喬虎軍 王國祥 郝鑫

1 蘇州大學(xué)體育學(xué)院（蘇州 215021）

2 哈爾濱體育學(xué)院（哈爾濱 150008）

骨關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）是以關(guān)節(jié)組織成份、結(jié)構(gòu)和功能退行性改變?yōu)樘卣鞯穆躁P(guān)節(jié)疾病，主要涉及關(guān)節(jié)軟骨損傷并累及軟骨下骨和周圍結(jié)構(gòu)（例如軟骨下骨病變、骨贅和滑膜炎癥等）。OA的發(fā)病部位主要包括膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、手指關(guān)節(jié)、頸部、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、脊椎關(guān)節(jié)以及容易被忽視的踝關(guān)節(jié)和足等，通常伴有疼痛、腫脹和關(guān)節(jié)僵硬等。根據(jù)統(tǒng)計，全球已經(jīng)有超過3.6億人口患有OA[1]，并呈現(xiàn)出一定的性別和年齡特點。美國的一項數(shù)據(jù)顯示OA發(fā)生的概率和年齡趨勢成正相關(guān)，并且提示性別可能成為一個危險因素，超過45歲的女性有著較高的膝骨關(guān)節(jié)炎（knee osteoarthritis，KOA）發(fā)病率[2]。超過60歲以后，受OA困擾的女性更是將近男性的兩倍。作為發(fā)達國家主要的致殘疾病之一，OA患者中有80%存在運動局限性，25%患有殘疾[3]。

導(dǎo)致OA的因素是多方面的，例如遺傳或基因突變等先天因素，體重增加引起的機械負荷過大、疾病引起的繼發(fā)性炎癥反應(yīng)、過量體育運動或機械撞擊引起的創(chuàng)傷、年老發(fā)生的軟骨退行性改變等后天因素[4，5]。雖然這些因素在OA發(fā)生和發(fā)展過程中的影響機制已經(jīng)開始被探索和認識，但仍缺乏有效的干預(yù)措施來阻止或減緩OA的發(fā)展進程。研究表明，轉(zhuǎn)化生長因子β（transforming growth factor-β，TGF-β）/Smad信號通路參與早期軟骨形成，調(diào)節(jié)軟骨細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)，影響軟骨細胞表型特征。TGF-β/Smad信號通路與OA的病理變化有著密切的聯(lián)系。充分理解TGF-β/Smad信號通路的分子機制，有助于探索治療OA的潛在靶點。因此，本文根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究對TGF-β/Smad信號通路與軟骨細胞以及OA的關(guān)系進行綜述。

1 TGF-β/Smad信號通路

1.1 TGF-β 及其受體

TGF-β屬于TGF-β超家族成員，參與細胞增殖、識別、分化和凋亡等過程，并在哺乳動物早期發(fā)育和調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答過程中起到一定的調(diào)控作用。TGF-β在人類中有三種結(jié)構(gòu)相似的亞型（TGF-β1、TGF-β2和TGF-β 3），它們擁有84%～92%的高度同源性，并被不同的基因所編碼。首先，TGF-β基因編碼形成前體分子（perpro-TGF-β），其主要由隱性相關(guān)肽（LAP）、成熟的TGF-β蛋白和一個信號肽等部分構(gòu)成。信號肽在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中被切除后形成無活性的pro-TGF-β。隨后通過弗林蛋白酶在反式高爾基體中進一步加工，最終成熟的TGF-β從LAP中分離出來。但這兩種多肽仍以非共價鍵的形式形成復(fù)合體（small latency complex，SLC），抑制成熟TGF-β的活性。然后，TGF-β可以通過蛋白酶水解（纖溶酶，MMP-2，MMP-9）、活性氧化物質(zhì)（ROS）刺激、血小板反應(yīng)蛋白-1（TSP-1）與LAP相互作用、酸性環(huán)境刺激或者與整合素的相互作用等方式而激活[6]。

TGF-β超家族有三種受體，分別為Ⅰ型（ALK1-7）、Ⅱ型（TβRⅡ，ActRⅡ，ActRⅡb，BMPRⅡ和MISRⅡ）和Ⅲ型共同受體（CD109、內(nèi)皮因子、β-蛋白聚糖）。其中Ⅰ型受體和Ⅱ型受體都是單通道跨膜受體，是含有特殊絲氨酸/蘇氨酸激酶結(jié)構(gòu)域特征的糖蛋白。信號傳導(dǎo)過程中，Ⅰ型受體不能直接和配體分子結(jié)合，但可以在配體分子存在下和Ⅱ型受體形成親和力比較高的受體復(fù)合物。Ⅱ型受體自身具有多個磷酸位點，具有持續(xù)的激酶活性，因而可以在兩種受體結(jié)合后激活Ⅰ型受體，進而啟動下游通路。Ⅲ型共同受體中的β-蛋白聚糖是一種沒有蛋白激酶活性的蛋白多糖，可以增加配體和另外兩種受體的親和力。此外，作為TGF-β超家族的共同受體，β-蛋白聚糖參與TGF-β超家族配體的運輸，是信號輸出的決定因素[7]。

1.2 Smad

Smad蛋白處于TGF-β/Smad信號通路的核心位置，在信號傳導(dǎo)以及調(diào)控下游目標基因轉(zhuǎn)錄過程中扮演重要角色。已知的哺乳動物Smad蛋白家族包括Smad1、Smad2、Smad3、Smad4、Smad5、Smad6、Smad7和Smad8（有報道稱為Smad9）。根據(jù)其特有的構(gòu)造和功能，將Smad蛋白分為R-Smad，Co-Smad和Ⅰ-Smad。這些蛋白在TGF-β超家族發(fā)起的Smad信號通路中發(fā)揮不同的功能。R-Smad包括Smad1、Smad2、Smad3、Smad5和Smad8，統(tǒng)稱為受體調(diào)節(jié)Smad蛋白，可以和具有激酶活性的Ⅰ型受體相互作用而激活。Smad4被稱為公用型Co-Smad蛋白，可以為所有的R-Smad提供輔助，其主要功能就是協(xié)助信號分子進入細胞核。Ⅰ-Smad是一類對TGF-β超家族信號傳導(dǎo)起到抑制作用的Smad蛋白，主要包括Smad6和Smad7。其可以干擾R-Smad同受體或Smad4的結(jié)合，進而對TGF-β超家族Smad依賴性信號途徑發(fā)揮調(diào)節(jié)或抑制作用[8]。

1.3 TGF-β /Smad信號通路的分子機制

如圖1，TGF-β/Smad信號通路主要是TGF-β信號分子，細胞膜表面Ⅰ型和Ⅱ型絲氨酸/蘇氨酸跨膜受體以及細胞內(nèi)效應(yīng)物質(zhì)Smad通過特異性膜結(jié)合的方式傳導(dǎo)。研究表明，Ⅰ型受體ALK決定何種R-Smad被磷酸化，是信號傳遞的重要環(huán)節(jié)。該特異性主要由Ⅰ型受體β-折疊結(jié)構(gòu)中β4和β5之間的環(huán)和R-Smad蛋白中L3環(huán)之間的相容性決定。典型的TGF-β/Smad信號路徑為TGF-β/ALK5/Smad2，3，然而越來越多的研究發(fā)現(xiàn)TGF-β還可以通過ALK1/Smad1，5，8途徑傳導(dǎo)信號。兩條信號通路分別在軟骨細胞終末分化過程中發(fā)揮相反作用[9]。研究證實，TGF-β/Smad2，3信號傳導(dǎo)有利于維持軟骨細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)，而TGF-β/Smad1，5，8信號通路則會引起軟骨細胞肥大[5，10]。

如圖1所示，活化后的TGF-β先后和兩種受體結(jié)合，并在細胞膜表面形成異源四聚體受體復(fù)合物。然后，具有持續(xù)性激酶活性的TβRII在受體復(fù)合物中磷酸化ALK1或ALK5，使ALK1或ALK5活性得到激活。受體復(fù)合物在細胞膜表面通過clathrin蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞作用而進入細胞質(zhì)[11]。進入細胞后，活化的Ⅰ型受體（ALK5或ALK1）可以和Smad2，3或Smad1，5，8短時間結(jié)合，并使其磷酸化。接下來，Smad2，3或Smad1，5，8從受體復(fù)合物中分離并和Co-Smad相互作用，形成具有功能的三聚體并進入細胞核內(nèi)[12]。然后，三聚體復(fù)合物和帶有轉(zhuǎn)錄因子的目標DNA相互作用并招募不同的復(fù)合物，進而激活不同的基因組[13]。

圖1 TGF-β介導(dǎo)的Smad信號路徑

2 TGF-β/Smad信號通路與軟骨細胞

2.1 軟骨細胞形成

軟骨細胞可以分為早期軟骨細胞形成階段和軟骨細胞肥大階段：早期以轉(zhuǎn)錄因子Sox9上調(diào)，軟骨細胞外基質(zhì)Ⅱ型膠原蛋白和聚集蛋白多糖沉積為特征；肥大階段則以軟骨細胞體積增大，軟骨細胞外基質(zhì)重塑、終末分化標志物成骨轉(zhuǎn)錄因子Runx2、肌細胞促進因子MEF2C、MMP-13、X型膠原蛋白、堿性磷酸酶（ALP）以及印度刺猬蛋白（Ihh）等增加為特征[14-16]。

軟骨細胞形成于胚胎發(fā)育期的間充質(zhì)細胞，同時伴有環(huán)磷酸腺苷（cAMP）、TGF-β、纖連蛋白、神經(jīng)細胞粘附分子（N-CAM）、N-鈣粘蛋白等物質(zhì)增加[14]。間充質(zhì)細胞先后分化為骨祖細胞和成軟骨細胞（此時胞外基質(zhì)和纖維不斷形成），最后形成兩種主要的軟骨細胞，即關(guān)節(jié)軟骨細胞和生長板軟骨細胞。早期軟骨細胞形成階段，關(guān)節(jié)軟骨細胞和生長板軟骨細胞擁有共同的細胞表型特征。然而，兩種細胞什么時候開始形成特有的表型特征并不十分清楚。它們最顯著的區(qū)別在于，關(guān)節(jié)軟骨細胞不會像生長板軟骨細胞一樣進入肥大前狀態(tài)。即關(guān)節(jié)軟骨細胞終末分化被抑制形成永久性透明軟骨。然而，骨關(guān)節(jié)炎發(fā)展期間，關(guān)節(jié)軟骨中的軟骨細胞表型發(fā)生變化，形成類似于僅在終末分化期的軟骨細胞表型。

TGF-β/Smad2，3信號通路可以促進軟骨細胞Ⅱ型膠原蛋白和聚集蛋白多糖的形成[17，18]。事實證明此信號通路在軟骨細胞擴增以及形成軟骨樣組織過程中發(fā)揮重要作用。其潛在機制是TGF-β/Smad2，3信號通路上調(diào)轉(zhuǎn)錄因子Sox9，增加軟骨細胞外基質(zhì)分子。在骨髓間充質(zhì)干細胞形成軟骨的研究過程中發(fā)現(xiàn)，Smad3和Smad4比Smad2發(fā)揮更為重要的作用[19]。

Sox9是早期軟骨細胞、生長板軟骨細胞和關(guān)節(jié)軟骨細胞形成過程中的重要轉(zhuǎn)錄因子，在軟骨細胞分化的不同階段發(fā)揮不同的作用[20]。大量研究表明，Sox9可以促進軟骨特異性基質(zhì)分子（Ⅱ型膠原蛋白和聚集蛋白多糖）的形成。染色體免疫共沉淀測序分析發(fā)現(xiàn)，在早期軟骨細胞形成過程中（肥大階段前），Sox9的目標基因幾乎包括了所有的軟骨細胞外基質(zhì)分子以及眾多軟骨特異性調(diào)節(jié)因子[21，22]。事實證明，Sox9和Sox5/Sox6相互協(xié)作，通過刺激超級增強子促進軟骨細胞外基質(zhì)沉積，進而驅(qū)動軟骨形成[21，23]。研究發(fā)現(xiàn)TGF-β1可以促進Sox9mRNA和Sox9蛋白表達[24，25]，而且可以分別通過兩條獨立的信號通路p38和Smad2，3調(diào)節(jié)Sox9的磷酸化和穩(wěn)定[26]。組蛋白去甲基化酶（KDM4B）減少會降低Sox9啟動子和Smad3的結(jié)合，推測組蛋白去甲基化酶（KDM4B）是Smad依賴性激活Sox9不可缺少的一部分[27]。

2.2 軟骨細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)

軟骨細胞形成后，TGF-β/Smad2，3信號通路有助于維持軟骨細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)，抑制軟骨細胞肥大標志物的產(chǎn)生。軟骨細胞終末分化階段受到轉(zhuǎn)錄因子Runx2的嚴格調(diào)控。Sox9可以通過與Runx2直接作用或通過介導(dǎo)NKx3.2/BaPx1抑制Runx2。此外，Sox9通過與GLI2/3結(jié)合，影響X型膠原蛋白基因上游的增強子，抑制X膠原蛋白的產(chǎn)生[28]。通過重組腺相關(guān)病毒感染，實現(xiàn)骨髓間充質(zhì)干細胞TGF-β和Sox9共表達發(fā)現(xiàn)，Ⅱ型膠原蛋白和聚集蛋白多糖顯著增加，并伴有明顯的細胞擴增、DNA合成以及軟骨細胞形成活動，同時肥大樣標志物Ⅰ型和X型膠原蛋白降低[29]。

體外培養(yǎng)的原代牛軟骨細胞，經(jīng)過BMP9處理后引起Smad1，5磷酸化且伴有下游基因bAlpl表達，并在1周內(nèi)形成肥大的軟骨細胞。此現(xiàn)象在少量TGF-β1存在下得到抑制，表明TGF-β1在維持軟骨細胞表型過程中具有重要作用[30]。通過腺病毒轉(zhuǎn)染兔關(guān)節(jié)軟骨細胞的方式實現(xiàn)TGF-β1過表達，聚集蛋白多糖和Ⅱ型膠原蛋白增加，Ⅰ型膠原蛋白減少，軟骨細胞形態(tài)也從長梭形恢復(fù)成圓形或橢圓型[31]。此外，TGF-β1過表達顯著增加Sox9 mRNA，并且抑制肥大標記物X型膠原基因COL10A1和礦化標記物MMP-13的產(chǎn)生。

基質(zhì)金屬蛋白酶抑制因子-3（tissue inhibitor of metalloproteinase-3，TIMP-3）對軟骨起到一定的保護作用，可以抑制MMP-1、MMP-2、MMP-3、MMP-9及MMP-13等基質(zhì)金屬蛋白酶對軟骨基質(zhì)的降解。TGF-β/Smad2，3信號通路可以刺激軟骨細胞TIMP-3的表達[32]。這一結(jié)論進一步被證實，同時強調(diào)細胞外調(diào)節(jié)蛋白 激 酶1（extracellular signal-regulated kinase 1，ERK1）在TGF-β誘導(dǎo)TIMP-3表達過程中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用[33]。

ALK1和ALK 5的比值升高會造成OA樣軟骨細胞表型。推測TGF-β/Smad信號通路由Smad2，3過渡到以Smad1，5，8傳導(dǎo)為主，進而形成一種類似于發(fā)生在骨關(guān)節(jié)炎以及老化軟骨細胞中的終末分化軟骨細胞表型。有關(guān)研究表明，ALK5的減少會導(dǎo)致軟骨細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)受到破壞從而引起軟骨細胞終末分化[15]。OA和老齡模型鼠膝關(guān)節(jié)軟骨中ALK1/ALK 5比值均升高，鼠軟骨細胞中增加ALK1或抑制ALK5均引起MMP-13表達增加，造成OA樣軟骨細胞表型[34]。通過誘導(dǎo)小鼠軟骨ALK5特異性缺失，導(dǎo)致其產(chǎn)生OA樣軟骨細胞表型，并伴有軟骨退化、滑膜增生和骨贅產(chǎn)生等現(xiàn)象。同時，軟骨細胞中合成代謝和分解代謝相關(guān)因子表達失衡，軟骨細胞過度凋亡[35]。此外，敲除小鼠ALK5基因，PRG4mRNA和蛋白水平均降低。

人軟骨細胞中，ALK5可以促進TGF-β1刺激下PAI-1、纖連蛋白和Ⅱ型膠原蛋白等物質(zhì)的產(chǎn)生，ALK1發(fā)揮相反作用[36]。同時發(fā)現(xiàn)，TGF-β1可引起Smad1，5磷酸化，條件是需要ALK1和ALK5共同參與。ALK5可能在Smad1，5磷酸化過程中扮演更為重要的角色。通過LDN-193189抑制ALK1，2，3并沒有影響TGF-β1誘導(dǎo)的Smad2和Smad1，5磷酸化或下游靶基因表達。相反，通過SB-505124抑制ALK4，5，7則阻礙了TGF-β 1刺激下Smad2和Smad1，5的磷酸化以及下游的轉(zhuǎn)錄活動[37]。該研究表明，ALK4，5，7在Smad1，5和Smad2，3磷酸化過程中都發(fā)揮重要作用。結(jié)果同時表明，Smad1，5的磷酸化可能并不需要ALK1，2，3的參與，這和以往的研究結(jié)論ALK1，2，3，6可以磷酸化Smad1，5，8相矛盾，確切結(jié)論有待更多的研究來驗證。

綜上所述，TGF-β/Smad2，3信號通路可以增加軟骨細胞Sox9、TIMP-3、Ⅱ型膠原蛋白和聚集蛋白多糖等物質(zhì)，并對Runx2、X型膠原蛋白和MMP-13等物質(zhì)起到一定抑制作用。當ALK1/ALK 5比值升高，TGF-β/Smad1，5，8信號通路發(fā)揮主導(dǎo)作用，MMP-13表達增加，PAI-1、纖連蛋白和Ⅱ型膠原蛋白等物質(zhì)降低，導(dǎo)致OA樣軟骨細胞表型。ALK 5可能在TGF-β發(fā)起的Smad2，3和Smad1，5，8兩條信號通路中都發(fā)揮作用，其具體機制仍不清楚。

3 TGF-β/Smad信號通路與OA

3.1 基因突變與OA

隨著全基因組關(guān)聯(lián)分析的快速發(fā)展，TGF-β/Smad信號通路中相關(guān)分子的遺傳突變與OA之間的聯(lián)系已有報道。有研究發(fā)現(xiàn)，TGF-β1 rs1982073C＞T變異可能會增加骨折、骨質(zhì)疏松和OA的易感性[38]。此外，有報道稱TGF-β1突變可能會引起恩格爾曼綜合癥[39，40]。恩格爾曼綜合癥是一種以漸進性皮質(zhì)增厚和長骨硬化為特征的進行性骨干發(fā)育不良疾病。骨硬化被認為與OA的發(fā)展有關(guān)。

相比TGF-β，Smad3基因突變與OA的聯(lián)系得到了更多報道。Smad3由位于15號染色體長臂2區(qū)1帶至2帶區(qū)間的Smad3基因控制，包括9個外顯子和8個內(nèi)含子。通過對527名歐洲患者分析發(fā)現(xiàn)，Smad3基因內(nèi)含子區(qū)域的單核苷酸多態(tài)性與膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎和髖關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生率有關(guān)[41]。國內(nèi)的一項研究也發(fā)現(xiàn)，Smad3基因遺傳突變可能誘發(fā)膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎和手部骨關(guān)節(jié)炎[42]。Smad3基因rs12901499位點，GA、GG基因表型以及變異G和膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生率升高有顯著相關(guān)性[43]。類似的研究結(jié)果在髖關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎患者中得到證實[44]。此外，通過限制性片段長度多態(tài)性聚合酶鏈反應(yīng)（PCR-RFLP）技術(shù)分析112名膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎患者和120名健康對照者基因型發(fā)現(xiàn)，OA組Smad3rs12102171 TT型和rs2289263 GG型要明顯高于健康對照組[45]。

動脈瘤-骨關(guān)節(jié)炎綜合征（AOS）被描述為一種由Smad3基因突變引起的常染色體顯性遺傳病，其表現(xiàn)為動脈瘤、動脈分層和動脈迂曲，并有早發(fā)性骨關(guān)節(jié)炎，輕度顱面、骨骼和皮膚異常等特征[46]。通過分析8個AOS家庭（8種Smad3基因突變）共計45名患者的臨床表現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，在接受放射學(xué)檢測的26位AOS患者中有25位被確認為OA[47]。到目前為止，已經(jīng)在Smad3基因中發(fā)現(xiàn)了29種不同的外顯子突變[48]。突變位點遍布整個基因，尤其在外顯子6區(qū)域存在較高的突變率。大多數(shù)突變發(fā)生在Smad3基因MH2結(jié)構(gòu)域中，該變化將阻礙Smad3和Smad4的寡聚化以及Smad依賴性轉(zhuǎn)錄激活。然而，也有部分研究發(fā)現(xiàn)Smad3基因突變攜帶者（AOS患者）沒有出現(xiàn)OA癥狀[49，50]。由于突變是在心臟疾病背景下研究的，未發(fā)現(xiàn)OA癥狀有可能是源于不完整的診斷方法。以上發(fā)現(xiàn)表明，TGF-β/Smad信號通路中相關(guān)分子的遺傳變異與OA的發(fā)展密切相關(guān)。

3.2 TGF-β /Smad信號通路與OA軟骨損傷治療研究

TGF-β/Smad信號通路受到干擾可能誘發(fā)軟骨損傷。軟骨細胞中TGF-β1受到microRNA-483-5p抑制后，聚集蛋白多糖和Ⅱ型膠原蛋白mRNA含量都降低，MMP-13和Runx2mRNA水平均升高[51]。Ⅱ型TGF-β受體對維持正常軟骨細胞表型不可缺少[52]，通過誘導(dǎo)Ⅱ型受體基因缺失導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨中Runx2，Mmp13和Adamts5表達上調(diào)以及基因缺失小鼠漸進的OA發(fā)育[53]。特異性敲除小鼠Ⅰ型受體ALK5得到類似的結(jié)果[38]：軟骨分解代謝因子過度生成，合成代謝因子表達降低，發(fā)生OA樣軟骨損傷。同樣，Smad3基因敲除（Smad3-/-）小鼠也逐漸發(fā)展為終末期OA表型[54]。以上研究結(jié)果提示如何恢復(fù)TGF-β/Smad信號通路平衡可能成為減緩OA軟骨損傷的關(guān)鍵。TGF-β/Smad信號分子作為OA軟骨損傷治療的重要研究內(nèi)容，研究重點主要集中在TGF-β。收集OA晚期患者受損半月板，對提取出的細胞進行TGF-β3刺激，結(jié)果顯示Runx2顯著下降，Smad2，3、P-Smad2、Sox9明顯增加[55]。

通過誘導(dǎo)TGF-β表達促進OA軟骨細胞的合成代謝，增加Ⅱ型膠原蛋白和蛋白多糖的產(chǎn)生并抑制X型膠原蛋白形成[56]。同樣，誘導(dǎo)TGF-β表達促進體外培養(yǎng)的OA軟骨重塑，增加TIMPs表達，抑制OA軟骨中X膠原蛋白、MMP-13、甲狀旁腺激素相關(guān)肽（PTHrP）和β-連環(huán)蛋白（β-catenin）等物質(zhì)的形成。此外，ALK1和ALK5的表達均增加且保持良好的ALK1/ALK5平衡。

采用軟骨細胞介導(dǎo)的TGF-β1基因療法（TG-C）對動物（兔、羊）OA模型進行干預(yù)治療，特定劑量下Ⅱ型膠原蛋白增加并發(fā)現(xiàn)再生軟骨[57]。TG-C初期臨床實驗發(fā)現(xiàn)，注射軟骨細胞12個月后，一位患者可見新生軟骨組織，12位患者在關(guān)節(jié)炎指數(shù)、關(guān)節(jié)僵硬評分、疼痛感和關(guān)節(jié)活動方面均有不同程度改善[58]。

TGF-β1可以刺激軟骨細胞淺區(qū)蛋白（SZP）的表達[59，60]。SZP又稱為潤華素或蛋白多糖4（PRG4），這些蛋白由表面區(qū)軟骨細胞和滑膜分泌，起到潤滑關(guān)節(jié)的作用，所以SZP在軟骨表面的累積對關(guān)節(jié)穩(wěn)態(tài)十分重要。免疫印記法和酶聯(lián)免疫吸附實驗證實，淺表層軟骨細胞表面的粘多糖影響TGF-β1對SZP積累的刺激[61]。抑制Smad3磷酸化可以抑制TGF-β1誘導(dǎo)的SZP剪接作用以及SZP蛋白的表達，說明SZP可變剪接以及蛋白表達受到TGF-β/Smad2，3信號通路調(diào)控[59]。

3.3 增強TGF-β /Smad信號傳導(dǎo)可能加重OA

鑒于TGF-β/Smad信號通路在維持正常軟骨細胞功能過程中發(fā)揮的重要作用，給予外源性TGF-β治療OA軟骨損傷的報道并不少見。然而，研究者發(fā)現(xiàn)TGF-β表達過高也可能會產(chǎn)生一定的負面作用。增強TGF-β/Smad信號傳導(dǎo)可能誘發(fā)與OA有關(guān)的軟骨損傷、軟骨下骨病變和滑膜纖維化等病理變化。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)OA關(guān)節(jié)軟骨中TGF-β1/Smad2，3信號增強，通過敲除TβRⅡ抑制該信號通路則會使軟骨損傷減輕[62，63]。此外，通過抑制不同OA動物模型中TGF-β1活性可以減輕OA病理特征并減緩關(guān)節(jié)軟骨的退化[64]。另外一項研究也發(fā)現(xiàn)，TGF-β1過多表達會削弱TGF-β 1/Smad信號通路對OA的緩解作用，抑制TGF-β1活性則減輕軟骨損傷[65]。此外，通過研究自發(fā)性O(shè)A模型發(fā)現(xiàn)軟骨退行性病變可能與TGF-β/Smad信號通路改變有關(guān)[66]。結(jié)果顯示隨著年齡的增長，關(guān)節(jié)軟骨pS-mad2，3水平下降，而pSmad1，5，8水平上升。衰老機制可能調(diào)控TGF-β/Smad信號通路，使其從Smad2，3偏向Smad1，5，8通路[67]，提示過度的TGF-β活動可能加速軟骨的退化。

隨著近年來對OA病理機制的不斷研究，學(xué)者們開始關(guān)注軟骨下骨和OA的聯(lián)系，并將軟骨和軟骨下骨視為一個整體的功能單位。傳統(tǒng)觀點認為緊鄰軟骨下骨板的鈣化層是兩者不能通過的屏障，事實證明軟骨和軟骨下骨間存在相互串擾，軟骨下骨板上的孔隙可能成為串擾的路徑[68]。尤其是在發(fā)生OA后，軟骨下骨板上的孔隙增加[69，70]，這種串擾可能會更加強烈。推測OA發(fā)生后，滑液中的代謝因子異常，并通過軟骨下骨板的孔隙相互滲透，造成軟骨和軟骨下骨間的相互作用[68]。關(guān)節(jié)中異常的TGF-β表達可能同時影響關(guān)節(jié)軟骨和軟骨下骨，研究指出活化的TGF-β可以促進間充質(zhì)干細胞向骨重塑位點轉(zhuǎn)移，耦合骨吸收和骨形成[71]。OA發(fā)生過程中軟骨下骨異常重塑可能與此有關(guān)。研究認為TGF-β1會產(chǎn)生類骨樣小島和異常骨組織并改變軟骨下骨微結(jié)構(gòu)[64]。一項關(guān)于膠原誘導(dǎo)性關(guān)節(jié)炎的研究證實，軟骨下骨病理變化與異常的TGF-β1活性有關(guān)，而且在軟骨下骨中發(fā)現(xiàn)較高的pSmad2，3水平[72]。推測TGF-β/Smad信號通路可能在OA軟骨下骨病變中發(fā)揮一定作用。

持續(xù)的TGF-β信號活動可能導(dǎo)致多種組織的纖維化，例如肝臟、肺部、心臟、腎臟、骨和皮膚等[71]。同樣，TGF-β過度表達可能引起滑膜纖維化[73]。賴氨酸羥化酶2b（LH2）與骨關(guān)節(jié)炎纖維化成正相關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)TGF-β可以通過ALK5/Smad2，3信號傳導(dǎo)誘導(dǎo)PLOD2/LH2產(chǎn)生。Blaney等向小鼠關(guān)節(jié)注射介導(dǎo)TGF-β的腺病毒載體2周后，滑膜寬度是對照組的2.5倍，Ⅰ型骨膠原的表達量是對照組的2.45倍，這些指標說明TGF-β導(dǎo)致滑膜纖維化[74]。同樣是通過腺病毒載體實現(xiàn)關(guān)節(jié)TGF-β1過表達，Watson等發(fā)現(xiàn)裸鼠膝關(guān)節(jié)出現(xiàn)了嚴重的纖維化[75]。提示TGF-β1可能是關(guān)節(jié)纖維化的誘導(dǎo)因子。

此外，有研究提出，軟骨細胞中TGF-β通過ALK5/Smad2，3依賴性信號傳導(dǎo)方式刺激神經(jīng)營養(yǎng)因子（NGF）表達。OA疼痛和NGF成正相關(guān)，這可能揭示了OA中潛在的非炎性疼痛的來源[76]。

3.4 TGF-β /Smad信號通路可作為治療OA的潛在靶標

綜上所述，增強的TGF-β/Smad信號傳導(dǎo)可能促進OA的發(fā)展，如何抑制其信號傳導(dǎo)可能成為治療OA的重要內(nèi)容。為此，眾多研究者進行了不斷的探索。Xue等通過慢病毒載體介導(dǎo)shRNA敲除Smad4，從而抑制TGF-β/Smad信號傳導(dǎo)[77]。體內(nèi)和體外研究結(jié)果顯示，敲除Smad4可以抑制波形蛋白、α-SMA、collagenⅠ、collagen III、Lama1和Timp1等纖維化標志物的產(chǎn)生。Zhen GH等通過多種手段干擾TGF-β/Smad信號傳導(dǎo)，不同程度地減輕了ACLT模型鼠的OA癥狀[64]。軟骨下骨局部進行TGF-β1中和抗體處理后，減輕了異常軟骨下骨形成和關(guān)節(jié)軟骨退化；關(guān)節(jié)內(nèi)注射TβRI抑制劑后，穩(wěn)定軟骨下骨結(jié)構(gòu)，減輕軟骨退變；誘導(dǎo)性敲除TβRII后，軟骨蛋白多糖丟失減少，軟骨鈣化減輕，MMP-13和collagen X得到抑制。Chen等證實通過特異性基因敲除TβRII或使用TβRII抑制劑均可以減輕OA（DMM模型）引起的軟骨退變[62]。Fang等發(fā)現(xiàn)成年小鼠退行性踝軟骨中TGF-β1和pSmad2，3水平升高，TβRII基因敲除可以減輕踝軟骨退變[63]。此外，Blaney Davidson等[74]通過向小鼠膝關(guān)節(jié)注射IL-1的方式誘導(dǎo)軟骨損傷，并注射表達TGF-β和Smad7的腺病毒載體進行干預(yù)。結(jié)果顯示，Smad7可以減輕TGF-β引起的滑膜纖維化，同時不影響TGF-β對軟骨的修復(fù)。

綜上，TGF-β/Smad信號通路和OA的具體關(guān)系仍然沒有定論。全基因組分析證明TGF-β和Smad3基因突變可能誘發(fā)與OA相關(guān)的疾病。干擾TGF-β/Smad信號傳導(dǎo)誘發(fā)OA的研究不在少數(shù)。然而，隨著研究的深入，部分學(xué)者得出了相矛盾的結(jié)論。例如，TGF-β/Smad信號通路可能引起軟骨損傷、軟骨下骨病變以及滑膜纖維化等OA癥狀。而且，研究者嘗試多種手段以阻斷TGF-β/Smad信號傳導(dǎo)的方式治療OA，并得到了較理想的治療效果。因此，TGF-β/Smad信號通路和OA的具體關(guān)系仍需要更多的實證研究來確定。

4 小結(jié)

目前研究表明，TGF-β/Smad信號通路參與早期軟骨細胞形成，并在維持軟骨細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)過程中發(fā)揮重要作用。TGF-β信號分子I型受體ALK1和ALK5的比值升高會影響軟骨細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)，甚至造成OA樣軟骨細胞表型。TGF-β/Smad信號通路異常可能誘發(fā)OA樣軟骨損傷，加劇OA癥狀。然而，也有證據(jù)表明過強的TGF-β/Smad信號傳導(dǎo)可能誘發(fā)軟骨損傷、軟骨下骨病變和滑膜纖維化等疾病。筆者推測TGF-β/Smad信號通路具有一定的時間和空間特征（不同組織），在不同時間和空間產(chǎn)生不同的生物學(xué)效果。因此，充分理解OA的發(fā)病機制，掌握OA后關(guān)節(jié)內(nèi)不同組織中TGF-β/Smad信號通路相關(guān)分子的變化規(guī)律并恢復(fù)其上下游分子的平衡可能為治療OA提供一定思路。隨著全基因組關(guān)聯(lián)分析的發(fā)展，可篩選與早發(fā)性O(shè)A有關(guān)的遺傳變異（例如Smad3），為早期發(fā)現(xiàn)易感患者，理解發(fā)病機制，預(yù)防和治療OA提供依據(jù)。TGF-β/Smad信號通路和OA的關(guān)系仍沒有十分明確，需要更多的研究來闡明。