房家康 邵李涛 田发明 张柳

1 华北理工大学研究生院（河北唐山063000）

2 河北医科大学

3 华北理工大学医学实验研究中心

4 应急总医院

骨关节炎（osteoarthritis，OA）是老年人残疾的常见病因，关节软骨退化、关节边缘骨赘形成、软骨下骨板增厚、轻度滑膜炎和关节囊增厚是其特点[1，2]。白细胞介素-6（interleukin-6，IL-6）、白细胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）和肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）等促炎细胞因子在OA 患者关节液中显著升高[3，4]，并通过Janus激酶/信号转导与转录激活子3（Janus kinase/signal transducer and activator of transcription 3，JAK/STAT3）信号通路造成OA 的发生发展[5-8]。JAK/STAT3 信号通路可由促炎细胞因子触发，广泛参与炎症反应、氧化应激、细胞生长、凋亡等重要生理变化[9]。近些年来JAK/STAT3信号通路在OA中的作用开始受到关注。现综合目前国内外相关的研究，就JAK/STAT3信号通路与OA关系及其引起OA的分子机制的研究成果作一综述，为相关研究提供理论依据和参考。

1 JAK/STAT3信号通路

JAK/STAT3信号通路[5]主要由酪氨酸激酶受体、Janus酪氨酸激酶（Janus kinase，JAK）和信号转导和转录激活因子3（signal transducer and activator of transcription 3，STAT3）组成。促炎细胞因子可通过JAK/STAT3 信号通路传递信号；细胞膜上存在促炎细胞因子特异性的酪氨酸激酶受体，这些受体本身不具有激酶活性，但胞内段具有JAK 的结合位点。JAK 蛋白家族包括JAK1、JAK2、JAK3和Tyk2 四个成员，是一类非跨膜型酪氨酸激酶，既能使与其结合的细胞因子受体磷酸化，又能使很多含特定Src同源2结构域结构域的信号分子磷酸化。1994年STAT3作为急性期反应因子在IL-6信号传导中被发现；STAT3 具有Src同源2结构域，可与酪氨酸磷酸化的细胞因子受体特异性结合来决定细胞因子与STAT蛋白结合的特异性。

促炎细胞因子可触发JAK/STAT3 信号通路：受体在与促炎细胞因子结合后迅速酪氨酸磷酸化并形成同/异二聚体；这使得与受体连接的JAK 得以相互靠近并通过相互酪氨酸磷酸化而活化，其中受体亚基二聚化是信号通路启动的标志。活化的JAK催化受体酪氨酸残基磷酸化，这为STAT3 蛋白提供了对接位点。在JAK 的作用下，STAT3与受体结合后磷酸化，并与另一个磷酸化STAT 蛋白形成STAT3同/异二聚体。之后二聚体进入细胞核与相应靶基因启动子结合，调节靶基因的表达[5]。促炎细胞因子与受体结合的数分钟内，细胞核中检测到新诱导的STAT3 DNA的结合活性。

2 JAK/STAT3与骨关节炎软骨关系的研究

2.1 体内研究

JAK 是细胞因子激活STAT3（酪氨酸磷酸化）并发挥其生物学作用最重要的激酶，STAT3 主要通过JAK/STAT3信号通路发挥其生物学作用[10]。

在OA体内研究中，发现JAK/STAT3信号通路参与了软骨破坏的过程。Latourte等[11]发现内侧半月板失稳术（destabilization of the medial meniscus，DMM）OA小鼠出现软骨破坏、骨赘形成和滑膜炎等OA 样特征，并且软骨细胞中STAT3 蛋白表达水平增加；管饲STAT3抑制剂Stattic 后，软骨细胞中的磷酸化的STAT3（p-STAT3）减少、软骨损伤程度降低，并且造模膝关节处的骨赘变小；以上研究表明：JAK/STAT3信号通路可能参与了实验性OA 软骨破坏的过程。Hu 等[12]通过对JAK/STAT3 信号通路相关靶基因的研究，探究了JAK/STAT3 信号通路与软骨损害的关系；细胞分裂周期蛋白42（cell division cycle protein 42，Cdc42）是Rho 家族小GTP酶的成员，对软骨的发育至关重要，DMM OA小鼠膝关节钙化软骨中p-STAT3 阳性细胞数及Cdc42的表达增加；应用Cdc42 特异性抑制剂ZCL278 后显著逆转了造模小鼠关节软骨中透明软骨厚度下降和钙化软骨厚度增加的情况，减少了p-STAT3 阳性细胞数量以及关节/钙化软骨中基质金属蛋白酶-13、Ⅹ型胶原蛋白的表达。另外，Hayashi 等[13]通过转基因小鼠进一步探究了JAK/STAT3 信号通路与软骨损害的关系；细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂P21（Cyclin dependent kinase inhibitor P21，P21）在调节细胞生长与死亡方面具有重要作用，也可能通过JAK/STAT3信号通路在OA中发挥重要的作用；与普通DMM小鼠相比，P21基因敲除（P21-/-）的DMM 小鼠透明软骨蛋白多糖的丢失加重，p-STAT3和基质金属蛋白酶-13阳性细胞的百分比更高。上述研究表明JAK/STAT3信号通路可能参与了Cdc42和P21缺陷对软骨的破坏作用。

以上研究表明，JAK/STAT3 信号通路在OA 软骨损伤中发挥了重要作用，可参与一些生物因子（如Cdc42、P21 缺乏）介导的软骨损伤的过程，而阻断该通路可缓解软骨的损伤。

2.2 体外研究

促炎细胞因子升高是OA启动的重要因素，而JAK/STAT3信号通路在IL-6、TNF-α、IL-1β、瘦素等促炎细胞因子引起的软骨破坏中发挥了重要作用。

Latourte 等[11]发现IL-6 是启动炎症的重要促炎细胞因子，可直接激活JAK/STAT3 信号通路来发挥损害软骨细胞的作用；用IL-6 干预软骨细胞和软骨外植体后，出现p-STAT3增加以及浅层软骨细胞凋亡，细胞外基质层中的蛋白多糖、糖胺聚糖含量降低、聚集蛋白聚糖酶活化增加等软骨破坏现象；IL-6 也可剂量依赖性增加软骨细胞中基质金属蛋白酶-3、基质金属蛋白酶-13、I 型血小板结合蛋白基序的解聚蛋白样金属蛋白酶-4和I型血小板结合蛋白基序的解聚蛋白样金属蛋白酶-5的表达，未对II胶原蛋白α1、血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）和炎症介质（如前列腺素E2/一氧化氮）等OA易感因素的产生发挥作用；而应用JAK/STAT3 信号通路阻断剂Stattic 抑制了软骨外植体的分解破坏以及软骨细胞凋亡，降低了外植体中p-STAT3、基质金属蛋白酶-3、基质金属蛋白酶-13、I 型血小板结合蛋白基序的解聚蛋白样金属蛋白酶-4、I型血小板结合蛋白基序的解聚蛋白样金属蛋白酶-5和聚集蛋白聚糖酶介导的聚集蛋白聚糖新表位NITEGE 的水平。Sun 等[14]的研究也得出类似的结论，在软骨细胞中用IL-6 模拟启动OA 的炎症条件，发现p-STAT3、I 型胶原蛋白、基质金属蛋白酶-1 和基质金属蛋白酶-13的表达水平显著增加；应用STAT3小干扰质粒（siSTAT3）转染来抑制JAK/STAT3信号通路可使I型胶原蛋白、基质金属蛋白酶-1和基质金属蛋白酶-13表达降低。以上研究表明：在体外培养的条件下，JAK/STAT3信号通路参与了IL-6诱导的细胞外基质降解酶的产生和活化，从而产生软骨降解的作用。

JAK/STAT3 信号通路在IL-1β和TNF-α等促炎因子引起的软骨细胞损害中也发挥了类似作用。Hu等[12]发现IL-1β可时间依赖性的增加软骨细胞中的磷酸化的JAK1（p-JAK1）、磷 酸 化 的JAK2（p-JAK2）、p-STAT3、Cdc42、基质金属蛋白酶-13和Ⅹ型胶原蛋白的表达；应用特异性Cdc42 抑制剂ZCL278，抑制了JAK/STAT3 信号通路并减少了IL-1β引起的基质金属蛋白酶-13 和Ⅹ型胶原蛋白增加。Li 等[15]用富马酸二甲酯抑制JAK/STAT3 信号通路，可使TNF-α诱导的基质金属蛋白酶-1、基质金属蛋白酶-3 和基质金属蛋白酶-13 的表达降低，减少II 型胶原蛋白降解。以上研究表明：JAK/STAT3信号通路直接参与了体外条件下IL-1β和TNF-α对软骨细胞的损害。

瘦素是白色脂肪组织分泌最多的脂肪因子，可以调节体重和进食行为[16]，也可作为启动OA的促炎细胞因子[17]，其似乎也是通过JAK/STAT3 信号通路引发OA的。Zhang 等[18]用瘦素处理从前交叉韧带离断术大鼠提取的OA软骨细胞，发现瘦素剂量依赖性降低软骨细胞凋亡和软骨细胞活力，显著诱导了p-JAK2、p-STAT3、基质金属蛋白酶和B淋巴细胞瘤-2相关X蛋白的表达，抑制了B淋巴细胞瘤-2、自噬基因Beclin-1和微管相关蛋白1 轻链3 等自噬蛋白的表达；应用JAK2抑制剂AG490 处理后，上述指标与瘦素处理前相同。这表明：JAK/STAT3 信号通路也直接参与了体外条件下瘦素对软骨细胞的损害。

以上研究表明，JAK/STAT3 信号通路是促炎细胞因子损伤软骨细胞的重要调控信号通路之一，该通路的激活可以促进软骨损伤，而阻断该通路可起到保护软骨的作用。

3 JAK/STAT3 与骨关节炎软骨下骨关系的研究

3.1 体内研究

软骨下骨的病理改变对OA 的发生发展也发挥了重要作用，目前对OA 软骨下骨的研究也越来越多。OA早期：骨吸收增加、软骨下骨板厚度减少；OA晚期：骨形成增加、软骨下骨发生硬化[19]。Wu等[20]在体内实验中发现JAK/STAT3 信号通路参与OA 发生发展过程中的软骨下骨硬化，前交叉韧带离断术OA小鼠出现软骨下骨硬化，这可能与软骨下骨间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSC）、骨祖细胞的数量增加以及I型胶原蛋白异常产生所造成矿化障碍有关；此时OA软骨下骨MSC中p-STAT3水平增加，提示：JAK/STAT3信号通路在软骨下骨硬化过程中发挥了重要作用；腹膜内注射AG490后，胫骨软骨下骨厚度显著降低、MSC数量显著减少和OA MSC 中I型胶原蛋白α1下降。这表明JAK/STAT3 信号通路在MSC 增加引起的OA 软骨下骨硬化过程中发挥了重要作用。

3.2 体外研究

血管内皮细胞、成骨细胞和破骨细胞三者之间的相互作用是骨重塑的核心[21-23]。在OA早期软骨下骨成骨细胞分化减少、破骨细胞分化增强、软骨下骨密度显著降低，微血管数量增加[24，25]。在体外实验中发现JAK/STAT3 信号通路抑制成骨分化，促进破骨分化和血管生成，可能与OA早期软骨下骨变化有关。

TNF-α具有减缓成骨分化的生物学效应，延伸蛋白2（elongator protein 2，ELP2）可调节STAT3 配体的激活[26-28]。Xu等[29]发现ELP2可通过JAK/STAT3信号通路调节成骨细胞分化，用TNF-α处理成骨细胞系（MC3T3-E1 细胞系）3 天后，碱性磷酸酶活性降低、细胞活力抑制，细胞中ELP2、ELP2 mRNA和p-STAT3显著增加；TNF-α抑制成骨细胞分化基因成骨相关转录因子Runx2、碱性磷酸酶、锌指结构转录因子Osterix 和骨桥蛋白等成骨细胞标记基因的表达；JAK2 和STAT3的表达与ELP2抑制与否无关，并可在TNF-α刺激下增加；无论TNF-α是否存在，ELP2 抑制组中p-JAK2、p-STAT3水平和STAT3转录活性显著低于非抑制组。表明JAK/STAT3 信号通路参与了ELP2 介导的由TNF-α引起的成骨细胞分化抑制。Cai 等[30]在miR-224 /Rac1 促进人MSC 成骨分化中也发现了JAK/STAT3 信号通路对成骨细胞分化的负调节作用。

多核成熟破骨细胞来源于造血单核祖细胞，核因子κB 受体活化因子配体（receptor activator for nuclear factor-κB ligand，RANKL）受体激活剂促进单核细胞/巨噬细胞谱系向破骨细胞的分化[31]。Li等[32]发现使用RANKL处理RAW264.7细胞可促使其向多核破骨细胞分化，并使STAT3 磷酸化、细胞增殖增强，抗酒石酸酸性磷酸酶、核因子κB受体活化因子等破骨细胞标记物增加，表皮生长因子样激素受体1、CD11b 等巨噬细胞标记物降低；添加AG490 后，p-STAT3 降低，细胞周期停滞于G0 / G1期，细胞表面RANKL 的表达水平显著降低，剂量依赖性抑制了RANKL 诱导的细胞生长，TRAP阳性多核细胞减少，巨噬细胞标记物的mRNA表达增加；这表明抑制JAK/STAT3 信号通路是通过诱导巨噬细胞表型来对RANKL 介导的破骨细胞分化产生抑制作用。RANKL 可激活核转录因子κB、活化T细胞核 因 子c1（nuclear factor of activated T cells c1，NFATc1）、细胞癌c-fos基因等破骨细胞分化，激活所必需的转录因子。AG490抑制RANKL诱导的NFATc1表达，转染STAT3 siRNA（敲低STAT3）也使RANKL 诱导的p-STAT3、抗酒石酸酸性磷酸酶、核因子κB 受体活化因子和NFATc1的基因表达降低，表明JAK/STAT3信号通路也通过增加NFATc1来促进RANKL诱导的破骨细胞分化过程[32]。同样，Li等[33]发现JAK/STAT3信号通路正向调节血小板衍生生长因子BB诱发RAW264.7细胞的破骨细胞分化过程。以上结果表明：JAK/STAT3信号通路的激活可能参与了OA早期成骨细胞减少、破骨细胞增加的过程。

软骨下骨微小血管生成也是早期OA 的典型病理表现之一。破骨细胞、成骨细胞和骨细胞产生缺氧诱导因子-α（hypoxia inducible factor-α，HIF-α）、VEGF、碱性成纤维细胞生长因子和表皮生长因子样结构域6等血管生成因子[34-36]。缺氧诱导因子（hypoxia inducible factor，HIF）由氧调节HIF 和组成性表达HIF 的亚基组成，介导细胞缺氧后的适应和存活[37]。VEGF是一种高效血管生成肽，在正常生长胚胎的血管生成过程中发挥重要作用[38]。而HIF-α是调节VEGF 基因转录必不可少的因素[39]。Pufe 等[40]用高强度冲击应力处理牛软骨盘，发现HIF-α、VEGF 和、基质金属蛋白酶-1、基质金属蛋白酶-3和基质金属蛋白酶-13水平升高而组织金属蛋白酶抑制剂表达降低；使用VEGF 受体激酶抑制剂阻断软骨细胞中VEGF 信号传导后基质金属蛋白酶-1、基质金属蛋白酶-3 和基质金属蛋白酶-13减少，并能恢复机械超负荷引起的组织金属蛋白酶抑制剂降低，证明HIF-α/ VEGF 途径参与了机械超负荷OA 发生发展的过程。同样，Hamilton 等[39]也发现在早期OA患者中VEGF表达增加并似乎参与了软骨变性、骨赘形成、软骨下骨囊肿和硬化、滑膜炎和疼痛等OA特异性病理进展的过程。Giatromanolaki 等[41]发现在OA发生发展的过程中，HIF-α/ VEGF途径激活并参与了OA 血管新生的过程。在缺氧条件下，STAT-3 是HIF-α/VEGF 信号通路的直接转录激活因子[42，43]。以上证据表明JAK/STAT3 信号通路可能介导了早期OA HIF-α/ VEGF 途径的激活及其引起的早期OA 血管新生的过程。表皮生长因子样结构域7（epithelial growth factor-like domain 7，EGFL7）调节胚胎发生过程中管状结构的形成、内皮细胞的迁移和血管生成[44-47]。Shek 等[48]发现在成骨/破骨细胞分化过程中表达，JAK/STAT3信号通路介导了EGFL7基因调节血管形成的过程；含外源EGFL7 蛋白的条件培养基刺激SVEC细胞，剂量依赖性地增加STAT3及其转录活性，并增强内皮细胞迁移和管样结构的形成；EGFL7 也显著增强了离体胎鼠跖骨血管生成和生长；而Stattic 显著抑制了STAT3 磷酸化和EGFL7 诱导的内皮细胞迁移、血管生成。这些研究表明：JAK/STAT3 信号通路激活参与了EGFL7诱导的血管形成，这可能是早中期OA微小血管形成的原因。

综上表明，JAK/STAT3 信号通路可能参与了OA早期软骨下骨骨量丢失和微小血管形成，而与OA的发生发展有关。

4 JAK/STAT3与骨关节炎滑膜关系的研究

4.1 体内研究

在动物OA模型中，Hayashi等[13]发现JAK/STAT3信号通路与滑膜炎相关，DMM OA 小鼠出现明显的滑膜炎症，并且滑膜细胞中p-STAT3和巨噬细胞标记物F4/80（免疫和炎性细胞标记物）表达增加；与DMM野生小鼠相比，P21敲除（P21-/-）DMM小鼠OA模型中发现更加明显的滑膜炎症并且滑膜细胞中p-STAT3 和F4/80的表达水平明显升高，表明JAK/STAT3 信号通路激活也参与了P21缺陷引起的滑膜组织炎症。

4.2 体外研究

滑膜炎和滑膜细胞增殖是OA的重要特征，而成纤维细胞样滑膜细胞在OA 发生发展的过程中发挥了重要的作用[49]。Carrion等[50]发现OA患者成纤维细胞样滑膜细胞中存在高水平表达的p-STAT3、白细胞介素-22 mRNA和白细胞介素-22受体1 mRNA，并在OA患者成纤维细胞样滑膜细胞的细胞质中发现S100A8/A9异二聚体复合物（介导细胞骨架调节、细胞迁移和炎症的介质）散布存在；向OA患者 成纤维细胞样滑膜细胞中添加白细胞介素-22，显著增加了p-STAT3 蛋白和S100A8 mRNA 的表达；而应用JAK3 抑制剂CP-690，550 和JAK2 抑制剂AG490，显著降低了上清液中S100A8/A9 异二聚体复合物的表达（接近基础水平）。这表明JAK/STAT3信号通路可通过调节成纤维细胞样滑膜细胞中白细胞介素-22 诱导的S100A8/A9 增加来促进滑膜炎的产生。

Li等[51]得出了类似的结论，体外培养的OA滑膜细胞高度表达p-STAT3 和GACAT3（JAK/STAT3 信号通路下游靶标）。GACAT3 过表达可通过调节细胞周期来减少细胞凋亡。而STAT3 的小干扰质粒（siSTAT3）转染后，GACAT3 被敲低、G0/G1 期细胞百分比明显升高、S期细胞百分率显著减少、半胱氨酸蛋白酶-3的活性升高、细胞增殖能力下降凋亡增加；STAT3的过表达质粒转染后出现相反的结果。这表明JAK/STAT3信号通路可通过调节GACAT3 来影响OA 滑膜细胞的细胞周期，诱导OA滑膜细胞增殖，减少其凋亡。

以上研究表明，JAK/STAT3 信号通路激活后可直接促进OA 滑膜细胞增殖和滑膜炎，从而可能对OA 的发生发展产生影响。

5 总结

激活JAK/STAT3 信号通路可造成软骨细胞破坏、软骨下骨硬化、滑膜细胞增殖和滑膜炎等病理改变从而导致OA的发生发展。目前研究表明，在动物实验中应用JAK/STAT3 信号通路抑制剂对OA的发生发展发挥了一定的治疗作用，这为OA 的临床治疗提供了思路。