蛋白多糖与骨性关节炎的研究
2020-12-19
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162第1i届奎国中西医结合骨伤科学术研讨会论文汇编蛋白多糖与骨性关节炎的研究王玉泉宋敏甘肃中医学院兰州730000骨性关节炎(osteoarthritis,OA)以其高发病率及由此产生的病废,生活质量下降等问题已引起人们的广泛关注,但至今其发病机制并不完全清楚・OA的原发病变在关节软骨。以往人们对软骨细胞和基质胶原成分研究较多,而对基质中另一主要成分蛋白多薷(proteoglycan,PG)未引起足箍重视。进来分子生物学的研究进展向人们揭示:陌在缅胞问信息传递.维持缅胞表型,与其他基质问相互作用及保持组织整体功能方面发挥着极其重要的生物学功能Ⅲ。1蛋白多糖的生物化学组成蛋白多睹(PG)是~类非常复杂的大分子藉复台物,主要由糖胺聚糖(GAG)链共价连接于核心蛋白所组成蜘。分子量从ll至220kd・在软骨中蛋白聚糖以巨大分子聚集体存在,许多巨大的单体可能非共价地连或聚集在一根中央丝上,该中央丝由透明质酸的重复二糖单位构成其总分子量可达到几千万道尔顿单位。现有研究表明,核心蛋白的分子量与构型具有多样性咖,这些多肽的氨基酸组成在不同的物种与组织中差别很大,但通常都不舍半胱氨酸.而富含谷氨酸,丝氨酸及苏氨酸。氨基酸序列分析显示有不同功能区的存在硼。过去GAG常被称为酸性粘多糖,GAG的基本构成区段与重复单位由数目不等的相同的或类似的=糖单位构成。C8mey啪等已发现了许多氨基葡聚糖类物质的重要结构,包括透明质酸(m)、4一或6-硫酸软骨素(cs)、肝素(Hep)、硫酸乙酰肝素(Hs)、硫酸皮肤素(Ds)及硫酸角质素(KS)。2蛋白多糖的生化特性蛋白多糖可根据在离心时的浮力密度差异进行分类。低密度蛋白多糖群体一般为低分子量的分子群,主要由携带着一条或两条GAG链的核心蛋白组成.核心蛋白上也可能存在N_和/或o.连接的寡糖啪,这种蛋白多糖是软骨中的主要类型,也是细胞外的各组成部分(例如胶原、纤维结合素)的主要生物粘合剂。高密度的蛋白多糖的分子量比低密度型的分子量大的多。并且可分为非聚集型与聚集型两类。在软骨中.最主要的高密度蛋白多糖类型是聚集型,它由许多蛋白多糖亚单位组成,这些蛋白多糖亚单位与透明质酸连接,形成非常大的分子结构。30A时关节软骨基质中蛋白多糖的变化在0A的病理过程中,有许多基质参与pG的破坏过程。首先是机械因素,过度的应力集中,使软骨细胞的表型改变【5】,导致PG代谢的异常增加,早期合成多于分解。随着细胞功能的丧失,PG的分解多于合成,最终PG大量丢失。其次许多酶类参与PG的降解过程,主要包括金属蛋白酶家族啪和软骨蛋白多糖醇叫。酶作用的结果是直接导致PG的降解,同时也激活一些细胞活性因子,这些小分子蛋白通过复杂的网络调节,直接或间接的促进PG的降解。此外基质中胶原和PG结构的破坏也可引起免疫反应。反过来更加剧PG的破坏咖。以上共同作用的结果导致0A时PG从基质中迅速丢失。有研究显示,0A不同时期的GAG台量均明显低于正常组,尽管形态学部分发现4周时软骨完整性尚好,也见到明显合成代谢增加的表现。但此时软骨基质中因胶原损害,组织水合增加“】,相对GAG的含量已明显减少,说明PG的分解代谢更强。P6的丢失在中晚期表现的更为明显。关节软骨基质中GAG主要包括cs、Ks、|IA。一定的cs、Ks含量比,一定的}I^的量和其他功能基因对保证整个分子发挥其生理功能非常重要。内部结构的改变将直接影响到其功能,也就是说在GAG的转化过程中。新生的GAG不仅要有量也要有质。如上所述,在综合因素作用的结果下,在0A时基质中的PG总量丢失其内部结构也发生变化,新合成的PG是不成熟的,类似于胎儿时期特征“∞。在增龄过程中也有类似的改变,但与0A的病理状态下的改变并不相同。国外文献“o对0A和增龄时GAG各组分的变化已有研究,但并不系统和全面.甚至有矛盾的结论。有研究发现随增龄和0A发展,卧的变化表现出相反的结果,随增龄IIA增多,随0A发展II^减少.其可能原因是,随增龄出现的是一些糖连缩短的lIA分子。虽然其分子总数增多,但形成PG聚集体的能量下降,而0A时更多是病理性破坏所致,避=者的结果都是PG聚集体的破坏。PG的解幕,蠢初的裂解是在核心蛋白连接区和主要的cs.Ks连接区,这是限制PG在细胞外基质中生存的关键一步。因为它分割了PG的可聚部分和提供主要生理功能的GAG连接区,失去大分子的屏障和保护作用,单体在诸多酶的作用下,破坏和丢失将明显加速。GAG因含有丈量阴离子基团而具有高度水合排斥其他大分子及屏障作用,其阴离子主要是sOz-4。GAG对东和Ca2+.、|£F■K+.、Na+等阳离子具有较大的亲和力,对保持结缔组织的水分及调节阳离子在组织的分布有重要意义,是基质肿胀压的物质基础。有研究发现在OA中GAG的硫酸化程度减低,并随病变进展而加重。而在增龄中,这种变化趋势并不明显。GAG的硫酸化水平还与基质中另一主要成分胶原纤维的形成密切相关.低硫酸化的岱促进胶原的形成“4。PG与胶原比例失调,也是oA发生的机制之一。另外在0A发病中.软骨细胞表型改变,出现非II型胶原的纤维,推测这种病理改变可能与此机制有关。总之・0A时关节软骨基质中PG表现出量和内部结构的明显改变。4o^体液中蛋白多糖代谢改变第11届全国中西医结合骨伤科学术研讨会论文汇编163PG的核心蛋白有多个酶解位点,在多种酶的作用下基蛋白部分裂解,成为含不同结构域和GAG链的代谢片段。0A时PG分解代谢增强和基质渗透性的改变使这些片段易于通过基质进入关节液。关节液中的PG代谢片段能被滑膜细胞和软组织再吸收、降解,但大部分进入淋巴系统,并在淋巴结内进一步退变。少部分最终进入血循环。根据这些PG片段的结构不同,人们己发显了许多针对这些片段表位的多抗和单抗“”。利用免疫学技术可特异性和高灵敏度地检测出体液中的这些成分的含量,针对Ks表位的单抗5D‘,更多反映了PG的分解代谢。在0A的病理过程中PG的分解代谢明显增强,另外还因为KS是机体关节软骨和角膜特有,考虑到角膜的代谢很微量,故卫晓恩等“”利用ELISA技术的高度特异、敏感的特性.检测体液中特别是sF中PG的降解产物Ks段.将为临床提供快速、灵敏、特异性高的0A早期诊断手段。5负荷改变对较骨细胞合成蛋白多糖的影响生理性的压力对刺激软骨细胞生长和分化有着重要的作用,但异常的负荷会引起软骨组织和细胞的损伤。体外实验表明。给体外培养的软骨细胞旆加适宜的压力刺激.会促进cAMP和弼的合成,但当压力过大时软骨细胞的生长受到抑制,减少了35S的摄入和PG的合成。体外实验表明,在低频压力作用下,软骨细胞合成的大分子PG可以降解为小分子PG而最终丢失“8。可能是因为组织液反复出入基质而引起大分子重新分布。有些学者认为压力引起软骨细胞生长的变化的原因,可能在于力学信号通过细胞膜受体,激活不周的信号转导通路(PKC、cAi“P、Ca”等),作用于各种效应点,表现出细胞生长代谢、基质合成等方面的变化“6川。齐建洪等““做“低应力对髌骨软骨软化基质蛋白多糖的影响”实验显示,髌骨倾斜后髌骨内侧面软骨的接触平均压力明显降低,随着时间延长软骨变性越来越明显。术后12—24帐时软骨变性最为显著。表现为软骨细胞排列紊乱、细胞轮廓消失、边缘模糊.大量软骨细胞坏死溶解。与此屙时软骨表层与中层虽白多糖含量明显减少。软骨细胞变性,蛋白多糖合成减少是蛋白多糖含量减少的原因之一。另外,齐建洪等用免疫组化方法研究发现;软骨细胞变性的同时。细胞周缘与基质中释放胶原酶(金属蛋白酶的一个亚型)明显增多,表明软骨细胞释放的胶原酶也参与了软骨基质中蛋白多糖降解过程。由此可见,无论是软骨细胞变性蛋白多糖合成减少,还是软骨细胞释放胶原酶降解蛋白多糖增多均与低应力有关。6关节软骨蛋白多糖降解的MRI研究Paulrig]等在研究人膝关节软骨时,发现关节软骨的信号强度变化曲线与蛋白多糖含量的变化曲线相似。因此,推测关节软骨的信号强度和蛋白多糖相关。周根泉等嗍发现犬膝关节腔内注射木瓜蛋白酶后z4、48小时.组织切片及MIl上均显示软骨厚度明显变薄,这是由于蛋白多糖的降解,使关节软骨丧失弹性和承受负荷的能力,以致关节软骨出现变薄现象。但注射72小时,软骨蛋自多糖含量逐渐增加,软骨的厚度也随之较快的恢复。周根泉等的实验袭明,软骨的躲信号强度对蛋白多糖含量具有相关性,但并不完全一致。因此他们认为关节软骨的信号强度并非完全由蛋白多糖含量决定,可能还与胶原纤维的结构、排列方向以及蛋白多糖结合的水质子有关。7蛋白多糖和关节软骨在细胞因子方面的研究蛋白多糖可使生长因子与蛋白水解酶隔离而调节其活性。碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)和转化生长因子一B(TGF—B)不仅与信使受体有很高的结合力,也与细胞表面的PG有较低的结合,这有助于生长园子与其受体高度结合。有研究表明,转化生长因子一p在一定条件下对软骨细胞的蛋白多糖核心蛋白基因表达有正向调控作用。8结论蛋白多糖在许多因素的参与中逐步出现由量变到质变的病理生理现象,而这些变化往往构成了机体组织的结构与功艟改变的基础。PG是保持关节软骨富有弹性和抗压性的重要软骨基质,它的丧失可导致软骨的变性咀致破坏。参考文献1IollesP.Proteoglycan.Berlin:BirkhauserYerlag,1994.1.31—2482万福德,杨烧明,等.分子生物学前沿技术.中国协和医科大学和北京医科大学联合出版社,1998,第一版3CarneySL。MuirH.Thestruetureandenactionofcartilageproteoglycans.PhysiolRmv,1988,68(3):8584RoualahtiBstructureandbiologyofproteoglycanafJ].AannReveellBiel,1988,4(2):2295ThonarEj。BjornaaonS,Kuetthorn.Age-relatedchangesincartilageproteoglycans.In:KuettnerK,Schleyer—bachR.(ads).ArticularCartilageBiochemistry【M】NewYork:RavenPress,1986.273-2886LittieCB,GhoshP,BellenserCR.Topographicvariationinbiglycanandclecoriinsynthesisbyarticnlarcartilageintheear{ysrageofo^:anexperimentslstndyinsheep.JOrthopRes,1996,14:433—4447FosangAJ。LastK.GardinerP.eta1.DevelopmentofacleavageaitespecificmonoelonaIantibodyfardetect—ingmetalloproteinaaederivedaggrecanfragments:detactionoffragmentsinhumansynovialfluids.Biochem】.1995,310:337-3438Lark删.BayneEK,FlauaganJ,eta1.Aggreeandegradationinhumancartilage:evidenceforbothmatrixmet一81loDroteinascandaggrecanaseactivityinmormal。osteoarthritic,andhenmatoidjoints.jclinInvest,1997,100:93—1069NeamePJ,SandyJD.Cartilageaggrecan:biosynthesis,degradationandosteoarthritis.JFinMedAssoe,1994・81:191-19310SlaterRR.BayiissMT.LachicwiczPF.Monoclonalantibodiesthatdetectbioche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