骨关节炎相关细胞因子作用机制研究进展

谢辉晋综述,杜远立审校

(1.三峡大学人民医院,湖北宜昌 443002;2.湖北省宜昌市第一人民医院 443000)

骨关节炎相关细胞因子作用机制研究进展

谢辉晋1综述,杜远立2审校

(1.三峡大学人民医院,湖北宜昌 443002;2.湖北省宜昌市第一人民医院 443000)

骨关节炎;受体,细胞因子;作用机制

骨关节炎(osteoarthritis,OA)是一种常见的慢性关节疾病,其主要病变是骨关节软骨的退行性变和继发骨质增生,涉及的组织主要包括滑膜组织、软骨组织及软骨下骨,具体表现为关节软骨破坏、关节表面形成骨赘、滑膜细胞反应性增生、滑膜炎和关节间隙变窄等[1-2]。骨关节炎的发病原因迄今为止尚不完全清楚,近年来越来越多的研究发现细胞因子在骨关节炎的发病中起重要作用,根据细胞来源和生物学特性可将其分为分解性细胞因子和合成性细胞因子两类。正常情况下这两类因子共同作用,可保持分解代谢与合成代谢的相对平衡,维护关节的正常结构和功能。但骨关节炎相关细胞因子种类较多,作用机制复杂,且交互影响,是目前骨关节炎研究的热点及难点。现将近年来国内外学者对骨关节炎的病理基础及细胞因子的研究新进展综述如下。

1 分解性细胞因子

1.1 白细胞介素-1(interleukin-1,IL-1) IL-1是一种激素样多肽,可分为 IL-1α和IL-1β两种亚型,IL-1β在骨关节炎发生机制中起主要作用,是已经证实的所有致病细胞因子中首要相关因子之一。IL-1对骨关节炎的作用主要通过以下几个方面实现。

1.1.1 对基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)的影响 MMPs是降解细胞外基质的主要酶系,能降解几乎所有的软骨细胞外基质,使关节软骨肿胀,最终破坏关节正常结构。MMPs的组织抑制因子(tissue inhibitor of metalloproteinase,TIMPs)是MMPs重要的特异性调节因子,它能抑制MMPs的活性,发挥保护软骨基质的作用。正常生理条件下,软骨基质的降解与合成之间保持动态平衡。在骨关节炎患者关节中,IL-1通过刺激成纤维细胞、中性粒细胞、巨噬细胞、关节软骨细胞、滑膜细胞,使患者关节各组织中MM Ps高表达,与此同时TIM Ps表达下降,MM Ps/TIMPs正常比值失衡,导致骨关节软骨中细胞外基质遭到破坏。骨关节炎软骨中存在一种可使MMPs活性增加的物质,该物质叫胞浆素原激活物(plasminogenal activator,PA),而PA又受胞浆素原激活物抑制物-1(plasminogenal activator inhibitor-1,PAI-1)的抑制调节[3]。IL-1可刺激 PA的分泌,并抑制 PAI-1的合成,故在骨关节炎软骨中高表达的IL-1促进了MMPs的激活,进一步加强对软骨的破坏作用。由于软骨细胞外基质中90%～95%的成分是Ⅱ型胶原,MMPs中基质金属蛋白酶-13(MMP-13)对裂解Ⅱ型胶原活性最强,所以MM P-13在骨关节炎软骨破坏过程中的作用尤为突出[4]。

1.1.2 对IL-1受体(IL-1R)的影响 IL-1与靶细胞上的IL-1R形成激素受体复合物,通过第二信使(cAMP/GTP)将信息传递至细胞内,除干扰靶细胞正常生理活动外,还使靶细胞表面IL-1R数量增多约两倍,致使骨关节炎的滑膜、软骨细胞对IL-1具有高度敏感性。IL-1R包括IL-1RⅠ、IL-1RⅡ两种受体,IL-1要与IL-1RⅠ结合才能产生上述作用,但是 IL-1RⅡ与IL-1具有高亲和力,Silvestri等[5]研究发现骨关节炎软骨细胞缺乏IL-1RⅡmRNA表达,故IL-1RⅡ在一定程度上可以抑制IL-1对靶细胞的作用。在IL-1家族中,还存在一种IL-1受体结合蛋白(IL-1Ra),它可以竞争性的结合IL-1R。其中,IL-1β与IL-1RⅠ的亲和力最低,而IL-1Ra与IL-1RⅠ细胞表面的亲和力最强,且几乎不可逆转,因此IL-1Ra可抑制IL-1β产生的信号传递,是IL-1β有效的拮抗剂。由于细胞表面两个IL-1R的跨膜区极易被蛋白酶降解,可释放出可溶性IL-1受体(sIL-1R),sIL-1R可与IL-1结合,使IL-1RⅠ结合到的IL-1减少,所以sIL-1R也是一种有效的拮抗剂[6]。

1.1.3 对前列腺素E2(prostaglandin E2,PGE2)的影响PGE2是由活化磷脂酶A2(phospholipase A2,PLA2)分解膜磷脂产生花生四烯酸氨基酸,在环氧化酶(cyclooxygenase,COX)和前列腺素E合成酶(prostaglandin E synthase,PGES)作用下形成的。其主要限速酶为COX,分为结构型环氧化酶-1(cyclooxygenase-1,COX-1)和诱导型环氧化酶-2(cyclooxygenase-2,COX-2),PGE2的产生主要由COX-2调节。IL-1通过诱导COX-2的过量表达,使PGE2合成增加。PGE2通过细胞间环腺苷酸积累,直接诱导软骨细胞凋亡,增加破骨细胞形成,引起滑膜炎症并参与软骨下骨重塑[7]。反之,PGE2又可进一步加强IL-1对软骨的分解作用,使滑膜细胞与浸润性炎性细胞反应性增强。

1.1.4 对一氧化氮(NO)的影响 NO是由L-精氨酸经一氧化氮合酶(nitric oxide synthase,NOS)催化生成的。IL-1可通过诱生型一氧化氮合酶(iNOS)使NO的合成增加。NO能通过减少Ⅱ型胶原α1链mRNA的表达而抑制Ⅱ型胶原的合成,并且激活MMPs,促使胶原降解和PGE升高,另外NO在软骨细胞凋亡中起重要作用,可导致软骨细胞发生凋亡[8]。反之,NO还可促进IL-1介导软骨降解作用,减少软骨细胞合成IL-1Ra,影响基质生物合成。

1.1.5 对软骨的直接影响 IL-1对关节炎软骨的影响主要是通过作用于软骨细胞和软骨基质两方面来实现的。在正常人体的关节软骨组织中,虽然软骨细胞所占比例较少,但却是维持软骨形态功能的框架,是维持软骨基质稳定的基础。所以软骨细胞功能的异常是软骨组织破坏的开始和关键。由于骨关节炎的软骨细胞表面有高水平的IL-1R,使软骨细胞对IL-1具有高亲和力,由于IL-1长时间对软骨细胞的作用致使软骨细胞出现所谓的“反分化”现象,即软骨细胞合成Ⅱ型胶原减少或合成的Ⅱ型胶原的性质改变,更易被MMPs消化,同时其他类型的胶原表达增加[9]。IL-1还可促进软骨细胞发生凋亡,在骨关节炎软骨中,IL-1β在调控软骨细胞凋亡方面发挥了重要作用,导致软骨细胞出现异常的凋亡现象,并比正常软骨细胞凋亡的发生率高。IL-1对软骨基质的影响主要是软骨细胞功能紊乱的结果,软骨细胞基质缺损和软骨的生物力学改变,使其对软骨细胞的保护与营养作用减弱。同时软骨细胞降解产生的糖蛋白、胶原和大分子物质被释放到滑液中引起免疫应答和滑膜炎症,促进IL-1释放增加,刺激软骨细胞分泌更多的MMPs,引起更大的软骨破坏,形成恶性循环,最后表现为软骨组织的退行性变。

1.1.6 对滑膜的直接影响 在骨关节炎的滑膜细胞中,大多数都伴有不同程度的炎症,这是多种因素产生的继发性改变,IL-1可使单核细胞浸润、纤维素渗出,导致关节滑膜慢性炎症。IL-1主要由滑膜的衬里层细胞分泌,骨关节炎滑膜细胞中IL-1表达十分活跃,刺激滑膜增生,产生胶原酶及PGE2,增加溶质素分泌,促进滑膜细胞黏附因子-1(intercellular adhesion molecule-1,ICAM-1)的表达,使滑膜炎症反应加重。

1.2 肿瘤坏死 因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)TNF-α是软骨基质降解的重要介质,并且在滑膜炎症中起重要作用。在滑膜细胞和软骨细胞的表面存在TNF-α受体Ⅰ(TNF-RⅠ)和 TNF-α受体Ⅱ(TNF-RⅡ)两种受体,骨关节炎时TNF-RⅠ表达明显上调。在细胞外存在两种可溶性的受体,即sTNF-RⅠ和sTNF-RⅡ,高浓度的sTNF-R与细胞表面TNF-α受体竞争结合 TNF-α,从而抑制 TNF-α破坏软骨。TNF-α通过与TNF-RⅠ结合诱导COX-2,激活多型棱细胞,刺激滑膜细胞产生PGE,诱导软骨细胞产生过氧化反应,增加骨、软骨的破坏[10]。TNF-α和 IL-1一样通过诱导 MM Ps产生,抑制软骨基质合成[11]。TNF-α还具有促滑膜成纤维细胞样细胞增值作用,能增强滑膜细胞RNA的表达功能,而使滑膜组织纤维性变及滑液中细胞因子水平异常升高,从而改变关节的力学特征和软骨细胞的生活微环境。在骨关节炎软骨下骨中,TNF-α通过激活破骨细胞促进骨吸收的同时,通过成骨细胞介导,抑制成骨细胞合成Ⅰ型胶原,抑制骨形成和钙化,同时TNF-α还可诱发骨母细胞产生一种破骨细胞活化因子,促进破骨细胞的骨吸收,进一步加剧对软骨下骨的破坏。

1.3 白细胞介素-6(interleukin-6,IL-6) IL-6是单核吞噬细胞等在IL-1、TNF-α等诱导下产生的一种细胞因子,具有典型的多能性。在骨关节炎的全层软骨及滑膜中IL-6均呈现过量表达[12]。IL-6与 IL-1、TNF-α等因子不同的是,它本身对MMPs、PGE和滑膜基质并没有直接的作用,IL-6通过激活滑膜内B淋巴细胞,引起自身免疫应答,产生滑膜的炎性反应[13]。IL-6作用于B淋巴细胞与T淋巴细胞,通过自分泌形式作用于软骨细胞,影响软骨细胞的正常增殖。IL-6还可使软骨细胞表面分布的TNF-α受体密度增大,使靶细胞对 TNF-α具有高敏感性,加剧 TNF-α对靶细胞的损伤。IL-1通过IL-6介导,抑制软骨糖蛋白的合成,导致成纤维细胞和基质降解[14]。但是有研究发现,IL-6可刺激TIMPs的产生,所以IL-6具有一定的保护软骨组织的作用[15]。但IL-6对滑膜及软骨的影响还是以分解作用为主。

1.4 白细胞介素-17(interleukin-17,IL-17) IL-17作为一种前炎症细胞因子,与骨关节炎的发生有密切联系。研究发现可溶性IL-17受体(sIL-17R)可竞争性结合 IL-17,减轻自身免疫反映,减少IL-6和Ⅰ型胶原降解标志物的释放。IL-17/IL-17R在骨关节炎中细胞因子失衡和结缔组织重构方面起重要作用。IL-17具体通过以下几个方面参与骨关节炎的发展:(1)刺激关节滑膜细胞表达炎症因子如IL-26、IL-28和巨噬细胞炎症 蛋 白-23α(macrophage inflammatory protein-23α,MIP-23α);(2)增加关节软骨细胞iNOS的表达和NO的产量;(3)刺激软骨细胞及滑膜成纤维细胞产生 MMP-2、MMP-13、MMP-21,促进软骨细胞外基质降解;(4)与TNF-α或 IL-10协同作用增加软骨细胞和成骨细胞PGE2的合成,上调COX-2的表达。

1.5 白细胞介素-18(interleukin-18,IL-18) IL-18属于IL-1家族成员之一,IL-18与IL-1有着极为相似的信号传导途径,IL-1R相关蛋白也是IL-18的受体之一。骨关节炎患者关节中IL-18明显高于健康者,提示IL-18在骨关节炎发生、发展过程中起重要作用。IL-18作用主要是通过诱导辅助性T淋巴细胞产生干扰素-γ(IFN-γ)和粒巨噬细胞集落刺激因子促进细胞增殖和增强自然杀伤细胞作用。IL-18在关节滑膜滑液中通过直接接触T淋巴细胞使单核细胞产生的TNF-α和IL-1β增加,反过来 TNF-α又能刺激IL-18在滑膜细胞中过度表达,形成恶性循环。IL-18诱导产生的IFN-γ在关节液中能显著刺激IL-1、IL-6、NO和PGE2表达,抑制蛋白聚糖前列腺素产生,使IL-8和IL-10表达下降。IL-18也可刺激软骨细胞及滑膜成纤维细胞产生MM P-1、MMP-3和 MMP-13。

2 合成性细胞因子

2.1 转化生长因子-β(transforming growth factor-β ,TGF-β)TGF-β主要参与及控制细胞外基质的产生、修饰以及成分的改变,细胞黏附和细胞间的反应等[16]。TGF-β具有调节细胞外基质的重塑性和促进基质钙化的作用,不仅能够促进Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅹ型胶原,蛋白多糖等成分合成,还能通过促进骨黏连蛋白(osteonectin)和骨桥素及碱性磷酸酶(alkaline phos-phatase,ALP)而使基质钙化作用大大增强[17]。TGF-β在软骨细胞发育的不同阶段起着不同的作用,它能促进未分化和分化早期的软骨细胞DNA复制,从而促进软骨细胞增殖及细胞外基质的合成;对分化末期的软骨细胞,TGF-β则抑制其分化并抑制软骨基质的合成和钙化,增加某些降解酶抑制因子的合成。TGF-β可增加 PAI-1和 TIMP-1、TIMP-3的合成,抑制ALP活性。这种对抑制因子合成的上调作用和对蛋白酶的下调作用,进一步增加了由 TGF-β诱导的基质蛋白质的积聚[18]。另外,TGF-β还可增加 IL-1Ra的表达,减少 IL-1R的表达。在骨关节炎发病的早、中期,由于软骨细胞产生了大量的MMPs,激活了 TGF-β的产生,存在高水平的 TGF-β,能在一定程度上自我修复,随着软骨细胞功能的破坏,导致TGF-β表达异常,致使 TGF-β含量很低,不能完全保护软骨组织[19]。2.2 胰岛素样生长因子(Insulin-like growth factor,IGF)IGF-1是调节软骨蛋白聚糖合成最重要的生长因子,是软骨合成的介质,它能与软骨细胞膜上的IGF-1受体结合,以旁分泌和自分泌的方式起作用,增加蛋白多糖的合成,促进软骨细胞增殖及软骨基质合成代谢,抑制软骨基质降解,保持软骨内环境稳定[20]。Ⅱ型胶原的合成被证实系IGF-1刺激所致。当软骨遭受破坏时,基质蛋白溶解,MMPs激活,从而使IGF-1得以活化,在IGF-1作用下,大部分软骨细胞进入G1期,加快了mRNA的转录和各种蛋白质的翻译合成及各种细胞器的组装。IGF-1可以抑制由IL-1和纤维结合诱导的MM P-13的表达,而可以限制软骨细胞外基质降解。在单层培养条件下,IGF-1能与其他因子协同作用,放大TGF-β对软骨细胞的作用。骨关节炎时,血清中 IGF-1浓度低而软骨中 IGF-1和IGF-1 mRNA浓度高,但同时胰岛素样生长因子结合蛋白(Insulin-like growth factor binding protein,IGFBP)数量也增加,IGFBP可存在于软骨细胞表面与IGF-1受体结合,它们阻碍了IGF-1和软骨细胞上受体的结合,使软骨细胞对IGF-1敏感性下降,对基质的修复能力降低。因此,骨关节炎发生的基础可认为是与IGF系统的紊乱有关。

2.3 骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)BMP家族是一组酸性多糖蛋白复合物,属于TGF-β基因超家族成员,其中BMP-2与BMP-7在维持关节软骨的形成以及在软骨受损后的修复过程中起重要作用[21]。Merrihew等[22]观察了正常、退化和骨关节炎3种情况下,软骨中自体蛋白数量和质量的变化。发现正常软骨中,BMP-7 mRNA和蛋白的表达都是最高的,随软骨退化程度的增加,BM P-7 mRNA和蛋白的表达逐渐下调[23]。BMPs在软骨膜及骨膜的表达有助于保持软骨母细胞和骨母细胞的数量,满足继续生长和生命过程中骨骼的修复需要[24]。BMP-7较IGF-1具有更强的刺激蛋白多糖合成的能力,同时成比例促进胶原合成。目前研究证实BMP还能刺激软骨合成代谢,增强 TGF-β、IGF-1、TIM Ps的表达,又能有效抑制分解代谢,降低IL-1、IL-6等的表达。

3 小 结

综上所述,骨关节炎的发生是由多种因素和各类因子在关节不同部位共同作用的结果。各种因子之间存在一定的交叉性作用机制。在研究骨关节炎时,要将其看作一个即独立又相互联系的整体,全面把握各类诱发因素及致病因子,从复杂的相互作用中找出规律,抓住各种因子间的主要矛盾。近年来对骨关节炎的研究已深入至基因和蛋白水平,基因治疗的运用使调控各类细胞因子成为可能,人为同时干预多个细胞因子是今后研究的主要突破口。

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10.3969/j.issn.1671-8348.2011.04.041

A

1671-8348(2011)04-0395-04

2010-03-10

2010-09-28)

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