關節軟骨損傷后，在進行性退變過程中，分解代謝水平上調，軟骨細胞會分泌多種炎癥因子，原有的細胞表型也逐漸改變。因此長期以來，廣大研究者針對促軟骨細胞合成代謝、維持軟骨細胞表型穩定做了大量的研究，并發現在一系列軟骨修復過程中有多種分子信號通路參與。本篇綜述重點介紹關節軟骨修復中關鍵的信號分子，如：轉化生長因子 β（TGF-β）、骨形態發生蛋白（BMP）等，并揭示和探討這些分子在軟骨損傷及修復過程中的作用，以便相關領域研究者廣泛深入地了解軟骨損傷修復過程中的分子機制，并在此基礎上尋找軟骨修復治療靶點和更優的生物學治療方法。
引用本文： 涂鵬程, 郭楊, 鄭蘇陽, 潘婭嵐, 王禮寧, 馬勇. 關節軟骨修復機制中相關信號分子的研究進展. 生物醫學工程學雜志, 2019, 36(2): 343-348. doi: 10.7507/1001-5515.201806021 復制
引言
關節軟骨損傷是骨科臨床常見疾病，由于軟骨自我修復能力有限，軟骨損傷幾乎不能修復，盡管目前有手術、移植、組織工程等治療方法，但臨床治療效果仍不能令人滿意。人類關節軟骨是由軟骨細胞和大量軟骨基質組成的高度分化的無血管組織。在健康的成人軟骨中，軟骨細胞處于合成和分解代謝相對平衡的穩定狀態，而在炎癥、創傷及其他病理因素引起的軟骨損傷中，這種穩定狀態被打破，分解代謝水平上調，且在生理負荷的作用下逐漸發生骨關節退行性病變，最終導致關節失用。退行性病變的關節軟骨有兩個主要特點：① 是多種炎性細胞因子浸潤，如：白細胞介素 1（interleukin-1，IL-1）、腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）[1]以及細胞胞外基質降解酶［如：基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）］等，可導致軟骨基質減少；② 是軟骨細胞表型會發生肥大性分化[2]，表達一些終末分化標志物，如 Runt 相關轉錄因子-2（runt-related transcription factor 2，RUNX-2）、X 型膠原（collagen X）、MMP-13 和印度刺猬因子（indian hedgehog，IHH）。
研究者們長期以來希望通過刺激軟骨基質再生、維持軟骨細胞表型來促進軟骨損傷修復，而這兩方面都受到多種復雜的信號分子，如：轉化生長因子 β（transforming growth factor-β，TGF-β）、成纖維生長因子（fibroblast growth factor，FGF）、骨形態發生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）和 Wnt 信號分子等相互作用和調節。因此，揭示這些分子機制對于人們理解軟骨損傷修復的生理病理過程、確定關鍵致病因素有重要的意義。本篇綜述重點圍繞軟骨退變和修復過程中關鍵的信號分子 TGF-β、BMP、FGF、缺氧誘導因子（hypoxia inducible factor，HIF）、Wnt、核因子 κB（nuclearfactor-kappa B，NF-κB）、絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MAPK）和 IHH 等展開介紹，以期望有助于相關領域研究者了解軟骨損傷修復過程中的分子機制，并在此基礎上尋找軟骨修復治療靶點和更優的生物學治療方法。
1 生長因子類信號分子
生長因子是一類由多種細胞分泌的多肽類物質，可以與特異性、高親和力的細胞表面受體結合，經復雜的細胞內信號轉導，調節細胞的增殖、分化及穩態維持。在軟骨損傷與修復過程中，多種生長因子類信號分子，如：TGF-β、BMP、胰島素樣生長因子（insulin-like growth factors，IGF）、FGF 等，參與細胞的調控和代謝變化。
1.1 TGF-β
TGF-β 是一個包含多種成員的細胞因子超家族，能夠通過調控細胞的生長、分化和增殖等過程，參與維持組織、器官的正常結構功能。在軟骨組織中，TGF-β 能夠刺激軟骨細胞增殖和軟骨基質的生成，從而促進合成代謝與軟骨缺損的修復[3]，但同時 TGF-β 也能夠經細胞表面 TGF-β 受體Ⅱ介導加重骨關節炎（osteoarthritis，OA）患者軟骨細胞的退行性病變[4]。之所以產生這種矛盾，是因為 TGF-β 選擇性啟動了不同的信號通路。Smad 蛋白家族是 TGF-β 下游重要的細胞內信號轉導蛋白，目前普遍認為，Smad 蛋白依賴途徑是介導 TGF-β 信號進入細胞核內的最主要方式。TGF-β 通過與細胞表面受體的結合啟動激活素受體樣激酶 1（activin receptor like kinase 1，ALK1）和激活素受體樣激酶 5（activin receptor like kinase 5，ALK5）[5]，可分別激活 Smad1、Smad5、Smad8 和 Smad2、Smad3[6]，這是軟骨細胞表型改變和分化進程中的兩條主要調節通路。TGF-β 通過 Smad2、Smad3 途徑可以促進軟骨細胞相對穩態的維持，并誘導蛋白聚糖和Ⅱ型膠原的生成；而通過 Smad1、Smad5、Smad8 途徑能夠刺激軟骨細胞生成 collagen X、MMP-13、骨橋蛋白、堿性磷酸酶、骨鈣素以及血管內皮生長因子，促進軟骨細胞的肥大性分化。
還有研究顯示，在 OA 和退行性骨關節病的關節軟骨中 ALK1/ALK5 比例顯著增高，表明在退行性病變和 OA 患者的關節軟骨細胞中 Smad1、Smad5、Smad8 介導的信號途徑占相對優勢，并由此促進了軟骨細胞的肥大性分化和 MMP-13 產生，造成軟骨損傷不斷進展[7]。
1.2 BMP
BMP 是屬于 TGF 超家族中的一員。現已證明，BMP-7 有促進軟骨損傷修復的作用，能夠誘導軟骨細胞外基質合成、抵抗由 IL-1、IL-6 和纖維連接蛋白誘導的促細胞分解代謝作用，并能夠促進間充質干細胞向軟骨細胞的分化[8-10]。這些研究結果表明，BMP 通路是軟骨修復過程中的關鍵因素，有望成為軟骨再生醫學領域臨床治療應用中的有效靶點之一。
盡管 BMP 被認為是軟骨細胞的保護因子，在軟骨再生過程中發揮著重要的作用，但研究者們也發現 BMP 有參與促進軟骨細胞肥大性改變及軟骨內成骨的作用。一項對 OA 軟骨損傷的觀察研究發現，BMP-2 能夠通過 Smad1、Smad5、Smad8 介導蛋白激酶抑制劑 P57（一種細胞周期抑制物）的表達上調，從而誘導軟骨細胞肥大性分化，造成軟骨退變[11]。
綜上所述，TGF-β 和 BMP 誘導軟骨細胞表型分化的效應，如誘導軟骨細胞發生肥大性分化（以 collagen X 和 RUNX-2 表達為特點），或纖維軟骨狀分化（以 I 型膠原高表達為特點），是限制其進一步臨床應用的主要因素[12]。因此，如果能找到一種減少或降低這些不良影響的方法，將對開發一種有效的軟骨修復組織工程技術手段至關重要。那么，能否通過選擇性的阻滯 Smad1、Smad5、Smad8 信號途徑以抑制軟骨表型改變，調節軟骨代謝平衡紊亂，最終達到促進軟骨基質合成和軟骨修復的目的，將是今后進一步需要研究的課題方向。
1.3 FGF
FGF 家族包含二十幾個成員，具有高度同源性，其中的兩個成員 FGF-18 和 FGF-2 在軟骨生長與穩態維持等方面有舉足輕重的作用。FGF-18 能夠通過激活成纖維生長因子受體 3，誘導軟骨細胞增殖和 Sox 基因家族成員 Sox-9 的表達上調，刺激軟骨細胞產生更多的Ⅱ型膠原和細胞外基質[13]，促進人體關節軟骨細胞的合成代謝。Howard 等[14]的研究表明，在羊關節軟骨缺損后，通過微骨折手術聯合缺損處 FGF-18 注射治療，較單用微骨折手術治療能夠顯著改善關節抗壓能力，促進軟骨基質生成，減少關節軟骨退變。
與 FGF-18 促進軟骨修復的作用不同的是，FGF-2 主要通過激活 FGF 受體 1，上調 MMP-1、MMP-13，解聚蛋白樣金屬蛋白酶（a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin-like motifs，ADAMTS）的表達，抑制軟骨基質生成[15]，并能介導炎性細胞的富集。此外，也有研究顯示，對軟骨缺損周圍軟骨下骨定向給與低劑量 FGF-2，能夠上調 BMP-2、BMP-4 和 Sox-9 的表達，促進軟骨缺損修復再生[16]，FGF-2 似乎對軟骨細胞還有較強的促進有絲分裂作用[17]。但總的來說，目前人們對 FGF 通路的細胞內信號轉導還缺乏細致的了解，對 FGF 與其他細胞通路之間的相互作用還沒有深入的認識，未來人們仍需要在這方面做更深入的研究。
1.4 IGF
IGF 是一類低分子量肽，受生長激素的調控，主要分泌于骨和軟骨中。它們能夠經多種信號轉導通路，如：細胞外信號調節激酶（extracellular signal regulated kinase，ERK）、p38 MAPK、c-Jun N-末端激酶（c Jun N terminal kinases，JNK）等介導，調節關節軟骨細胞生理和病理條件下的代謝狀態。
IGF-1 能夠刺激軟骨細胞增殖、促進蛋白聚糖和Ⅱ型膠原的合成、誘導間充質干細胞向軟骨細胞分化，此外還能夠維持軟骨細胞表型[18-19]。然而，軟骨細胞對 IGF-1 作用的反應能力隨年齡增長和 OA 的發生而降低[20]，這一點或許會限制 IGF-1 的臨床應用。但已有研究報道，在退行性病變的軟骨中，IGF-1 和 TGF-β1 的聯合應用相比較單獨使用 IGF-1 更能促進軟骨細胞增殖，增加總的軟骨形成[21]。此外，Uchimura 等[22]的研究表明，IGF-2 也能夠抑制 IL-1β 誘導的 MMP-13 蛋白的表達，從而促進軟骨基質的合成。
2 IHH 分子
刺猬蛋白（hedgehog，HH）包括：Desert 刺猬蛋白（DHH）、Sonic 刺猬蛋白（SHH）和 Indian 刺猬蛋白（IHH），其中 IHH 信號通路密切參與軟骨形成和生長板中軟骨細胞的增殖分化過程。IHH 主要是由肥大前期的軟骨細胞分泌，它的配體與補體 1 受體（patched1，PTCH1）結合，終止 PTCH1 對細胞表面受體 Smoothened（SMO）的抑制作用，進而導致 SMO 在軟骨細胞纖毛中的富集，并誘導下游的轉錄因子 Gli 蛋白的啟動，最后的結果是上調 RUNX-2（軟骨細胞肥大分化過程中的的主要調節因子）的表達，進而誘導軟骨細胞肥大性分化、成熟和骨化，最終導致骨贅形成[23]。但 IHH 信號通路的激活似乎并不會導致軟骨基質的分解。Thompson 等[24]發現，IHH 信號通路激活后，軟骨細胞的 Gli1 和 PTCH1 表達上調，但 Gli1 和 PTCH1 的表達上調并不會促進 ADAMTS-5 和 MMP-13 的分泌，也未影響軟骨基質的生成，還能夠輕微地降低 IL-1β 誘導的 ADAMTS-5 的表達。
此外，IHH 能夠刺激早期的軟骨膜和軟骨細胞產生甲狀旁腺激素相關蛋白（parathyroid hormone-related protein，PTHrP），PTHrP 能夠保持軟骨細胞的增殖和低分化狀態，而這種低分化狀態會降低 IHH 的產生。因此 IHH/PTHrP 信號通路構成了一種負反饋回路，調節著生長板軟骨細胞增殖和軟骨細胞的分化過程[25]。
綜上，IHH 信號通路與軟骨損傷組織工程治療結果有潛在的相關性。由于對 IHH 信號的抑制能夠減少 OA 動物模型的疾病嚴重性，因此可以將 IHH/PTHrP 軸向調制作為潛在的治療方法進一步研究。
3 Wnt 信號分子
Wnt 信號分子在多種細胞的增殖、分化、生長等活動中起著關鍵性作用[26]。經典的 Wnt 信號通路指的是 Wnt/β-catenin 信號通路，即通過 Wnt 信號分子的激活導致細胞質內 β-catenin 的穩定、富集和核轉移，進而誘導目標基因的轉錄。
經典 Wnt 信號通路的作用主要在于抑制軟骨形成和刺激軟骨細胞肥大性分化。在軟骨細胞中，Wnt1、Wnt4 和 Wnt8a 都能夠激活 β-catenin 信號途徑，進而刺激軟骨細胞肥大和軟骨內成骨，而過表達的 Wnt-5a、Wnt-5b 以及 Wnt 信號分子的拮抗分子 Frzb、Frp3、Sfrp3 等能夠抑制這個過程；當然，Wnt 信號分子和 Wnt 調節分子對于 Wnt 信號通路的作用并不是絕對的，還取決于細胞的種類和其他細胞因子的共同作用[27]。
目前開展的很多實驗都證明對 Wnt/β-catenin 信號通路的抑制可以減輕 OA，促進軟骨損傷修復。在鼠生長板軟骨損傷修復過程中，Wnt/β-catenin 信號通路與軟骨損傷后炎癥、間充質干細胞浸潤、損傷處骨組織形成和重塑密切相關，而對 β-catenin 通路的抑制能夠增加軟骨組織生成，減少異位骨生成[28]。此外，Lietman 等[29]的研究顯示，Wnt 抑制劑 XAV-939 和 C113 能夠減少滑膜成纖維細胞的增殖和Ⅰ型膠原的合成，通過抗分解代謝的作用促進 OA 造成的軟骨損傷修復。
毫無疑問這些研究都有力地說明了 Wnt/β-catenin 信號通路在 OA 發病機制中的關鍵作用，且對此信號通路的調控可能成為潛在的軟骨修復治療方案。然而，由于 Wnt 信號分子和其他信號分子作用相互交錯的復雜性，人們尚需進一步的研究以更好地描述軟骨細胞中具體單個 Wnt 信號分子以及其抑制劑作用與軟骨損傷及修復的相關性。
4 HIF 因子
健康的關節軟骨是典型的無血管組織，主要從關節滑液和軟骨下骨中汲取營養和氧氣。這種低氧條件下軟骨細胞的存活及其功能維持依賴于 HIF 家族成員介導的適應性機制。除低氧狀態之外，炎性細胞因子（如 IL-1 和 TNF-α）、機械壓迫等造成軟骨損傷的關鍵因素也能刺激 HIF 的表達上調。
越來越多的研究顯示，HIF 在軟骨損傷與修復中起到了關鍵的作用。低氧狀態下過表達的 HIF-1α 可以刺激人骨髓細胞向軟骨細胞表型的轉化，促進軟骨形成，并抑制軟骨肥大性分化[30]；還能夠上調兩個主要基質成分Ⅱ型膠原和蛋白聚糖的表達，促進軟骨基質的合成，從而抑制軟骨損傷[31]。HIF-2α 是 HIF 家族的另一個成員，與 HIF-1α 具有廣泛的結構同源性。HIF-2α 已被確定為軟骨內成骨過程的廣泛調節因子[32]，包括調節軟骨細胞肥大性分化、軟骨退行性病變和血管侵蝕。Hwang 等[33]和 Li 等[34]的研究清楚地表明了 HIF-2α 誘導軟骨破壞的作用，它可以通過上調多種降解酶（MMP-1，MMP-3，MMP-13，ADAMTS-4）的表達，導致進行性軟骨損傷。由此可見，軟骨損傷應激后的 HIF 通路與調節軟骨細胞代謝密切相關，但 HIF-1α 和 HIF-2α 作用卻迥然不同，究竟二者在軟骨損傷分子機制中誰占據主導作用。人們是否可以針對 HIF 通路找到穩定的促進軟骨修復的方法，還需要更深入的研究。
5 MAPK
哺乳動物體內 MAPK 主要有三大類別：ERK、JNK 和 p38 MAPK，它們能夠調控多種轉錄因子的磷酸化啟動，控制著大量細胞外刺激向特定的細胞內反應的轉化。
MAPK 信號通路能夠調節軟骨形成、成熟和軟骨內骨化等過程，它們的改變（特別是 p38 和 ERK）對 OA 發病和進展過程中軟骨細胞功能障礙有非常突出的作用。研究表明，對 P38 信號通路的阻滯能夠抑制 OA 軟骨中軟骨細胞凋亡，并減少炎性細胞因子 IL-1β、IL-6 和 TNF-α 的表達，延緩軟骨損傷[35]。此外，Chen 等[36]在軟骨細胞肥大區觀察到強烈的 ERK 信號通路的啟動，他們發現通過對 ERK 通路的抑制能夠延緩軟骨細胞在軟骨內成骨過程中的終末分化，表明了 ERK 在軟骨內成骨的過程中發揮了關鍵性作用。
MAPK 信號通路作為細胞外刺激向細胞內反應的轉導中樞，受到多種信號分子作用的影響，如參與 IL-1 等誘導的 OA 軟骨細胞中 MMP 表達上調[37]。由此可見，軟骨損傷過程中 MAPK 信號通路的始動因素復雜多樣，仍需要針對其與各種損傷因素或分子之間的作用關系開展大量的研究工作。
6 NF-κB
NF-κB 轉錄因子是一類廣泛表達的細胞因子，軟骨損傷過程中 NF-κB 信號通路能夠被纖維連接蛋白片段、促炎因子（如 TNF-α、IL-1β 等）、機械應力和軟骨基質降解物等多種因素激活，之后 NF-κB 獨自或和其他信號通路［如：5'-磷酸腺苷依賴蛋白激酶（adenosine 5'-monophosphate activated protein kinase，AMPK）、Wnt 等］共同作用，阻礙軟骨細胞的合成代謝反應，并刺激多種軟骨基質降解酶的分泌，最終導致關節軟骨破壞[38]。
NF-κB 分子還可以通過誘導 collagen X 和前列腺素 E2、一氧化氮、一氧化氮合酶和環氧合酶 2 的生成，促進 OA 軟骨細胞分解代謝相關細胞因子的合成、軟骨炎癥的進展和軟骨細胞凋亡[39]。OA 軟骨細胞 NF-κB 信號的長期啟動還會影響其他調節轉錄因子，如 E74 樣因子 3、HIF-2 和 RUNX-2，這些轉錄因子能刺激多種 MMP 的產生，阻礙Ⅱ型膠原和蛋白聚糖的生成[40]。因此許多研究者希望通過阻斷 NF-κB 信號的方式來尋找軟骨修復的潛在方法。如 Xu 等[41]的研究顯示，丹參能夠通過阻滯 NF-κB 信號通路降低 OA 軟骨細胞中 MMP-9 和 MMP-13 的表達和活性，并上調 Bcl-2 蛋白（能夠抑制細胞凋亡）的表達，減少細胞凋亡率，從而減緩關節軟骨損傷。
7 討論
綜上，幾乎所有關節軟骨損傷的過程都涉及促炎介質的浸潤，軟骨基質降解及軟骨細胞表型的改變，而這些軟骨合成、分解代謝之間的穩態變化是由多種信號分子共同驅動的[42]。它們或是促進軟骨修復，或是抑制，或是協同作用，幾乎都得到了廣泛深入的觀察研究，對于人們進一步理解損傷軟骨的代謝變化，尋找軟骨修復治療靶點起到了關鍵性的作用。
然而，隨著研究的深入，人體復雜的代謝環境下各信號分子作用之間存在著顯著的串擾，它們彼此之間的關系尚需進行充分的研究以便闡釋清楚；單個信號分子觸發多種下游信號通路的復雜過程還需要進一步實驗研究探明。此外，還可以利用高通量檢測技術對軟骨損傷過程中的代謝變化進行測定，以更加詳盡地了解各種信號分子交互作用的調節網絡，使人們在針對軟骨損傷的治療上有的放矢。
此外，目前很多研究都是通過干預單一信號分子作用促進軟骨修復，而忽略了軟骨損傷及修復過程中其他信號通路的共同作用，那么是否可以通過刺激多種信號通路共同作用達到更加穩定、可控的治療效果，有待未來進一步研究去探索發現。
引言
關節軟骨損傷是骨科臨床常見疾病，由于軟骨自我修復能力有限，軟骨損傷幾乎不能修復，盡管目前有手術、移植、組織工程等治療方法，但臨床治療效果仍不能令人滿意。人類關節軟骨是由軟骨細胞和大量軟骨基質組成的高度分化的無血管組織。在健康的成人軟骨中，軟骨細胞處于合成和分解代謝相對平衡的穩定狀態，而在炎癥、創傷及其他病理因素引起的軟骨損傷中，這種穩定狀態被打破，分解代謝水平上調，且在生理負荷的作用下逐漸發生骨關節退行性病變，最終導致關節失用。退行性病變的關節軟骨有兩個主要特點：① 是多種炎性細胞因子浸潤，如：白細胞介素 1（interleukin-1，IL-1）、腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）[1]以及細胞胞外基質降解酶［如：基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）］等，可導致軟骨基質減少；② 是軟骨細胞表型會發生肥大性分化[2]，表達一些終末分化標志物，如 Runt 相關轉錄因子-2（runt-related transcription factor 2，RUNX-2）、X 型膠原（collagen X）、MMP-13 和印度刺猬因子（indian hedgehog，IHH）。
研究者們長期以來希望通過刺激軟骨基質再生、維持軟骨細胞表型來促進軟骨損傷修復，而這兩方面都受到多種復雜的信號分子，如：轉化生長因子 β（transforming growth factor-β，TGF-β）、成纖維生長因子（fibroblast growth factor，FGF）、骨形態發生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）和 Wnt 信號分子等相互作用和調節。因此，揭示這些分子機制對于人們理解軟骨損傷修復的生理病理過程、確定關鍵致病因素有重要的意義。本篇綜述重點圍繞軟骨退變和修復過程中關鍵的信號分子 TGF-β、BMP、FGF、缺氧誘導因子（hypoxia inducible factor，HIF）、Wnt、核因子 κB（nuclearfactor-kappa B，NF-κB）、絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MAPK）和 IHH 等展開介紹，以期望有助于相關領域研究者了解軟骨損傷修復過程中的分子機制，并在此基礎上尋找軟骨修復治療靶點和更優的生物學治療方法。
1 生長因子類信號分子
生長因子是一類由多種細胞分泌的多肽類物質，可以與特異性、高親和力的細胞表面受體結合，經復雜的細胞內信號轉導，調節細胞的增殖、分化及穩態維持。在軟骨損傷與修復過程中，多種生長因子類信號分子，如：TGF-β、BMP、胰島素樣生長因子（insulin-like growth factors，IGF）、FGF 等，參與細胞的調控和代謝變化。
1.1 TGF-β
TGF-β 是一個包含多種成員的細胞因子超家族，能夠通過調控細胞的生長、分化和增殖等過程，參與維持組織、器官的正常結構功能。在軟骨組織中，TGF-β 能夠刺激軟骨細胞增殖和軟骨基質的生成，從而促進合成代謝與軟骨缺損的修復[3]，但同時 TGF-β 也能夠經細胞表面 TGF-β 受體Ⅱ介導加重骨關節炎（osteoarthritis，OA）患者軟骨細胞的退行性病變[4]。之所以產生這種矛盾，是因為 TGF-β 選擇性啟動了不同的信號通路。Smad 蛋白家族是 TGF-β 下游重要的細胞內信號轉導蛋白，目前普遍認為，Smad 蛋白依賴途徑是介導 TGF-β 信號進入細胞核內的最主要方式。TGF-β 通過與細胞表面受體的結合啟動激活素受體樣激酶 1（activin receptor like kinase 1，ALK1）和激活素受體樣激酶 5（activin receptor like kinase 5，ALK5）[5]，可分別激活 Smad1、Smad5、Smad8 和 Smad2、Smad3[6]，這是軟骨細胞表型改變和分化進程中的兩條主要調節通路。TGF-β 通過 Smad2、Smad3 途徑可以促進軟骨細胞相對穩態的維持，并誘導蛋白聚糖和Ⅱ型膠原的生成；而通過 Smad1、Smad5、Smad8 途徑能夠刺激軟骨細胞生成 collagen X、MMP-13、骨橋蛋白、堿性磷酸酶、骨鈣素以及血管內皮生長因子，促進軟骨細胞的肥大性分化。
還有研究顯示，在 OA 和退行性骨關節病的關節軟骨中 ALK1/ALK5 比例顯著增高，表明在退行性病變和 OA 患者的關節軟骨細胞中 Smad1、Smad5、Smad8 介導的信號途徑占相對優勢，并由此促進了軟骨細胞的肥大性分化和 MMP-13 產生，造成軟骨損傷不斷進展[7]。
1.2 BMP
BMP 是屬于 TGF 超家族中的一員。現已證明，BMP-7 有促進軟骨損傷修復的作用，能夠誘導軟骨細胞外基質合成、抵抗由 IL-1、IL-6 和纖維連接蛋白誘導的促細胞分解代謝作用，并能夠促進間充質干細胞向軟骨細胞的分化[8-10]。這些研究結果表明，BMP 通路是軟骨修復過程中的關鍵因素，有望成為軟骨再生醫學領域臨床治療應用中的有效靶點之一。
盡管 BMP 被認為是軟骨細胞的保護因子，在軟骨再生過程中發揮著重要的作用，但研究者們也發現 BMP 有參與促進軟骨細胞肥大性改變及軟骨內成骨的作用。一項對 OA 軟骨損傷的觀察研究發現，BMP-2 能夠通過 Smad1、Smad5、Smad8 介導蛋白激酶抑制劑 P57（一種細胞周期抑制物）的表達上調，從而誘導軟骨細胞肥大性分化，造成軟骨退變[11]。
綜上所述，TGF-β 和 BMP 誘導軟骨細胞表型分化的效應，如誘導軟骨細胞發生肥大性分化（以 collagen X 和 RUNX-2 表達為特點），或纖維軟骨狀分化（以 I 型膠原高表達為特點），是限制其進一步臨床應用的主要因素[12]。因此，如果能找到一種減少或降低這些不良影響的方法，將對開發一種有效的軟骨修復組織工程技術手段至關重要。那么，能否通過選擇性的阻滯 Smad1、Smad5、Smad8 信號途徑以抑制軟骨表型改變，調節軟骨代謝平衡紊亂，最終達到促進軟骨基質合成和軟骨修復的目的，將是今后進一步需要研究的課題方向。
1.3 FGF
FGF 家族包含二十幾個成員，具有高度同源性，其中的兩個成員 FGF-18 和 FGF-2 在軟骨生長與穩態維持等方面有舉足輕重的作用。FGF-18 能夠通過激活成纖維生長因子受體 3，誘導軟骨細胞增殖和 Sox 基因家族成員 Sox-9 的表達上調，刺激軟骨細胞產生更多的Ⅱ型膠原和細胞外基質[13]，促進人體關節軟骨細胞的合成代謝。Howard 等[14]的研究表明，在羊關節軟骨缺損后，通過微骨折手術聯合缺損處 FGF-18 注射治療，較單用微骨折手術治療能夠顯著改善關節抗壓能力，促進軟骨基質生成，減少關節軟骨退變。
與 FGF-18 促進軟骨修復的作用不同的是，FGF-2 主要通過激活 FGF 受體 1，上調 MMP-1、MMP-13，解聚蛋白樣金屬蛋白酶（a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin-like motifs，ADAMTS）的表達，抑制軟骨基質生成[15]，并能介導炎性細胞的富集。此外，也有研究顯示，對軟骨缺損周圍軟骨下骨定向給與低劑量 FGF-2，能夠上調 BMP-2、BMP-4 和 Sox-9 的表達，促進軟骨缺損修復再生[16]，FGF-2 似乎對軟骨細胞還有較強的促進有絲分裂作用[17]。但總的來說，目前人們對 FGF 通路的細胞內信號轉導還缺乏細致的了解，對 FGF 與其他細胞通路之間的相互作用還沒有深入的認識，未來人們仍需要在這方面做更深入的研究。
1.4 IGF
IGF 是一類低分子量肽，受生長激素的調控，主要分泌于骨和軟骨中。它們能夠經多種信號轉導通路，如：細胞外信號調節激酶（extracellular signal regulated kinase，ERK）、p38 MAPK、c-Jun N-末端激酶（c Jun N terminal kinases，JNK）等介導，調節關節軟骨細胞生理和病理條件下的代謝狀態。
IGF-1 能夠刺激軟骨細胞增殖、促進蛋白聚糖和Ⅱ型膠原的合成、誘導間充質干細胞向軟骨細胞分化，此外還能夠維持軟骨細胞表型[18-19]。然而，軟骨細胞對 IGF-1 作用的反應能力隨年齡增長和 OA 的發生而降低[20]，這一點或許會限制 IGF-1 的臨床應用。但已有研究報道，在退行性病變的軟骨中，IGF-1 和 TGF-β1 的聯合應用相比較單獨使用 IGF-1 更能促進軟骨細胞增殖，增加總的軟骨形成[21]。此外，Uchimura 等[22]的研究表明，IGF-2 也能夠抑制 IL-1β 誘導的 MMP-13 蛋白的表達，從而促進軟骨基質的合成。
2 IHH 分子
刺猬蛋白（hedgehog，HH）包括：Desert 刺猬蛋白（DHH）、Sonic 刺猬蛋白（SHH）和 Indian 刺猬蛋白（IHH），其中 IHH 信號通路密切參與軟骨形成和生長板中軟骨細胞的增殖分化過程。IHH 主要是由肥大前期的軟骨細胞分泌，它的配體與補體 1 受體（patched1，PTCH1）結合，終止 PTCH1 對細胞表面受體 Smoothened（SMO）的抑制作用，進而導致 SMO 在軟骨細胞纖毛中的富集，并誘導下游的轉錄因子 Gli 蛋白的啟動，最后的結果是上調 RUNX-2（軟骨細胞肥大分化過程中的的主要調節因子）的表達，進而誘導軟骨細胞肥大性分化、成熟和骨化，最終導致骨贅形成[23]。但 IHH 信號通路的激活似乎并不會導致軟骨基質的分解。Thompson 等[24]發現，IHH 信號通路激活后，軟骨細胞的 Gli1 和 PTCH1 表達上調，但 Gli1 和 PTCH1 的表達上調并不會促進 ADAMTS-5 和 MMP-13 的分泌，也未影響軟骨基質的生成，還能夠輕微地降低 IL-1β 誘導的 ADAMTS-5 的表達。
此外，IHH 能夠刺激早期的軟骨膜和軟骨細胞產生甲狀旁腺激素相關蛋白（parathyroid hormone-related protein，PTHrP），PTHrP 能夠保持軟骨細胞的增殖和低分化狀態，而這種低分化狀態會降低 IHH 的產生。因此 IHH/PTHrP 信號通路構成了一種負反饋回路，調節著生長板軟骨細胞增殖和軟骨細胞的分化過程[25]。
綜上，IHH 信號通路與軟骨損傷組織工程治療結果有潛在的相關性。由于對 IHH 信號的抑制能夠減少 OA 動物模型的疾病嚴重性，因此可以將 IHH/PTHrP 軸向調制作為潛在的治療方法進一步研究。
3 Wnt 信號分子
Wnt 信號分子在多種細胞的增殖、分化、生長等活動中起著關鍵性作用[26]。經典的 Wnt 信號通路指的是 Wnt/β-catenin 信號通路，即通過 Wnt 信號分子的激活導致細胞質內 β-catenin 的穩定、富集和核轉移，進而誘導目標基因的轉錄。
經典 Wnt 信號通路的作用主要在于抑制軟骨形成和刺激軟骨細胞肥大性分化。在軟骨細胞中，Wnt1、Wnt4 和 Wnt8a 都能夠激活 β-catenin 信號途徑，進而刺激軟骨細胞肥大和軟骨內成骨，而過表達的 Wnt-5a、Wnt-5b 以及 Wnt 信號分子的拮抗分子 Frzb、Frp3、Sfrp3 等能夠抑制這個過程；當然，Wnt 信號分子和 Wnt 調節分子對于 Wnt 信號通路的作用并不是絕對的，還取決于細胞的種類和其他細胞因子的共同作用[27]。
目前開展的很多實驗都證明對 Wnt/β-catenin 信號通路的抑制可以減輕 OA，促進軟骨損傷修復。在鼠生長板軟骨損傷修復過程中，Wnt/β-catenin 信號通路與軟骨損傷后炎癥、間充質干細胞浸潤、損傷處骨組織形成和重塑密切相關，而對 β-catenin 通路的抑制能夠增加軟骨組織生成，減少異位骨生成[28]。此外，Lietman 等[29]的研究顯示，Wnt 抑制劑 XAV-939 和 C113 能夠減少滑膜成纖維細胞的增殖和Ⅰ型膠原的合成，通過抗分解代謝的作用促進 OA 造成的軟骨損傷修復。
毫無疑問這些研究都有力地說明了 Wnt/β-catenin 信號通路在 OA 發病機制中的關鍵作用，且對此信號通路的調控可能成為潛在的軟骨修復治療方案。然而，由于 Wnt 信號分子和其他信號分子作用相互交錯的復雜性，人們尚需進一步的研究以更好地描述軟骨細胞中具體單個 Wnt 信號分子以及其抑制劑作用與軟骨損傷及修復的相關性。
4 HIF 因子
健康的關節軟骨是典型的無血管組織，主要從關節滑液和軟骨下骨中汲取營養和氧氣。這種低氧條件下軟骨細胞的存活及其功能維持依賴于 HIF 家族成員介導的適應性機制。除低氧狀態之外，炎性細胞因子（如 IL-1 和 TNF-α）、機械壓迫等造成軟骨損傷的關鍵因素也能刺激 HIF 的表達上調。
越來越多的研究顯示，HIF 在軟骨損傷與修復中起到了關鍵的作用。低氧狀態下過表達的 HIF-1α 可以刺激人骨髓細胞向軟骨細胞表型的轉化，促進軟骨形成，并抑制軟骨肥大性分化[30]；還能夠上調兩個主要基質成分Ⅱ型膠原和蛋白聚糖的表達，促進軟骨基質的合成，從而抑制軟骨損傷[31]。HIF-2α 是 HIF 家族的另一個成員，與 HIF-1α 具有廣泛的結構同源性。HIF-2α 已被確定為軟骨內成骨過程的廣泛調節因子[32]，包括調節軟骨細胞肥大性分化、軟骨退行性病變和血管侵蝕。Hwang 等[33]和 Li 等[34]的研究清楚地表明了 HIF-2α 誘導軟骨破壞的作用，它可以通過上調多種降解酶（MMP-1，MMP-3，MMP-13，ADAMTS-4）的表達，導致進行性軟骨損傷。由此可見，軟骨損傷應激后的 HIF 通路與調節軟骨細胞代謝密切相關，但 HIF-1α 和 HIF-2α 作用卻迥然不同，究竟二者在軟骨損傷分子機制中誰占據主導作用。人們是否可以針對 HIF 通路找到穩定的促進軟骨修復的方法，還需要更深入的研究。
5 MAPK
哺乳動物體內 MAPK 主要有三大類別：ERK、JNK 和 p38 MAPK，它們能夠調控多種轉錄因子的磷酸化啟動，控制著大量細胞外刺激向特定的細胞內反應的轉化。
MAPK 信號通路能夠調節軟骨形成、成熟和軟骨內骨化等過程，它們的改變（特別是 p38 和 ERK）對 OA 發病和進展過程中軟骨細胞功能障礙有非常突出的作用。研究表明，對 P38 信號通路的阻滯能夠抑制 OA 軟骨中軟骨細胞凋亡，并減少炎性細胞因子 IL-1β、IL-6 和 TNF-α 的表達，延緩軟骨損傷[35]。此外，Chen 等[36]在軟骨細胞肥大區觀察到強烈的 ERK 信號通路的啟動，他們發現通過對 ERK 通路的抑制能夠延緩軟骨細胞在軟骨內成骨過程中的終末分化，表明了 ERK 在軟骨內成骨的過程中發揮了關鍵性作用。
MAPK 信號通路作為細胞外刺激向細胞內反應的轉導中樞，受到多種信號分子作用的影響，如參與 IL-1 等誘導的 OA 軟骨細胞中 MMP 表達上調[37]。由此可見，軟骨損傷過程中 MAPK 信號通路的始動因素復雜多樣，仍需要針對其與各種損傷因素或分子之間的作用關系開展大量的研究工作。
6 NF-κB
NF-κB 轉錄因子是一類廣泛表達的細胞因子，軟骨損傷過程中 NF-κB 信號通路能夠被纖維連接蛋白片段、促炎因子（如 TNF-α、IL-1β 等）、機械應力和軟骨基質降解物等多種因素激活，之后 NF-κB 獨自或和其他信號通路［如：5'-磷酸腺苷依賴蛋白激酶（adenosine 5'-monophosphate activated protein kinase，AMPK）、Wnt 等］共同作用，阻礙軟骨細胞的合成代謝反應，并刺激多種軟骨基質降解酶的分泌，最終導致關節軟骨破壞[38]。
NF-κB 分子還可以通過誘導 collagen X 和前列腺素 E2、一氧化氮、一氧化氮合酶和環氧合酶 2 的生成，促進 OA 軟骨細胞分解代謝相關細胞因子的合成、軟骨炎癥的進展和軟骨細胞凋亡[39]。OA 軟骨細胞 NF-κB 信號的長期啟動還會影響其他調節轉錄因子，如 E74 樣因子 3、HIF-2 和 RUNX-2，這些轉錄因子能刺激多種 MMP 的產生，阻礙Ⅱ型膠原和蛋白聚糖的生成[40]。因此許多研究者希望通過阻斷 NF-κB 信號的方式來尋找軟骨修復的潛在方法。如 Xu 等[41]的研究顯示，丹參能夠通過阻滯 NF-κB 信號通路降低 OA 軟骨細胞中 MMP-9 和 MMP-13 的表達和活性，并上調 Bcl-2 蛋白（能夠抑制細胞凋亡）的表達，減少細胞凋亡率，從而減緩關節軟骨損傷。
7 討論
綜上，幾乎所有關節軟骨損傷的過程都涉及促炎介質的浸潤，軟骨基質降解及軟骨細胞表型的改變，而這些軟骨合成、分解代謝之間的穩態變化是由多種信號分子共同驅動的[42]。它們或是促進軟骨修復，或是抑制，或是協同作用，幾乎都得到了廣泛深入的觀察研究，對于人們進一步理解損傷軟骨的代謝變化，尋找軟骨修復治療靶點起到了關鍵性的作用。
然而，隨著研究的深入，人體復雜的代謝環境下各信號分子作用之間存在著顯著的串擾，它們彼此之間的關系尚需進行充分的研究以便闡釋清楚；單個信號分子觸發多種下游信號通路的復雜過程還需要進一步實驗研究探明。此外，還可以利用高通量檢測技術對軟骨損傷過程中的代謝變化進行測定，以更加詳盡地了解各種信號分子交互作用的調節網絡，使人們在針對軟骨損傷的治療上有的放矢。
此外，目前很多研究都是通過干預單一信號分子作用促進軟骨修復，而忽略了軟骨損傷及修復過程中其他信號通路的共同作用，那么是否可以通過刺激多種信號通路共同作用達到更加穩定、可控的治療效果，有待未來進一步研究去探索發現。