
2. 甘肃省中医院风湿骨病中心, 甘肃 兰州 730050
,
LI Hao-lin1,
YANG Juan-juan1,
SU Xiao-jun2,
LEI Hai-tao2,
LU Dong-sheng1,
KAN Li-li2,
TAO Peng-fei1,
WANG Hai-dong2
2. Rheumatism and Bone Disease Center of Gansu Provincial Hospital of Traditional Chinese Medicine, Lanzhou 730050, China
类风湿关节炎(rheumatoid arthritis,RA)是一种以炎性细胞浸润、滑膜组织异常增生及血管翳的生成为病理特点,进而侵犯关节软骨及骨质,最终导致关节畸形甚至残疾的系统性自身免疫性疾病[1]。RA发病涉及多种类型的细胞,包括淋巴细胞、成纤维细胞、软骨细胞、树突状细胞以及巨噬细胞等。趋化因子C-X-C基序配体12(C-X-C motif chemokine ligand12,CXCL12),又名基质细胞衍生因子-1(stromal cell derived factor-1,SDF-1),由基质细胞、成纤维样滑膜细胞(FLS)、成骨细胞、树突状细胞和单核细胞在广泛的不同组织中分泌,可参与RA滑膜增生、血管生成、软骨退化和骨侵蚀等病理过程。同时,作为CXCL12的天然受体,CXC受体4(CXC chemokine receptor 4,CXCR4)在FLS、软骨细胞、内皮祖细胞中高度表达。CXCL12和CXCR4结合后可激活受体偶联的G蛋白,继而影响下游信号转导途径,在RA发病过程中发挥免疫应答和炎症修复等作用。
1 CXCL12/CXCR4的结构特点趋化因子是一类分子质量为8×103~12×103的小细胞因子,其主要功能是诱导各类细胞聚集并产生炎性病变,进而通过定向迁移来参与炎症反应[2]。根据NH2末端半胱氨酸残基数量和位置的不同,将其可分为CXC、CC、C和CX3C四个亚家族,它们由不同的细胞类型产生,并通过激活其各自的G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptors,GPCR)来实现其生物学功能。趋化因子CXCL12属于CXC亚家族,由68个氨基酸构成。与大多数CXC亚家族成员不同的是,其他成员的基因位于染色体4q21上[3],而CXCL12的基因位于染色体10q11上。此外,CXCR4作为CXCL12唯一配体,最初被称为白细胞衍生的7次跨膜结构域受体(LESTR)或Fusin,后来被归类为GPCR,它由352个氨基酸组成,其基因位于染色体2q2上[3]。CXCL12与CXCR4结合过程中包含两个结构域,分别为CXCL12的前8个NH2末端氨基酸和RFFESH[3],其中,RFFESH位于CXC基序的COOH末端,并负责CXCLL12与CXCR4之间的初始结合,可提供结合亲和力并诱导三维构象发生变化,使CXCL12的NH2末端激活与CXCR4受体结合的信号传导。
2 CXCL12/CXCR4介导的信号通路CXCL12通过与CXCR4结合,作为细胞生长和存活的调节剂,在干细胞和造血祖细胞的归巢中发挥关键作用。CXCL12与CXCR4结合后促使G蛋白发生三维构象变化,并启动从GTP到GDP的转换,导致Gα亚基与Gβ/Gγ二聚体解离。解离后的Gβ/Gγ二聚体激活磷脂酶C(PLC)-β,催化磷脂酰肌醇(4,5)-二磷酸(PIP2)水解成肌醇(1,4,5)-三磷酸(IP3)和二酰基甘油(DAG)两个信使。IP3受体(IP3R)与IP3结合后,促使细胞内储存的钙离子释放到细胞质中。与此同时,DAG促进蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)和丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)的活化,进一步加速了细胞因子的增殖趋化[4];此外,Gβ/Gγ二聚体还参与了Ras激活MAPK/ERK级联,对基因表达和细胞周期进程产生深远的影响[5]。根据Gα亚基的不同,GPCR信号通路又可分为Gαs、Gαi、Gαq以及Gα12。Gα亚基可抑制腺苷酸环化酶(AC)的激活,接着AC又可催化5′三磷酸腺苷,使其转化为环磷酸腺苷(cAMP),由此来进一步调节其他下游信号因子。值得注意的是,无论是Gβ/Gγ二聚体还是Gαi亚基,两者均可激活磷酸肌醇-3激酶(phosphatidylinositide 3-Kinase,PI3K),触发丝氨酸-苏氨酸激酶AKT的活化及多种黏附蛋白的磷酸化,刺激下游核转录因子-κB(nuclear factor-κB,NF-κB)和mTOR途径,从而在炎性细胞存活和增殖中起关键作用。CXCR4还可以通过Gαq和Gα12/13转导信号,如CXCR4与Gαq结合可以通过PLC-β偶联下游相关信号蛋白,增强IP3合成和PKC的信号转导。总之,CXCL12与CXCR4的结合可诱发典型的细胞内反应(例如细胞内钙离子动员或AC的调节),进而调节多种信号通路,参与RA的病理进程[4, 6],见Fig 1。
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| Fig 1 CXCL12/CXCR4 mediated signaling pathways |
CXCL12在RA滑膜中表达,可通过介导免疫细胞中T细胞和B细胞的迁移和活化来参与RA的免疫反应。在滑膜炎症期间,受趋化因子和趋化因子受体介导,T细胞、B细胞及白细胞迁移至滑膜液中参与炎症反应,这是RA的关键致病过程。在CXCL12的作用下,RA滑膜组织中的CD4+记忆T细胞被激活,活化的CD4+ T细胞在滑膜腔内积聚,进而诱导滑膜成纤维细胞和其他免疫细胞的侵袭性表型,最终导致骨破坏及关节功能障碍。蒋宇等[7]研究发现,CXCL12/CXCR4可以介导调节性T细胞(regulatory T cell,Treg)从外周血迁移到关节滑液中,进而影响RA的炎症进展。另有研究发现[8],T细胞可在CXCL12的引导下迁移到炎症滑膜,并产生IL-17;而产生的IL-17可诱导FLS分泌更多的CXCL12;二者互相影响、互为因果,进一步加剧RA炎症反应及骨质破坏。同时,CXCL12/CXCR4还可激活PI3K/Akt通路,上调激活蛋白-1(AP-1),促进c-Jun与AP-1位点的结合,进而促进T细胞募集和IL-6表达,导致RA炎症和关节破坏[9]。
除此之外,CXCL12/CXCR4调控B细胞向RA滑膜募集。如Nanki等[10]研究发现,正常人体和RA患者B细胞中趋化因子存在差异表达,CXCL12增强了抗IgM mAb刺激的外周血B细胞中TNF-α产生。类似地,Guo等[11]发现CXCL12在RA患者外周血CD19+CD24hiCD27+B细胞向FLS迁移中发挥了重要作用,且从分离的CD19+CD24hiCD27+B细胞可上调RANKL的表达来促进破骨细胞分化。因此,CXCL12/CXCR4在RA滑膜炎的发生、发展中扮演了至关重要的角色,阻断CXCL12/CXCR4的信号转导可减少多种促炎细胞因子表达,进而延缓RA的发展。
3.2 CXCL12/CXCR4参与RA血管生成研究表明,RA成纤维细胞中的CXCL12/CXCR4的表达水平与微血管密度呈正相关[12]。最初内皮细胞表达CXCL12,并在基质上自发形成管状结构,这种分支形态发生与细胞表面CXCR4表达的时间极化有关,并且可以被百日咳毒素(Gi蛋白介导的CXCR4信号通路的抑制剂)或CXCL12/CXCR4的抗体破坏,这表明CXCL12/CXCR4在血管生成中起到了重要作用[6]。事实上,CXCL12已被证明在多个体外和体内系统中调节血管生成,CXCL12诱导内皮细胞迁移、趋化、3D凝胶中的管形成以及体外主动脉环的萌芽,这些都是形成血管系统的关键步骤。
众所周知,MAPK和ERK与RA血管生成有关。CXCL12/CXCR4通过激活MAPK/ERK、PI3K/AKT和Wnt/β-连环蛋白途径从而启动人脐静脉内皮细胞(HUVEC)迁移、增殖和血管生成[13]。此外,CXCL12/CXCR4还可以通过将内皮细胞固定在硫酸肝素分子上诱导血管生成,并分别通过基质金属蛋白酶3(MMP-3)和MMP-9激活软骨细胞和破骨细胞来诱导血管生成,从而促进关节破坏[14]。在涉及RA血管生成的各种因素中,血管内皮生长因子(VEGF)及其受体VEGFR被认为发挥着主要作用。一方面,VEGF作为CXCL12/CXCR4轴的下游信号分子,是一种特殊的细胞因子,可直接作用于滑膜的血管内皮,促进滑膜血管生成,增加血管通透性和炎性细胞因子的产生[15];另一方面,CXCL12与CXCR4的连接有助于VEGF的产生,这表明CXCL12/CXCR4级联反应的激活也可以间接诱导血管生成[2]。另有证据证明,CXCL12促进RA血管生成的另一个机制是通过上调血管生成相关基因。其中IL-6作为上调最早且最高的基因,可通过ERK磷酸化和NF-κB的激活来诱导VEGF,是CXCL12和各种下游血管生成因子的关键调节剂[16]。以上研究表明,CXCL12/CXCR4可通过参与调节信号通路、细胞因子、血管生成相关基因等参与RA血管生成,因此,CXCL12/CXCR4可能是RA治疗的潜在靶点。
3.3 CXCL12/CXCR4参与RA骨侵蚀软骨破坏和关节骨侵蚀是晚期RA的主要病理特征。CXCL12存在于滑膜中,其受体CXCR4位于软骨细胞表面,CXCL12通过与CXCR4结合可激活MAPK、NF-κB、PI3K/Akt、JAK/STAT等信号通路及其下游转录因子,进而导致RA关节炎症的持续进展及骨破坏[17]。研究发现,激活MAPK信号通路可促进下游通路分泌MMPs,加速软骨细胞肥大和钙化,进而刺激软骨细胞凋亡。Chen等[18]的实验数据证明,CXCL12/CXCR4-p38 MAPK信号通路可通过降低下游蛋白MMP-1、MMP-4和MMP-38的表达,维持软骨细胞和细胞外基质的动态平衡,减少软骨的结构损伤和软骨结构的破坏。此外,数据表明,MAPKs调节促炎细胞因子和介质(如TNF-α、IL-17和IL-1)的释放,有助于抑制软骨炎症和软骨细胞凋亡[19]。有学者指出,CXCL12/CXCR4作为软骨细胞中NF-κB信号传导过程中一个主要上游调节因子之一,可直接激活NF-κB通路,在RA中发挥关键作用[20],这表明CXCL12/CXCR4抑制NF-κB信号通路可以改善RA患者和实验动物的炎症反应、滑膜细胞增殖和关节损伤。与此一致,在Si等[1]的研究中,发现通过抑制CXCL12/CXCR4-NF-κB可显著降低炎症细胞因子水平,对佐剂性关节炎大鼠足爪水肿具有保护作用。陈俊等[21]的研究也证实,RA滑膜组织中CXCL12、CXCR4可下调NF-κB p65、IκBα的表达,从而抑制NF-κB信号通路, 这是艾灸治疗RA的机制之一。除此之外,多项研究指出[9, 22],CXCL12/CXCR4还可参与PI3K/Akt和JAK/STAT信号通路的激活,直接或间接调节了炎症因子的释放、增殖、凋亡以及与炎症相关的活性酶的形成,进而参与RA的病理过程。
4 CXCL12/CXCR4拮抗剂在RA中的应用前景CXCR4/CXCL12全程参与了RA滑膜炎、血管翳以及骨侵蚀等多个方面的病理机制,抑制CXCR4/CXCL12可有效缓解RA关节炎症,减轻骨破坏。目前已经确定了几种拮抗CXCR4/CXCL12的药物,包括肽T140、AMD3100,microRNA以及雷公藤红素等。研究发现[23],从马蹄蟹中提取的十四聚体肽T140及其生物稳定的衍生物4F-苯甲酰基-TN14003被发现是强效且生物稳定的CXCR4拮抗剂,这种肽不仅具有抗HIV活性,还具有抗炎活性,可有效减轻关节炎小鼠模型中胶原诱导的关节炎。同时,Tamamura等[24]的实验也证明,在CIA小鼠模型皮下注射4F-苯甲酰基-TN14003能够以剂量依赖的方式抑制CXCL12介导的人Jurkat细胞和小鼠脾细胞的迁移,进而降低关节评分,减轻小鼠体质量,缓解踝关节肿胀等症状,有效缓解CIA小鼠病情发展。AMD3100(普瑞沙福)是一种双环酰胺衍生物,最初因其抗HIV感染的有效活性而被广泛研究[6],然而,随着研究的不断深入,确定AMD3100是第一个有效且高特异性的CXCR4拮抗剂,该化合物还特异性抑制了CXCL12的生物活性,包括CXCL12与CXCR4结合、细胞内钙信号传导,以及CXCR4内吞作用。如Matthys等[25]发现,AMD3100抑制Mac-1+/CXCR4+细胞响应CXCL12的迁移,并降低DBA/1小鼠CIA的严重程度。同时,作为CXCR4/CXCL12的另一种拮抗剂,MicroRNA是调节基因表达的小的非编码RNA,其作用已在多种疾病中得到检验[23]。Du等[26]证实miRNA(特别是miR-137)对成纤维细胞中CXCL12表达的抑制作用,可减轻滑膜中炎症细胞因子的增殖、侵袭及表达。MicroRNA在RA的发病机制中发挥着至关重要的作用,并且可以作为诊断生物标志物和治疗药物[26]。Xiang等[27]发现,miR-142-5p可以通过靶向CXCR4抑制MAPK信号通路,减弱CXCL12诱导的软骨细胞凋亡和降解;Gao等[28]研究发现,miR-23通过CXCL12调节NF-κB信号通路,抑制RA炎症、延缓RA发展进程。除此之外,雷公藤红素作为一种从雷公藤中分离得到的天然三萜烯,在我国已广泛用于自身免疫性疾病以及炎症性疾病的治疗。有数据表明[29],雷公藤红素通过NF-κB信号通路影响RA-FLSs中CXCL12/CXCR4的表达水平。在此之前,Li等[30]观察到,雷公藤红素可抑制HIF-1a与CXCR4基因上的启动子的结合,导致转录停止,进而抑制CXCL12/CXCR4诱导的促炎细胞向关节间隙的迁移和入侵。此外,有文献报道[31],芍药苷-6’-O-苯磺酸酯(CP-25)是芍药苷的新型酯类衍生物,可通过降低内皮细胞中GRK2的质膜定位、抑制ERK1/2磷酸化等功能来显著抑制佐剂性关节炎大鼠血管翳的形成,从而发挥抗血管生成作用。但该化合物目前还处于研究阶段,临床应用较少。见Tab 1。
| Author | Experimental material | Antagonist | Results |
| Tamamura | Jurkat cells | 4F-benzoyl-TN14003 | Increased scores,weight loss,ankle swelling and limb weight gain |
| Hirokazu[24] | Mouse splenocytes | ||
| Patrick Matthys[25] | IFN-γR KO mice of DBA/a strain | AMD3100 | Low morbidity,delayed onset,reduced clinical disease scores; significant reduction in inflammatory cell infiltration and synovial hyperplasia |
| Juan Du[26] | Male Wistar rats | MicroRNA-137 (miR-137) | Inhibiting proliferation,migration,invasion of RA-FLS; inhibiting the expression of TNF-α,IL-6,IL-8,and IL-1β proteins in RA-FLS; reducing total CXCL12 mRNA and protein levels |
| Bo Gao[28] | Serum from RA patients RA-FLSs | miR-23 | Significantly reduced levels of CXCL12,TNF-α,IL-1β and IL-8 |
| Zhengyu Fang[29] | RA-FLSs | Celastrol | Significantly reduced expression of IL-6,IL-8,and MCP-1; decreased phosphorylation of IKK and IKBα,inhibition of NF-κB p65 translocation from the cytoplasm to the nucleus |
| Min Zhang[31] | Sprague-Dawley rats | Paeoniflorin-6′-O-benzene sulfonate (CP-25) | Improved clinical signs and ankle vascular opacification formation in AA rats; reduced GRK2 plasma membrane localisation and reduced ERK1/2 phosphorylation in endothelial cells |
综上,本文通过阐述CXCL12/CXCR4结构、功能、介导的信号通路以及CXCL12/CXCR4在RA中的作用机制,明确了CXCL12/CXCR4在RA发病机制中发挥着至关重要的作用,靶向这些趋化因子的生物疗法正在对RA的传统治疗进行新的冲击,说明CXCL12/CXCR4可能是未来治疗RA的潜力靶点。然而,由于CXCR4在人体多个器官和组织中高度表达,并且CXCR4在胚胎发育、胎儿内环境稳定和炎症中起着至关重要的作用,特别是在胎儿的造血系统、心血管系统及神经系统,因此阻断CXCL12 /CXCR4具有一定的风险,尤其对于孕期女性,要谨慎选择拮抗剂的使用。研究表明,中医药可通过调节CXCL12/CXCR4通路及其级联反应,进一步抑制CXCL12/CXCR4的表达,从而阻断下游信号通路的激活,减轻RA滑膜炎、血管翳及骨侵蚀等病理反应,最终改善RA临床症状及体征,提高患者生活质量。但是,趋化因子拮抗剂联合中医药治疗RA是否能够更加有效地控制RA病程进展暂未明确。然而,目前临床中部分趋化因子拮抗剂治疗效果有限,且未能广泛开展深入研究,表明趋化因子靶向疗法仍需进一步改进。此外,由于趋化因子系统之间的功能重叠,单独抑制CXCL12可能不足以完全抑制各类细胞迁移,例如,CXCL8与CXCL12对白细胞的趋化具有协同作用,二者可在RA以及其他免疫性疾病发病过程中相互联系,共同协调,发挥抗炎及免疫调节作用。因此,在今后的研究中,我们将重点探究CXCL12/CXCR4在RA不同阶段的重要性,联合靶向多种趋化因子和(或)其受体可能有助于提升RA患者疗效,为RA临床治疗提供更多参考依据。
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