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一氧化氮与软骨损伤

来源:中国急救医学
摘要:一氧化氮(NO)在不同的生物系统中充当调节和效应因子〔1~5〕,如作为神经递质在神经系统中发挥作用,松驰平滑肌,抑制血小板聚集,介导细胞增殖抑制和非特异抗微生物防御反应。近来研究发现NO参与软骨破坏的病理过程。NO由一氧化氮合酶(NOS)催化L-精氨酸产生,需要烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAPDH)、四氢叶酸和分子氧作为辅助......

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  一氧化氮(NO)在不同的生物系统中充当调节和效应因子〔1~5〕,如作为神经递质在神经系统中发挥作用,松驰平滑肌,抑制血小板聚集,介导细胞增殖抑制和非特异抗微生物防御反应。近来研究发现NO参与软骨破坏的病理过程。

  NO由一氧化氮合酶(NOS)催化L-精氨酸产生,需要烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAPDH)、四氢叶酸和分子氧作为辅助因子〔6〕。新生成的NO在局部激活鸟苷酸环化酶,升高细胞内cGMP水平,发挥生物学效应〔7〕。NOS按表达方式分为自发型(包括神经型和内皮型)和诱导型(iNOS)两种,两种酶在多种细胞中共同存在,但相对水平不同。自发型需要Ca2+/Ca2+通道参与〔8〕,蛋白激酶C(PKC)、cAMP依赖蛋白激酶(PKA)等通过磷酸化NOS调节其活性〔9〕。自发型仅产生少量NO。而诱导型在细胞因子如白细胞介素-1(IL-1)、肿瘤坏死因子(TNF)等和脂多糖(LPS)刺激数小时后即产生大量NO,其活性依赖于mRNA的产生和蛋白表达,与Ca2+/Ca2+通道无关。iNOS在不同细胞中的质和量不同,在人肝细胞中NO的诱导需要IL-1、TNF、LPS和干扰素(IFN)联合刺激,而IL-1单独刺激血管平滑肌细胞产生NO。软骨细胞在IL-1、LPS和TNF单独刺激下产生大量NO,作用具有协同性〔10〕。

  编码人软骨细胞iNOS的cDNA已被克隆,是一条4.5kb的单链,编码一条1153个氨基酸序列的长链蛋白〔11〕。与鼠巨噬细胞iNOS相比,cDNA具有78%同源性,蛋白质具有88%同源性。与鼠巨噬细胞NOS相比,同源性较低。iNOS和NOS都有黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)、黄素单核苷酸(FMN)、NAPDH和钙通道结合位点。糖皮质激素和非甾体抗炎药在其他细胞能抑制iNOS的表达,但对软骨细胞iNOS的表达无影响〔12〕。有资料报道软骨细胞内Ca2+浓度升高可减少iNOS mRNA的稳定性,软骨细胞iNOS是一种钙依赖的新型合酶〔13〕。PKC、PKA等与软骨细胞iNOS活性无关,而酪氨酸激酶(PTK)激活可以促进软骨细胞iNOS mRNA产生和蛋白表达〔14〕。

  关节炎后期软骨破坏严重,导致关节失去运动功能。软骨破坏与细胞因子如(IL-1、TNF等)〔15〕和细菌毒素直接刺激有关,而IL-1、TNF等引起软骨损伤部分是由NO介导的。关节内NO主要来源于滑膜成纤维细胞和软骨细胞,骨细胞受刺激后产生少量的NO,炎症期间渗透到关节腔的单核细胞几乎不产生NO。其中只有软骨细胞在IL-1、TNF和LPS单独刺激下产生NO,滑膜细胞、骨细胞仅在IL-1、TNF和IFN联合刺激下才能产生NO〔16〕。正常软骨和关节炎软骨细胞在细胞因子刺激下都能产生NO。NO对软骨的损伤主要表现在以下几个方面:

  1 NO抑制软骨细胞增殖,诱导软骨细胞凋亡

  IL-1抑制软骨细胞增殖是类风湿关节炎(RA)和骨关节炎(OA)中重要病理过程,这种作用可以导致软骨结构破坏,对抗生长因子如转化生长因子(TGF)和胰岛素样生长因子(IGF)的修复过程。IL-1抑制软骨细胞增殖的作用随着传代过程逐渐丧失。目前实验认为IL-1抑制软骨细胞增殖的作用与NO产生有关。

  通过研究TGF和IL-1对1到10代软骨细胞作用时发现,IL-1和TGF对软骨细胞具有分化依赖性作用,而且这种作用与NO有关。在5代之前,IL-1抑制软骨细胞增殖,而TGF促进软骨细胞增殖。在以后的传代细胞中,IL-1和TGF作用完全相反。这些作用与IL-1和TGF抑制或促进NO产生有关。在5代以前,IL-1促进NO的产生,TGF不能刺激NO的产生,但可协同IL-1的作用。在6代以后,IL-1促进NO的产生不明显,IL-1由抗增殖变为促增殖,但TGF仍可协同IL-1促进NO的产生,对增殖作用由促增殖变为抗增殖,N-甲基-L-精氨酸(L-NMMA)可以逆转TGF的抗增殖作用〔17〕。用NO供体硝普钠(SNP)和NOS抑制剂L-NMMA进行实验,发现SNP能模拟IL-1抑制血清和TGF引起的软骨细胞增殖,而L-NMMA能逆转IL-1的抗增殖作用。SNP在体内自发释放NO从而抑制软骨细胞增殖,NO的抑制增殖作用可能是由前列腺E2介导〔18〕。软骨细胞暴露到NO或Fas抗体,在周围可形成许多凋亡小体,凋亡小体产生高水平焦磷酸,经IL-1和TGF预处理而上调。凋亡小体具有碱性磷酸酶和三磷酸核苷(NTP)焦磷酸酶活性,可沉淀钙,这种钙化在衰老和关节炎软骨中经常发现〔19〕。氧自由基可引起软骨细胞坏死,但NO诱导软骨细胞凋亡,软骨细胞凋亡是由氧自由基和NO平衡决定的。当NO处于主要地位时,细胞以凋亡为主;当氧自由基处于主要地位时,平衡向坏死移动〔20〕。

  2 NO对蛋白聚糖(PG)代谢的影响

  软骨细胞外基质(ECM)主要由Ⅱ型胶原和PG组成。PG以长链透明质酸为主干,干链上较短蛋白质连接硫酸软骨素A、C和硫酸角质素。软骨基质破坏由ECM合成和降解决定。关节炎后期ECM合成减少而降解增加,在猪、牛和兔实验中均存在这种趋势。其中胶原合成并不减少,非特异胶原甚至有所增加,只是结构比较松散,容易被基质金属蛋白酶(MMP)水解。但PG合成明显减少,分解增加。PG合成减少、分解增加被认为与NO升高有关。

  在酵母多糖引起的小鼠膝关节模型中,PG合成明显抑制,软骨细胞对IGF作用变得不敏感,但iNOS基因缺失小鼠和抗IL-1治疗小鼠合成PG的能力没有明显被抑制,软骨细胞对IGF的反应性没有明显变化。iNOS基因缺失小鼠关节内注射IL-1不能改变PG的合成,组织学检查iNOS基因缺失小鼠和抗IL-1治疗小鼠软骨PG丢失明显减轻〔19〕。在体外,IL-1诱导体外培养软骨细胞产生大量NO,同时强烈抑制PG合成,L-NMMA能抑制IL-1引起的NO产生,减轻IL-1对PG合成的抑制,但L-NMMA不能完全恢复PG的合成。NO供体亚硝基乙酰青霉胺(SNAP)可以模仿IL-1的作用,但在程度上不及IL-1。IL-1抑制PG合成可能通过一种以上途径,NO仅是其中一种〔21〕。用体外培养软骨组织作实验,L-NMMA完全抑制IL-1和滑膜细胞因子((CAF)诱导NO产生,同时减轻PG合成的抑制。SNAP可以模仿IL-1和CAF的作用。NO是IL-1和CAF抑制PG合成的介质〔22〕。

  3 NO促进MMPs的产生

  目前发现16种MMP与结缔组织病有关。关节软骨中存在MMP-1、2、3、8、9、13等。正常条件下,除MMPs-2外,其它与软骨组织生长、分化过程有关。但在IL-1刺激和在关节炎条件下,除MMP-2外,其它MMPS均可上调。关节炎软骨破坏与MMPs和金属蛋白酶组织抑制剂(TIMPs)关系密切,MMPs和TIMPs在正常情况下处于平衡状态,在IL-1刺激和在关节炎条件下,平衡被打破,MMPs增加而TIMPs减少,软骨基质分解增强。现在研究认为,NO与IL-1刺激MMP-9产生有关。

  IL-1刺激兔软骨细胞引起92KD(MMP-9)和72KD(MMP-2)酶活性增加,其中MMP-9活性在12 h即可检测出来,L-NMMA可以抑制IL-1的这种作用。SPN剂量依赖性地促进MMP-9的活性〔23〕。NO促进MMP-9活性发生在转录水平。IL-1刺激兔软骨细胞产生大量NO,NO促进MMP-9和碱性成纤维细胞生长因子(bFGF) mRNA产生,而bFGF反过来又促进MMP-9 mRNA产生,bFGF与IL-1在同等程度上促进产生,而且有协同作用。bFGF与IL-1通过不同途径促进MMP-9 mRNA产生。IL-1促进MMP-9和bFGF mRNA产生是由NO介导的。L-NMMA除了直接抑制IL-1刺激MMP-9产生外,还可以通过抑制bFGF间接抑制MMP-9产生〔24〕。

  RA的病因迄今未明,给临床治疗工作带来难题。目前用于RA治疗的药物主要是免疫抑制剂,如抗代谢药、糖皮质激素,但临床效果并不理想,而且这些药物对全身免疫系统都有抑制作用。由于NO可以从以上几个方面破坏软骨,且是RA软骨细胞自分泌或旁分泌产生,能从局部作用于全身,所以从NO角度治疗RA有望成为一种新的治疗途径。目前NOS抑制剂在关节炎动物模型实验中取得了较好疗效〔19〕,但临床实验效果并不佳。这除了RA病理因素复杂、作用环节较多外,还可能与给药途径有关。多环节抑制剂的联合用药已经取得良好效果,所以包括抑制NO产生药物在内的作用与多环节的联合用药可能有一定的临床应用前景。

作者: 刘同华综述任成山审校 2004-9-28
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