软骨细胞外基质对软骨细胞作用研究进展

　　摘要：细胞外基质（ECM）主要由网状的II型胶原和连锁网状的胶原蛋白，蛋白多糖，透明质酸组成。关节软骨细胞外基质在调节软骨细胞代谢和功能方面具有重要作用，细胞通过整合素调节细胞分化、代谢、基质重塑以及对机械刺激做出反应。调节软骨生成的主要信号通路有WNT、NO、PKC、RA信号通路。整合素是一个大族分子，是多细胞生物的中心调节者。他们从胚胎发育到组织成熟阶段一直调节细胞-细胞、细胞-基质粘附作用。在这篇综述中，重点阐述软骨ECM对生成软骨的信号分子作用及其生物作用机制。

　　关键词：软骨细胞外基质 生物调节 整合素 信号分子

　　[中图分类号]R2 [文献标识号]A [文章编号]1061-6035（2015）7-0013-02

　　1.什么是ECM

　　在生物学中，ECM是多细胞结构（器官、组织、生物膜）的细胞外部分，可对周围的细胞提供结构和生物化学支持[1]。由于多细胞结构由不同的多细胞系独立进化而来，故而ECM的组成在不同的多细胞结构中是不同的；然而，细胞粘附、细胞间传导、细胞分化是ECM共同的功能。软骨ECM主要由II型胶原和脂多糖PGs(HA、CS)组成。由于软骨缺少自我修复功能，一旦损伤难以治愈，甚至导致退化。软骨ECM是一个独特的环境，ECM通过整合素的集聚在细胞粘附、皮质肌动蛋白骨架组织、细胞分散中发挥作用[2]。

　　ECM由大分子的PGs组成，其中包括GAG，HA，纤维，其他分子成分（纤连蛋白和层粘连蛋白）。纤维包括弹性蛋白和胶原，胶原包括（I，II，III，V，XI），FACIT(IX，XII.XIV)，短链（VIII，X）基底膜（IV）和其他（VI，VII，XIII）。整合素是ECM中较为重要的大分子，作为跨膜受体，可以介导细胞和细胞周的粘附，整合素把ECM的化学组成信息和机械状态传代到细胞中。因此，除了通过脆弱的膜传递机械力信息，整合素在细胞信号传导、细胞周期、形态、动力调节方面也有涉及。

　　2.ECM的功能是什么？

　　由于ECM不同的性质和组成，其有很多功能，比如提供支持，分离组织，调节细胞内信号传导。ECM可调节细胞的动态行为。除此之外，ECM储存大量的细胞生长因子，作为局部仓库存储库。生理条件的改变能激活酶活性，从而导致这些因子的局部释放。这种条件实现了快速、局部的生长因子介导的细胞功能活性。

　　关节软骨ECM在调节软骨功能方面具有重要作用，通过细胞-基质作用、细胞骨架、整合素介导的信号通路等方式。ECM对软骨细胞的膨胀行为和渗透环境有影响[2]。软骨细胞产生的因子影响ECM的合成。

　　软骨细胞和ECM之间的相互作用调节很多生物过程，维持关节软骨的稳态和修复，包括细胞粘附，生长，分化，生存。整合素有两个主要的功能：（1）促进细胞粘附（2）将ECM信号传导至细胞内。然而，他们也具有其他的生物学功能，包括免疫巡视，细胞迁徙，通过某种病毒粘附细胞，如腺病毒等。

　　3 ECM和细胞作用

　　软骨生成过程如下：在胚胎期，骨骼系统来自中胚层。凝集的间充质细胞分化成软骨细胞，并分泌形成ECM的分子。ECM和软骨生成的关系在这就好好讨论一下。ECM的3D环境引导组织形态呈非均质结构。软骨细胞分化是个多步过程，细胞形态和基因表达都相继发生变化。胚胎早期，骨骼的大部分是软骨样的。这个短暂的软骨后来被骨代替（软骨内成骨），直到青春期结束。相反的，关节处的软骨在整个生命过程中一直都未矿化，因此，永远都是软骨。在软骨细胞生命周期的早期阶段，细胞-细胞粘附是通过如N-钙黏着蛋白等分子介导的。在晚期阶段，如在生长板处的软骨细胞，粘附信号通过ECM蛋白，传递给整合素和其他ECM受体。细胞基质作用在软骨生成中也有重要作用。

　　3.1 信号传导和整合素

　　调节软骨生成的主要信号通路在细胞-基质中起着重要作用。这些分子连接细胞质膜、细胞内受体，并被复杂的分子通路解析，这些通路使用特定的细胞/组织信号，最终集中作用于转录因子，诱导基因表达的改变。这些信号可通过WNT信号通路，NO，RA，PKA等通路调节细胞代谢，从而影响细胞命运：增生、分化、凋亡[5]。

　　WNT9a参与软骨增生和分层形成，在介导斑马鱼腭延伸的细胞机制中发挥作用。Frzb和fzd7在两端的骨小梁迁徙指导中发挥着可有可无的作用，而在腭延伸和融合中起着必要作用，其中，腭延伸是由软骨细胞增生，形态改变，分层等过程介导的。在WNT9a/frzb/fzd7a突变体中，bapx1下调。而过表达bapx1能部分援救上述突变体的下颌缺陷。

　　NO是一种重要的第二信使分子，来自NOS(一氧化氮合成酶)家族酶解L-精氨酸的代谢产物。NOS抑制剂1-咪唑（TRIM）能破坏软骨分化。因此，TRIM处理的胚胎仅形成散在的软骨细胞集落。这可能是细胞分化和存活身份特异性改变而导致的。NO可能是通过非乙酰化通路作用于组氨酸乙酰化的上游分子。TRIM抑制软骨分化，此过程是通过受损的NO产物介导的，对S-亚硝基化没有明显的作用[6]。TRIM破坏Hox基因型，导致组氨酸低乙酰化。NO通过ERK1/2和p38信号通路使软骨细胞去分化和凋亡，从而调节软骨降解。

　　整合素介导MAPK家族调节软骨基因表达。一些研究认可了同位素标记的单克隆抗体，认为软骨型可能是整合素介导的，包括β1和β3亚基家族。软骨细胞对纤粘蛋白基质Gla蛋白、骨桥素，有很强的粘附作用，这暗示着基质和整合素在软骨细胞中具有一定的联系。软骨细胞表达整合素家族的几个成员，包括α5β1，其是纤连蛋白的主要受体。Α5β1整合素为正常软骨和骨关节炎软骨细胞基质提供存活信号，从而阻止凋亡。因此，整合素介导的细胞-基质作用在骨关节炎(OA)软骨中是下调的，这说明在OA中，软骨细胞-基质作用紊乱。Β1整合素，由ITGB1基因编码，是一种多功能蛋白，在细胞-基质、细胞信号、细胞粘附、蛋白连接、受体介导活性中都有涉及。细胞表面受体-Β1整合素家族介导细胞-基质作用，而此作用在调节细胞基本功能中有重要作用。

　　纤连蛋白受体，GPIIb/IIIa受体，整合素-连接激酶，整合素细胞浆-区域-连接蛋白1，CD47信号通路在软骨细胞的去分化中起着重要作用。TGF-β3，MMP9，MMP13，血管内皮生长因子是重塑软骨组织的重要调节者他们功能调节基质降解、骨祖细胞的集聚和分化。IL-1受体拮抗剂上调软骨基质的主要成分，因此，我们能用它在抗炎和软骨保护治疗手术中要保护ECM。

　　3.2 因子和酶

　　细胞-基质作用中缺少生长因子后，一些细胞就被挑选出来了，从增生转化到新的稳定的细胞状态。软骨细胞机械受体可能和β1整合素共同作用，从而对ECM相关的离子通道、细胞骨架、信号蛋白敏感，维持软骨形态，阻止软骨细胞凋亡，调节软骨细胞特异性基因表达。TNF-α和IL-1β导致压力-损伤-相关蛋白的释放，从而缓轻机械损伤。ECM中的TNF-α和IL-1β、抗Fas抗体生长调节的致癌基因α能导致软骨细胞凋亡。软骨细胞凋亡和caspase-3活性相关。在软骨移植中，IGF-1能抑制IL-1对PG合成的分解代谢作用，并通过减少MMP1和MMP8表达和活性从而抑制ECM成分的降解。

　　凋亡是细胞的程序性死亡。凋亡细胞开始了细胞死亡。如OA能导致凋亡。OA是由于软骨细胞的炎症介导者（细胞因子和趋化因子）和影响子（MMPs，活性氧，氮类物）的异常产物导致的。COMP在软骨细胞-基质中起着重要作用。COMP诱导凋亡家族抑制剂的存活，通过阻断caspase3活性从而导致软骨细胞凋亡受制。在人类关节软骨这两个区域，COMP合成受TGF调节。COMP突变有很大影响。

　　尽管他是ECM中的一个小分子，其突变可导致假关节生成。COMP特异性表达于一些细胞的粗面内质网，对软骨前体细胞有毒性作用，从而抑制骨，软骨形成。一定剂量的锶和COMP能维持软骨胶原和纤连蛋白的整体结构。

　　3.3 生物力学

　　提及到生物力学，软骨组织在面对刺激时能重塑ECM，从而满足功能需要。PCM是围绕软骨细胞周围的窄的组织区，与封闭的细胞被称为“硫酸软骨素”。PCM富含纤连蛋白、PGs和胶原，但是和ECM相比，有更多的COLVI存在。OA能导致PCM的降解，在ECM和硫酸软骨素的应力特点和材料性能发生改变后改变软骨细胞的环境。PCM在调节软骨细胞的机械环境中有很重要的作用。ECM的过量负荷可导致细胞膜受损，最终导致细胞死亡。TNF和IL-1可导致压力-损伤-相关蛋白的释放，从而减轻机械损伤。

　　4 总结

　　对细胞外基质的定义、组成、ECM-细胞作用的了解能增加我们的知识，指导实验研究和应用的方向。很明显，我们对软骨生成中的细胞-基质作用和调节作用懂的还是太少。在这个领域，还有很多需要探讨：研发新的手段，应用于除健康之外的炎症软骨细胞，这能帮我们改变或阻止疾病进程。精确地了解ECM-细胞作用和每个PCM-介导的控制机制帮助我们更好的了解健康，了解软骨细胞病理分化过程，也可能导致新的治疗手段产生。

　　参考文献：

　　[1]成军，细胞外基质的分子生物学与临床疾病，北京：北京医科大学出版社，1999；1-28

　　[2]毛志刚，细胞外基质成分及空间形态结构对成纤维细胞生物学行为的影响，重庆：中华烧伤杂志，2005；3-21

　　[3]Bianco P，Robey PG.Stem cells in tissue engineering.Nature.2001；414(6859)：118-21.

　　[4]Pollok JM，Vacanti JP.Tissue engineering.Semin Pediatr Surg.1996；5(3)：191-196.

　　[5]路玲.整合素去活化的调控机制[J].中国细胞生物学学报，2015，：320–327

　　[6]胡蕴玉.把握契机加快我国组织工程学的应用研究[J].中华骨科杂志，2000，20(9)：517-518.

　　张宇娜 谷楠 刘长欢 张琦 王珂 刘富萍

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