白介素1受體拮抗劑治療骨關(guān)節(jié)炎的研究進展*

張平全 黃子榮 胡艷 梁宇杰 朱偉民*

骨關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis, OA）是一種以關(guān)節(jié)疼痛、軟骨退變?yōu)橹饕卣鞯穆躁P(guān)節(jié)疾病，主要累及髖、膝等負(fù)重滑膜關(guān)節(jié)，引起關(guān)節(jié)疼痛、畸形及功能障礙等[1]。全球有超過3 億人群患有骨關(guān)節(jié)炎，且患病人數(shù)呈逐年攀升的趨勢，其中40 歲以上患病率達(dá)46%[2-3]。OA 的病因及發(fā)病機理至今仍未明確，目前為止，非手術(shù)療法主要用以治療早期的骨關(guān)節(jié)炎。而針對中晚期的骨關(guān)節(jié)炎，則主要采取手術(shù)治療。盡管如此，但無論手術(shù)療法還是藥物治療都不能有效地阻止軟骨的退變。近年來，隨著對OA 發(fā)病機制的深入研究，研究者們闡明了多種細(xì)胞因子參與軟骨基質(zhì)的分解與代謝平衡的作用機理，這一系列細(xì)胞因子又會進一步影響OA的發(fā)生發(fā)展。其中，白介素1（interleukin-1, IL-1）作為影響OA 軟骨破壞最重要的細(xì)胞因子，近些年來備受關(guān)注，其拮抗物白介素1受體拮抗劑（IL-1 receptor antagonist,IL-1Ra）也是近年來的研究熱點。

1 IL-1與IL-1Ra概述

1.1 IL-1

IL-1 是一種高度活性的細(xì)胞因子，是能刺激各類生物學(xué)反應(yīng)的有效激動劑。IL-1 由絕大多數(shù)有核細(xì)胞分泌，但其主要來源為單核巨噬細(xì)胞，其次是上皮細(xì)胞、軟骨細(xì)胞和滑膜細(xì)胞等。IL-1分為IL-1α和IL-1β兩種類型。這兩種亞型有著不同的分泌機制，其中IL-1α 主要以前體形式在細(xì)胞內(nèi)參與IL-1的自分泌，其余被轉(zhuǎn)運與細(xì)胞膜結(jié)合，參與旁分泌[4]；IL-1β前體則主要經(jīng)過IL-1轉(zhuǎn)化酶裂解，進而轉(zhuǎn)運到細(xì)胞外發(fā)揮功能[5]。

1.2 IL-1Ra

IL-1Ra能與IL-1兩種亞型的受體結(jié)合，但不會引起細(xì)胞內(nèi)部反應(yīng)。IL-1Ra 和IL-1α、IL-1β 分別有著18%和26%的同源性氨基酸序列。在人類染色體2q14區(qū)域中，IL-1α、IL-1β和IL-1Ra基因相互靠近且序列非常相似[6]。IL-1R家族由ILRI、IL-1RⅡ、IL-1R輔助蛋白（IL-1RAcP）、IL-18Ra、IL-18Rb、ST2（或IL-33R）、IL-36R（以前稱為IL-1Rrp2）、單個Ig IL-1R 相關(guān)分子（SIGIRR，也稱為TIR8）、三個含Ig 相關(guān)結(jié)構(gòu)域的IL-1R-2（TIGGIR-2，也稱為IL-1RAPL1）和TIGGIR-1（也稱為IL-1RAPL2）共計10 個成員組成。其中，IL-1Ra 被證明最易和IL-1RI相互結(jié)合，且解離率非常低，結(jié)合不可逆。因此，IL-1Ra被認(rèn)為能阻止其細(xì)胞表面受體之間的相互作用，也被認(rèn)為是IL-1的天然拮抗劑。

2 IL-1與OA的形成

IL-1β 在關(guān)節(jié)滑液中高表達(dá)，且與軟骨損傷有著顯著的相關(guān)性[7]。在OA軟骨細(xì)胞和基質(zhì)中，IL-1為強陽性。有研究表明，OA 軟骨細(xì)胞的質(zhì)膜蛋白中包含大量的IL-1 受體，其表達(dá)量為正常軟骨細(xì)胞的2倍[8]。IL-1促進OA軟骨病變的主要作用機制為：促進軟骨細(xì)胞凋亡、抑制軟骨基質(zhì)形成、誘導(dǎo)上調(diào)基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase,MMPs）的形成、參與炎癥介質(zhì)表達(dá)等。此外，滑膜細(xì)胞對IL-1 也具有較高的敏感性，IL-1 能夠促進滑膜細(xì)胞表達(dá)過量的PGE2，從而加重滑膜炎癥[9]。

2.1 IL-1對軟骨細(xì)胞的影響

軟骨細(xì)胞是關(guān)節(jié)軟骨的重要組成部分。一般來說，其增長與凋亡處于動態(tài)平衡中。然而，在IL-1的作用下，軟骨細(xì)胞能產(chǎn)生大量的一氧化氮（NO），而過量的NO 能使軟骨細(xì)胞發(fā)生凋亡，并導(dǎo)致軟骨基質(zhì)發(fā)生降解[10]。同時，NO 也可減弱基質(zhì)抵抗外傷的能力。此外，有研究表明，當(dāng)細(xì)胞凋亡的膜受體通路Fas 與其配體FasL 結(jié)合時可誘導(dǎo)細(xì)胞死亡。在OA 患者的關(guān)節(jié)液中，F(xiàn)asL 的過度表達(dá)也能誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞凋亡。IL-1 刺激軟骨細(xì)胞后，能夠激活Fas途徑，最終導(dǎo)致軟骨細(xì)胞凋亡[11]。

2.2 IL-1對軟骨基質(zhì)及基質(zhì)金屬蛋白酶（MMPs）的影響

關(guān)節(jié)軟骨主要由細(xì)胞外基質(zhì)構(gòu)成，當(dāng)基質(zhì)降解超過合成從而打破兩者的平衡時，就會導(dǎo)致軟骨破壞并最終加重OA。MMPs廣泛存在于結(jié)締組織中，由20多個成員組成，能對組織進行重塑。另外，MMPs還能降解Ⅱ型膠原和蛋白聚糖，破壞關(guān)節(jié)軟骨并加重OA進展。人體中的內(nèi)源性基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑（tissue inhibitor of metalloproteinases,TIMPs），是MMPs家族的主要抑制物。一方面，IL-1可使MMPs加快合成；另一方面，IL-1還能抑制TIMPs的產(chǎn)生，導(dǎo)致兩者比例升高，加速基質(zhì)降解，并最終導(dǎo)致OA[12]。

2.3 IL-1對關(guān)節(jié)滑膜的影響

OA 是一種無菌性慢性滑膜炎，常常伴有關(guān)節(jié)疼痛、腫脹等炎性癥狀和體征。IL-1 在滑膜炎癥中也發(fā)揮著重要作用，在OA滑膜組織及關(guān)節(jié)置換術(shù)后的界膜組織中，IL-1的表達(dá)量顯著上調(diào)[13]。在OA 的早期階段，滑膜炎與固有免疫密切相關(guān)，IL-1β 可以促使滑膜細(xì)胞分泌大量的PGE2、ICAM-1 等促炎因子，導(dǎo)致滑膜發(fā)生炎癥反應(yīng)。另外，新產(chǎn)生的PGE2 又能夠促進軟骨的分解，進一步加重OA炎癥的發(fā)展[9]。

2.4 IL-1對其他細(xì)胞因子和炎癥介質(zhì)的影響

除IL-1 本身在OA 中扮演著重要角色外，IL-1 還能與其他促炎因子協(xié)同作用促進OA 炎癥，并且這種協(xié)同作用對于炎癥的促進作用遠(yuǎn)大于IL-1 本身。IL-1 能夠激活多條軟骨細(xì)胞信號通路，誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞去分化及細(xì)胞死亡。在IL-1β 的刺激下，軟骨細(xì)胞中一氧化氮合酶（iNOS）表達(dá)上調(diào)，釋放大量的NO，導(dǎo)致軟骨細(xì)胞DNA 損傷，并通過Fas途徑介導(dǎo)軟骨細(xì)胞凋亡[14]。氧化應(yīng)激亦導(dǎo)致軟骨細(xì)胞線粒體損傷，IL-1β 可使軟骨細(xì)胞產(chǎn)生大量的活性氧自由基（ROS），介導(dǎo)線粒體損傷，干擾細(xì)胞能量代謝，誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞凋亡，促進軟骨組織降解[15]。此外，IL-1 還可上調(diào)陷穴蛋白（caveolin）的表達(dá)，從而誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞的衰老[16]。IL-1 還能協(xié)同腫瘤壞死因子（TNF-α）誘導(dǎo)MMPs 產(chǎn)生，抑制軟骨基質(zhì)合成[17]。總之，IL-1能參與免疫級聯(lián)放大反應(yīng)，所產(chǎn)生的多種下游因子又能夠反過來促進軟骨細(xì)胞分泌大量的IL-1，這種正反饋調(diào)節(jié)最終將導(dǎo)致OA病程不斷惡化。

3 IL-1Ra與OA的治療

3.1 體外模型研究

有研究發(fā)現(xiàn)，IL-1Ra 在OA 進展的不同時期存在著不同的表達(dá)情況。在早期OA 中，IL-1Ra 表達(dá)量顯著降低，但其表達(dá)量仍然是IL-1α的4倍左右[18]。到了中期，細(xì)胞膜上的IL-1Ra 含量大幅度降低，不能抵抗IL-l 引發(fā)的一系列促炎效應(yīng)。這些研究說明，隨著OA 的不斷發(fā)展，IL-1Ra的保護作用也在進一步減弱。因此，在OA的早期治療中，IL-1Ra的功能是值得備受關(guān)注的。IL-1Ra/IL-1的比率失調(diào)與軟骨破壞正相關(guān)，是OA 形成的重要節(jié)點[19]，但是單純增加局部IL-1Ra 水平可能無法從根本上阻止OA 病變的進展，故找到合適的方法以維持兩者比例的動態(tài)平衡可能是阻止OA進展的關(guān)鍵所在。

3.2 動物模型研究

在動物實驗中，Pelletier等[20]在橫斷狗膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）建造OA 動物模型后，免疫組化顯示IL-1表達(dá)明顯增加，注射IL-1Ra后，軟骨細(xì)胞MMPs 表達(dá)明顯減少，相比對照組，處理組的骨贅形成和軟骨破壞均得到顯著緩解。Fernandes等[21]的研究發(fā)現(xiàn)，采用脂質(zhì)體負(fù)載IL-1Ra 表達(dá)質(zhì)粒并進行關(guān)節(jié)腔注射后，檢測到IL-1Ra高表達(dá)，而對照組的軟骨損傷較輕，骨贅形成減少。國內(nèi)馬麗等[22]研究發(fā)現(xiàn)，通過間接轉(zhuǎn)染的方法，首先將表達(dá)IL-1Ra 的病毒載體轉(zhuǎn)染至自體滑膜細(xì)胞，然后將自體滑膜細(xì)胞注入兔OA關(guān)節(jié)腔中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)治療后兔軟骨的NO表達(dá)量明顯下調(diào)，軟骨細(xì)胞存活率顯著提高，同時軟骨基質(zhì)降解受到明顯抑制。通過基因轉(zhuǎn)染IL-1Ra的方法，不僅能夠使IL-1Ra在長期時間內(nèi)表達(dá)上調(diào)，最長可達(dá)28 d，也能顯著緩解OA相關(guān)臨床指征，阻止OA的進一步發(fā)展，從而維持關(guān)節(jié)軟骨的正常形態(tài)。此外，該方法還有利于改善滑膜炎癥及軟骨表型。Nixon 等[23]報道了一種輔助依賴性腺病毒（HDAd）介導(dǎo)的關(guān)節(jié)內(nèi)基因治療方法，在小型動物模型老鼠及大型動物模型馬中使用IL-1Ra能長期表達(dá)，可用于持續(xù)對癥和改善OA的治療。此外，Watson Levings等[24]通過自互補腺相關(guān)病毒（scAAV）作為IL-1Ra馬前肢關(guān)節(jié)內(nèi)基因傳遞的載體，表明scAAV-IL-1Ra給藥的安全性較好，并且能夠在體內(nèi)長期持續(xù)產(chǎn)生治療性的IL-1Ra。

3.3 臨床研究

IL-1Ra能夠與IL-1的受體結(jié)合，阻遏IL-1的生物學(xué)作用，這使得IL-1Ra 在OA 治療中有著廣闊的應(yīng)用前景。已有研究表明，使用IL-1α和IL-1β的雙重抗體在手部和膝部OA[25-26]，發(fā)現(xiàn)IL-1受體拮抗劑不是治療OA有效的鎮(zhèn)痛/抗炎藥物，可能是因為患病部位及參與者的個體差異而未取得預(yù)期療效。同樣，在包含160例膝關(guān)節(jié)OA患者的隨機雙盲對照試驗中，采用單次關(guān)節(jié)內(nèi)注射IL-1Ra 未能在3 個月（主要終點）改善OA 癥狀[27]。另外，一項關(guān)于IL-1R 單克隆抗體的隨機雙盲對照研究也顯示其與安慰劑作用相當(dāng)，臨床上獲益較少[28]。似乎，IL-1Ra 在人體OA 的臨床研究應(yīng)用上有一定的困難。不過，也有研究表明，IL-1Ra可減輕膝關(guān)節(jié)創(chuàng)傷后個體的疼痛。雖然有一半的患者膝關(guān)節(jié)創(chuàng)傷后可能在5 ～ 10 年內(nèi)發(fā)展為OA，但沒有證據(jù)表明損傷后的早期疼痛可以導(dǎo)致OA，而損傷后早期使用IL-1受體拮抗劑可以減輕膝關(guān)節(jié)疼痛、炎癥等，這推測可能減少OA的發(fā)生率[29-30]。因此有待進一步研究證實IL-1Ra的臨床療效。

由Christopher Evans 推進的Ⅰ期劑量遞增研究（NCT02790723）利用OA患者評估了編碼人類IL-1受體拮抗劑的腺相關(guān)病毒（Adeno-associated virus, AAV）載體的安全性和耐受性，結(jié)果表明，9 例對常規(guī)治療無反應(yīng)的中期OA 患者接受了關(guān)節(jié)內(nèi)注射AAV-IL-1Ra 并隨訪1 年，效果良好，只有腫脹不適這一種不良反應(yīng)，這促使進行Ⅱ期試驗以評估IL-1受體拮抗劑在OA中的治療效果[31]?？傊?，目前IL-1Ra在OA的臨床研究較多，但研究結(jié)果不盡相同，值得進一步研究以證其療效以及安全性。

4 IL-1Ra遞送方法

采取適宜的藥物遞送方法不僅能夠提高藥物利用率，降低其細(xì)胞毒性，還能延長其在體內(nèi)的作用時間。近年來，關(guān)于IL-1Ra的遞送方法主要包括蛋白遞送和基因遞送。蛋白遞送已相對比較完善成熟，而基因遞送還在探索之中。

4.1 蛋白遞送

蛋白遞送是指蛋白質(zhì)靠其上游信號序列通過共翻譯轉(zhuǎn)運或翻譯后轉(zhuǎn)運的方式靶向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或其他細(xì)胞器膜上，進而分選到不同細(xì)胞器或分泌到胞外的過程。研究表明，IL-1Ra蛋白局部注射給藥可以緩解滑膜炎癥，但因其半衰期較短，少量的局部給藥后很快會被代償?shù)?，因此必須高頻率注射才有一定的療效，因而限制了其推廣使用[32]。一項臨床研究通過雙盲試驗法給予骨關(guān)節(jié)炎患者膝關(guān)節(jié)中注射50 ～150 mg劑量的IL-1Ra蛋白，經(jīng)觀察，患者未發(fā)生相關(guān)的炎癥反應(yīng)，并且疼痛明顯減輕，并且他們認(rèn)為150 mg是該種治療方式的最大耐受劑量[33]。但仍不能改變IL-1Ra在體內(nèi)作用半衰期較短這一事實。因此，如何能保證人體OA 關(guān)節(jié)腔注射IL-1Ra的治療長期有效，解決給藥后半衰期較短這一明顯缺陷，是推進IL-Ra治療OA進入臨床應(yīng)用所面臨的關(guān)鍵問題。而近年來興起的基因工程靶向遞送，可能將會針對這一問題給出解決方案。

4.2 基因遞送

基因遞送是指利用一些方法將特定的基因?qū)爰?xì)胞或機體的過程，表達(dá)特定的核酸或者蛋白，以達(dá)到治療疾病的目的。Evans 等[34]將IL-1Ra 轉(zhuǎn)移至逆轉(zhuǎn)錄病毒載體上，使之通過成纖維細(xì)胞回植至即將置換的掌指關(guān)節(jié)中，然而術(shù)后標(biāo)本檢測除了掌指關(guān)節(jié)之外的其他部位未發(fā)現(xiàn)IL-1Ra的表達(dá)。這說明逆轉(zhuǎn)錄病毒載體的定位是精準(zhǔn)的，對于臨床應(yīng)用有著潛在的價值。與此同時，Dayer 等[35]使用膠原蛋白-羥基磷灰石支架（collagen-hydroxylapatite, CHA）遞送編碼IL-1Ra的質(zhì)粒，并將其遞送至大鼠來源的MSC中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)MSC中高表達(dá)的IL-1Ra可以大大降低發(fā)生炎癥的幾率，并且白脂肪是體內(nèi)IL-1Ra 的主要來源。由此可見，IL-1Ra 能夠延緩OA 的進程。除了療效明顯之外，其研究結(jié)果還表明回植入體內(nèi)是安全可行并且精準(zhǔn)有效的。

5 小結(jié)與展望

本文主要就IL-1Ra 在骨關(guān)節(jié)炎治療中的作用進行綜述。IL-1 在OA 關(guān)節(jié)軟骨破壞、滑膜炎癥等方面的作用已得到公認(rèn)，但IL-1引發(fā)OA軟骨病變的完整作用機制仍待深入探究。IL-1Ra作為治療靶點在體外及動物模型研究中顯示了良好前景，但缺乏足夠的臨床療效支持?；贗L-1Ra的特性與骨關(guān)節(jié)炎的臨床特點，蛋白遞送由于其局限性似乎無法在臨床推廣使用，而藥物遞送系統(tǒng)中的基因遞送，或許可以為IL-1Ra 的遞送提供更加安全高效的方法[36-37]。由此可見，雖然對OA 的治療暫時沒有根治方式，但是針對IL-1Ra的一系列探索研究，特別是基因遞送的方式或許能夠為治療提供一個新的思路，同時也為臨床上骨關(guān)節(jié)炎的治療奠定基礎(chǔ)。此外，不僅要關(guān)注不同藥物遞送系統(tǒng)對于IL-1Ra 治療效果的影響，也要繼續(xù)對IL-1 在OA 中的具體參與機制進行不斷深入研究，相信通過對這兩方面的深入研究，能夠為OA的治療提供更多安全有效的方案。