新型程序性细胞死亡对骨关节炎软骨基质稳态影响之初探

作者:未知

   【摘 要】 细胞焦亡、铁死亡是区别于传统细胞凋亡、坏死、自噬的两种新型细胞程序性死亡方式,两者具有不同的生物学特征,对骨关节炎软骨基质稳态的调控方式、作用特点亦有区别。通过细胞焦亡、铁死亡对骨关节炎软骨基质稳态的影响及可能作用途径进行初步探讨,为进一步防治骨关节炎开辟新方向。
   【关键词】 骨关节炎;细胞焦亡;铁死亡;软骨基质
   骨关节炎(osteoarthritis,OA)是一种常见的慢性进展性关节疾病[1],起因于生物因素及力学异常失稳等引起的关节结构与组织形态紊乱,最终致关节软骨功能退变甚至丧失。OA的发病率随年龄的增长而增加[2-3],随着全社会人口老龄化的加剧,OA的发病率明显增高,严重危害中老年人的健康。目前,对OA的发病原因及促成机制已形成了较为全面的认识,但伴随西医学在分子生物学、基因组学、蛋白组学等领域的深入研究,对OA病理机制的认识仍需进一步完善。
  1 软骨基质稳态异常对OA的影响
   软骨细胞及其分泌的细胞外基质(ECM)成分(如胶原、蛋白聚糖等)是构成并维持关节软骨正常功能的重要组成部分。作为关节软骨中特有细胞类型,软骨细胞可不断形成新的软骨基质成分,而软骨基质的合成与分解代谢的动态平衡则维系着关节软骨保持结构稳定与功能的发挥。在OA的病理进程中,软骨细胞的凋亡与软骨基质的过度丢失协同加剧了OA的关节软骨退變[4-5]。关节软骨基质稳态异常可直观印证OA软骨退变程度。OA发生后,其主要病理改变体现在关节软骨的退变。在OA早期阶段,关节软骨基质内的胶原纤维出现渐进性退化、变性乃至降解,蛋白多糖数量不断减少,引起关节承重面发生异常(变薄、龟裂或粗糙不平);到发展期,软骨裂纹会延伸至软骨边缘,并引起邻近间质胶原等非软骨部分发生病理性改变;至晚期,关节软骨出现广泛开裂与纤维化,软骨分区性结构态被打破,软骨细胞成簇集中且不规律生长,软骨表层退化呈现出的粗糙裂纹延伸至钙化层,同时伴有蛋白多糖大量丢失以及Ⅱ型胶原崩解,最终引起关节及其附属结构与功能的整体性损坏与缺失,导致关节稳态失衡[6-7]。因此,维持软骨基质稳态,对延缓OA病理进程具有重要意义。
  2 新型程序性细胞死亡对OA软骨基质稳态的影响
  2.1 软骨细胞焦亡对OA软骨基质稳态的影响 细胞焦亡是近年发现的一种细胞死亡模式,其特征性表现为细胞肿胀裂解、细胞膜溶解(胞质内容物释放到细胞外),同时有染色体DNA断裂现象,是区别于细胞凋亡和细胞坏死的一种新型死亡模式。细胞焦亡有两个途径,一是依赖Caspase-1的焦亡途径,二是非Caspase-1依赖的焦亡途径。焦亡过程中胞膜溶解导致细胞内包括白细胞介素-1β(IL-1β)在内的炎性因子释放到细胞外[8]。炎症小体由细胞内的模式识别受体(PRR)参与组装的多蛋白复合物,可识别病原体相关分子模式(PAMP)和损伤相关分子模式(DAMP),进而激活Caspase-1;即核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3(NLRP3)作为炎性体NLR家族重要成员,是目前结构和功能最为明确的炎性小体,由NLRP3、接头蛋白ASC及Caspase-1前体组成,当接受活化信号刺激后,ASC可通过使结构域相互作用的方式分别募集NLRP3和Caspase-1前体,从而介导Caspase-1激活及促炎因子如IL-1β与IL-18等释放,诱导依赖Caspase-1的经典细胞焦亡发生[9]。
   NLRP3炎性体介导依赖Caspase-1的经典细胞焦亡发生后,会促使IL-1β和IL-18的前体加工裂解,转变成为成熟的活性形式。研究表明,IL-1β在OA的发病过程中起重要作用,包括加速关节软骨破坏,促进软骨纤维化等。IL-1β通过对软骨细胞和滑膜细胞刺激使其产生基质金属蛋白酶(MMPs),同时MMPs抑制剂的表达被减少,使基质中的Ⅱ型胶原和蛋白聚糖减少,加速关节软骨的破坏;Ⅱ型胶原和蛋白聚糖的合成受到抑制则加速软骨纤维化发展。除此之外,胞外基质中的前列腺素E2(PGE2)促进了IL-1β分解软骨细胞,破坏软骨,而IL-1β以诱导环氧化酶-2(COX-2)过表达促进PGE2的生成。细胞基质中的一氧化氮(NO)含量增加也与IL-1β关系密切。诱导型一氧化氮合酶(iNOS)受IL-1β刺激增加NO的合成,NO抑制Ⅱ型胶原α1链mRNA的表达,使Ⅱ型胶原合成减少,并激活MMPs,破坏ECM。IL-18可刺激TNF-α、IL-1β的释放,进而协调促进MMPs生成,并加速降解Ⅱ型胶原和蛋白聚糖,破坏软骨ECM,破坏软骨细胞基质稳态[10]。MCC950作为一种强效的NLRP3炎症小体抑制剂,可抑制Caspase-1加工处理和IL-1β分泌[11]。因此,通过调控NLRP3炎性体介导依赖Caspase-1的经典细胞焦亡对OA的炎症反应程度与预后起重要的作用。
  2.2 铁死亡对OA软骨基质稳态的影响 铁死亡(Ferroptosis)是近年来发现的一种新型细胞死亡模式,与细胞凋亡、自噬、程序性坏死等死亡方式存在较大差别,其主要由铁依赖性脂质过氧化和活性氧(ROS)诱导损伤引起细胞膜断裂,线粒体变小等改变,其显著特征表现为铁和ROS聚集、过载,并涉及一系列基因异常表达和信号传导[12]。DIXON等[13]研究发现,小分子erastin(爱拉斯汀)可通过抑制质膜上的胱氨酸-谷氨酸交换体,降低细胞对胱氨酸的获取,使得谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)的底物,即谷胱甘肽(GSH)合成受阻,进而引发膜脂ROS的积累和铁死亡。酯酰基辅酶A合成酶长链家族成员4(ACSL4)是调节铁死亡的关键因素,其作用可将花生四烯酸和肾上腺酸分别合成为花生四烯酰CoA和肾上腺酰CoA,参与磷脂酰乙醇胺或磷脂酰肌醇等带负电膜磷脂的合成。DOLL等[14]研究发现,通过敲除小鼠和人类细胞中ACSL4基因,可有效减少erastin和GPX4抑制剂(RSL3)诱导的细胞死亡率。而铁代谢紊乱在介导铁死亡过程中发挥了主导作用。正常水平的铁对维持生物体机能发挥至关重要的作用,其可通过参与氧运输、DNA生物合成和作为辅酶参与三羧酸循环和电子传递链,进而对三磷酸腺苷合成产生影响;但随着细胞内铁离子过载超额,又可催化机体形成具有代谢毒性的ROS。DOLMA等[15]以RAS突变的铁死亡敏感细胞和对照组对比发现,前组细胞有增高的转铁蛋白受体1和降低的转铁蛋白,即铁蛋白轻链(FTL)和铁蛋白重链1(FTH1),这一现象说明铁死亡敏感细胞中铁摄入增多,而储存能力降低,铁超载诱导细胞死亡。    参与铁死亡过程的重要标志物对OA软骨基质稳态的影响:①GSH在铁死亡中扮演了重要的角色,它是一种含有GSH的多肽,可消除ROS的毒性作用,是最重要的细胞抗氧化剂之一。已有研究报道,GSH对软骨细胞基质具有保护作用[16]。具体体现在GSH可减轻Cu2+-过氧化氢(H2O2)诱导的关节软骨蛋白聚糖的降解,进而发挥软骨保护作用[17];另有研究发现,随着软骨细胞内GSH水平不断下降,软骨细胞受活性氧的毒性作用越大,软骨基质受损越严重[18]。②ROS是引起铁死亡的使动因素,常见类型包括超氧阴离子、H2O2、羟基自由基(OH)以及NO自由基等。当关节病变时,为应对出现的高氧分压和炎症状态,关节软骨细胞内的ROS合成增多,造成软骨基质损伤[19]。研究表明,软骨细胞经150 μmol·L-1的H2O2诱导24 h后,关节软骨细胞中Ⅱ型胶原、黏多糖基质成分水平显著降低,而可降解基质中Ⅱ型胶原成分中的MMP-13与加速降解基质中蛋白聚糖成分的含血小板结合蛋白基序的解聚蛋白样金属蛋白酶5水平显著升高[20]。OA发生后,关节腔内环境紊乱失衡,致使软骨细胞失去正常的代谢、合成及自我修复功能,进而引起软骨细胞受损;而随着炎症反应升级,iNOS生成并被释放,活化的iNOS又可诱导精氨酸发生氧化并产生NO。相關研究表明,关节炎患者的关节滑液及血清中具有较高表达量的iNOS和NO[21]。NO对生物机体来说是一把“双刃剑”,即一种重要的生理和病理媒介,首先,NO是存在于细胞间的重要通讯物质,其可通过传递信息,参与生命体内一系列生理反应;此外,较高水平表达的NO可通过细胞毒作用或介导凋亡途径造成软骨细胞的损害或退变, 具体机制为NO可通过阻断软骨细胞基质中胶原与蛋白多糖的合成,并激活MMPs表达与释放,进而加速软骨基质中胶原与蛋白多糖成分降解,引起软骨细胞结构框架坍塌;NO也介导了经典NO凋亡途径,较高浓度的NO可直接抑制软骨细胞增殖活性,诱发软骨细胞发生糖酵解,引起软骨细胞内能量代谢功能紊乱,并加速其正常膜性结构的分解破坏,最终引起软骨质量下降和进行性退化[22-23]。③COX-2作为一种关键性限速酶,其可诱导花生四烯酸协同生成PG。研究发现,实验小鼠经liproxstatin-1(铁死亡抑制剂)注射处理后,COX-2功能可显著下调;在OA病理进程中,通过过表达COX-2基因,可使PG含量升高,而后者可强化IL-1β对关节软骨细胞的破坏作用,协同加速软骨基质稳态失衡[24]。
  此外,IL-1β可诱导NO的生成与释放,NO作为介导细胞凋亡的重要媒介,又可抑制软骨细胞Ⅱ型胶原α1链基因表达,进而阻止Ⅱ型胶原的生成,同时亦可活化MMPs等,最终引起软骨细胞退变。而伴随ROS的聚集、过载释放,又可协调促进MMPs生成,并加速降解Ⅱ型胶原和蛋白聚糖,破坏软骨ECM,进而破坏软骨细胞基质稳态[25]。因此,通过调控软骨细胞铁死亡过程主要信号分子表达对OA软骨基质稳态发挥重要作用。
  3 小 结
   综上所述,细胞焦亡与铁死亡对骨关节软骨基质稳态产生重要影响,但两种新型程序性死亡方式引起关节软骨基质稳态异常的关键调控靶点、所涉及的重要交叉信号通路及关键非编码长链RNA或微小RNA的微观调节介质尚未明确。今后可运用基因芯片筛选关联基因,开展靶基因的转基因动物实验,并通过功能验证(基因沉默与过表达)进一步明确发挥关键作用的基因类型;其次在药物治疗方面,可通过生物信息学或网络药理学构建、分析有效中医药组方药物中关键成分与两种新型程序性死亡方式内在关联性及对OA软骨基质稳态的影响。
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  收稿日期:2019-09-16;修回日期:2019-10-31
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