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Nrf2作为风湿性疾病的治疗靶点

发表于:2020-03-25   作者: M.L. Ferrándiz   来源:Biochemical Pharmacology (2018   点击量:

摘要:Nrf2是细胞保护过程的主要调节因子。 风湿性疾病是以炎症,疼痛,组织损伤和功能限制为特征的慢性病症。主要的例子是类风湿性关节炎,系统性红斑狼疮,骨关节炎和骨质疏松症。他们的高患病率构成了一个重大的健康问题,具有重要的社会和经济影响。大量证据表明,Nrf2可以控制风湿病症的病理生理学中涉及的不同机制。因此,Nrf2的适当表达和平衡对于调节氧化应激,炎症,免疫应答以及软骨和骨代谢是必需的。大量研究表明,Nrf2缺乏会加重实验模型中的疾病,而Nrf2激活会导致免疫调节和抗炎作用。这些报告强化了对Nrf2药理学调节及其潜在应用的兴趣。然而,大多数Nrf2诱导物是亲电子分子,其可能表现出脱靶效应。近年来,人们寻求新的策略来调节Nrf2通路,Nrf2已成为风湿病的治疗靶点。

关键词:Nrf2,风湿病,类风湿性关节炎,系统性红斑狼疮,骨关节炎,骨质疏松症
 
1. 引言
Nrf2途径参与许多抗氧化,抗炎和细胞保护基因的调节。激活这一有助于解毒和保护过程的信号通路,鼓励了对其潜在的健康益处和治疗应用的大量研究。Nrf2是CNC-bZIP(Cap'n'collar-basic region亮氨酸拉链)转录因子[1]。在无应激条件下,Nrf2与细胞溶质抑制剂Kelch样ECH相关蛋白1(Keap1)结合,与Cullin-3 E3泛素连接酶复合物[2]结合,后者靶向Nrf2进行蛋白酶体降解。Nrf2含有两个Keap1结合基序,ETGE和DLG。 Keap1是Nrf2的主要调节因子,是氧化和异生生物应激的传感器。 在基础细胞内氧化还原条件下,Keap1驱动Nrf2调节,但在存在细胞应激的情况下,Nrf2可以通过Keap1依赖性和非依赖性机制调节[3]。Nrf2在细胞核中积累并与靶基因启动子中的抗氧化剂 - 反应元件(ARE)位点结合,作为具有小肌肉腱膜纤维肉瘤(sMaf)蛋白的异二聚体(图1)。此外,据报道,Nrf2与c-Jun等蛋白质形成异二聚体,激活转录因子4,依赖于细胞类型和刺激[4,5]。Nrf2靶向的基因包括参与谷胱甘肽,血红素和铁代谢,药物代谢和转运的合成和缀合的基因,以及抗氧化蛋白,酶和转录因子。Nrf2对于II期解毒酶和抗氧化蛋白的转录诱导至关重要,它们代表了主要的防御机制。例如,谷胱甘肽还原酶,谷胱甘肽S-转移酶,γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶,NAD(P)H:醌氧化还原酶-1(NQO1)和血红素加氧酶-1(HO-1)(综述于[6])。
氧化剂和亲电子试剂修饰Keap1半胱氨酸残基,导致该蛋白质的构象变化,导致Nrf2多泛素化停止。然后,Nrf2易位至细胞核以启动靶基因的转录[7,8]。 由糖原合成酶激酶3(GSK-3)介导的磷酸化为含有E3泛素蛋白连接酶(β-TrCP)的E3连接酶衔接子β-转导素重复序列产生识别基序,从而导致Nrf2泛素依赖性蛋白酶体降解的替代途径[3]]。
Nrf2可由p300/cAMP反应元件结合蛋白(CREB)结合蛋白(CBP)[9]乙酰化调控。因此,Nrf2的乙酰化作用导致与ARE结合并激活基因转录,而去乙酰化作用释放它导致转录终止和核输出[10]。Nrf2乙酰化由组蛋白乙酰转移酶和组蛋白脱乙酰酶(HDACs)的相对活性决定[9]。 Bach蛋白与sMaf蛋白二聚化,这些复合物与Nrf2-sMaf竞争。 特别是,Bach1通过激活和抑制转录活性,调节氧化应激反应,抑制HO-1[11]发挥重要作用。
 

图1.  Nrf2激活:a)基础条件; b)亲电试剂或氧化应激激活; c)核转位和基因转录。 ARE,抗氧化反应元素; GST,谷胱甘肽-S-转移酶; HO-1,血红素加氧酶-1; Keap-1,Kelch样ECH相关蛋白1; MAPK,丝裂原活化蛋白激酶; NQO1,NAD(P)H:醌氧化还原酶-1; PI3K磷酸肌醇3-激酶; PKC,蛋白激酶C; sMaf,小肌肉腱膜纤维肉瘤; Ub,泛素。
 
风湿性疾病是影响肌肉骨骼系统的慢性病。关节炎和相关疾病引起炎症、关节的变化,、痛以及运动和功能的限制。这些条件对受影响人的工作能力和生活质量产生深远影响。在工业化的世界中,风湿性疾病影响的个体比任何其他疾病群体都要多(欧洲风湿病联盟:www.eular.org和美国风湿病学会:www.acr.org),并构成一个重要的社会和经济健康问题影响。随着人口老龄化,与这些条件有关的负担预计会在不久的将来增加。
近年来,有几个证据支持Nrf2不仅在氧化应激中起调节作用,而且在炎症,免疫和软骨以及骨代谢中发挥调节作用的观点。许多体外和体内研究的结果已经提出Nrf2活化可以控制涉及风湿病症的病理生理学的不同过程和介质。一些相关的实例可以是类风湿性关节炎(RA),系统性红斑狼疮(SLE),骨关节炎(OA)和骨质疏松症。 本评论的目的是将Nrf2作为这些疾病的新治疗靶点。
 
2. Nrf2调节炎症和免疫反应
大量证据表明,Nrf2在炎症调节以及先天性和适应性免疫应答中起重要作用。Nrf2和抗氧化剂下游靶标对氧化还原活性的控制可能在NLR家族的激活中发挥作用,该家族包含含有3(NLRP3)炎性体的pyrin结构域。NLRP3参与稳态和组织修复,尽管其失调导致炎症和退行性疾病[12]。细胞溶质炎性体复合物的激活导致炎症性半胱天冬酶活化,导致白细胞介素(IL)-1β和IL-18的分泌主要发生在单核细胞/巨噬细胞和树突细胞(DC)中[13]。增加NLRP3炎性体活性是自身炎症和自身免疫疾病的关键特征[14],并且最近已提出Nrf2作为NLRP3相关疾病的治疗性调节的潜在靶标[15]。
然而,小鼠的Nrf2缺乏导致NLRP3的活化缺陷,并且在用各种刺激物(包括尿酸单钠和非结晶剂)处理后骨髓巨噬细胞中的黑色素瘤2(AIM2)炎性体中不存在[16]。 相反,据报道Nrf2是转录水平上NLRP3表达的抑制剂,因此,Nrf2激活抑制THP1细胞中脂多糖诱导的NLRP3产生[15]。 这些相互矛盾的发现清楚地强调了研究Nrf2与炎性体相互作用所涉及的精确分子机制的必要性。
Nrf2不仅通过氧化还原控制抑制炎症,还下调促炎细胞因子,趋化因子,粘附分子和酶。 Nrf2和HO-1已显示出控制炎性细胞迁移的能力,炎症细胞是慢性炎症发展的关键过程。 粘附分子和基质金属蛋白酶(MMP)表达的抑制可以介导这些抗炎作用[17,18]。
Nrf2活性对于控制有助于消除炎症过程的细胞机制至关重要。 为此,Nrf2通过多种分子相互作用与核因子-κB(NF-κB)相互作用(综述见[19])。IκB激酶(ikkβ)对NF-κB抑制剂(IκBα)的磷酸化导致IκBα降解,导致核易位和NFκB的DNA结合。氢过氧化物可通过几种机制调节NF-κB的活化。例如,在基础氧化还原条件下,Keap1负责IKKβ泛素化和降解,但在氧化剂存在下,Keap1被抑制并且NF-κB可被激活[20]。Nrf2通过与Keap1相互作用降低NF-κB活化。 此外,Nrf2可与sMaf蛋白MafK相互作用。 该蛋白质增强了p65的乙酰化,从而增强了NF-κB的DNA结合活性。 因此,Nrf2可能维持低水平的MafK,避免过度的p65乙酰化[21]。
Nrf2在其近端启动子中含有几个κB位点,其受p50和p65的调节。 反过来,NF-κB可能在Nrf2活性的调节中起双重作用。 NF-κB活化诱导细胞如人单核细胞和急性髓细胞白血病细胞中的Nrf2表达,导致Nrf2依赖性抗氧化防御反应的激活增强,但它也可通过几种机制抑制Nrf2,如竞争转录共激活因子p300/ CBP。 此外,NF-κB增加HDAC3向ARE区的募集,从而阻止Nrf2转录激活[18]。
Nrf2激活通过诱导巨噬细胞中前列腺素(PG)D合酶的表达促进炎症消退,导致PGD2 / 15-脱氧-δ(12,14) - 前列腺素J2(15dPGJ2)的快速产生,维持正反馈回路限制炎症反应。 已经显示15d-PGJ2激活Nrf2,导致巨噬细胞中CD36和HO-1的诱导,以促进吞噬细胞增多和炎症的消退[22]。Nrf2缺陷诱导某些小鼠品系的自身免疫表型,并增加对自身免疫疾病发展的易感性[23],而Nrf2激活与这些病症的减弱有关[17,24]。Nrf2失调时,氧化组织损伤和凋亡可增加自身抗原的产生,导致T细胞活化,B细胞产生自身抗体。此外,II相酶的缺失会导致反应中间体的稳态升高,因为它们无法被移除。这可以促进免疫细胞的活化。由于Nrf2是细胞对环境应激[8]反应的主调节因子,因此Nrf2的激活可能对自身免疫性发病的环境因素具有保护作用。
Nrf2介导的自身免疫功能调节可能涉及抑制促炎性T辅助细胞(Th)1和Th17细胞反应,以及增强抗炎Th2,调节性T细胞(Treg)和调节性B细胞功能(图2)。 此外,Nrf2可以控制DC和巨噬细胞的分化和功能。 Nrf2缺乏通过增加共刺激分子表达和增强未成熟细胞[25]抗原特异性T细胞刺激能力改变DC的功能和表型。
Nrf2对T细胞功能的影响是复杂的。 Nrf2的破坏限制了谷胱甘肽的可用性,导致抑制抗原诱导的CD8 + T细胞增殖和功能[26]。 相反,Nrf2激活抑制Th1细胞因子,干扰素γ(IFN-γ)和肿瘤坏死因子α(TNFα)的分泌,促进IL-2的早期产生[27]并使CD4 + T细胞向Th2分化倾斜[28]。 近年来,聚类规则间隔短回环(CRISPR)技术已被应用于人原发性T细胞的体外Keap1编辑,以实现Nrf2的激活,增强抗炎和免疫抑制功能[29]。
抑制炎症介质的转录可能有助于Nrf2激活在自身免疫疾病中的治疗效果。 似乎HO-1诱导可能有助于Nrf2激活的免疫抑制能力。已知HO-1和CO降低抗原呈递细胞(例如DC和巨噬细胞)的能力,以识别病原体相关的分子模式,从而抑制抗原呈递和促炎细胞因子的产生[19]。 还发现HO-1活性调节T细胞的增殖能力,T细胞和自然杀伤细胞的效应功能以及Treg的抑制功能[30]。
Nrf2的免疫调节作用与控制氧化应激和II期酶、谷胱甘肽水平或NF-κB激活有关[19]。尽管如此,一些数据表明了其它机制的作用,如p38-CREB/激活转录因子1(ATF1)在DCs中的信号轴[25]或RNA聚合酶II募集中断,从而抑制巨噬细胞中的IL-6和IL-1β转录[17]。
 
 

图2. 通过Nrf2调节免疫应答。 蓝色:增强; 红色:抑制(DC,树突状细胞; NK,自然杀伤细胞; Th,T辅助细胞; Treg,T调节细胞。)
 
3. 类风湿关节炎(RA)
RA是一种慢性自身免疫疾病,其特征在于滑膜增生,免疫细胞浸润和软骨和骨的降解。中性粒细胞,巨噬细胞和淋巴细胞的激活和迁移导致促炎介质如氧化剂,类二十烷酸,细胞因子(IL-17,TNFα,IFN-γ,IL-6和IL-1β)和分解代谢酶的产生增加,伴随滑膜成纤维细胞过度增殖[31]。这导致关节肿胀和软骨和骨的进行性破坏。过量的氧化剂生成可能有助于RA的发病机制。事实上,RA患者的脂质过氧化,蛋白质氧化和DNA损伤显着增加,这与抗氧化防御系统的活性降低有关,这可能导致组织损伤和疾病的持续存在[32]。作为对氧化应激的反应,Nrf2表达在RA患者的滑膜细胞中以及在抗体诱导的关节炎小鼠的关节中被激活,尽管这种反应不足以抵抗关节炎进展[33]。事实上,RA患者亚组中Nrf2 / HO-1的基因表达增强与更严重的疾病状态有关,滑膜成纤维细胞,巨噬细胞,淋巴细胞和其他细胞中潜在的细胞凋亡缺乏可能导致RA的持续存在[34]。
Nrf2缺陷增强实验性RA模型中的关节改变。在K / BxN血清转移性关节炎和抗体诱导的关节炎中,Nrf2缺失加速了发病率并加重了疾病,伴有重要的炎症和病变[33,35]。Nrf2缺乏显着上调氧化应激,细胞迁移,环氧合酶-2(COX-2)和诱导型一氧化氮合酶表达,促炎细胞因子TNFα和IL-6,以及趋化因子CXCL-1。此外,我们发现Nrf2可能是关节炎存在时骨代谢的保护因子[35]。相反,Nrf2激活和HO-1诱导在RA和人RA滑膜成纤维细胞的动物模型中发挥抗炎和抗氧化作用[36,37]。
许多分子通过氧化应激反应转录因子Nrf2显示出抗炎和免疫调节特性。存在多种Nrf2诱导物,其中大多数是亲电子的并且与Keap1的半胱氨酸硫醇反应。特别地,Cys151,Cys273和Cys288在Nrf2激活中起重要作用。 因此,Keap1中巯基部分的修饰导致结构的紊乱和泛素连接酶活性的下降[38]。作为一个主要的例子,萝卜硫素(SFN,图3)可以发挥免疫调节作用,导致RA CD4 + T细胞抑制T细胞增殖和IL-17和TNFα的产生[39]。该化合物还能够将促炎性M1巨噬细胞极化为抗炎M2细胞[40]。在培养的人滑膜细胞中,SFN通过调节Bcl-2 / Bax,p53和pAkt的表达诱导细胞凋亡并抑制炎症[39]。向小鼠腹腔内施用SFN降低了胶原诱导的关节炎,抗胶原II抗体水平,T细胞反应和淋巴结细胞和脾脏细胞产生IL-17,TNFα,IL-6和IFN-γ的临床严重程度[39]。SFN的部分抗炎作用依赖于Nrf2激活,其通过HO-1介导的CO产物间接抑制NF-κB,但其中一部分不依赖于Nrf2,因为SFN可直接抑制NF-κB[41]。

图3. 代表性Nrf2诱导物的结构。
Nrf2激活剂和免疫调节剂富马酸二甲酯(DMF)用于系统性硬化症和严重的斑块状银屑病。据报道,DMF通过炎性体抑制作用部分地发挥其抗炎作用[42]。此外,DMF对T细胞活化的阻断可能与蛋白激酶C(PKC)θ中特异性半胱氨酸残基的结合有关,后者是T细胞信号传导中的关键激酶[43],DMF和富马酸单甲酯(MMF)可能激活羟基羧酸受2(HCAR2)导致NF-κB下调[44]。
许多研究已经报道了多酚,主要是绿茶的活性成分,表没食子儿茶素没食子酸酯在RA的临床前模型以及体外,软骨和骨保护以及滑膜成纤维细胞调节中的作用。该化合物在不同细胞类型中诱导Nrf2和HO-1,同时降低NF-κB活性和炎症和细胞外基质降解介质的产生[45]。滑膜成纤维细胞的活化和炎性细胞因子的产生与RA的发病机制密切相关。值得注意的是,据报道,中国药用黄芪中的异黄酮中的花萼苷通过RA滑膜成纤维细胞中的p62-Nrf2-HO-1诱导下调促炎细胞因子和COX-2 [46]。
含抗风湿金(I)的化合物通过激活Nrf2 / sMaf刺激抗氧化应激反应,导致HO-1和γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶的上调[47]。Nrf2-HO-1活化还介导H2S和相关化合物的抗炎作用,其能够通过硫酸化改变Keap1的半胱氨酸残基来修饰。例如,内源性H2S调节剂S-炔丙基 - 半胱氨酸能够减少炎症介质、氧化剂和MMP-9的产生以及类风湿性成纤维细胞样滑膜细胞MH7A中的细胞侵袭活性。在体内,该化合物改善了大鼠佐剂模型中关节炎的严重程度[37]。
在慢性炎症条件下,通过Nrf2信号在体内调节抗氧化基因表达的氧化磷脂已被检测出来。有趣的是,已显示环氧环戊烯酮衍生物激活Nrf2,导致骨髓细胞中促炎细胞因子和趋化因子的抑制。这些作用与促分解脂质介质15d-PGJ2相似,后者与核激素受体过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPAR-γ)以及Nrf2相互作用。值得注意的是,15d-PGJ2在PPAR-γ缺陷细胞中有活性,但在Nrf2缺陷细胞中没有,这意味着15d-PGJ2的抗炎活性是通过Nrf2而不是PPAR-γ介导的[48]。15d-PGJ2与Keap1形成加合物并破坏Nrf2泛素化,导致Nrf2在细胞核中积累。此外,15d-PGJ2改善了佐剂诱导的关节炎,抑制了血管形成和单核细胞浸润[49]。
多不饱和脂肪酸能够通过诱导Nrf2抑制巨噬细胞的炎症[50]。值得注意的是,二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸抑制炎症性软骨退化。最后一种化合物还改善了RA患者的疾病活动,并提高了促溶马瑞辛/溶出素前体的血浆水平[51]。
 
4. 系统性红斑狼疮(SLE)
氧化应激的增加可能导致SLE中的免疫细胞死亡和自身免疫。继发于失调的细胞死亡和去除过程的坏死导致自身抗原的产生和免疫复合物的形成,所述免疫复合物在诸如肾,皮肤和关节的器官中诱导炎症和组织损伤。SLE患者显示氧化性DNA损伤、高血清氧化蛋白、APOCIII、氧化磷脂和自身修饰的脂蛋白的抗体修复机制的改变〔52〕。
Nrf2多态性与狼疮易感性无关,尽管Nrf2 -653 G / A多态性与墨西哥儿童期女性SLE患者的肾炎风险有关[53]。在人狼疮肾炎的肾小球中观察到Nrf2,NQO1和8-氧代-7,8-二氢-2'-脱氧鸟苷的水平增加。 Nrf2也在其他类型的肾炎中诱导,可能由免疫复合物沉积引起[54]。
Nrf2缺陷的雌性小鼠随着年龄的增长而发展为类似于SLE的多器官自身免疫性疾病,DNA氧化和脂质过氧化增加,脾细胞凋亡,抗dsDNA抗体和史密斯抗原的存在以及组织损伤(血管炎,肾小球肾炎,肝炎和心肌炎)[55]。根据小鼠的遗传背景,发展这些变化所需的年龄存在差异[23]。尽管在雄性和雌性小鼠中都存在由于Nrf2缺乏引起的氧化损伤,但只有雌性小鼠表现出进展为SLE,这表明性别特异性因子参与破坏对自身抗原的免疫耐受[55]。除了肝细胞和淋巴细胞中2相解毒酶和抗氧化基因缺乏导致组织氧化损伤外,Nrf2敲除导致CD4 + T细胞增殖反应增强,CD4 + / CD8 +比值改变和Th17细胞分化和功能的促进[56]。通过调节细胞因子信号传导3(SOCS3)/信号转导和转录激活因子(STAT)3途径和IL-1β的抑制作用,Nrf2缺失也被证明可以促进狼疮性肾炎发展过程中Th17的分化和功能[56]。
Nrf2诱导剂在动物模型中抑制疾病的发展,例如在MRL / lpr小鼠中的降植烷诱导的狼疮性肾炎和自发性狼疮。因此,SFN诱导Nrf2通过下调氧化应激和抑制NF-κB和细胞外基质沉积来保护肾细胞免于发展狼疮性肾炎[57]。有趣的是,富马酸酯已被用作全身性联合疗法,用于治疗SLE的严重,广泛和顽固的皮肤表现。它们具有良好的耐受性,并且具有优异的疗效和类固醇保留作用[58],支持了这种方法对狼疮治疗的兴趣。另一个例子,表没食子儿茶素-3-没食子酸酯通过上调Nrf2抗氧化途径来阻止狼疮性肾炎的发展,这抑制了NLRP3炎性体激活[59]。
 
5. 骨关节炎(OA)
OA的特征在于与软骨细胞的肥大分化,滑膜炎和软骨下骨和关节周围组织的改变相关的进行性软骨退化。长期暴露于低级慢性炎症伴随着氧化剂 - 抗氧化剂平衡的失败,对疾病的发病机制具有重要影响。分解代谢和促炎介质由发炎的滑膜产生,导致过量产生导致软骨破坏的蛋白水解酶[60]。
线粒体功能障碍和氧化损伤参与OA的发病机制。氧化应激参与炎症和分解代谢介质的产生,并通过减少细胞外基质合成,诱导软骨细胞凋亡和MMP活化等机制促进关节降解[61]。因此,通过Nrf2控制氧化应激和慢性炎症将导致对OA中关节改变的保护作用(图4)。此外,如在骨质疏松症部分中修订的,Nrf2是调节破骨细胞驱动的骨吸收和成骨细胞驱动的重塑之间平衡的重要因素,其可能在OA的骨代谢控制中起作用。
Nrf2的适当表达和平衡对于正常的软骨形成和软骨代谢的调节是必需的。事实上,Nrf2的持续过表达可以抑制软骨细胞II,胶原蛋白X和骨桥蛋白等软骨分化标记物[62],但Nrf2的下调可能通过凋亡细胞死亡抑制软骨形成[63]。与这些发现一致,与正常对照相比,人类和小鼠的OA软骨中Nrf2和谷胱甘肽转移酶A4-4的表达显着降低[64]。
过量氧化应激和促炎和分解代谢介质的控制可以维持Nrf2在OA中的保护作用。在这种情况下,Nrf2敲除小鼠在单碘乙酸(MIA)和OA的内侧半月板(DMM)模型的外科不稳定中显示出更严重的软骨损伤[65]。通过Nrf2激活诱导HO-1也可以在其抗炎和软骨保护作用中发挥作用,因为HO-1能够降低OA软骨细胞,滑膜细胞和成骨细胞中的NF-κB活性和炎症和降解介质[66-68]。最近的研究表明,protandim(由五种抗氧化植物化学物质组成的商业膳食补充剂)和6-姜酚诱导Nrf2介导其对OA软骨细胞的保护作用,其中两种药物都能够减弱氧化应激和炎症介质的产生以及6-羟基壬烯醛诱导的细胞死亡。此外,对小鼠的protandim给药显着减少了DMM中的关节破坏[64]。Piceatannol是另一种在OA模型中具有保护作用的Nrf2诱导剂,它还抑制IL-1β刺激的OA软骨细胞中炎症介质MMP-13和聚集蛋白聚糖酶-2的产生[69]。最近,据报道天然黄酮类黄芩素在人类OA软骨细胞和软骨外植体中发挥抗炎和保护作用[70]。汉黄芩素通过阻断Keap 1蛋白中Nrf2的结合位点来调节氧化剂介导的Nrf2信号传导轴的激活并破坏Keap 1 / Nrf2相互作用。
由组蛋白乙酰转移酶/ HDAC介导的Nrf2乙酰化增强其转录能力和下游靶标的表达。 因此,HDAC的抑制导致Nrf2活化。这是曲古抑菌素A的作用机制,它是一种泛HDAC抑制剂,通过在关节组织中诱导Nrf2来预防OA的MIA和DMM模型中的软骨退化和炎症[65]。除曲古抑菌素A外,其他HDAC抑制剂如丁酸钠和伏立诺他已被证明可降低人OA软骨细胞中的炎症反应和MMPs和聚集蛋白聚糖酶2的上调。因此,HDAC抑制剂通过Nrf2激活和抑制NF-κB和MAPK等机制证明了对软骨降解的保护作用[71]。因此,旨在刺激抗氧化基因表达的策略,如HO-1和NQO-1,通过老化软骨中的Nrf2激活可能有望用于OA治疗[72]。然而,应该考虑到一些Nrf2诱导剂可以通过其他机制防止软骨降解。 例如,SFN抑制细胞因子诱导的人关节软骨细胞和成纤维细胞样滑膜细胞中的MMP表达,而与Nrf2和HDAC活性无关[73]。

图4. 关节细胞中的Nrf2效应。 蓝色:增强; 红色:抑制。 MMPs,基质金属蛋白酶; NO,一氧化氮; PGs,前列腺素; PMN,多形核白细胞; RANKL,核因子-B配体的受体激活剂。
 
6. 骨质疏松
骨组织的形成和维持受两种主要机制的调节,即成骨细胞的骨形成和破骨细胞的骨吸收。
许多因素可以干扰骨重建并破坏骨吸收和形成之间的平衡,这有助于骨质疏松症。慢性炎症中免疫细胞的活化导致骨再吸收细胞因子的过量产生,所述骨再吸收细胞因子是破骨细胞生成的主要刺激物。升高的氧化应激有助于骨代谢的改变。 因此,存在与骨质疏松症,RA等相关的全身或局部骨质流失[74]。
Nrf2是负责调节正常骨代谢中成骨细胞和破骨细胞的分化和功能的转录因子之一。不同
研究的结果表明,Nrf2对于正常的骨微结构是必不可少的,并且表明该转录因子在病理情况下维持骨完整性中的作用。
Nrf2在骨再生中发挥重要作用,因为Nrf2敲除小鼠显示骨折愈合受损[75]。Keap1/Nrf2轴通过表达调节细胞内氧化应激信号的酶(如HO-1、γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶和葡萄糖-6-磷酸脱氢酶)来调节核因子κ-B配体(RANKL)依赖性破骨细胞生成的受体激活剂[76]。Nrf2缺乏促进破骨细胞分化,通过增加氧化剂的产生和活化MAPK以及激活T细胞的核因子1导致骨吸收[77]。这些动物表现出RANKL和破骨细胞数量增加,同时成骨细胞矿化减少,这增加了它们对辐射引起的骨丢失的敏感性[78]。
然而,对成骨细胞代谢的影响更复杂。 高水平的氧化应激对成骨细胞代谢产生负面影响并导致细胞损伤,这表明Nrf2具有保护作用。然而,由于Nrf2根据性别和年龄等因素不同地调节抗氧化剂内源性反应和骨质增生,因此存在相互矛盾的报道[79]。Nrf2的稳定过表达通过抑制Runx2依赖性转录活性对MC3T3成骨细胞分化产生负面影响[80]。在使用Nrf2敲除小鼠的实验中,结论是Nrf2对破骨细胞和成骨细胞分化发挥抑制作用,对9周龄小鼠的成骨细胞具有更高的作用[81]。相反,有报道称,雌性Nrf2敲除小鼠在出生后3周出现明显的骨获取缺陷,这与成骨细胞数量低、氧化产物增多有关,这可能损害早期成骨细胞发生,导致骨获取失败[82]。与这些结果一致,我们已经证明,由于破骨细胞活性优于成骨细胞活性,雌性小鼠的Nrf2缺乏导致氧化应激,骨转换和骨吸收增加[83]。
此外,来自卵巢切除小鼠骨质疏松模型的数据表明Nrf2在骨合成代谢作用中的作用,因为miR-455-3p增加HDAC2抑制Nrf2 / ARE的活化,导致氧化应激增加和抑制成骨细胞生长并且加剧骨质疏松症[84]。
Nrf2诱导剂可用作骨破坏的抑制剂。例如,DMF能够抑制RANKL介导的破骨细胞生成并减弱脂多糖处理小鼠的骨破坏[85]。SFN,表没食子儿茶素没食子酸酯[86],鼠尾草酸[87],咖啡酸苯乙酯[88]和ETGE-肽[89]也可以通过Nrf2激活抑制破骨细胞生成,而芒果苷通过这种机制保护成骨细胞免受氧化应激[90]。
已经建议Nrf2的激活作为避免糖皮质激素诱导的骨质疏松症的治疗靶标。因此,吲哚-3-甲醇是一种天然产物,存在于广泛食用的芸苔属植物[91]、高山菊黄酮[92]和淫羊藿苷II[93]中,通过Nrf2诱导阻断地塞米松诱导的氧化剂过量产生和成骨细胞凋亡。
控制过度骨吸收的另一种策略可能是诱导Bach1核输出,其激活Nrf2依赖性抗氧化酶表达,导致破骨细胞生成的减弱[94]。
 
7. 展望
迄今为止,我们对Nrf2激活对人类疾病控制的重要性的理解受到了这种转录靶标修饰的信号通路和生物反应的复杂性的极大阻碍,例如Nrf2相互作用组,调节蛋白和微调调节环的知识[95]。因此,关于报道的Nrf2调节的生物效应存在差异,尽管大多数结果主要揭示抗炎作用。
目前,Nrf2-ARE途径与NLRP3炎性体之间可能的交联尚不清楚。 关于Nrf2和炎性体相互作用的进一步深入生化分析应该提供必要的机制见解,以确定Nrf2在炎性体相关疾病中的潜在兴趣。
Nrf2的调节为风湿病的治疗开辟了新的治疗机会。 经典的Nrf2激活剂通过共价修饰Keap1中的半胱氨酸基团来模拟Nrf2活化的内源过程。同时,它们可以通过蛋白质中亲核基团的共价修饰发挥非特异性作用。 因此,许多类型的翻译后氧化反应可能导致多种激酶、磷酸酶、转录因子、转运体和细胞骨架蛋白的构象和活性发生变化[96]。结果,这些药物可能引起显着的副作用。 在这方面,较少的亲电子衍生物如MMF和富马酸单乙酯可能比DMF更安全[97]。因此,经典Nrf2激活剂的化学修饰可导致基于Nrf2途径的潜在治疗剂的开发。
另一个重要方面是需要有效控制Nrf2激活的强度和持续时间,因为已经证明Nrf2及其靶基因的高水平和/或长期激活,这与正常生理中的应激反应有关,可能导致有害影响,如癌细胞的生长和化学抗性[38]。这些观察结果支持了细胞保护酶的诱导/瞬时表达方法的重要性,这可以用一些药物如合成三萜类化合物来实现[98]。
其他策略侧重于Nrf2激活的非规范机制。 Nrf2与Keap1的相互作用可被蛋白质 - 蛋白质相互作用抑制剂如肽拮抗剂破坏。因此,已经证明肽DEETGE-CALTat在临床前模型中有效激活Nrf2并预防脑缺血[99]。 此外,还设计了小分子Keap1-Nrf2蛋白 - 蛋白相互作用抑制剂[100]。
Nrf2的激活可以通过Bach1基因敲除来实现,其在不同疾病模型中显示出免疫调节和保护作用,表明结合Bach1的药物可能是增强Nrf2活性的新策略[96],其可用于控制自身免疫疾病。
需要在靶细胞中选择性地激活Nrf2,从而避免在整个身体中无差别地激活和可能的毒性。 在这方面,许多能够在氧化应激或特定酶存在下转化为Nrf2活化分子的前药正在研究中[96]。此外,CRISPR等新技术的应用具有临床转化的潜力,有助于了解Nrf2在类风湿条件下的作用机制。
需要验证这些与Nrf2途径相关的有吸引力的策略以允许开发新的治疗剂。 Nrf2的激活还可以导致辅助药物,从而有助于改善细胞对其他治疗的反应。 在进入风湿性疾病的临床试验之前,需要更多的研究来深入了解Nrf2机制和作用,这是必要的步骤。
另一方面,生物标志物的开发提供了用于诊断或预后目的的客观参数。 风湿性疾病中主要在疾病的早期阶段需要临床验证的生物标志物。 Nrf2激活和其靶基因的表达已被认为是不同病理状态(例如癌症或多发性硬化)中的氧化应激的生物标志物。 然而,该途径成为风湿性疾病生物标志物的潜力尚不清楚,应予以探索。
 
 

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