膝骨性关节炎关键信号通路的研究进展

张虎林 喻琳△ 王亮 汪小敏 谢泽慧

膝骨性关节炎(Knee Osteoarthritis，KOA)是一种临床上多见的膝关节退行性疾病，膝关节软骨退化、软骨下骨结构改变并伴有骨赘形成是其典型的特征，临床主要表现为膝关节肿痛、僵硬、畸形和正常关节活动受限。据统计[1]60岁以上的人群中有高达50%的人患KOA，且伴随人口老龄化程度的增加日渐加剧。KOA的发病机制尚不明确，研究显示年龄、肥胖、创伤和遗传基因等与KOA的发生发展密切相关[2]。近年来，KOA的发病研究以信号通路为切入点已成为趋势，与KOA相关的信号通路有Wnt通路、Notch通路、NF-κB通路、PI3K/Akt/mTOR通路、OPG/RANK/RANKL通路、TLRs通路、MAPK 通路、SDF-1/CXCR4通路、JNK通路等，其中研究深入且较为关键的有Wnt通路、Notch通路、NF-κB通路、PI3K/Akt/mTOR通路、OPG/RANK/RANKL通路，各自在KOA中调控关节软骨的增殖及分化、加重炎症反应、提高机体自噬水平、维持关节软骨的合成与降解平衡方面发挥着重要作用，通过调控各信号通路可停止甚至逆转KOA的发生发展，对KOA的治疗具有重要意义。本文就有关KOA关键信号通路进行综述，以期更好地指导KOA的科研及临床应用。

1 Wnt信号通路

1.1 Wnt通路组成及其传导

Wnt信号通路于1982年由Nusse首先发现并报道[3]，其分为Wnt/β-catenin通路、Wnt/Ca2+通路、Wnt/PCP(平面极细胞)信号通路和调节纺锤体的方向以及非对称性细胞分裂的胞内通路。Wnt蛋白配体和低密度脂蛋白受体相关蛋白(LRP)5/6以及跨膜受体卷曲蛋白(Frz)三者结合后，经典的Wnt/β-catenin通路即被激活，与此同时，Dishevelled蛋白(DVL)开始活化，轴蛋白(Axin)与LRP5/6在胞质尾区结合形成复合体，糖原合酶激酶-3β(GSK-3β)是Axin的主要成分，其活性被DVL抑制，进而导致β-catenin蛋白降解减少，可以稳定地进入细胞核内，与T细胞因子/淋巴增强因子(TCF/LEF)在核内形成复合物作用于下游靶基因，参与细胞的增殖[4]。Wnt信号通路的配体众多且与骨关节病的发生发展密切相关，其中Wnt1、Wnt3a、Wnt4、Wnt5a、Wnt6、Wnt7b、Wnt10a、Wnt11和Wnt16均参与骨的代谢。研究显示，骨量显著降低与骨细胞中Wnt1的缺失有紧密联系，而Wnt1的大量表达会使成骨细胞(OB)数量增加，进而促进骨的形成，Wnt3a、Wnt4、Wnt11和 Wnt16通过抑制破骨细胞(OC)的生成进而减少骨吸收，Wnt5a通过刺激OB分泌白介素6(IL-6)使OC的生成增加，增加骨的吸收。

1.2 Wnt信号通路与KOA的关系

Wnt通路的过度激活会导致细胞外基质的降解进而促进KOA的发生，通过抑制该通路可起到保护关节软骨延缓KOA发展的作用。Wnt通路是软骨发育和骨重塑的重要机制，在四条Wnt信号通路中，Wnt/β-catenin通路与KOA的关系最为密切[5]。Wnt/β-catenin通路中的核心蛋白β-catenin被上游的Wnt家族蛋白激活后，会导致关节内软骨的丢失[6]。Zhou等[2]在一项胶原酶诱导和自发性关节炎小鼠模型实验中发现Wnt和Wnt相关基因Wnt1-诱导信号通路蛋白1(WISP1)增加相对比较明显，WISP1可上调关节软骨细胞及巨噬细胞中的基质金属蛋白酶(MMP)和蛋白聚糖酶(Aggrecanase)，前者通过降解Ⅱ型胶原导致关节细胞外基质的破坏，后者引起蛋白聚糖降解，二者最终促进KOA的形成。而Gao等[7]的研究发现，在KOA患者中，Wnt抑制因子1(WIF-1)的表达水平与进行性关节损伤负相关，通过激活Wnt/β-catenin通路抑制因子，可以使软骨细胞凋亡及软骨破坏有效减缓。西药氟西汀、维拉帕米等通过抑制Wnt/β-catenin通路的活性减少降解酶的表达，对关节软骨起到保护作用，中药淫羊藿以及经方独活寄生汤等降低MMP1、MMP3、MMP13、Wnt5a以及β-catenin的表达保护软骨，进而减少KOA的发生[7]。因此，未来可针对Wnt/β-catenin通路关键的靶基因进行系统研究，探究其相关因子在KOA中发挥的具体作用，更明确地认识其与KOA的关系，从而寻找新的治疗方向和药物靶点。

2 Notch信号通路

2.1 Notch信号通路组成及其传导

Notch基因于20世纪初由遗传学家Mohr研究果蝇体内基因时首次发现并命名，而后的研究发现Notch信号通路是存在于包括人类在内的多种生物体内的一条相对保守的传导通路，其信号具有不可放大性且精确调控细胞的初始分化过程。 Notch信号通路组成包括Notch1、2、3、4四个同源受体，和DLL1、3、4及Jagged1、2五个配体以及胞内效应分子[8]，其传导途径分为经典和非经典传导，相邻两个细胞的受体与配体结合标志着经典Notch通路的激活，Notch受体分别被金属蛋白酶和γ-分泌酶酶切释放出胞外和胞内结构域，然后以DNA异二聚体的形式和转录因子DSL形成复合体，使下游的靶基因Hes1、Hes5等呈活化状态，进而对关节软骨细胞的分化及凋亡产生影响。研究证实，Notch通路可通过调控骨组织中OB与OC含量来维持人体骨量的平衡，OB数量的下降与Notch1、Notch2的活性丢失和Hes1、Hes5的激活有关，Notch2和DLL1促进OC的生成，Notch1和Jagged1对OC的生成起抑制作用[9-10]。

2.2 Notch与KOA的关系

Notch信号的失衡是KOA发生发展的重要原因之一，通过抑制Notch信号的过表达可减缓KOA的发展。KOA的发生机制与关节软骨细胞的凋亡有着明显的关联，Notch信号通路在软骨细胞增殖、分化、凋亡方面起着重要的调控作用[11]。研究发现相对于正常关节软骨，Notch通路在KOA关节软骨内呈激活状态，不仅大量表达Notch1，Jagged1以及Hes5，且参与调节KOA相关基因的表达[12]。Notch通路在关节软骨发育中起着正负双向调节的作用，生理性的Notch信号传导是维持软骨功能所必需的，而持续激活的Notch信号会导致软骨退化及关节炎的发生[11，13]。在一项动物试验中，研究者发现刚出生的小鼠Notch信号的缺少会导致骨关节炎的发生，而在创伤后的骨关节炎模型中，可检测到Notch信号的明显增加[14]。另有试验证明，微核糖核酸(MiR-9)可调节Notch信号通路促进骨关节炎软骨的再生[15]。中医经方独活寄生汤经关节熏洗仪熏洗可抑制Notch信号通路受体Notch1的表达程度，通过抑制OC的生成使关节软骨的退变减缓，对KOA起到治疗作用。基于此，进一步精确研究Notch通路在KOA中的发病机制中的作用，合理利用诱导剂或许成为一种治疗KOA的新方法。

3 NF-κB信号通路

3.1 NF-κB信号通路及其传导

核转录因子κB(Nuclear Factor-κB，NF-κB)是一种存在于各种动物体内多种细胞类型的核转录因子。Sen等[16]在1980年代发现，在成熟的B细胞细胞核提取物中存在一种可以与免疫球蛋白κ轻链基因的增强子κB序列特异性结合的蛋白因子，将其命名为NF-κB。NF-κb常以p50和p60两个亚基形成的异二聚体形式存在于胞内[17]。静息状态下，NF-κB常与其抑制蛋白IκB家族在胞浆中紧密结合，由于IκB的抑制作用使NF-κB以无活性的复合物形式存在。当细胞受到白介素-1(IL-1)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、紫外线照射等各种刺激时，IκB蛋白被激活并发生降解，而后与NF-κB分离。分离后的NF-κB从胞浆内转移到细胞核中，与DNA上的κB位点结合，调节靶基因的表达[18]。值得一提的是激活后的NF-κB信号通路又对炎症因子IL-1、TNF-α等进行调控，二者形成正向循环调控机制，对疾病的发生发展起到重要作用。NF-κB通路在骨代谢方面也有重要意义，NF-κB通路的激活不仅可促进OC活性导致骨吸收增加，而且使OB的功能受到抑制，减少代偿性骨形成。

3.2 NF-κB信号通路与KOA的关系

NF-κB通路的激活加剧了KOA关节炎症反应，抑制该通路可减弱炎症反应使KOA得到改善。NF-κB信号通路与机体的炎症、免疫、细胞的转化与凋亡有着不可分割的联系[19]。研究显示在KOA的发病过程中过量的炎症因子起着重要的作用，大量的炎症因子使NF-κB信号通路显著激活，激活的NF-κB通路又诱导炎症介质如IL-1β、IL-6、IL-8、环氧合酶-2(COX-2)、基质金属蛋白酶(MMPs)等的表达引起破坏软骨和细胞外基质的一系列反应发生，导致KOA的形成[20]。此外，在KOA患者的软骨组织中检测到明显的NF-κB信号，表明在人膝关节软骨中NF-κB通路是呈活化状态的。而Zhang等[21]研究发现，使用降钙素能明显抑制NF-κB通路关键蛋白的表达，进而对关节软骨产生保护作用。常用临床药物中，非甾体类抗炎药及糖皮质激素等均已被证明可对NF-κB通路产生抑制而起到消除关节炎症的作用，中药山茱萸提取物马钱子苷、黄芩提取物黄芩苷及灯盏细辛提取物灯盏乙素等也被发现通过抑制NF-κB通路而发挥保护骨关节炎的作用[22]。因此，寻找开发NF-κB信号通路的抑制剂且不影响该通路本身的生理活性的药物，将对KOA产生关键影响。

4 PI3K/Akt/mTOR信号通路

4.1 PI3K/Akt/mTOR信号通路组成及其传导

PI3K/Akt/mTOR信号通路是机体内一条重要的调控通路，与细胞的自噬、癌变、增殖及炎症反应密切相关[23]。该通路由磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)、蛋白激酶B(Akt)、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)三者组成。而PI3K与胞内信号转导关联密切，是自噬的重要调节因子；Akt来源于AGC激酶家族，在细胞生长、增殖及调节方面发挥关键作用；mTOR作为重要的自噬抑制蛋白，是胞内多种信号通路的枢纽，与整合信号和调节细胞的生长过程有关[24]。当机体受到刺激时，PI3K呈活化状态，Akt被活化的PI3K磷酸化，继而传导信号至下游靶点最终激活mTOR，使细胞的自噬水平受到抑制并调节与细胞凋亡相关基因的表达。骨代谢方面，PI3K/Akt/mTOR信号通路的激活不仅能促进OB的增殖和调控OB的分化，也可促进OC前体的分化成熟，对OC的存活和分化具有重要意义，通过抑制PI3K/Akt/mTOR通路能诱导OC的凋亡，减少骨的吸收。

4.2 PI3K/Akt/mTOR信号通路与KOA的关系

抑制PI3K/Akt/mTOR信号通路可提高机体的自噬水平进而对KOA起到治疗作用。自噬是机体自我保护和维持平衡的机制，PI3K/Akt/mTOR信号通路是一条重要的自噬负调控通路[25-26]。在KOA的进展期，膝关节软骨内可检测到自噬因子的高表达，此时因自噬因子的作用软骨细胞的损伤尚可控制，随着KOA的进一步加重，自噬相关蛋白的表达有所降低，而通过抑制PI3K/Akt/mTOR信号通路可提高自噬水平，减缓KOA的发展。Xue等[26]在大鼠关节炎模型分别使用PI3K抑制剂、Akt抑制剂、mTOR抑制剂干预关节软骨细胞，通过抑制PI3K/Akt/mTOR信号通路明显提高了软骨细胞的自噬水平，减轻大鼠的炎症反应。随着对该通路研究的进一步深入，陆续发现了多种PI3K/Akt/mTOR通路抑制剂或药物，如注射用木瓜蛋白、雷帕霉素、氨基葡萄糖、中医经方右归丸等均已应用于KOA的治疗并取得良好的疗效[27-29]。因此，以PI3K/Akt/mTOR信号通路为切入点，积极寻找开发更多的高效抑制剂药物，或许能够为KOA患者带来福音。

5 OPG/RANK/RANKL信号通路

5.1 OPG/RANK/RANKL信号通路组成及其传导

OPG/RANK/RANKL信号通路是调节软骨下骨重塑的信号通路，最早在1977年被Simonet等[30]发现。该通路由肿瘤坏死因子超家族((Tumor Necrosis Factor-α，TNF-α)成员中的骨保护素(OPG)、细胞核因子κB受体活化因子(RANK)及细胞核因子κB受体活化因子配体(RANKL)三者组成[31]。研究发现此三种蛋白在人体肺、心、肾等多组织内表达，但以骨组织内表达较为明显。OPG/RANK/RANKL信号通路在骨代谢失衡疾病的发病和治疗方面有重要意义，OPG主要在人体骨组织中大量表达，起到保护骨组织的作用，RANK/RANKL参与骨吸收和骨形成的调节，RANK表达于OC中，是RANKL的受体，当两者结合后会激活下游信号通路，促进OC前体分化，成熟的OC也随之活化，骨吸收因此而增加。作为RANKL的诱饵受体，OPG此时会竞争性结合RANKL而阻止信号的传递，使破骨细胞分化成熟障碍并诱导其凋亡[32-33]。

5.2 OPG/RANK/RANKL信号通路与KOA的关系

OPG/RANK/RANKL信号通路与软骨下骨代谢过程密切相关，通过调节该通路对KOA具有积极的治疗作用。骨关节炎的特征之一是组成关节的各骨性部分正常合成与降解失衡，而OPG/RANK/RANKL信号通路可调节这一过程[34]。研究表明OPG/RANK/RANKL信号通路参与骨关节炎的发病过程，Koura等[34]在OA动物模型试验中检测发现当关节滑膜液中RANKL增加时，对关节软骨下的骨组织有较大的破坏，当OPG增多时，RANK的表达减少，此时骨组织的破坏有所缓解，说明OPG的增多抑制了RANK与RANKL的结合，阻断了信号的传递，进而减弱了骨组织破坏的发展。Liu等[35]发现相对于正常关节软骨，骨关节炎患者软骨细胞中OPG/RANKL比率明显降低，RANK/RANKL比率显著增加。另有研究发现青蒿琥酯可对OPG/RANK/RANK通路进行调节，使OC分化受到抑制，骨吸收减少，维持关节软骨下稳态。OPG和RANKL的比例平衡在骨的发生发展中起到非常关键的作用，更加深入地研究OPG/RANK/RANKL信号通路，有助于探讨包括KOA在内的多种退行性骨关节病的发病机制，对该类病症的治疗将有积极作用。

6 总结与展望

KOA的发病机制极其复杂，涉及多条信号通路的参与，其中以Wnt通路、Notch通路、NF-κB通路、PI3K/Akt/mTOR通路、OPG/RANK/RANKL通路最为关键，各自通过参与或调控KOA的炎症反应、软骨细胞的增殖与凋亡、细胞外基质的降解等而发挥重要的作用。通过调控相关信号通路可减缓KOA的发展，但具体的调控机制仍不完全明确以及欠缺在临床上的疗效证据，例如虽已发现抑制Wnt通路可保护关节软骨，但抑制Wnt通路后起保护关节软骨的靶蛋白及靶基因的研究尚少，以及如何充分利用Wnt通路抑制剂控制KOA进展，虽然发现抑制Notch信号通路和PI3K/Akt/mTOR通路有利于改善KOA，但与此有关的多数研究都停留在机理研究层面或仅在动物实验中得到了证实，较少应用于临床。除此之外，目前对KOA信号通路的研究比较孤立，或研究对象局限于单一的关节组织，欠缺多条通路之间的联合研究及关节组织的整体观察，如NF-κB通路的激活可加重关节软骨的炎症反应，促进KOA的发展，但对滑膜、软骨下骨等组织炎症是否加重的观察较少。因此，在今后的工作中，以KOA关键信号通路为着手点，进一步阐明各信号通路在KOA发病中的作用及调控机制，深入研究各信号通路中上下游效应因子，寻找更多可靶向调控信号通路的潜在药物并开发应用于临床，同时加强KOA多通路、多组织的联合研究，相信在不远的未来，信号通路的研究将会开启诊疗KOA的新局面。