维生素D对骨关节炎作用机制的研究进展

2022-09-08   文章来源:中华骨与关节杂志   作者:毛信杰,徐以明,桑伟林,马金忠 点击量:125 我要说

骨关节炎(osteoarthritis,OA)是一种涉及软骨、软骨下骨、滑膜等多个关节组织病理的关节病变,其特征是关节软骨的退化,包括软骨下骨改变、骨赘形成、关节间隙狭窄和滑膜炎症。OA是全世界最常见的关节炎疾病,也是造成残疾的主要原因之一。据统计,60岁以上的男性中约有10%患有此病,女性约18%。随着全球人口预期寿命的增加,OA患者的数量也将不断增加。OA的发病机制目前尚不明确,涉及滑膜血管生成、基质金属蛋白酶及炎症细胞因子的产生、活化的滑膜巨噬细胞及先天免疫失衡等因素。

维生素D(vitaminD,VD)是一种脂溶性维生素,其结构上与固醇有关,乃环戊烷多氢菲类化合物。人体维生素由人皮肤下的7-脱氢胆固醇经紫外线照射而成,后在肝肾多种酶的作用下进一步代谢为1,25-二羟维生素D3。1,25-二羟维生素D3与VD受体(vitaminDreceptor,VDR)结合,在钙磷代谢以及免疫调节方面发挥着重要作用。VDR属于核激素受体超家族,在B淋巴细胞、T淋巴细胞、单核细胞、巨噬细胞和树突状细胞等多种免疫细胞中表达。VD和VDR的经典作用是调节钙磷代谢稳态,以及通过刺激破骨细胞和成骨细胞来调节骨转换及平衡。同时,VD和VDR作为一种免疫调节剂,可通过激活人类调节性T淋巴细胞发挥抗炎作用,还可直接抑制抗体的产生和炎症因子分泌、抑制细胞毒性淋巴细胞及其增殖等。

近年来在基础实验中已有大量研究证实VD在OA发生发展过程中拥有诸多缓解作用,但其具体机制尚未完全明确。目前已经存在有大量关于炎症、自噬对骨关节炎作用关系的研究成果,也存在相当数量的VD对细胞炎症、自噬作用关系的研究。笔者将从临床线索、自噬、炎症等方面对VD对OA作用机制的进展进行综述,着重论述VD调节OA先天免疫及后天免疫的复杂作用。

一、VD对OA作用的临床线索

目前已在临床中观察到VD对OA患者的治疗作用,Shea等发现人体内足够水平的VD状态与更好的下肢功能相关,而体内低VD水平状态与OA发展、膝关节疼痛、股四头肌功能不良、膝关节软骨体积减小、软骨缺损、滑膜炎积液增多等有关。无独有偶,Manoy等和Park等证实,给低血清VD的膝关节OA患者补充VD可减少局部组织的氧化蛋白损害,减轻膝关节疼痛,从而改善患者生活质量。此外,还有研究报道VD摄入量与膝关节OAMRI参数之间的关系,在横断面研究中发现摄入较多VD的患者股骨部的软骨体积、股骨中央内侧软骨平均厚度、胫骨中央内侧-胫股间室平均软骨厚度这些观察值都明显更大,表明较高的VD摄入量与更好的膝关节软骨结构有关。这些临床证据证明维持人体内充足的VD水平状态对于防止OA发生发展有积极作用,为进一步探索VD对OA作用机制的基础研究提供了宝贵线索。

二、VD、OA与自噬

自噬是消除功能失调的细胞器和大分子的基本细胞稳态机制,可作为一种保护软骨细胞免受各种环境变化损害的适应性反应。自噬在OA最初的退行性阶段软骨细胞和软骨组织中增加,对于OA发生发展过程中的诸多细胞至关重要,尤其是对软骨细胞和巨噬细胞具有保护作用。自噬途径与多种信号转导途径整合在一起,对养分供应、能量平衡、细胞因子和生长因子都有联系,而自噬减少与细胞死亡及软骨的逐渐降解有关。研究发现雷帕霉素可增强自噬的表达并预防软骨细胞死亡,特异性抑制调节自噬的哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammaliantargetofrapamycin,mTOR)信号通路。有研究发现随着年龄的增长,衰老可减少自噬,此过程涉及一系列复杂的变化,包括内分泌系统如雌激素变化、软骨细胞衰老、DNA损伤、软骨基质的衰老、氧化应激以及线粒体功能障碍等。

VD对于细胞自噬的促进作用已在多个研究中得到验证。有研究证实VD可使细胞自噬体和自溶酶体的数量增加、微管相关蛋白1轻链3B-Ⅱ(microtubuleassociatedprotein1lightchain3B-Ⅱ,LC3B-Ⅱ)和自噬相关蛋白5(autophagyrelatedprotein5,ATG5)的水平上调以及促进p62降解,而人为地抑制自噬会削弱维生素对细胞的保护和预防作用,这表明维持足够水平的VD对于自噬的重要性。Fabri等学者的研究结果表明,在VD缺乏的血清中补充活性VD可恢复人巨噬细胞中γ干扰素(inteferenγ,IFN-γ)介导的自噬和吞噬体溶酶体融合,这证实了维持足够水平的VD对于巨噬细胞自噬功能的重要性。最近有研究进一步深入探讨了其发生机制,证实VD/VDR信号可通过多种途径激活自噬。研究表明VD可触发细胞内钙释放/钙依赖性激酶,通过钙调蛋白,VD增加细胞质[Ca2+]进而激活钙调蛋白依赖性蛋白激酶激酶β(calmodulin-dependentproteinkinasekinaseβ,CaMKK-β),后者通过激活腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activatedproteinkinase,AMPK)诱导自噬,并抑制mTOR。此外,体外研究的结果表明VD处理导致p62及其结合的Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白-1(KelchlikeECHassociatedprotein1,Keap1)降解,降低了核因子E2相关因子2(thenuclearfactorerythroid2-relatedfactor2,Nrf2)的泛素化,增加了其蛋白稳定性,进而通过以Nrf2依赖性方式诱导细胞自噬。Kong等进一步确认了VD促进OA相关细胞自噬的作用,发现无论是在体内还是体外实验中,活性VD通过AMPK-mTOR信号通路来发挥对OA的缓解作用,VD处理可升高软骨组织和软骨细胞磷酸化AMPK的蛋白水平,但降低磷酸化mTOR水平,进而促进软骨细胞的自噬,增加软骨细胞的生存率。Das等报道VD可以增加M2型巨噬细胞的自噬,并且特异性地促进M2型巨噬细胞极化,而M2型巨噬细胞具有的抗炎特性有利于降低OA中炎症因子及基质金属蛋白酶的分泌和基质降解。上述观察到的结果与Fabri等研究者的结论一致,支持VD促进OA相关的巨噬细胞和软骨细胞自噬的观点,但VD对OA相关细胞自噬通路影响的深层机制研究目前有限,需要更深入地探索VD对OA相关细胞自噬作用的内在机制。

三、VD、OA与炎症

VD在OA中的抗炎作用已在诸多实验观察结果得到证实。有学者利用微型猪证明了VD在减轻炎症和脂肪浸润以及保护膝关节组织结构方面具有潜在作用;小鼠病理组织染色结果显示,VD干预对软骨细胞、软骨基质、软骨下骨都有明显的降低炎症因子水平和OA进程缓解的作用;另外,VD可防止大鼠因前交叉韧带切断术(anteriorcruciateligamenttransaction,ACLT)横切引起的OA变化,关节内注射VD还可增加血清中抗炎细胞因子,降低血清中炎症因子水平和组织损伤相关酶的活性,进而减少细胞凋亡并刺激关节软骨基质合成;也有研究表明补充VD可抑制OA大鼠关节软骨侵蚀和炎症因子的表达,体外研究中肿瘤坏死因子α(tumornecrosisfactorα,TNF-α)诱导关节软骨细胞中基质金属蛋白酶-9(matrixmetalloproteinase-9,MMP-9)、基质金属蛋白酶-13(matrixmetalloproteinase-13,MMP-13)、Ⅱ型胶原C端肽(C-terminaltelopeptideoftypeⅡcollagen,CTX-Ⅱ)的增加,而VD可以抑制这种诱导作用;Huhtakangas等证明了滑膜细胞暴露于VD及其类似物后,炎症因子分泌减少,滑膜细胞增殖能力下降。虽然对于OA患者,其血清VD水平可能正常,但VDR基因的多态性通过改变VD结合位点也可限制VD发挥抗炎作用。

VD的抗炎特性已在研究中被大量报道,免疫细胞存在VD受体并且本身具有活跃的VD代谢,能够将25羟基维生素D3[25-hydroxyvitaminD3,25(OH)2D3]局部转化为其活性形式1,25羟基维生素D3[1,25-hydroxyvitaminD3,1,25(OH)2D3]。VD和VDR信号转导对自身免疫具有抑制作用,并具有抗炎作用,可促进树突状细胞和调节性T细胞(regulatorycells,Tregs)分化,并减少辅助性T细胞Th17形成和炎症因子的分泌。类似地,VD也能够下调辅助性T细胞Th1介导的免疫反应,抑制炎症因子的产生,例如IFN-γ,白细胞介素-6(interleukin6,IL-6),白细胞介素-2(interleukin2,IL-2)和TNF-α。

Hu等证明VD可以减少血清和肺组织中炎症因子白细胞介素-1β(interleukin1β,IL-1β)、IL-6、TNF-α的产生,增加烟曲霉感染的肺炎小鼠的生存率。并且有学者对结核病患者和健康对照组的外周血单核细胞用VD进行干预,证实VD可通过抑制炎症因子和趋化因子来发挥抗炎作用。VD的抗炎作用机制涉及丝裂原活化蛋白激酶磷酸酶-1(mitogen-activatedproteinkinasephosphatase-1,MKP-1)信号、受抑制的Toll样受体(toll-likereceptors,TLR)信号和核因子κB(nuclearfactorkappa-B,NF-κB)等信号通路。例如在免疫细胞中,VD及其受体的结合导致诸如活化的T细胞的核因子(activatedTcellnuclearfactor1protein,NF-AT)和NF-κB等核转录因子的转录阻断,可以防止细胞对TNF-α和IL-1产生反应,并可以上调抗感染细胞因子IL-10。而VD抑制Th17的机制则涉及NF-AT、叉头盒P3(forkheadboxP3,FOXP3)、与IL-17启动子结合的Runt相关转录因子1(Runt-associatedtranscriptionfactor2,RUNx1)、IL-17转录因子RAR相关的孤儿受体γt(retinoid-relatedorphanreceptorgammat,RORγt)等。另外,VD还通过VDR/PLC-gamma1/TGF-betal通路控制Tregs分化,抑制Th17细胞增殖。

最近的研究发现VD有可能通过类似上述的机制在OA中发挥抗炎作用,目前存在诸多证据可以证实这个可能性。VD在OA中的抗炎作用牵涉到的机制诸多且复杂,通过很多机制共同实现这些抗炎作用。VD缺乏时通过诱导DNA损伤、细胞衰老、衰老相关的炎症因子等的产生而引起小鼠颞下颌关节OA,相反,补充VD可抵消这些损害。VD增加抗炎因子水平下降炎症因子水平的能力,在类风湿关节炎实验中显示与NF-κB信号通路有关,类似地,在OA相关实验中发现VD通过与VDR结合,VDR直接与NF-κB的一个亚基p65相互作用,这种相互作用调节VDR和TLR反应,进而抑制TLR-2/4和抵消TNF-α的损害。VD还可通过磷脂酶D(phospholipaseD,PLD)依赖的机制,实现阻断软骨细胞凋亡、刺激软骨细胞的增殖和细胞外基质(extracellularmatrix,ECM)合成的作用,该机制还涉及p53和转化生长因子-β(transforminggrowthfactor-β,TGF-β)上调,其中TGF-β1具有通过刺激ECM蛋白的合成和促进结构完整性而对关节软骨的代谢产生合成代谢的作用。VD受体还可诱导核因子κB受体活化因子配体(receptoractivatorfornuclearfactor-κBligand,RANKL)启动子周围Sirt6的募集,促进Sirt6对缺血性骨坏死小鼠模型的骨保护作用,挽救骨细胞死亡,延缓骨吸收和OA的进展。此外,上文提到了VD间接发挥抗感染作用的机制,VD可以增加M2型巨噬细胞的自噬,并且特异性地促进极化的M2型巨噬细胞形成,而M2型巨噬细胞发挥抗感染作用。这些证据综合地说明了VD具有缓解OA的潜在价值,为针对VD调控OA炎症信号网络的研究开拓了道路。

四、VD对OA的特殊负向作用

有趣的是,VD除了呈现改善OA的总体作用,也存在少量证据显示其存在对OA的负向作用的机制。有体内和体外实验表明VD刺激成骨细胞中成纤维细胞生长因子23(fibroblastgrowthfactor23,FGF23)的表达,进而降低肾脏1α-羟化酶和钠依赖性磷酸盐转运蛋白2(sodiumdependentphosphatetransporter2,NPT2)的表达,从而导致磷酸盐的重吸收受损,并且软骨细胞中的VDR信号转导通过诱导NF-κB配体RANKL表达的受体激活剂直接调节破骨细胞生成,还可通过FGF23信号转导激活ERK1/2,促进晚期OA软骨细胞的肥大和矿化受损。Papathanasiou等发现VD还可提高低密度脂蛋白受体相关蛋白5(lowdensitylipoproteinreceptorrelatedprotein5,LRP5)mRNA表达,LRP5再通过Wnt/β-catenin途径上调MMP-13表达水平,推动软骨基质的分解代谢。Lin等学者发现VD刺激血管内皮生长因子(vascularendothelialgrowthfactor,VEGF)和MMP-9表达,激化炎症血管浸润,进而促进软骨-骨交界处的血管化。有学者还发现VD能够增强成骨细胞骨保护素(osteoprotegerin,OPG)和RANKL的生成、升高RANKL/OPG比值和Dickkopf相关蛋白-2(dickkopf-relatedprotein2,DKK-2)水平、降低DKK-1水平,由此成骨细胞作用于破骨前体细胞的分化,导致破骨形成骨重塑增加,而DKK会破坏Wnt-Frizzled-LRP复合物的形成及LRP5/6与Wnt信号通路的互相作用,而Wnt信号通路异常激活可促进软骨破坏、破骨与成骨失衡,并且其中DKK-1水平的降低对于局部新骨形成和骨赘的发展至关重要。这些研究表明VD对OA作用的具体机制十分复杂,尚且存在一定争议。

五、总结

笔者从临床线索、自噬、炎症等方面综述了VD对OA的作用及相关节制。总体上VD对OA呈现为改善作用,但也有研究显示VD在机制上对OA存在少数负面影响。VD可能通过多种信号途径促进自噬从而改善OA的发生和发展,也可能通过抑制NF-κB轴从而抑制OA的炎症。目前有部分研究结果显示VD对OA一定的负面作用,须引起重视。总之,VD与OA两者相互作用的信号通路网络十分复杂,涉及的炎症和自噬作用调节机制繁多,但作用网络尚未完全明确,目前研究结果仍有部分矛盾的地方,所以需要深入研究VD对OA产生作用的机制网络,进一步探讨能否以VD作为OA发生的预测指标,以及在复杂的调控机制中找到缓解OA新的药理学希望,更好地指导临床对OA患者的管理。

参考文献:略

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