù)作用被得到證實(shí)[37-38]。SOD是一種金屬蛋白酶，它能夠?qū)⒊趸镒杂苫缁癁檫^氧化氫和分子氧，從而減輕氧化應(yīng)激過程大量ROS帶來的影響。然而，在治療中使用天然SOD有一定局限性，即由于它們的大分子限制了其細(xì)胞通透性，體內(nèi)循環(huán)半衰期頗為有限。如今，一些模擬SOD的低分子化合物能夠克服這些缺點(diǎn)。已有文獻(xiàn)報(bào)道SOD模擬化合物MnL4的治療可防止由氧化應(yīng)激引起的組織變性改變，這給SOD類化合物能夠克服天然SOD的缺點(diǎn)，并給治療骨關(guān)節(jié)炎帶來新的前景[39-40]。NF-E2相關(guān)因子2(Nrf-2)是一種調(diào)節(jié)抗氧化防御系統(tǒng)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，通過控制位于其靶基因啟動子區(qū)域的抗氧化劑響應(yīng)元件(antioxidant response element, ARE)激活其下游基因表達(dá)抗氧化酶類。最近一項(xiàng)研究表明，組蛋白脫乙?；敢种苿?histone deacetylase inhibitor，HDACI)可通過激活Nrf-2阻止氧化應(yīng)激從而在骨關(guān)節(jié)炎中發(fā)揮保護(hù)作用[41]。

2.4 褪黑素 褪黑素及其代謝產(chǎn)物被視為廣譜抗氧化劑和自由基清除劑。實(shí)驗(yàn)表明褪黑素可抑制JNK和p38-MAPK的磷酸化，激活SIRT-1從而抑制軟骨細(xì)胞死亡。在線粒體中，褪黑素還能夠保護(hù)線粒體DNA免受ROS引起的氧化損傷。因而有研究認(rèn)為褪黑素有望對骨關(guān)節(jié)炎的病情發(fā)展產(chǎn)生一定的緩解作用[42]。然而，關(guān)于褪黑素治療骨關(guān)節(jié)炎的臨床證據(jù)尚不充足，期待進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.5 中醫(yī)藥 傳統(tǒng)中藥在對抗衰老等方面累積了豐富的經(jīng)驗(yàn)。近來不少研究發(fā)現(xiàn)，某些具有抗衰老功能的中藥中的多肽類具有良好的抗氧化活性。獨(dú)活寄生湯具有祛風(fēng)濕、止痹痛、益肝腎、補(bǔ)氣血之功效，是治療膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的經(jīng)典藥方，有研究通過臨床對照試驗(yàn)，驗(yàn)證了獨(dú)活寄生湯可通過參與NLRP3/NF-κB信號通路在骨關(guān)節(jié)炎中發(fā)揮抗氧化作用[43]。另外，一項(xiàng)應(yīng)用化瘀除濕通痹方治療腎虛血瘀型膝骨關(guān)節(jié)炎的臨床試驗(yàn)中，觀察組MDA、SOD水平均顯著優(yōu)于對照組，這表明化瘀除濕通痹方在抑制氧化應(yīng)激反應(yīng)上發(fā)揮了顯著作用，而其具體機(jī)制仍待進(jìn)一步探究[44]。

2.6 其他 當(dāng)前天然成分的衍生藥物快速發(fā)展，可以作為輔助OA的治療方案。某些多酚類物質(zhì)同樣具有一定的抗氧化能力并且能夠給骨關(guān)節(jié)炎治療提供一定的思路。白藜蘆醇是一種沉默信息調(diào)節(jié)因子2相關(guān)酶1(silent information regulation 2 homolog-1, SIRT-1)激活劑，可以保護(hù)軟骨細(xì)胞，抑制骨關(guān)節(jié)炎的病情發(fā)展[45]。白藜蘆醇能夠以劑量依賴的方式增加SIRT-1蛋白的表達(dá)，通過激活SIRT-1的方式保護(hù)軟骨細(xì)胞免受IL-1β刺激，從而避免了NO誘導(dǎo)的人軟骨細(xì)胞凋亡。SIRT-1的上調(diào)還可以通過增加Bcl-2并降低Bax、MMP-1和MMP-13的表達(dá)，通過抑制p38、JNK和ERK的磷酸化來抑制骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞凋亡和細(xì)胞內(nèi)基質(zhì)降解[46]。然而，關(guān)于白藜蘆醇或其他SIRT-1激活劑的臨床研究仍然較少，其治療效果需要在臨床試驗(yàn)中進(jìn)行進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。此外，有研究顯示，槲皮素在大鼠骨關(guān)節(jié)炎模型中通過消除軟骨退變和減少膝關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞凋亡起到保護(hù)作用， 其可能通過SIRT-1/AMPK信號通路減輕氧化應(yīng)激過程，是一種有前途的骨關(guān)節(jié)炎治療方法[47]。翠雀花素(delphinidin)能夠抑制ROS引起的細(xì)胞凋亡，通過顯著抑制如c-Caspase-3和c-PARP等凋亡信號，同時上調(diào)抗凋亡標(biāo)記Bcl-XL和抗氧化相關(guān)的NF-κB和Nrf2通路實(shí)現(xiàn)對關(guān)節(jié)軟骨的抗氧化應(yīng)激保護(hù)和抗細(xì)胞自噬能力[48]。

3 小結(jié)與展望

綜上，骨關(guān)節(jié)炎的形成發(fā)展與氧化應(yīng)激有著密不可分的關(guān)系。機(jī)械應(yīng)力、年齡增長等因素可以通過氧化應(yīng)激的過程參與到骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展之中。氧化應(yīng)激產(chǎn)生的失衡超氧化物不僅導(dǎo)致軟骨細(xì)胞線粒體功能障礙，更能夠促進(jìn)軟骨細(xì)胞凋亡，滑膜細(xì)胞死亡乃至關(guān)節(jié)軟骨下骨化。目前有針對骨關(guān)節(jié)炎中氧化應(yīng)激過程的藥物，亦有能發(fā)揮抗氧化能力的輔助藥物，其所展現(xiàn)的能力不容忽視，可能將給骨關(guān)節(jié)炎的非手術(shù)治療方向帶來廣闊的前景。