作者：山西醫科大學第二醫院骨科 顧曉東
蛋白聚糖4（PRG4），又被稱為潤滑素（lubricin），在滑膜關節中起邊界潤滑和軟骨保護作用。在骨關節炎（OA）病人的關節滑液中，蛋白聚糖4的含量明顯降低；缺乏蛋白聚糖4的關節滑液喪失了邊界潤滑的能力，導致關節運動時摩擦力增大，關節軟骨破壞；而通過補充外源性的PRG4，關節滑液的潤滑能力便可恢復。本文就PRG4在骨關節炎中的作用做一綜述，闡述PRG4的理化結構和生物學功能以及其在骨關節炎發生發展過程中作用，為骨關節炎的實驗研究、診斷及治療提供參考。
蛋白聚糖4的結構和生物學功能
蛋白聚糖4又被成為潤滑素，由prg4基因編碼，主要由關節軟骨表層軟骨細胞及滑膜細胞合成和分泌，分布於關節滑液中以及關節軟骨表面。由於蛋白聚糖4亦由關節軟骨表層細胞分泌，所以其又被稱之為表層蛋白（SZP）。人PRG4由1404個胺基酸多結構域核心蛋白組成，該蛋白含有β（1-3）半乳糖胺-N-乙醯半乳糖胺寡糖結構及多個KEPAPTT重複結構。該中心區域具有豐富的負電荷和高水合糖基，由於空間力和水合力的強烈排斥作用，使其在關節潤滑中起著重要作用。富含半胱氨酸（球狀）的蛋白質結構域，出現在蛋白聚糖4分子的N-端和C-端，分別與玻璃粘連蛋白和血紅素結合蛋白具有顯著的同源性，N-端蛋白沒有與軟骨表面結合的能力，而C-端蛋白可有效與軟骨表面結合，從而保持關節軟骨表面的邊界潤滑能力。
在正常的滑膜關節中，蛋白聚糖4覆蓋軟骨表面，作為抗粘附和邊界潤滑劑，使滑膜關節的摩擦係數最小化，防止軟骨表面相互摩擦時的軟骨損傷。有研究表明，蛋白聚糖4和透明質酸在軟骨表面形成一層共吸附複合膜，這種複合膜具有協同抗粘附和潤滑性能。而且Prg4可以通過抑制軟骨細胞肥大樣改變及終末分化，維持軟骨細胞正常表型。關節軟骨Prg4基因敲除小鼠表現為關節軟骨表層Caspase-3活性增加，軟骨細胞凋亡增加。關節內缺乏PRG4將會導致關節運動時摩擦力增大，使關節軟骨表層承受更大的剪切力，導致軟骨細胞死亡，軟骨基質降解，最終出現軟骨退行性變及骨關節炎。
蛋白聚糖4的表達調控
細胞外基質對PRG4的表達調控 許多研究探討了最佳的細胞外基質組成對增強PRG4表達的影響，以期最終促進關節軟骨再生。研究表明，從骨關節炎病人關節軟骨分離出的軟骨細胞，其PRG4的表達降低，而該軟骨細胞通過聚乙二醇二丙烯酸酯（PEG⁃DA）水凝膠包裹培養4周後，其PRG4的表達增加。然而，受損的軟骨細胞在沒有任何處理的情況下，其合成PRG4的能力非常有限。在纖維蛋白/透明質酸水凝膠支架中添加重組人基質細胞衍生生長因子-1α（rhSDF-1α），一種潛在的軟骨祖細胞趨化因子，可以增強PRG4的分泌。除了細胞外基質成分的補充，物理和機械刺激也可以促進PRG4的合成和分泌。有研究表明，將軟骨細胞以瓊脂糖水凝膠包裹以製成組織工程軟骨（TEC），然後置於生物反應器內培養，可以提高PRG4的表達。
生長因子和細胞因子對PRG4的表達調控 轉化生長因子-β1（TGF-β1）可以促進關節軟骨表層細胞分泌PRG4，而白細胞介素-1α（IL-1α）則減少軟骨細胞PRG4的合成，胰島素樣生長因子-1（IGF-1）對PRG4的合成則沒有影響。TGF-β通過SMAD3以及PKA-CREB信號通路促進PRG4的合成和分泌。另一研究也得出了相同的結論。該研究採用20日齡雄性大鼠的下頜骨髁突軟骨細胞，研究TGF-β1及IL-1α對軟骨細胞PRG4分泌的影響，結果表明，IL-1α可以減少軟骨細胞PRG4的合成；而TGF-β1可以促進PRG4的合成，且可以拮抗和逆轉IL-1α對PRG4分泌的抑制作用。IL-1β和TNF-α是骨關節炎最為重要的兩種炎症因子，在骨關節炎時其表達升高，它們抑制關節軟骨表層細胞PRG4的分泌，從而破壞關節的邊界潤滑能力。
Wnt/β-catenin信號通路在關節軟骨表層處於激活狀態，其在軟骨表層形成中起重要作用。研究表明，PRG4的合成依賴於Wnt/β-catenin信號通路。在軟骨表層β-catenin特異性基因敲除小鼠，PRG4的表達降低，關節軟骨表面破壞，關節軟骨退變加重。而在軟骨表層β-catenin若穩定的表達，則PRG4的合成增加，軟骨退變延緩。小分子藥物ketogenic（KGN），TGF-β1，BMP-7聯合應用，可以有效促進骨髓間充質幹細胞PRG4的合成。富血小板血漿（PRP）含有多種生長因子，雖不能確定是何種生長因子在促進PRG4分泌中起主要作用，但PRP的添加促進了滑膜和軟骨細胞PRG4的合成和分泌。細胞表面蛋白多糖，如硫酸乙醯肝素，硫酸軟骨素以及肝素均會影響PRG4的分泌，但其影響不同。外源性的硫酸乙醯肝素和硫酸軟骨素可以促進PRG4的合成，而肝素則起到相反的作用。
蛋白聚糖4在關節損傷及骨關節炎時的變化
骨關節炎及急性關節損傷的病人關節滑液中會出現PRG4含量的變化。正常關節滑液中，PRG4的濃度為35-250μg/ml。有研究表明，在OA病人，關節滑液中蛋白聚糖4的含量是降低的，同時關節的邊界潤滑能力下降，而其他研究則得出了相反的結論，該研究認為在骨關節炎的病人，PRG4的含量是升高的。這些研究結果的不同，可能是由於人群的選擇，採用的測量方法及判定標準不同所致。有研究採用馬骨關節炎模型來檢測PRG4在OA時的變化情況。結果表明，儘管OA關節軟骨Prg4基因表達降低，但是滑膜Prg4基因表達，關節滑液PRG4的濃度均高於正常關節。該研究提示，上調的PRG4可能會對OA起到保護作用。
蛋白聚糖4延緩OA關節軟骨退變的實驗研究
多項實驗研究了PRG4在延緩骨關節炎關節軟骨退變中的作用。Prg4基因敲除小鼠表現為軟骨退變加速及軟骨下骨質疏鬆，而通過關節腔注射重組人PRG4（rhPRG4），關節軟骨退變好轉，軟骨下骨質疏鬆得到改善。PRG4的缺失可以促進OA滑膜細胞的增生，而rhPRG4可以通過作用於CD44抑制滑膜成纖維細胞的增殖，同時減少IL-1β誘導的OA滑膜細胞炎症因子MMP-1，MMP-3，MMP-9，MMP-13，IL-6，IL-8的合成和分泌，而且，外源性rhPRG4在OA滑膜細胞中可自主調節內源性PRG4的表達。
Stone等採用中度和重度兩種程度的小鼠骨關節炎模型，通過關節腔注射輔助腺病毒載體介導的PRG4和IL-1Ra基因，用於評價兩種基因聯合應用對骨關節炎的治療作用。研究結果表明，對於兩種程度不同的骨關節炎模型，這兩種基因聯合應用，通過促進軟骨合成代謝及抑制其分解代謝，達到了比單基因治療更好的效果。一項臨床前的大動物實驗研究了蛋白聚糖4在延緩大動物骨關節炎關節軟骨退變中的作用，為PRG4最終應用於臨床試驗奠定了基礎。該研究採用小型豬內側半月板不穩定（DMM）OA模型，通過關節腔注射rhPRG4，研究PRG4對大動物實驗性OA的治療作用。研究結果表明，通過關節腔注射rhPRG4可以減輕脛骨平臺關節軟骨破壞，降低尿液中Ⅱ型膠原降解產物的含量，減少關節滑液和血清中IL-1β的含量，從而延緩OA進展。該研究提示，對於內側半月板損傷的病人，通過關節腔注射rhPRG4，可能會起到延緩由於內側半月板損傷所致的創傷後關節炎關節軟骨退變。
小結與展望
蛋白聚糖4是一種高度保守的粘液性糖蛋白，在維持滑膜關節正常邊界潤滑和保護關節軟骨中發揮重要作用。目前研究集中於關節腔內補充潤滑素對於骨關節炎或創傷後關節炎的保護作用，但研究主要集中於嚙齒類動物，對於PRG4補充療法應用於臨床還需要大動物（例如馬）關節損傷及骨關節炎模型進行進一步研究。另外，PRG4在體內的表達調控，其注射劑量、次數、維持時間以及如何使重組PRG4更有效的連接於關節軟骨表面，發揮邊界潤滑作用，還需要更多的研究。
來源：中國矯形外科雜誌2020年6月第28卷第12期
(本網站所有內容，凡註明來源為「醫脈通」，版權均歸醫脈通所有，未經授權，任何媒體、網站或個人不得轉載，否則將追究法律責任，授權轉載時須註明「來源：醫脈通」。本網註明來源為其他媒體的內容為轉載，轉載僅作觀點分享，版權歸原作者所有，如有侵犯版權，請及時聯繫我們。)