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关节炎最为常见的类型是骨关节炎(osteoarthritis,OA),它是由关节软骨退变引起的,且以关节疼痛和关节功能障碍为主要临床表现的疾病,其病理特征包括关节软骨组织退变、软骨下骨硬化、骨赘生成、关节炎症、软骨组织的血管和神经侵入等。在常见三大老年病中,骨关节炎患病率和患病人数居于首位。至今还没有一种药物对OA的治疗效果达到令人满意的程度,现有的药物主要针对疼痛治疗,而手术治疗仅是迫不得已的手段,并不能解决骨关节炎中软骨损伤问题。因此,深入研究骨关节炎特别膝骨关节炎(KOA)的分子机制对于疾病预防、诊断和治疗意义重大。早前研究主要针对关节软骨组织,但临床治疗和基础研究的不一致性意味着单一针对软骨组织并不能有效改善骨关节炎。近年来越来越多研究认为骨关节炎是种全关节疾病,伴随有软骨下骨骨转换的提高,并把软骨组织和软骨下骨视为一个整体,二者共同承担外界的生物学和生物力学刺激。细胞因子可调控骨与软骨的新陈代谢,在OA发生发展的过程中,滑膜与软骨产生多种炎症性细胞因子如IL-1β和TNF-α,后者反过来抑制软骨细胞的蛋白聚糖和Ⅱ胶原合成,促进分解代谢和增加其它炎症因子(IL-6、IL-8、PEG2和NO等),最终导致基质破坏。而对于软骨下骨,最近研究显示骨关节炎时伴随有骨转换的增强,早期存在破骨细胞分化和功能的加强。此外TGFβ1信号通路在骨关节炎的软骨下骨硬化过程中发挥重要作用,高活性的TGFβ1将促进nestin+的MSCs聚集并向成骨分化,最终在软骨下骨髓腔中形成大量的类骨质岛,并伴随有血管和神经入侵软骨组织。小 G 蛋白(Rho small GTPase)成员包括 Rac1、Cdc42 和 RhoA,借助 GEF 和GAP可在活性形式(GTP)和非活性形式(GDP)间转换,从而作为信号传导的“分子开关”调控细胞的增殖、凋亡、分化和其它功能。近年来已有大量研究报道显示小G蛋白家族成员与骨发育密切相关,它们活性发生异常变化将导致骨骼发育异常。我们之前的研究发现Cdc42正向调控间充质细胞聚集过程,并且参与软骨细胞的早期分化。此外近年其它研究发现Cdc42在慢性炎症、破骨细胞分化和功能、血管新生等过程都发挥重要作用。我们通过体外细胞学研究和动物学实验揭示了 Cdc42在骨关节炎发生发展中扮演重要角色,并对其调控机制作了初步的探讨。首先比较假手术组(Shamgroup)和DMM手术组(DMM group)小鼠关节软骨和软骨下骨的Cdc42表达情况,我们发现DMM组小鼠上述两种组织内的Cdc42表达量显著高于Sham组。进一步利用ITS和OBM分别进行软骨细胞和成骨细胞分化实验,结果显示抑制活性形式的Cdc42(Cdc42-GTP)促成软骨和抑制软骨细胞肥大化,也能够抑制成骨分化。此外分别用细胞因子IL-1β和TGFβ1刺激ATDC5和C3H10T1/2细胞时,Cdc42-GTP的水平显著上升。当ATDC5细胞中Cdc42-GTP水平上升后,将促进ATDC5细胞中MMP13和COLX表达水平同样显著上升,而抑制Cdc42-GTP水平上升将减少IL-1β带来的MMP13和COLX表达水平的上升。同样地,当C3H10T1/2细胞中Cdc42-GTP水平上升后,将促进其向成骨细胞分化,而抑制Cdc42-GTP水平上升将抑制TGFβ1信号通路活性和成骨分化相关标志基因的表达。在动物实验方面,我们观察了关节局部敲降Cadc42和抑制Cdc42-GTP对骨关节炎进程的影响。关节组织切片的番红O染色结果表明关节局部敲降Cdc42和抑制Cdc42-GTP能够有效减少骨关节炎时的软骨组织损伤。H&E染色发现局部敲降Cdc42和抑制Cdc42-GTP能够抑制透明软骨层变薄和钙化层软骨变厚。免疫染色结果显示局部敲降Cdc42和抑制Cdc42-GTP能够降低骨关节炎时软骨组织中的MMP13和COLX表达水平以及软骨下骨中TGFβ1信号通路活性和成骨分化相关标志基因的水平。Trap染色同样表明局部敲降Cdc42和抑制Cdc42-GTP能够抑制破骨细胞分化和功能。此外μCT结果显示局部敲降Cdc42和抑制Cdc42-GTP能够改善骨关节炎时软骨下骨的病变。为了进一步探讨Cdc42如何参与骨关节炎的发生发展,我们在ATDC5和C3H10T1/2细胞上开展了 一系列的研究。在C3H10T1/2细胞中,Western blot的结果显示降低Cdc42-GTP和Erk磷酸化水平均抑制TGFβ1诱导的Erk、Smad2/3和Smad1/5磷酸化水平;免疫共沉淀的结果显示Erk与Cdc42存在相互结合。上述结果说明Cdc42可能通过Erk/Smads调控间充质干细胞聚集并向成骨分化。而在ATDC5细胞中,Western blot的结果显示降低Cdc42-GTP和Pak1活性均抑制IL-1β诱导的Jak/Stat3信号通路活性上升。这部分结果说明Cdc42可能通过Jak/Stat3信号通路介入软骨组织的炎症反应。动物学上免疫染色结果同样表明局部敲降Cdc42和抑制Cdc42-GTP能够降低骨关节炎发展时软骨组织中Stat3以及软骨下骨中Erk的磷酸化水平。综上所述,Cdc42介导骨关节炎发展过程,通过Jak/Stat3和TGFβ1信号通路分别在软骨组织和软骨下骨中发挥重要作用,而局部敲降Cdc42和抑制Cdc42-GTP能够改善软骨组织损伤和软骨下骨病变。