NF-κB信號(hào)通路與骨關(guān)節(jié)炎的關(guān)系研究進(jìn)展

趙澤明 張 柳

華北理工大學(xué) 河北唐山 063210；①國家礦山醫(yī)療救助中心應(yīng)急總醫(yī)院骨科

骨關(guān)節(jié)炎(Osteoarthritis，OA)是全世界范圍內(nèi)一種常見的關(guān)節(jié)退化疾病，隨著世界人口老齡化的發(fā)展和肥胖人群的增長，OA的發(fā)病率不斷增加[1-2]。OA的臨床表現(xiàn)被認(rèn)為主要有關(guān)節(jié)功能受限、肌肉僵硬、軟骨漸進(jìn)性損壞、軟骨下骨重塑、滑膜炎癥等[3]。據(jù)報(bào)道，OA發(fā)生的因素與年齡、性別、遺傳因素、關(guān)節(jié)損傷和肥胖等有關(guān)[4-5]。目前OA的發(fā)病機(jī)制尚沒有研究透徹，所以闡述OA的發(fā)病機(jī)制以尋找有效的治療策略亟需。通過對(duì)以往研究歸納可以發(fā)現(xiàn)[6-8]，核轉(zhuǎn)錄因子κB(Nuclear factor-kapa B, NF-κB)信號(hào)通路的激活對(duì)關(guān)節(jié)軟骨退化、軟骨下骨異常重建，滑膜炎癥等OA相關(guān)病理改變發(fā)揮重要作用。綜合近年來國內(nèi)外相關(guān)研究資料就NF-κB信號(hào)通路與OA的關(guān)系作一總結(jié)概括，為以后有關(guān)研究提供理論依據(jù)及參考。

1 NF-κB信號(hào)通路

NF-κB涉及廣泛的細(xì)胞生物過程，例如炎癥、免疫、應(yīng)激等[9]，NF-κB系囊括五種蛋白質(zhì)：RelA(或p65)、RelB、c-Rel、NF-κB1(或p50)和NF-κB2(或p52)。這些轉(zhuǎn)錄因子共同擁有一個(gè)對(duì)其發(fā)揮功能來說非常重要的結(jié)構(gòu)域，該域負(fù)責(zé)同或異源二聚體活性復(fù)合物的二聚化，與NF-κB抑制蛋白(IκBs)互相作用，通過入核與DNA結(jié)合來調(diào)控Rel/NF-κB靶基因的啟動(dòng)子/增強(qiáng)子區(qū)域[10-11]。在經(jīng)典途徑中，由IL-1β，TNF-α等誘導(dǎo)的IκB激酶IKKs(IKKα/IKKβ/IKKγ)復(fù)合體激活和IκB降解，導(dǎo)致NF-κB的激活與核轉(zhuǎn)移。非經(jīng)典途徑主要依賴NF-κB誘導(dǎo)激酶(NIK)，介導(dǎo)IKKα激酶磷酸化激活和NF-κB異二聚體前體p100的磷酸化，釋放成熟的p52蛋白啟動(dòng)特定基因翻譯合成[10,12]。非病態(tài)中，NF-κB為非激活形式隱藏于細(xì)胞核外，病理狀態(tài)下，促炎細(xì)胞因子、過度的機(jī)械信號(hào)刺激和細(xì)胞外基質(zhì)降解產(chǎn)物等會(huì)導(dǎo)致NF-κB因子活化然后跨膜入核與特定基因結(jié)合誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄[13-14]。

2 NF-κB信號(hào)通路在OA中處于活化狀態(tài)

2.1NF-κB信號(hào)通路與關(guān)節(jié)軟骨退化 關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞表面存在機(jī)械作用受體、細(xì)胞因子受體等，這些受體受機(jī)械應(yīng)力和炎性細(xì)胞因子刺激從而激活NF-κB信號(hào)通路最終導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨損傷[15]。

有學(xué)者[16]對(duì)白細(xì)胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)干預(yù)OA患者軟骨細(xì)胞研究顯示軟骨細(xì)胞中蛋白質(zhì)水平的p-IκB、p-p65、基質(zhì)金屬蛋白酶-13(matrix metalloproteinase-13，MMP-13)和具有血小板反應(yīng)蛋白基序的去整合素和金屬蛋白酶-5(a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs-5,ADAMTS-5)表達(dá)顯著升高，Ⅱ型膠原(Collagen-Ⅱ,COL-Ⅱ)表達(dá)顯著降低。同樣Zhao等[17]研究發(fā)現(xiàn)使用腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)刺激OA患者的軟骨細(xì)胞可以顯著提高p-IκB和p-p65蛋白表達(dá)，mRNA水平的ADAMTS-5、MMP-13、IL-1β、IL-6、環(huán)氧化酶-2(Cyclooxygenase-2,COX-2)、誘導(dǎo)性一氧化酶(INOS)、半胱天冬酶(caspases)等表達(dá)顯著升高。

Zhao等[17]還在內(nèi)側(cè)半月板不穩(wěn)定術(shù)(DMM)誘導(dǎo)大鼠OA模型中發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)水平p-IκB和p-p65顯著升高，組織學(xué)評(píng)分顯著提高，軟骨厚度、軟骨細(xì)胞數(shù)量和聚集蛋白(Aggrecan,Agg)含量顯著降低，免疫組織化學(xué)染色結(jié)果表明ADAMTS-5和MMP-13表達(dá)明顯上升。Zhang等[18]的研究也得出類似的結(jié)果，交叉韌帶橫斷(ACLT)誘導(dǎo)OA小鼠模型中p-p65和p-IκB表達(dá)增加，OARSI評(píng)分也顯著升高。

Chen等[19]用IL-1β刺激大鼠來源的軟骨細(xì)胞以引發(fā)炎癥，發(fā)現(xiàn)軟骨細(xì)胞中p-IKKα、p-IKKβ、p-p65和p-IκB的表達(dá)顯著升高，基因水平的MMP-1、MMP-13、ADAMTS-4、ADAMTS-5表達(dá)升高，相反COL-Ⅱ被檢測到表達(dá)降低。

以上研究表明，NF-κB信號(hào)通路在OA軟骨中可能處于激活狀態(tài)，該通路激活導(dǎo)致炎癥因子等表達(dá)升高，軟骨細(xì)胞與軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的破壞，最終導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨的退化，加重OA的病理變化。

2.2NF-κB信號(hào)通路與軟骨下骨重塑 骨形成與吸收的動(dòng)態(tài)平衡對(duì)骨穩(wěn)態(tài)的維持及其在保證正常關(guān)節(jié)功能方面起到重要作用[20]。RANK/RANKL信號(hào)通路與骨穩(wěn)態(tài)的維持有密不可分的關(guān)系，OA來源的軟骨和滑膜細(xì)胞分泌細(xì)胞因子TNF-α、IL-1和IL-6等使成骨細(xì)胞/基質(zhì)細(xì)胞釋放細(xì)胞因子NF-κB受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor-κB Ligand ,RANKL)，與破骨細(xì)胞表面受體(receptor activator of nuclear factor-κB，RANK)結(jié)合并激活NF-κB轉(zhuǎn)錄因子[21]。

Lin等[22]對(duì)DMM小鼠OA模型研究發(fā)現(xiàn)軟骨下骨組織中檢測到的蛋白質(zhì)水平p-IκB的表達(dá)量較對(duì)照組顯著提高，成骨細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子(Osterix,Osx)和骨鈣素(Osteocalcin,OCN)表達(dá)升高，Micro-CT結(jié)果顯示骨體積分?jǐn)?shù)(BV/TV)、骨小梁厚度(Tb.Th)升高，骨小梁分離度(Tb.Sp)下降，血清中MMP-13、TNF-α、IL-1β、IL-6表達(dá)顯著升高。有研究者[23]使用Fas-deficient MRL/lpr小鼠制造自身免疫性關(guān)節(jié)炎模型，發(fā)現(xiàn)下頜骨中基因及蛋白質(zhì)水平的p65、p-IκB升高，抗酒石酸性磷酸酶(tartrate resistant acid phosphatase , TRAP)染色破骨細(xì)胞數(shù)增加，基因和蛋白水平的血管生成因子(VEGF)、MMP-9、RANKL表達(dá)顯著升高，骨保護(hù)素(OPG)表達(dá)顯著下降。

以上研究表明，NF-κB信號(hào)通路在OA軟骨下骨中處于活化狀態(tài)，該通路的激活加強(qiáng)破骨減弱成骨，使軟骨下骨異常重塑。

2.3NF-κB信號(hào)通路與滑膜炎癥 滑膜成纖維細(xì)胞表面的NF-κB信號(hào)通路受炎癥因子和基質(zhì)降解產(chǎn)物等刺激活化，引發(fā)關(guān)節(jié)滑膜炎癥[24]。

Hou等[25]將OA患者的滑膜成纖維細(xì)胞與C3C類趨化因子L1(C3CL1)共培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)基因水平的p-IKKα/β、p-IκBα、p-p65和MMP-3顯著升高。葛介臣等[26]通過對(duì)20例原發(fā)性O(shè)A患者的滑膜標(biāo)本開展了細(xì)致的觀察，NF-κB信號(hào)通路蛋白p65和IκBα免疫組化染色檢測手段顯示陽性細(xì)胞表達(dá)增加，OA滑膜細(xì)胞核內(nèi)p-p65也出現(xiàn)了同樣趨勢的表達(dá)。有研究者[27]在TNF-α干預(yù)的OA患者滑膜成纖維細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)基因水平的IκB、NF-κB、IL-6、MMP-13表達(dá)呈時(shí)間依賴性升高，隨后又發(fā)現(xiàn)重度滑膜炎患者滑膜成纖維細(xì)胞中的IκB、NF-κB、IL-6和IL-13較輕度和重度患者顯著提高。

Wang等[28]通過研究改良HuIth法構(gòu)建大鼠OA，發(fā)現(xiàn)滑膜中NF-κB的蛋白表達(dá)上升，在術(shù)后4天和21天均或多或少的增加，根據(jù)這一結(jié)果總結(jié)，NF-κB信號(hào)通路在OA發(fā)病初期就已經(jīng)表現(xiàn)出高活性。

通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論，NF-κB信號(hào)通路在OA滑膜成纖維細(xì)胞中活性變高，NF-κB信號(hào)通路使滑膜組織中除TNF-α外，IL-1β、IL-6等都有同樣的升高趨勢，這一變化引發(fā)滑膜炎癥的發(fā)生與發(fā)展。

3 NF-κB信號(hào)通路抑制劑對(duì)OA的干擾與潛在的機(jī)制

3.1對(duì)軟骨的作用 NF-κB信號(hào)通路使OA相關(guān)的分解代謝介質(zhì)如前列腺素(prostaglandin，PG)、白介素和TNF-α等炎癥因子和凋亡因子、環(huán)氧化酶(Cycloxygenas，COX)、MMPs、ADAMTS基因上調(diào)，這將導(dǎo)致軟骨細(xì)胞損傷、軟骨基質(zhì)中Ⅱ型膠原a1(COL2a1)和Agg分解加速等不可逆破壞，從而促進(jìn)OA的發(fā)生發(fā)展[29-30]。靶向抑制該通路將有效減弱關(guān)節(jié)軟骨降解，延緩OA的進(jìn)展。

Chen等[31]在人類OA軟骨細(xì)胞中加入PDTC(NF-κB信號(hào)通路抑制劑) 減弱通路活性，隨后發(fā)現(xiàn)軟骨細(xì)胞中蛋白質(zhì)水平p-p65和p-IκB表達(dá)降低，基因和蛋白質(zhì)水平的PEG2、IL-6、MMP-3的表達(dá)均顯著降低。Li等[32]在大鼠膝關(guān)節(jié)內(nèi)注射單碘乙酸鈉(MIA)誘導(dǎo)OA，并使用特異性siRNA敲低p65，抑制NF-κB信號(hào)通路活性，發(fā)現(xiàn)可以降低軟骨組織的Mankin’s和OARSI評(píng)分，使基因和蛋白質(zhì)水平的COL-Ⅱ和Agg表達(dá)升高，減少促炎細(xì)胞因子、趨化因子、腫瘤壞死因子及軟骨細(xì)胞中相關(guān)軟骨分解代謝因子的表達(dá)從而對(duì)OA起到潛在的治療作用。

Zhang 等[33]通過使用特異性IKKβ激酶抑制劑—ML120B干預(yù)ACLT誘導(dǎo)小鼠OA模型中的NF-κB信號(hào)通路后發(fā)現(xiàn)軟骨表面損傷減輕，OARSI評(píng)分降低有效地延緩創(chuàng)傷后所導(dǎo)致的OA進(jìn)程。Yasutaka等[16]研究也得到類似的結(jié)論，在DMM誘導(dǎo)的OA小鼠膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)注IKKα/β的選擇性抑制劑—BMS-345541可顯著降低OARSI評(píng)分，蛋白質(zhì)水平COL-Ⅱ表達(dá)升高，MMP-13和ADAMTS-5的表達(dá)降低，減輕創(chuàng)傷性O(shè)A中的軟骨損傷。

綜上表明，NF-κB信號(hào)通路抑制劑減少炎癥因子、趨化因子、腫瘤壞死因子和與軟骨相關(guān)的代謝分解因子的表達(dá)，在緩解OA關(guān)節(jié)軟骨的降解與損傷中發(fā)揮主要作用。

3.2對(duì)軟骨下骨的作用 TNF-α、IL-1β和IL-6 等在NF-κB通路活性增加時(shí)高表達(dá),這樣的一種趨勢會(huì)導(dǎo)致成骨細(xì)胞釋放RANKL然后和破骨前體細(xì)胞表面受的RANK相作用，啟動(dòng)RANK-RANKL信號(hào)通路這樣就能促進(jìn)破骨前體細(xì)胞向成熟的破骨細(xì)胞分化發(fā)揮骨吸收功能使骨穩(wěn)態(tài)遭到破壞，軟骨下骨發(fā)生骨異常重塑[34-35]，所以NF-κB信號(hào)通路抑制劑的干預(yù)將會(huì)對(duì)軟骨下骨穩(wěn)態(tài)起到積極調(diào)控作用。

Zheng等[36]使用根皮素對(duì)內(nèi)側(cè)半月板不穩(wěn)定術(shù)(DMM)誘導(dǎo)小鼠膝OA模型進(jìn)行干預(yù)發(fā)現(xiàn)，根皮素減弱NF-κB通路活性有利于軟骨下骨情況的好轉(zhuǎn)，蛋白質(zhì)水平的TNF-α、IL-1β和IL-6表達(dá)降低。Izawa等[37]在小鼠自身免疫性O(shè)A模型中使用NF-κB抑制肽-SN50進(jìn)行干預(yù)發(fā)現(xiàn)下頜骨組織骨密度(bone mineral density，BMD)、骨小梁數(shù)(Tb.N)等較對(duì)照組相比顯著升高，TRAP染色結(jié)果顯示破骨細(xì)胞數(shù)量較對(duì)照組相比顯著下降，mRNA和蛋白質(zhì)水平的RANKL、VEGF等表達(dá)較對(duì)照組降低而OPG蛋白水平表達(dá)上升。Xie等[38]的研究發(fā)現(xiàn)川陳皮素干預(yù)DMM誘導(dǎo)的小鼠膝OA模型將會(huì)有效降低NF-ΚB通路活性，使軟骨下骨厚度增加。

以上研究結(jié)果表明，NF-κB信號(hào)通路可活化RANK-RANKL通路，使軟骨下骨穩(wěn)態(tài)失衡軟骨下骨異常重塑，使用NF-κB抑制劑阻斷該通路可減輕軟骨下骨異常重塑。

3.3對(duì)滑膜的作用 NF-κB信號(hào)通路活性增加使ADAMTS-4、ADAMS-5、IL-1β、IL-6、TNF-α，MMP-1、MMP-3、MMP-13和VEGF等表達(dá)顯著升高加重軟骨損傷和滑膜炎癥[39]，所以NF-κB信號(hào)通路抑制劑干預(yù)可有效減弱滑膜炎癥延緩OA進(jìn)展。

Cheleschi[40]等對(duì)人類來源的成纖維樣滑膜細(xì)胞給予NF-κB抑制劑BAY-11-7082干預(yù)，研究發(fā)現(xiàn)滑膜成纖維細(xì)胞中IL-1β、IL-6、TNF-α、MMP-1和MMP-13基因水平的表達(dá)下降。Hou等[41]研究發(fā)現(xiàn)對(duì)OA患者滑膜成纖維細(xì)胞給予NF-κB抑制劑PDTC和IκBα抑制劑TPCK干預(yù)后可顯著降低基因水平MMP-3的表達(dá)。Huang等[42]研究發(fā)現(xiàn)在LPS刺激的人類OA滑膜成纖維細(xì)胞中給予NF-κB信號(hào)通路抑制劑WY-14643干預(yù)，可以減弱LPS引起的NF-κB核轉(zhuǎn)移，減少NF-κB下游炎癥靶基因一氧化氮(NO)、前列腺素E2(prostaglandin E2,PGE2)、一氧化氮合酶(nitric oxide synthase，iNOS)和COX-2等的基因水平表達(dá)，使滑膜組織炎癥得到緩解。

Zhao等[43]在ACLT大鼠膝OA模型中予以通路抑制劑作用，發(fā)現(xiàn)可以減輕實(shí)驗(yàn)性O(shè)A關(guān)節(jié)軟骨破壞，膝關(guān)節(jié)滑膜炎癥程度減輕。Xie等[38]的研究發(fā)現(xiàn)在DMM誘導(dǎo)的小鼠OA模型中使用川陳皮素減弱NF-κB通路活性，可以減輕滑膜炎癥。

綜上表明， NF-κB信號(hào)通路在OA滑膜中已被激活，該通路的活化使炎癥因子表達(dá)上升，滑膜炎癥加劇。NF-κB信號(hào)通路抑制劑可以降低該通路活性，減輕炎癥進(jìn)而減緩OA進(jìn)程。

3.4影響OA病理進(jìn)展的潛在作用機(jī)制 NF-κB信號(hào)通路涉及細(xì)胞生存、凋亡和炎癥等多種細(xì)胞生物活動(dòng)，與OA的發(fā)生發(fā)展有著密不可分的內(nèi)在聯(lián)系，以往開展的相關(guān)基礎(chǔ)與臨床實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，NF-κB信號(hào)通路的上游調(diào)節(jié)因子和下游效應(yīng)因子是相關(guān)抑制劑干擾OA病理進(jìn)展的切入點(diǎn)[9,44]，揭示NF-κB信號(hào)通路抑制劑干擾OA的具體機(jī)制將為臨床OA提供新的治療方案。

過度機(jī)械負(fù)荷、創(chuàng)傷和機(jī)制降解產(chǎn)物會(huì)導(dǎo)致IκB激酶的活化，伴隨IκB激活，隨后引發(fā)NF-κB的活化與核易位，誘導(dǎo)特定基因轉(zhuǎn)錄[15]。這些OA相關(guān)分解代謝基因主要包括MMPs、ADAMTS、IL-1β、IL-6、TNF-α和VEGF等。MMPs和ADAMTS將導(dǎo)致COL-II和Agg的降解造成軟骨基質(zhì)不可逆破壞，IL-1β、IL-6和TNF-α可以誘導(dǎo)成骨細(xì)胞釋放RANKL與破骨前體細(xì)胞表面RANK結(jié)合，促使前體細(xì)胞向成熟的破骨細(xì)胞分化，導(dǎo)致軟骨下骨異常重塑，關(guān)節(jié)中眾多炎癥細(xì)胞因子的長時(shí)間刺激會(huì)導(dǎo)致滑膜成纖維細(xì)胞增生并發(fā)生滑膜炎癥[21,45]。NF-κB信號(hào)通路抑制劑的干預(yù)通過抑制IKKs激活、IκB磷酸化和NF-κB核易位等來降低以上因子的表達(dá)從而阻止軟骨降解和軟骨下骨異常骨吸收并減輕滑膜炎癥，從而延緩OA的病理進(jìn)展對(duì)關(guān)節(jié)起到保護(hù)作用[39]。

4 應(yīng)用前景

OA病因與發(fā)病機(jī)制并不像我們想的那樣簡單。以往的眾多研究表明NF-κB信號(hào)通路廣泛參與了軟骨退變、軟骨下骨異常重建、滑膜炎等OA相關(guān)的病理改變，在OA的發(fā)生與發(fā)展中發(fā)揮舉足輕重的作用。NF-κB信號(hào)通路相關(guān)抑制劑可以在不同層次與該通路中的不同因子，以多種方式相作用，以此來減弱通路活性，預(yù)防和治療包括OA在內(nèi)的諸多疾病，但目前尚無臨床研究證據(jù)支持。因此還需要進(jìn)一步的臨床和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究來弄清楚NF-κB信號(hào)通路抑制劑對(duì)OA的具體治療作用和不可避免的不良作用。相信隨著對(duì)OA發(fā)病機(jī)制以及NF-κB信號(hào)通路與OA之間聯(lián)系的不斷了解,靶向調(diào)控NF-κB信號(hào)通路將會(huì)為臨床OA治療帶來新的治療策略及靶點(diǎn)。