骨關節炎軟骨細胞凋亡的機制范文

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《中華中醫藥雜志》2014年第七期

一、軟骨細胞凋亡調控軟骨退變的作用機制

細胞凋亡（細胞程序性死亡）是一個主動的、信號依賴的過程，并由基因控制的主動的、高度有序的死亡過程。在正常情況下，軟骨細胞也存在著凋亡的現象，軟骨細胞凋亡對維持關節軟骨的形態結構及功能發揮重要的調控作用。不同年齡組動物關節軟骨中細胞凋亡程度與年齡增長有關，軟骨細胞的凋亡在成熟關節軟骨形態結構的維持、再建和更新過程中也發揮重要的調控作用。若軟骨細胞的凋亡超出一定的范圍，會導致軟骨細胞數量減少，軟骨細胞數量的變化不僅引起軟骨基質合成與分泌的減少，而且還能引起維持軟骨基質合成與降解酶系統平衡的紊亂，最終引起軟骨基質的質與量發生變化，軟骨基質的這種變化又會促進軟骨細胞的凋亡，從而導致軟骨退變。目前研究表明，線粒體凋亡、內質網應激性凋亡、細胞自噬在OA的發病過程中發揮重要的調控作用。

1.軟骨細胞線粒體凋亡信號通路與軟骨退變的關系軟骨退變是OA發生發展的一個重要因素，出現軟骨細胞數減少、抗氧化防御能力下降、生長因子和細胞因子免疫應答改變及基因和蛋白表達模式改變等。促凋亡與抗凋亡信號之間的失衡是介導軟骨細胞凋亡的關鍵，各種因素引起的凋亡信號傳至軟骨細胞內的作用位點，激活靶分子而產生酶級聯效應，誘導細胞凋亡，線粒體凋亡通路是軟骨細胞凋亡的重要途徑之一。線粒體具有傳遞電子、氧化磷酸化、能量代謝、貯存Ca2+、抗活性氧化等重要生理作用。線粒體功能障礙時生成活性氧，過多的活性氧可引起線粒體損傷，從而釋放促凋亡因子，導致細胞凋亡。活性氧可作用于線粒體內膜通透改變孔道（permeabilitytransitionpore，PTP），加速PTP開放，釋放細胞色素C（cytochromeC，CytoC）促進軟骨細胞凋亡，而釋放的CytoC又改變線粒體內電子傳遞鏈的功能，引起活性氧生成增加。正常細胞中CytoC位于線粒體內外膜之間，在電子呼吸傳遞鏈中起重要作用。當在凋亡發生時，CytoC從線粒體釋放入胞質，啟動半胱氨酸蛋白水解酶活化，與半胱氨酸蛋白酶-9前體、凋亡蛋白酶活化因子-1（Apaf-1）形成凋亡小體，并在脫氧腺苷三磷酸（deoxy-adenosinetriphosphate，dATP）輔助下激活Caspase-9；Caspase-9激活Caspase-3，活化的Caspase-3瀑布式活化Caspase-2、6、8、10，而激活的Caspases最終活化脫氧核糖核酸酶（CAD/DFF45），水解核酸及細胞骨架，引起細胞凋亡[7-8]。Bcl-2通過抑制CytoC釋放，降低活性氧生成，從而抑制凋亡。Bax為編碼Bcl-2相關蛋白X的基因，具有誘導細胞凋亡的功能，Bcl-2/Bax之間的比例是調控細胞凋亡的關鍵因素。p53位于線粒體上的轉錄因子，能上調促凋亡基因的表達，下調抗凋亡基因的表達。p53基因表達產物的聚集使Bax表達增加，進而釋放CytoC并激活Caspase，引發細胞凋亡。

2.內質網應激反應與軟骨退變的關系軟骨內無血管和神經支配，代謝主要通過滲透作用，對缺氧、鈣代謝紊亂、機械性壓力、自由基侵襲等應激因素很敏感，易發生內質網應激反應，引發內質網相關性死亡。內質網在膜蛋白的合成、修飾和折疊及維持細胞內鈣Ca2+的穩定等方面都發揮關鍵性作用。當機體細胞受到缺氧、饑餓、自由基侵襲及鈣代謝紊亂等應激因素刺激時，內質網腔內未折疊蛋白增多或鈣失衡，引發內質網應激反應。內質網應激感受蛋白（PEAK、ATF-6和IRE-1）介導的信號轉導不僅是糾正內質網功能紊亂的重要機制，在強烈、持久應激刺激時，內環境紊亂無法糾正，內質網應激感受蛋白則會啟動凋亡程序，誘發細胞凋亡。內質網應激引起的細胞凋亡異于其他凋亡路徑，有其自身的信號通路，稱為內質網相關性死亡途徑，此途徑包含內質網應激誘導CHOP/GADD153表達、C-JUN氨基末端激酶（JNK）活化和內質網特有的Capase-12蛋白水解酶活化。CHOP/GADD153是內質網應激特異的轉錄因子，PEAK、ATF-6和IRE-1的活化均能促進CHOP的大量產生。CHOP表達增加會下調抗凋亡蛋白Bcl-2表達，促進反應性氧中介物（ROIs）和減少細胞內谷胱甘肽生成，從而引發細胞凋亡。內質網應激時，活化的IRE1招募JNK和腫瘤壞死因子受體相關因子TRAF2，TRAF2激活細胞凋亡信號激酶1（ASK1），并形成IRE-1/TRAF2/ASK1三聚體，隨后激活JNK，誘導細胞凋亡。Caspase-12位于內質網膜上，內質網Ca2+平衡的破壞或內質網未折疊蛋白的過量積聚均會誘導Caspase-12表達，同時也導致胞質內Caspase-7轉移到內質網表面，Caspase-7激活Caspase-12，激活的Caspase-12可進一步活化Caspase-3，引發細胞凋亡。內質網上Bcl-2家族中抑凋亡蛋白則可調節網腔中游離Ca2+濃度，維持胞質內的Ca2+濃度在合適的水平，進而抑制細胞凋亡[14-15]。

3.細胞自噬與軟骨退變的關系細胞自噬（autophagy）是依賴溶酶體途徑對胞質蛋白和細胞器進行降解的一種過程，并利用降解產物提供能量和重建細胞結構，在維持細胞穩態和細胞生命活動等方面起重要作用。細胞自噬與凋亡間的關系較為復雜，目前研究表明，自噬標志性基因ULK、Beclin1、LC3在正常的關節軟骨中有明顯表達，退變軟骨中自噬水平下降（其機制與溶酶體水解失敗密切相關），導致退變軟骨中自噬體清除減緩和毒性蛋白增加。自噬在骨關節炎軟骨細胞凋亡中更傾向于保護軟骨細胞，當細胞器受損時，細胞內自噬水平明顯升高，以清除受損的細胞器，阻止細胞凋亡啟動，但自噬過度或不足均可能導致自噬性細胞死亡[17-18]。因此，細胞自噬一方面保護細胞，另一方面則可導致自噬性細胞死亡。Atg1、Atg6、Atg8（哺乳動物中的同源物分別稱作ULK1、Beclin1、LC3）是自噬途徑的3個主要管理者，分別充當誘導者、調節者、執行者的角色。在哺乳動物中，mTOR整合生長因子、營養分子、氨基酸和能量感受信號，調控細胞生長、增殖、營養運輸、蛋白合成和自噬。細胞內營養缺乏時，mTOR活性受抑制，導致Atg家族成員激活，從而促進自噬泡形成；細胞內營養充足時，mTOR激活，從而抑制細胞自噬的發生。死亡相關蛋白激酶（DAPK）也是細胞自噬的重要調節因子，可使微管相關蛋白（MAP）1B磷酸化，進而使MAP1輕鏈3（LC3）-Ⅱ與自噬體膜結合。自噬蛋白Beclin1的BH3結構域與DAPK相互作用，可使BH3結構域磷酸化，從而阻斷Beclin1與凋亡基因Bcl-2和凋亡抑制基因Bcl-xL相互作用，促進自噬發生。

二、獨活寄生湯干預軟骨細胞凋亡的機制

軟骨細胞凋亡原因是多方面的，但最終都離不開凋亡相關因子的參與和調節。肝腎虧虛證存在不同程度的下丘腦-垂體-靶腺（腎上腺、甲狀腺、性腺及胸腺）軸功能紊亂，影響機體的神經-內分泌-免疫系統功能，從而產生一系列的臨床癥狀及體征。補腎柔肝藥能多方位調節下丘腦-垂體-靶腺軸及神經-內分泌-免疫網絡系統的功能，調節異常的細胞因子水平，上調性激素水平，保護軟骨細胞，調節軟骨基質的降解，參與調控軟骨退變；補腎柔肝、祛風活血藥通過影響凋亡信號通路，抑制促凋亡基因并促進抗凋亡基因的表達，從而抑制軟骨細胞凋亡和促進增殖。因此，獨活寄生湯作用機制可能是通過調節神經-內分泌-免疫系統、神經-內分泌-骨代謝系統的功能，調節線粒體功能、內質網應激反應、細胞自噬水平是獨活寄生湯干預軟骨細胞凋亡的重要作用途徑。

作者：劉發元李西海葉蕻芝劉獻祥單位：福建中醫藥大學中西醫結合研究院