骨关节炎软骨退变的相关性研究

齐 进(综述)，张云坤(审校)

(南京医科大学附属常州市第二人民医院骨外科，江苏常州213003)

骨关节炎(osteoarthritis，OA)是以关节软骨退行性变、关节边缘、软骨下骨继发性骨质增生为病理特征的慢性致残性疾病，是人类最常见的关节疾病之一，严重威胁着中老年人健康。随着人口老龄化进程的加速，这一问题日益突出，据统计约有40%老年人(70岁以上)患有OA［1］。然而，关于OA的病因、发病机制至今尚不十分明确。现就OA发病的危险因素、病理学、相关的生物标志物及分子免疫学的改变予以综述，以期对今后OA的实验研究及临床治疗提供新的思路和理论依据。

1 OA的危险因素

OA是多因素导致的、慢性发病过程，与年龄、性激素、体质量等因素有关［2］。

1．1 年龄 随着年龄的增加，负重关节的抗损伤的能力逐渐降低，软骨细胞对促进修复的生长因子反应性明显降低;关节囊的松弛度随着年龄增大而增加，造成关节的相对不稳，使得关节及关节软骨更易受到损伤;关节肌力逐渐减弱和周围神经反应减慢(本体感觉的减退)，使得关节吸收震荡及保护功能因年龄的增大也明显减退［3］。

1．2 雌激素缺乏 有研究表明，中老年女性患者因雌激素缺乏有增加OA的发病风险［4］。薛延等对 55例女性患者和176例健康妇女雌激素受体等位基因PvuⅡ和XbaⅠ采用聚合酶链反应限制性片段长度多态性分析认为，携带雌激素受体等位基因xx基因型患者比XX基因型患者容易患 OA［5］。

1．3 肥胖 肥胖是一种慢性低级别的炎症，肥胖相关性炎症的发生与血清中的炎性因子、脂肪因子的异常密切相关［6］。目前普遍接受的观点是活化的关节滑膜组织和髌下脂垫有促进OA软骨退行性变的作用。髌下脂肪垫分泌一系列的炎性介质，如细胞因子、脂肪因子等影响软骨细胞的新陈代谢［7］。也有分析认为，膝关节是机体主要的负重关节之一，当机体体质量指数超标之后，骨关节软骨单位面积所承受的负荷将增加，造成膝关节软骨被损害的概率增加，易形成OA［8］。另外，季锦飞等［9］对863例膝关节OA患者进行统计分析，认为发病年龄较早的骨性关节炎患者比发病年龄较晚的患者体质量指数小，OA组各个亚组随着发病年龄的增大，其体质量指数有上升的趋势，而正常对照组基本没有明显的变化。由此可见，肥胖是OA发病的高危因素之一。

2 OA的病理学改变

2．1 关节软骨的变化 正常关节软骨由软骨细胞和细胞外基质组成，软骨细胞占整个软骨体积的2%以下，分泌软骨基质。细胞外基质主要由Ⅱ型胶原和蛋白聚糖(透明质酸、硫酸软骨素、硫酸角质等)和水分等组成。OA早期，在溶酶体蛋白酶及胶原酶的作用下，软骨基质内蛋白聚糖含量减少，胶原纤维变性，番红O/固绿染色可见软骨表层出现浅表溃疡，软骨中深层基质部分沿其胶原纤维走向撕裂，形成较多与表面垂直的裂隙，呈“微纤化”样表现。随着病情进展，软骨破坏更明显，软骨结构形态改变，关节间隙变窄［10］。

2．2 软骨下骨的改变 当软骨形态及功能改变时，软骨吸收应力和缓冲震荡的能力减弱，软骨下骨承受应力和摩擦力增大，在承受应力和摩擦力大的部位，软骨下的骨质可出现微小的骨折、坏死，关节面及周围的骨质代偿性增生、骨赘形成及骨囊性变［11］。

2．3 滑膜和滑液的变化 OA早期镜下可见滑膜充血，局灶性淋巴细胞、单核细胞及浆细胞浸润。随着软骨退行性变、坏死、脱落，引起继发性滑膜炎，滑膜炎便成为OA进展的主要因素。关节滑液变稀，影响了其对关节软骨的润滑和营养功能。电镜下见滑膜细胞减少、萎缩，排列松散，体积增大，关节囊纤维性增生并挛缩，滑膜内小血管亦可见增生，内皮细胞肿胀，管腔狭窄。后期可导致关节纤维性僵硬，严重影响关节活动度。

3 OA关节软骨的生物标志物

3．1 Ⅱ型胶原 C-端肽(collagen typeⅡ C-telopeptide，CTX-Ⅱ) Ⅱ型胶原是关节软骨的主要结构成分，占胶原总量的80%～90%，由三股完全相同的α链组成螺旋链状结构，并与旁侧的胶原分子交错排列形成网状的胶原纤维网。当机械性和生物性因素相互作用，使关节软骨细胞、基质和软骨下骨合成和降解失去平衡，Ⅱ型胶原降解代谢加快，在蛋白酶的作用下，Ⅱ型胶原首先裂解产生C-端肽，即为CTX-Ⅱ，CTX-Ⅱ在基质金属蛋白酶等的进一步作用下，螺旋结构解离，以小肽形式全部进入尿液。Tchetina等［12］通过大量实验研究认为，OA时CTX-Ⅱ等片段对软骨的降解有促进作用。他们通过向OA软骨组织块的培养基中加入溴化氰分解Ⅱ型胶原后的产物时，发现Ⅱ型胶原可以促进基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMP)13的表达，软骨基质的分解也同时增加。胶原片段可以阻碍细胞与胶原的依附，而且可以诱导软骨基质的降解，Reijman等［13］研究发现，OA患者的尿CTX-Ⅱ水平升高还与软骨的快速破坏有关，这提示尿CTX-Ⅱ水平越高，OA的发病危险越大，疾病进展的可能性也越大。

CTX-Ⅱ作为唯一可同时在血、尿和滑液中检测的标志物，其样品具有较长时间的稳定性，对临床常规检测更有意义，因此逐渐成为研究OA生物学标志物的首选指标。

3．2 软骨寡聚基质蛋白 软骨寡聚基质蛋白(cartilage oligomeric matrix protein，COMP)是细胞外基质蛋白的一种，属于凝血栓蛋白家族，其作为软骨非胶原蛋白的主要成分，是目前研究较为广泛、应用较多的软骨生物学标志物。COMP只在关节内高表达，主要由软骨细胞分泌，具有较好的组织特异性，因此其作为关节软骨损伤的标志物已越来越受到重视，但其血清水平仍有波动，单独诊断缺乏足够的敏感性和特异性。多项研究证实，在OA患者中COMP水平均有明显升高，血清COMP水平与OA关节损害的程度呈正相关，并可作为评估关节滑膜及软骨组织代谢障碍的重要指标［14］。

3．3 骨基质蛋白YKL-40 YKL-40属于壳质酶蛋白家族的一种糖蛋白，又称人软骨糖蛋白39(HCpg-39)，主要由关节软骨细胞、滑膜细胞、巨噬细胞和中性粒细胞等产生，其mRNA在软骨细胞及肝脏中强烈表达。YKL-40的功能虽然尚不清楚，但越来越多的研究发现，其水平与OA的活动度及严重程度有相关性。Takahashi等［15］在对71例膝关节OA女性患者的研究中发现，有症状的OA患者血清YKL-40比无症状者的YKL-40水平增高更明显，并进一步观察到YKL-40水平与影像学分级有关，这提示血清的YKL-40水平可反映关节软骨的降解破坏程度，还可反映局部疾病的活动性，是关节破坏的一个局部诊断性标志物。Zivanovic等［16］利用超声测量了88位OA患者骨赘的长度和软骨的厚度，发现血清YKL-40的浓度和骨赘长度呈正相关，并且随着病程的延长，YKL-40的浓度也越来越高，这说明YKL-40可作为软骨破坏程度的评估标准之一。

3．4 MMPs MMPs家族包括26种含锌蛋白水解酶，作为细胞外基质的重要组成成分，MMPs家族在基质降解、胚胎发生、组织重构、炎性反应、肿瘤形成及转移等方面发挥重要作用。其中MMP-1是MMPs家族表达最普遍的一种蛋白水解酶，是基质降解的主要介质，可直接降解Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型胶原。在OA的病程中，在IL-1、肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)等因子调节下，MMP-1等在关节软骨细胞及滑膜细胞中表达增强，同时，MMP抑制因子表达下降，导致关节软骨细胞外基质中的Ⅱ型胶原、蛋白多糖等过度降解，从而使关节软骨破坏、退变。

4 OA免疫学研究

4．1 缺氧诱导因子2α 缺氧诱导因子2α(Hypoxiainducible factor-2α，HIF-2α)又称内皮 PAS 结构域蛋白1(endothelial PAS domain protein-1，EPAS-1)，与HIF-1同属bHLH-PAS家族，广泛存在于人和哺乳类动物组织细胞内，HIF-2对缺氧的敏感性较HIF-1高，在缺氧的情况下，HIF-2和缺氧反应基因结合，诱导其表达，使细胞适应缺氧环境。最近学者们发现，在OA患者及实验性小鼠软骨细胞中转录因子HIF-2α高度表达，HIF-2α由EPAS1基因编码、由核因子κB信号、IL-1、TNF、炎症及机械应力诱导转录。Yang等［17］通过一系列的实验研究首先证实，HIF-2α对软骨退变的酶，如MMP-1、MMP-8、MMP-13等有正向调节作用，是OA关节软骨细胞分解的正向调节因子。而且，通过动物实验发现，存在高表达HIF-2α特异性软骨细胞的转基因小鼠软骨退变更加明显。也有研究者［18］认为HIF-2α参与OA软骨骨化的正向调节。值得提出的是，HIF-2α主要表达在OA的早期阶段，因此可以通过对HIF-2α的早期监测，早期发现OA，对HIF-2α靶向治疗OA的研究，使疾病停留在早期阶段，遏制OA疾病进展。

4．2 白细胞介素1 白细胞介素1(interleukin-1，IL-1)有2个亚型:IL-1α和IL-1β，其作用于相同受体，具有相似的生物活性。OA患者中IL-1α和IL-1β均有升高，IL-1α刺激软骨基质降解、拟制软骨细胞合成透明软骨蛋白多糖及Ⅱ型胶原，促进纤维软骨型胶原(Ⅰ型胶原)的合成，从而使关节软骨退行性变。Wood等［19］在1983年首先报道了关节炎滑液中有IL-1存在，并随之发现类风湿关节炎和OA关节滑液中都检测到高水平的 IL-1。最近，Kerkhof等［20］就IL-1β和IL-1受体阻滞剂基因多态性在髋、膝关节OA中的作用和膝关节OA严重性方面作了大范围的荟萃分析，认为编码IL-1片段基因变异与髋、膝关节OA无相关性，然而，编码IL-1受体阻滞剂的片段基因变异可能在膝关节OA严重性上发挥重要作用。

4．3 TNF-α TNF-α作用机制类似 IL-1。一方面，拟制蛋白多糖及Ⅱ型胶原形成、刺激软骨基质降解，导致关节软骨细胞外基质中的胶原、蛋白多糖等过度降解［21］;另一方面，TNF-α拟制软骨细胞线粒体的活性，拟制细胞外基质的合成［22］。

4．4 其他调节因子 IL-6是促进B淋巴细胞增殖、分化产生抗体的必需因子，当IL-6水平升高时，会增强机体对软骨等组织的自身免疫应答，加重软骨的退变［23］。转化生长因子β在OA病程中具有促进胶原和蛋白聚糖的合成、抑制胶原和蛋白多聚糖分解的作用。

近年来，在骨性关节炎的实验研究方面有了很大的进展，特别是在OA病理、相关的生物标志物及分子免疫学等方面有了更新的认识，但是关于OA的病因、发病机制至今尚不十分明确，随着分子生物学技术的不断发展，相信未来对OA软骨退变机制以及各种细胞因子之间的相互作用会有更全面的认识，为临床预防和治疗OA提供新的理论依据。

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