骨性关节炎中损伤细胞因子的研究进展

邹国耀 张 林

关键词:骨关节炎;细胞因子;进展

中图分类号: R684.3 文献标识码: A 文章编号: 1008-2409(2009)05-0987-04

骨关节炎(Osteoarthritis,OA)是一种临床常见病和多发病,以膝关节多见。随着社会的老 龄化,其发病率越来越高。由于OA影像学改变要比OA症状出现迟,因此依据影像学改变及临 床症状来诊断OA的方法不能及时早期诊断OA,故OA的早期诊断仍是骨科领域疑难问题之一。 随着分子生物学发展,体液中的部分细胞因子在OA诊断方面的作用日益受到国内外学者的重 视,笔者就损伤细胞因子在OA诊断方面的研究综述如下。

1 白细胞介素-1(IL-1)

70年代末至80年代初,由白细胞产生的一些生┪锘)性物质被定性,其中IL-1是研究最 为深 入的一种。Wood等在1983年首先报道了关节炎滑液中有IL-1存在,并随之发现类风湿性关 节 炎和骨关节炎关节滑液中都可检测到高水平的IL-1。此后,IL-1的致病作用渐被重视,其 中以IL-Iβ为主。

IL-1β可刺激滑膜细胞产生胶原酶和PGE2,以及I、Ⅲ型胶原和纤维结合素的合成与释放。 进一步研究发现,IL-1β刺激滑膜成纤维增殖,提高纤维素分泌量,促进滑膜细胞粘附分 子 (ICAM-1)的表达,使滑膜细胞与浸润性炎性细胞反应性增强,从而造成关节软骨生存的恶 劣 微环境。纤维结合素则会导致局部不利因素的进一步加重,并直接参与诱发软骨细胞表型表 达改变及软骨降解[1]。

IL-1对关节软骨细胞代谢的干扰作用主要表现为抑制透明软骨特征性Ⅱ、Ⅸ型胶原蛋白的 合成;促 进I、Ⅲ型胶原蛋白的合成,而使软骨细胞变性,抑制软骨细胞合成蛋白多糖和细胞增殖。I L-1对关节软骨的降解作用主要表现为促进软骨细胞合成与分泌金属蛋白酶,并提高软骨基 质中溶解蛋白分子酶类的活性。细胞核ONCO基因蛋白产物亦可作为调节因子,通过IL-1诱 导 金属蛋白酶基因表达,产生软骨组织的内部降解。IL-1对关节软骨的干扰和抑制作用往往 比 促进软骨的降解作用在骨关节炎发生过程中显得更为重要[2]。IL-1还可促使软骨 细胞分 泌PGE2,参与关节炎症反应,刺激骨吸收及调节免疫应答反应,以及刺激成骨细胞样细胞增 殖,导致关节骨增生性变化。

应用免疫组织化学技术显示,IL-Iβ主要分布于骨关节炎滑膜的衬里层细胞、软骨与血管 翳 交界处。血管周围淋巴样组织聚集处,几乎无IL-Iβ着色反应[3]。免疫组织化学 染色发 现, 只有极少的正常软骨细胞呈现IL-1阳性反应,这些阳性细胞仅位于软骨表层。在骨关 节炎软骨组织,中、上层细胞及基质皆呈IL-1强阳性反应,说明骨关节炎时可能存在某些 因 素刺激并加速了IL-1的转录后过程[4]。在骨关节炎骨赘组织中,IL-1 mRNA表达 局限于骨 赘膜内成骨处活跃的成骨细胞,但呈散在的,并出现于成骨细胞生活周期的特殊阶段 。提 示IL-1直接参与了骨关节炎病理性增生过程。因此,利用血清和关节液中IL-1水平来反映 OA 病情严重程度具有一定的意义。

2 白细胞介素-6(IL-6)

早在1993年,Vignon即检测到OA患者膝关节液内存在着高浓度的IL-6,随后在培养的OA软 骨 细胞及直接取自OA患者的软骨组织中均发现有IL-6的mRNA表达,而在正常软骨细胞中则未 见 IL-6 的mRNA,免疫组化证实OA软骨细胞中存在IL-6。在OA滑膜细胞培养液中,也检测到 了 高浓度的IL-6。这说明,IL-6在OA的发病中可能具有重要的作用。在进一步的研究中,Ne i del[5]发现关节液中的IL-6与胶原酶的浓度明显相关。众所周知,胶原酶是导致 软骨基质 破坏的主要酶类之一。Mohtait[6]对培养的正常软骨细胞施加液压滤力,48h后 在培养 液中检测到有高浓度的IL-6出现,他解释说,这可能是创伤与异常应力诱发或加重关节软 骨 退行性变的机理之一。滑膜与关节内的炎症反应也是导致OA进展的重要因素,而IL-6则可 促 进淋巴细胞分泌免疫球蛋白,加重滑膜与关节的炎症。此外,IL-6还可协同IL-1抑制软骨 细 胞合成蛋白聚糖,导致软骨基质缺失。不难看出,IL-6可作用于OA 病理中的许多环节,最 终加重关节软骨的破坏,导致病变进行性发展。

3 肿瘤坏死因子-α(TNF-α)

TNF-α是体内主要的炎性细胞因子,参与并介导多种炎症过程。Fell首先自猪的软骨细胞 中 发现了TNF-α的表达,此后陆续发现OA、RA时软骨细胞及滑膜细胞内TNF-α 的表达明显 增 高;并且体外的研究证实TNF-α能促进软骨细胞IL-1的表达,二者产生协同作用,导致 软骨基质降解大于合成,即导致软骨的损伤。

Schlaak等[7]发现,OA 患者的滑膜内存在着高浓度的TNF-α,OA滑膜细胞培养液 内也有 高浓度的TNF-α出现,而正常滑膜细胞培养液内不能检测到TNF-α。用免疫组化方法检膝 软 骨组织,OA软骨TNF-α为阳性反应,而正常软骨则为阴性,说明TNF-α可能是OA 发病过 程 中的重要一环。现已查明,TNF-α可以刺激滑膜与软骨细胞合成胶原酶与PGE2(前列腺素E 2 ),刺激软骨细胞合成金属蛋白酶与丝氨酸蛋F1酶,进而产生软骨细胞外基质的降解作用。 不仅如此,TNF-α对软骨细胞的合成代谢亦有影响。Nakamura[8]发现,在兔关节 软骨细胞 培养液内加入TNF-α 24~48h,培养液内骨连结素(Osteonctin)的浓度即明显下降。因 此 ,TNF-α从促进软骨分解与降低软骨细胞合成两个方面对OA 的病程产生作用。此外,TNF - α还可刺激软骨细胞合成IL-6,产生进一步的炎症反应。因此,利用血清和关节液中TNF- α水平来反映OA 病情严重程度具有一定的意义,但是其作为诊断OA 的意义还有待深入研究。

4 一氧化氮(NO)

NO是一种高度反应性、细胞毒性、弥散性物质,对细菌、真菌和肿瘤细胞产生杀伤作用,同 时也对正常组织产生损伤。NO主要通过两种途径产生组织损伤:其一为高浓度的NO能抑制多 种与线粒体电荷传递系统及柠檬酸循环有关的酶,引起细胞的损伤;其二为NO与超氧化阴离 子O2反应生成过氧化亚硝基阴离子ONOO^-,在一定的条件下便迅速分解为有很强毒性的 OH- 和NO自由基,这两种自由基具有非常强的氧化性,因而有很强的细胞毒性,从而造成组织细 胞损伤。高石军等[9]通过对80例OA患者关节软骨、滑膜血清及关节液中NO的测定 显示其明 显升高,且以软骨及滑膜中的含量最高,提示NO含量升高成为关节软骨退变和滑膜炎症的病 因之一。通过体外实验发现,NO在软骨细胞凋亡中起重要作用,其他细胞因子如IL-l、TNF 、LPS、氧自由基等均不能诱导软骨细胞凋亡。金大地等[10]发现NO和酶(NOS)抑制 剂L-N6 -亚胺乙基-赖氨酸(L-NIL)以及s-甲基异硫脲(SMT)对OA患者的关节软骨和滑膜在体外培 养中 NO释放量起到明显的抑制作用,能改善软骨的代谢环境,对软骨有一定的保护作用。因此, NO在OA的发展过程中具有重要的意义。

5 金属蛋白酶-3(MMP-3)

目前认为OA 病理演变的关键是关节软骨细胞的功能改变,Ⅱ型胶原总量丢失,三股螺旋变性 易被金属蛋白酶降解。金属蛋白酶MMP-3是金属蛋白酶类的主要成员之一,它虽然不能直接 降 解Ⅱ型胶原,但它可降解细胞外蛋白多糖、Ⅳ型胶原等多种基质蛋白底物。Ⅳ型胶原是一种 非原纤维化胶原,主要见于关节软骨表面。

研究发现,MMP-3 在成纤维细胞增生中起中介作用[11]。另外,MMP-3 还参与间 质胶原酶的激 活,而间质胶原酶可降解Ⅱ型胶原,由此可见MMP-3 间接参与Ⅱ型胶原的降解过程。王国金 等 [12]研究表明,关┙谘谆颊哐清及关节液中)MMP-3 含量显著高于正常对照组, 提示MMP-3是O A发病过程中值得重视的生物学标志物。同时,随着骨关节炎病情的加重,血清和关节液中MMP -3水平亦逐渐增高,OA患者血清中MMP-3水平虽明显低于关节液中的水平,但与正常对 照 组比较仍有显著性差异。由于血样标本比关节液标本易获得,因而通过检测血中MMP-3水平 来辅助诊断OA具有一定的可行性,但是其特异性有待于进一步研究。

6 YKL-40

YKL-40是属于壳质酶蛋白家族的一种糖蛋白,最早是在非泌乳期牛的乳汁分泌物中发现的, 后来发现滑膜细胞、关节软骨细胞、人骨肉瘤细胞(MG-63)、激活的巨噬细胞和中性粒细胞 也可产生。YKL-40 mRNA 在软骨细胞和肝脏中强烈表达[13]。

免疫组织化学表明YKL-40染色主要是在OA软骨的表层和中层的软骨细胞中,而不是深层软 骨 细胞中,且在正常人的软骨中检测不到。免疫显微镜检查表明:YKL-40在软骨细胞高尔基 系 统中着色,但在细胞外基质中检测不到。Johansen等[14]研究软骨细胞分泌YKL -40的规律 时发现,在软骨细胞单分子层培养和正常软骨移植培养的早期,作为对组织损伤的反应,YK L-40升高明显;在培养中OA软骨自分泌YKL-40的量比正常软骨移植培养分泌的高。免疫显 微 镜检查表明:YKL-40在软骨细胞高尔基系统中着色,但在细胞外基质中检测不到,这说明YK L-40自分泌量的升高是细胞对细胞外基质环境改变的反应。研究表明YKL-40可反映关节软 骨 降解破坏和滑膜炎症程度。故认为YKL-40是关节破坏的一个局部诊断性标记物。YKL-40 作 为一种反映关节组织代谢和病理变化的生物标记物,可建立血清学检测方法,这对于OA 的 早期诊断、判断患者的病情、预测预后也有一定意义。

7 软骨低聚基质蛋白(COMP)

COMP是软骨非胶原蛋白的主要成分。相关的┭芯恳阎な)COMP由间质细胞,如滑膜细胞和 皮 肤成纤维细胞产生,很多组织(如:软骨、滑膜、视网膜、肌腱以及血管平滑肌细胞等)内都 有COMP基因的表达,但它主要表达于软骨细胞周围基质中[15]。

近年来,相关报道关于骨关节疾病中关节液的分析方法所检测到的额外软骨基质蛋白释放表 明,关节┮褐)COMP浓度的增高,在骨关节疾病特别是在骨关节炎中有重要的意义。在早 期的 骨关节炎中COMP标记物的释放有所增高。虽然软骨粘蛋白释放的升高较高于COMP的释放,但 总的来说,软骨粘蛋白和COMP这些大分子的浓度在骨关节炎的关节液表现均为增高。Huebne r等[16]在猪骨关节炎动物模型中观察到关节滑液COMP的mRNA表达上调,表明COMP 不仅反 应组织分解加速,同时也反应软骨和滑膜新近合成率的增加。因此,COMP对于OA 的早期诊 断、判断患者的病情、预测预后也有一定意义。

虽然细胞因子在骨关节发生中的作用还需要更深入广泛地研究,OA中细胞因子之间的相 互作用也仍未阐明,但毫无疑问的是细胞因子在其中发挥着巨大的作用。正是基于上述认识 。把细胞因子或表达该因子的基因作为研究对象,成为了OA发病机理和治疗等研究领域的热 点课题。

总之,对细胞因子生物学作用的深入研究必将有助于对骨关节炎发生机理的进一步认识,为 骨关节炎的早期诊断(包括基因治疗),提供科学的理论依据和可行的方法指导,最大限度地 缓解骨关节炎患者的疾苦。

参考文献:

[1] M B SADOUK),J P PELLETIER,G TARDIF.Human synovial fibroblast sco express IL-1receptor type I and type II mRNA. The increased level of the IL-1 receptor in o s teoarthritic cells is related to an incr-eased level of the type I receptor[J ].Lab Invest,1995,73,73:347-355.

[2] DABUEK J),SUCATO,YOUNG-JOKIM.What's New in Pediatric Ortho paedics[J].Bone Joint Surg Am,2007,89:1141-1150.

[3] ABRAMSON A).Amin Blocking the effects of IL-1 in rheumato idarthritis protects bone and cartilage[J]. Rheumatology,2002,41:972-980.

[4] 王海军,于长隆,岸裕幸,等.IL-1和TNF-α拮抗剂治疗骨关节炎实验 研究[J].中国运动医学杂志,2006,25(5):551-555.

[5] NEIDE J),SCHULZE M,SOVAI L,et al.Practical significance of cy tokine determin ation in joint fluid in patients with arthroses or rheu-matoid arthritis[J]. Orthop Ihre Grenzgeb,2004,134:381-385.

[6] MOTHAIT M),GUPTA M K,DONLON B,et al.Expression of interleukin6 in osteoarthritic chondrocytes and effects of fluid-induced shear on this ex p ression in normal human chondrocytes in vitro[J]. Orthop-Res,1996,14:67-73 .

[7] SCHLAAK J F),PFERS I,MEYER ZNM,et al.Different Cytokine prof iles in the synovial fluid of patients with Osteoarthritis,rhe-umatoid arthrit i s and seronegative spondy larth ropat-hies[J].Clin Exp Rheum atol,1996,4:1 55-162.

[8] NAKAMURA S),KAMIHAGI K,YOSHIHARA Y,et al.Enhancemant of SPARC (osteo-netin)sy nthesis in arthritic cartilage.Increasedlevels in synovial fluids from patient s with rheumatoid arthritis and regulation by growth factors and cytokines in ch ondrocyte cultures[J].Arthritis Rheum,1996,39:539-551.