整合素及其配体在类风湿关节炎中的作用

摘要

整合素是一大类跨膜蛋白，将细胞锚定在细胞外基质（ECM）或其他细胞上。结合后，整合素通过诱导某些蛋白酶的表达重塑ECM。整合素控制细胞增殖、迁移和侵袭。虽然在某些情况下整合素可以自行调节这些效应，但它们通常在生长因子或细胞因子受体的背景下发出信号[1]. 与整合素结合的配体控制粘附依赖性增殖，而非门控整合素增强凋亡途径[2]. 这就是为什么在几乎所有形式的癌症中都可以观察到整合素表达或下游信号通路失调的原因之一，整合素水平通常决定了转移的侵袭性或倾向。

滑膜细胞的迁移、侵袭和增殖是类风湿关节炎（RA）的主要问题[三]. 这种使人衰弱的疾病的特征是滑膜组织发炎，免疫细胞大量涌入，滑膜衬里膨胀，主要由滑膜成纤维细胞（SF）和粘附在邻近ECM上的巨噬细胞组成。这些SF具有高度增殖性，对软骨和骨破坏有重要作用。在某些方面，由于转录因子AP-1、p53和核因子-κB（NF-κ[4]. 滑膜组织中的成纤维细胞、巨噬细胞以及内皮细胞显示出高水平的整合素表达[5]. 在RA中，整合素及其配体（例如纤维连接蛋白和胶原及其降解产物）不仅上调[6]. 整合素介导的信号对细胞的这种“过度刺激”增加了促炎细胞因子如白细胞介素-6（IL-6）和IL-8的基础分泌，也增加了各种基质金属蛋白酶的水平[7-9].

这篇综述介绍了滑膜细胞上表达的主要整合素及其结合伙伴，并证明了它们在疾病进展中的意义。我们主要关注β1、β3和β5整合素，因为其配体和各自整合素水平的改变是导致RA软骨破坏的主要因素之一。尽管整合素对RA有显著影响，但只有少数关于RA中整合素的综述发表。Medline对“整合素”和“关节炎”的搜索产生了108条评论（相比之下，“整合酶”和“癌症”有1200多条评论），其中大多数概述了单个整合素或细胞类型。Postigo及其同事于1993年和1995年进行了两次审查[10]廖和海恩斯[11]分别是最后一篇全面描述整合素对RA发病机制的影响的文章。然而，这两篇文章都没有描述整合素生物学中的复杂性，从ECM产生整合素配体到随后触发整合素信号级联，最终导致产生促炎因子和软骨降解。据我们所知，这是第一篇展示关节炎整合素机制的综述，包括配体、受体和效应细胞。

整合素生物学

细胞需要感知细胞外环境的组成，以引发适当的反应。整合素是一类异二聚体蛋白，用作ECM的传感器。整合素由决定配体特异性的α亚基和启动细胞内信号事件的β亚基组成。大多数整合素几乎只与ECM分子结合，而β2异二聚体与其他粘附分子结合，介导细胞间接触，是免疫系统的重要组成部分。与仅在免疫细胞上表达的β2整合素相比，其他β亚单位的表达更为多样。在滑膜中，成纤维细胞、巨噬细胞和内皮细胞只是表达β1、β3和β5亚单位的细胞的几个例子。ECM-结合整合素介导细胞过程，如粘附、迁移、组织侵袭和趋化，也介导细胞因子和基质金属蛋白酶的产生。

在纤连蛋白、胶原蛋白和玻璃凝集素的蛋白质序列中，整合素与精氨酸甘氨酸天冬氨酸（RGD）结合。与RGD序列的相互作用是整合素激活和随后细胞变化的重要开关。整合素可以将信号从细胞外传递到细胞内，反之亦然，从而使细胞对各种刺激作出动态反应。生长因子、激素和细胞因子以及ECM的组成能够调节整合素信号和亲和力[12]. 当配体激活整合素时，会启动几个信号事件。除了黏着斑激酶（FAK）、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）途径、磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）和c-Jun N末端激酶（JNKs）也被激活[13]. 生长因子和细胞因子采用与整合素相同的信号通路，显示了两者之间复杂的相互作用。整合素通过与诸如vinculin和talin等衔接蛋白偶联而与细胞骨架相连。因此，整合素活化的变化导致肌动蛋白细胞骨架的变化，肌动蛋白是粘附、迁移和侵袭ECM的先决条件。

整合素敲除与相关病理

鉴于各种整合素组合识别相同的ECM分子（例如，纤维连接蛋白被α4β1、α5β1、β1、γvβ1、δvβ3和α3β1识别，而其他人识别较弱），人们可能会期望整合素功能有一些冗余。事实上，当胶原蛋白结合整合素亚单位α1或α2被敲除时，情况就是这样。当α1被敲除时，相应的小鼠显示出血管减少，从这些动物中分离出的内皮细胞显示出增殖减少，而α2敲除仅显示出一种细微的表型。当涉及到纤连蛋白结合整合素亚基的敲除时，情况是不同的。整合素α3、α4、α5或αν的敲除在胚胎发生过程中是致命的，相应的小鼠在出生后不久死亡。此外，与胶原蛋白结合整合素相比，纤维连接蛋白结合整合素具有更多的组织特异性分布，使靶细胞更容易受到特定敲除。

除了在发育中起作用外，整合素突变还会导致各种其他缺陷。白细胞粘附缺陷1型（LAD-1）是一种基于β2整合素内点突变的常染色体隐性疾病，导致其在细胞表面缺失或无法与相应的α亚单位结合。这导致再次发生细菌感染，表明巨噬细胞和中性粒细胞功能受损。

另一种常染色体隐性遗传（尽管存在自身免疫形式）疾病是Glanzmann血栓无力症，血小板整合素αIIbβ3不能与纤维蛋白原和纤维蛋白结合。这一步骤对损伤后形成血栓很重要，否则会导致长时间出血。

整合素也参与癌症的产生和延续。在一些肿瘤中，特定整合素亚基的表达与恶性肿瘤有关。在黑色素瘤中，ανβ3和α5β1的表达增加可促进垂直生长和淋巴结转移。在非小细胞肺癌中，高α5β1水平可预测患者生存率下降。总的来说，整合素激活或表达的改变促进肿瘤生长和转移。然而，在某些情况下（例如，乳腺癌中的α2β1），整合素可以通过减少细胞扩散而起到保护作用[14]. 这种整合素增加上皮细胞的分化，增强ECM的结合，从而减少迁移。

滑膜组织中的整合素

在分析滑膜组织中整合素的分布时，需要考虑几个因素。首先，整合素的表达和功能因细胞类型而异。其次，细胞的位置很重要，因为滑膜衬里的表达水平与亚衬里不同。滑膜组织中的每个细胞都表达特定的整合素亚群，这取决于谱系和起源。几个小组研究了滑膜组织样本和分离细胞，以研究整合素的表达。整合素亚基β1表达最广泛，因为它可以在巨噬细胞、淋巴细胞、内皮细胞和成纤维细胞上发现[5,15,16]. 纤维连接蛋白受体α5β1和层粘连蛋白受体α3β1也存在于每种滑膜细胞类型上，而α4β1除了纤维连连接蛋白还与VCAM-1结合，仅存在于淋巴细胞上。内皮细胞和成纤维细胞也表达胶原受体α1β1和玻璃体凝集素受体ανβ3[17]. 在滑膜组织中，整合素的表达也取决于特定细胞的位置。大多数整合素在滑膜组织中的表达相似，但在滑膜衬里层的表达不同[5]. 这是滑膜细胞粘附在软骨上，活化的成纤维细胞和巨噬细胞降解ECM并侵入软骨的区域。层粘连蛋白受体α6β1由衬里层的成纤维细胞表达，但不由通常表达该受体的巨噬细胞表达[18]. 在滑膜衬里处，我们发现与亚衬里区相比，α5、αν和β1整合素水平增加。这清楚地表明，整合素表达增加与相应细胞的“破坏性”表型有关。

图​图11描述了整合素-配体相互作用及其后果（例如，促炎介质的增殖和分泌），将在接下来的三节中进行描述。描述了最重要的细胞类型（纤维母细胞、内皮细胞、T细胞、B细胞、巨噬细胞和Th17细胞），包括它们对整合素参与的个别反应（图​（图1）。1). 每种细胞类型的整合素水平如表所示​表1。1此表反映了我们自己对染色组织样本的观察结果，用于单个整合素和流式细胞术分析以及文献数据。

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图1

与纤维连接蛋白、层粘连蛋白或胶原蛋白结合整合素的结合导致促炎因子的产生和分泌.箭头表示装订。细胞类型、配体（例如，纤连蛋白或纤连蛋白衍生肽）、配体占据和整合素表达水平决定细胞反应。B淋巴细胞活化因子；CCL2，趋化因子（C-C基序）配体2；干扰素-γ、干扰素γ；白细胞介素；基质金属蛋白酶；肿瘤坏死因子；血管细胞黏附蛋白1；血管内皮生长因子。

胶原蛋白结合整合素α1β1和α2β1

胶原在滑膜组织中广泛表达，在RA过程中，相当一部分患者产生了针对至少一种胶原亚型的抗体。胶原蛋白II、IX、X和XI仅限于软骨，而所有其他形式的胶原蛋白也可以在ECM中找到。经典的胶原蛋白结合整合素依赖于三螺旋结构进行结合[19]. 然而，如果胶原蛋白被蛋白水解降解，RGD序列就会暴露出来，其他RGD结合整合素可以结合。在这种情况下，ανβ3、αIIbβ3和α5β1可以被胶原蛋白衍生的RGD序列激活[20].

四种不同的整合素组合识别天然胶原蛋白：α1β1、α2β1、β10β1和α11β1。整合素α10β1对软骨形成很重要，而α11β1在发育过程中对间质胶原基质的识别和组织起作用。在关节炎过程中，似乎只有α1β1和a2β1起作用；这是因为这是滑膜组织中两种主要的胶原蛋白结合整合素。尽管上述所有亚单位都与胶原蛋白结合，但每种胶原蛋白亚型各自的特异性不同；例如，整合素α1优先结合IV型胶原。

整合素α1在关节滑膜衬里和关节血管中表达。有趣的是，与骨关节炎和创伤对照组相比，其表达增加，表明RA的促炎环境促进整合素α1的合成[21]. 然而，我们的研究小组也发现，在用皮质醇治疗后，滑膜成纤维细胞上的这种粘附受体增加[5]. α1-的增加类似于整合素α5，整合素也被皮质醇上调-可能增加对胶原的粘附。由于皮质醇的作用，整合素表达的增加与整合素信号不耦合，因为糖皮质激素治疗使细胞内信号通路沉默。

淋巴细胞也表达整合素α1，但只有滑膜淋巴细胞表达增加[22]. α1水平的一个重要调节剂是肿瘤坏死因子（TNF），因为抗肿瘤坏死因子治疗减少了α1阳性效应记忆T细胞的数量，这些细胞通过产生大量干扰素-γ（IFN-γ）而显著促进炎症。除了对胶原的粘附，α1还介导其他几种效应，具体取决于细胞类型。在内皮细胞上，血管内皮生长因子（VEGF）强烈上调α1，这是形成新血管的先决条件。特定抗体抑制整合素/胶原结合可减少新血管的形成，但不会改变原有的血管系统[23]. 由于血管生成对关节炎的进展很重要，因此抑制血管生成可能是RA治疗的一个很有吸引力的靶点。整合素α1参与巨噬细胞和T细胞刺激迁移和细胞因子产生[24]. α1对滑膜成纤维细胞的作用尚未阐明，但皮肤成纤维细胞研究表明，α1控制胶原基质上胶原的合成、迁移和增殖。在小鼠抗胶原蛋白II抗体诱导的关节炎模型中，整合素α1的抑制减少了软骨降解和白细胞浸润，证明了整合素在炎症中的重要作用[25].

整合素α2β1的功能与α1β1类似（例如，VEGF诱导内皮细胞增殖），但在滑膜组织中的表达较弱。I型或II型胶原（而不是IV型胶原）与α2β1的连接增加了T细胞中IFN-γ的产生。与CD4相比⁺和CD8⁺激活后上调α1β1的T细胞，Th17细胞上调α2β1，这被认为是产生IL-17所必需的共刺激分子[26]. 在实验性自身免疫性脑脊髓炎模型中，抗α2抗体由于减少免疫细胞外渗而抑制临床症状和中枢神经系统炎症。由于白细胞浸润也会加剧滑膜炎症，因此可以预期α2抑制也可能对关节有益。

层粘连整合素α3β1和α6β1

层粘连蛋白是基底膜的主要成分，通常由上皮细胞、内皮细胞和器官原性成纤维细胞分泌。层粘连蛋白是由α链、β链和γ链组成的三聚体分子，可结合形成15种不同的层粘连蛋白质亚型[27]. 一些整合素异二聚体将层粘连蛋白识别为配体，但每种层粘连素亚型的亲和力不同。层粘连蛋白与整合素α3β1、α6β1、β7β1和α6β4结合，但只有前两种存在于滑膜组织中。在滑膜组织中，成纤维细胞在滑膜内层强烈表达α6β1，而淋巴细胞、巨噬细胞和内皮细胞也表达α3β1[18]. 滑膜衬里中不仅层粘连蛋白受体数量上调，层粘连素本身的生成也上调。除内皮细胞外，类风湿关节炎中SF还产生和分泌层粘连蛋白，其在滑膜衬里的沉积增加[28]. 与胶原蛋白和纤维连接蛋白一起，层粘连蛋白促进滑膜细胞和淋巴细胞的粘附和增殖。此外，与层粘连蛋白结合的整合素增加了MMP-3和MMP-10的表达，当存在转化生长因子β（TGF-β）时，MMP-3的表达进一步增强[29]. 虽然没有研究关注层粘连蛋白及其各自的整合素受体在RA进展中的作用，但肿瘤研究结果表明，上调α6β1或α3β1，至少在大多数情况下，会增加细胞侵袭和转移。因此，滑膜衬里细胞上层粘连蛋白沉积增加和整合素表达增加增加了这些细胞分泌的基质金属蛋白酶，导致关节更大的损伤和软骨的侵袭。

纤维结合蛋白结合整合素α4β1、α5β1、aνβ3和αvβ5

纤维结合蛋白是由两个由二硫键连接的单体组成的大糖蛋白。由于选择性剪接，纤维连接蛋白存在于20种不同的亚型中。分子被折叠成球状结构域，每一个都有不同的功能。在这些结构域中，重复的氨基酸序列形成所谓的I型、II型和III型重复。这些序列与其他蛋白质相互作用；例如，I型重复序列与纤维蛋白结合，III型重复序列中的区域包含结合整合素的RGD动机。纤维结合蛋白根据溶解性可分为两类：可溶性血浆纤维结合蛋白和不溶性细胞纤维结合蛋白，后者被组织成纤维作为ECM的支架[30]. 骨关节炎患者的软骨和滑液中纤连蛋白水平升高，而在RA中，纤连蛋白在滑膜衬里和侵袭性血管翳中高度表达[31].

大约12个整合素异二聚体与纤维连接蛋白结合，但滑膜组织中只发现一些结合。经典的纤维连接蛋白受体α5β1只识别纤维连接蛋白，而ανβ3和ανα5也与其他ECM分子或细胞蛋白结合。滑膜组织中的所有细胞都表达α5整合素，滑膜衬里层中α5水平升高[5]. 淋巴细胞通过α4β1和α5β1与细胞表面的纤维连接蛋白涂层结合，并在一定程度上通过ανβ3整合素与其他滑膜细胞结合[32]. 粘附纤维连接蛋白可增加软骨细胞的增殖和存活，并保护滑膜细胞免受Fas诱导的凋亡[33]. 此外，Zeisel及其同事[34]发现SFs在用α5β1细菌配体刺激后产生的MMP-3增加，表明加强整合素连接会增加RA的关节破坏。滑膜成纤维细胞中的基质降解酶由纤维连接蛋白和其他ECM分子降解产生的小整合素结合肽诱导。Werb和同事[7]结果表明，只有纤维连接蛋白衍生片段，而不是完整的纤维连接蛋白，增加了MMP-1和MMP-3的表达。除了在细胞生存和增殖中发挥作用外，α5β1还调节细胞因子和生长因子的产生。在SFs中，结扎α5β1可增加B淋巴细胞活化因子（BAFF）的合成[35]. BAFF合成的增加不仅促进B细胞的增殖和免疫球蛋白类的转换，而且可能作为SF的自分泌机制来刺激其自身的NF-κB活性。除BAFF外，直接连接α5β1还可诱导成纤维细胞和内皮细胞中NF-κB控制基因的表达。大多数这些基因白介素-8和肝素结合表皮生长因子（HB-EGF）或内皮素-1控制血管生成或炎症，其表达增强加剧RA。

天真和记忆性T细胞依赖a4β1和α5β1与纤维连接蛋白的结合来促进增殖[32]. 在这种情况下，SF有助于T细胞活化，因为T细胞与其表面的纤维连接蛋白涂层结合，α4β1传递共同刺激信号。在RA中，滑膜组织中浸润的T细胞显示出比外周T细胞更高的α4β1表面水平，并通过与蛋白降解的软骨碎片结合定位于组织损伤部位。α4β1对淋巴细胞最重要的作用是粘附于内皮细胞并随后迁移至损伤部位。不幸的是，淋巴细胞渗入滑膜组织也是进一步支持炎症过程的机制。在RA中，内皮细胞表达高水平的VCAM-1，它作为α4β1的结合伴侣。在趋化因子诱导α4β1活化和聚集后，淋巴细胞固定在内皮上并迁移到炎症部位[36]. Raychaudhuri及其同事的一项研究进一步强调了整合素α4β1在RA中的重要作用[37]，他们表明，在加速胶原蛋白诱导的关节炎小鼠模型中，该受体的拮抗作用可防止炎症和基质金属蛋白酶的产生。

含有αν的异二聚体是纤维连接蛋白结合整合素的另一个家族。欧洲白种人整合素αν基因编码多态性与RA相关[38]. 整合素ανβ3以高亲和力结合纤维连接蛋白，并与α5β1协同作用，排列纤维连连接蛋白基质[39]. 除了结合纤维连接蛋白外，ανβ3还具有很高的亲和力，可以结合卵黄凝集素、骨桥蛋白和骨唾液蛋白。这种整合素异二聚体在SFs、内皮细胞和破骨细胞上表达[40]. 关于ανβ3对SF的特定作用，目前尚不清楚，但来自其他细胞系统和肿瘤研究的研究表明，这种整合素促进组织侵袭和MMP-2的产生。ανβ3（以及ανα5）和血管内皮生长因子受体2（VEGF2R）的主要功能是促进血管生成[41]. 整合素ανβ3通过磷酸化VEGR2R的胞内残基来实现这一目的，从而增强该受体的信号传导。尽管ανβ3在静息内皮细胞上的表达较低，但其水平随着炎症和肿瘤血管生成而增加。在RA中，促炎环境促进血管生成，小分子αν拮抗剂对其抑制作用在兔关节炎模型中有效。这是否适用于人类仍有待观察，因为维生素（一种抗ανβ3的单克隆抗体）的开发于2004年停止，因为该药物对RA缺乏疗效。很可能维生素本身的作用很小，但会增强其他疗法的效果。西伦吉特是一种小肽αν拮抗剂，目前正在对多种癌症进行临床测试。这种肽不仅抑制血管生成，而且增加内皮细胞的通透性。这可能被用来增加其他药物的输送[42].

另一种对αν拮抗剂有反应的细胞类型是破骨细胞。在RA中，破骨细胞活性因RANKL（NF-κB配体受体激活剂）表达增加而增强，破骨分子负责RA中的骨侵蚀[43]. 整合素ανβ3通过激活FAK和c-Src等多种细胞内信号通路，提高破骨细胞的骨吸收能力。阻断这种整合素具有保护作用体外.

β2整合素（CD18）

与上述所有整合素异二聚体相比，β2整合素结合其他粘附受体，并且只在免疫细胞上表达。本节的重点是αLβ2整合素（淋巴细胞功能相关抗原1，或LFA-1）。这是白细胞的主要整合素，对组织外渗、趋化和免疫突触的形成很重要。LFA-1的配体是细胞内粘附分子（ICAM），它以三种不同的亚型表达。内皮细胞和成纤维细胞在滑膜组织中表达ICAM-1，这种糖蛋白的细胞表面水平通过IL-1β等细胞因子的作用而增加。由于RA的促炎环境也导致白细胞αLβ2的上调，其净效应是免疫细胞在滑膜组织中的流入增加，从而显著促进炎症。滑膜成纤维细胞和T淋巴细胞之间细胞间接触的增加导致成纤维细胞的活化，并导致T细胞和成纤维细胞产生细胞因子的增加。由于T淋巴细胞培养上清液未能引起适当的反应，这种作用依赖于T细胞在成纤维细胞上的粘附[44]. 此外，αLβ2是抗原提呈细胞和淋巴细胞之间免疫突触的一部分，这种相互作用的破坏会导致免疫损伤。由于LFA-1的重要性，它是一个合适的治疗干预靶点，并且通过单一抗体抑制这种整合素在RA兔模型中是有效的[45]. 在用小分子拮抗剂治疗的小鼠中也显示出LFA-1抑制的积极作用。动物表现出T细胞与内皮细胞的粘附减少，T细胞增殖减少，Th1细胞因子的产生减少[46]. 在人类中，抗αL亚单位的单克隆抗体艾法利珠单抗因药物的免疫抑制作用而出现严重的副作用而退出市场[47]. 抑制ICAM-1是抑制RA淋巴细胞活性的一种更可行的方法。在胶原蛋白诱导的关节炎模型中，缺乏ICAM-1的小鼠仅表现出轻微的疾病活动性，而在人类的临床研究也表明，在早期RA中，当抗ICAM-1单克隆抗体阻断ICAM-1时，会产生有益的效果[48,49]. 不幸的是，这种抗体不能重复给药，因为它的小鼠来源使这种抗体具有免疫原性，导致发烧和白细胞减少等副作用[50].

结论

在RA过程中，免疫细胞被招募到滑膜组织中，在那里它们产生大量促炎细胞因子，并与宿主成纤维细胞和巨噬细胞相互作用。免疫细胞向滑膜迁移的速度由内皮细胞上ICAM-1和免疫细胞上整合素αLβ2的表达控制。T淋巴细胞（Th1型）与滑膜成纤维细胞、内皮细胞和巨噬细胞的相互作用激活这些细胞，并开始产生ECM蛋白、细胞因子、粘附分子和基质降解酶。促炎环境也增加了大多数整合素亚单位的表达。整合素表达增加、ECM沉积增加、滑膜组织降解以及高细胞因子和生长因子水平的结合为RA的持续存在创造了完美的微环境。RA中整合素信号增强可能是成纤维细胞和巨噬细胞基础分泌细胞因子高的原因之一。此外，增加整合素连接可增强生长因子和细胞因子信号传导，并诱导基质金属蛋白酶的表达。基质金属蛋白酶降解ECM分子，从而产生小RGD肽，进一步激活整合素。综合所有事实，可以说RA至少部分是一种整合素驱动的疾病，可以用特定的整合素拮抗剂进行调节。

缩写

BAFF：B淋巴细胞活化因子；ECM：细胞外基质；FAK：黏着斑激酶；ICAM：细胞内粘附分子；干扰素-γ：干扰素γ；IL：白细胞介素；LFA-1：淋巴细胞功能相关抗原1；MMP：基质金属蛋白酶；NF-κB：核因子-kappa-B；RA：类风湿性关节炎；RGD：精氨酸-甘氨酸天冬氨酸；SF：滑膜成纤维细胞；TNF：肿瘤坏死因子；VCAM-1：血管细胞粘附蛋白1；VEGF：血管内皮生长因子；VEGF2R：血管内皮生长因子受体2。

相互竞争的利益

作者声明，他们没有相互竞争的利益。

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