低氧微环境与骨性关节炎发生和发展的研究新进展

马　铄，王文波(综述)，刘　宁(审校)

(哈尔滨医科大学附属第一医院骨三科，哈尔滨 150001)



低氧微环境与骨性关节炎发生和发展的研究新进展

马铄△，王文波※(综述)，刘宁(审校)

(哈尔滨医科大学附属第一医院骨三科，哈尔滨 150001)

摘要：骨性关节炎(OA)是骨骼系统最常见的慢性疾病。近年来，随着人口老龄化的增长及肥胖人群的增加，其发病率也逐年增高。然而,导致OA发生的确切机制目前尚不明确。正常情况下，关节腔处于一种生理性低氧环境之中，这种低氧环境对关节软骨的正常生理功能及软骨细胞的生存具有重要的意义，但在OA患者的关节腔内的氧含量是明显降低的。有研究显示关节腔内病理性低氧与OA发生、发展中的各个病理变化密切相关。因此，正确的认识和了解关节腔内低氧微环境的变化可以对骨性关节炎发生、发展机制的探究起到更好的指导和帮助。

关键词：骨性关节炎；低氧；软骨；滑膜；低氧诱导因子

骨性关节炎 (osteoarthritis, OA) 是骨骼系统最常见的慢性疾病。随着人口老龄化的增长及肥胖人群的增加，OA的发病率也逐年增高。根据统计显示，全球60岁以上的人群中至少有10%的OA患者[1]。该疾病可以引起整个关节结构的改变，其中以关节软骨破坏、软骨下骨硬化、滑膜炎及骨赘生成为主要病理特征[2]。一般认为OA的发生、发展可能与外伤、炎症及代谢异常等因素有关，这些因素均能导致关节中各组织的合成分解代谢失衡，最终导致关节功能丧失，但其确切机制目前尚不明确。氧是生物体最基本的分子，保持氧气的自我平衡是多细胞生物生存的重要条件。而低氧已被证实在许多疾病的病理学中起到了至关重要的作用，例如心肌梗死、癌症、脑卒中和慢性肺部疾病等[3]。同样，OA患者的关节腔内的氧含量也是明显降低的。Schneider等[4]通过活体测量技术证明，在骨关节炎关节中氧水平大幅度地减少。因此，低氧被认为与OA发生及发展有着密不可分的联系。现就目前低氧微环境与OA的相关研究进展予以综述。

1低氧与关节软骨代谢

1.1低氧影响软骨细胞外基质代谢关节腔是一个密闭低氧的环境，关节软骨细胞对关节腔内低氧环境有良好的适应能力，而且能够利用这种特殊的条件来促进自身的组织特异性功能[5]。然而，在关节腔内氧分压过低的情况下同样会影响关节软骨细胞的生存。研究显示，OA关节中的氧分压明显低于正常关节中的氧分压[4]。而极低的氧环境能够导致和加剧关节软骨细胞的分解代谢反应，因此认为病理性缺氧不但是关节软骨细胞破坏不可或缺的条件，而且也是重要的诱发因素之一。Malpeli等[6]在关节软骨的体外培养研究中发现，在每个细胞和培养基中，胶原蛋白和氨基葡聚糖的水平在低氧分压下较少，特别是在1%氧浓度中,细胞外基质的氨基葡聚糖成分达到一个相对稳定的水平,在以后的2周内没有增加，然而在20%氧浓度中，细胞外基质的氨基葡聚糖成分随时间而增加。由此可见，氧浓度对细胞外基质的合成有着重要影响。

在所有多细胞生物的细胞中，低氧诱导因子(hypoxia-inducible factors，HIFs)是对于低氧应答反应的协调和控制最主要的转录因子[3]。关节软骨细胞可以通过HIFs来维持自身的组织特异性功能，从而很好地适应关节腔内长期的低氧环境[7-9]。但当关节腔内氧分压的进一步降低时，HIFs却有着不利于软骨细胞正常生存的，甚至破坏其结构的作用。研究显示，在低氧环境下，HIF-2α作为软骨细胞分解代谢重要的调节剂，可以通过上调软骨细胞中基质降解酶的水平，从而引起关节软骨细胞的破坏[10-11]。Siyoung等[12]通过体外实验研究发现，尼克酰胺磷酸核糖转移酶作为HIF-2α最主要的靶基因，在接受HIF-2α靶向作用后可以明显上调基质金属蛋白酶3和基质金属蛋白酶13的合成水平，同时抑制蛋白聚糖的表达，因此在软骨细胞破坏的过程中起到了决定性的作用。

OA发生时，对于关节腔内严重缺氧的应答反应，HIF-1α可诱导血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)大量生成。作为促进血管生成的最重要因子，VEGF能够特异性结合血管内皮细胞、促进内皮细胞生长、增加血管通透性，从而促进血管生成。然而，大量的新生血管形成侵袭性的血管翳，使得关节软骨侵袭受损破坏。帅明等[13]在动物实验中发现，在OA关节腔低氧环境下，关节软骨细胞中HIF-1α 诱导的VEGF表达明显增高，且与OA的严重程度呈正相关。Hong等[14]研究显示，在氧含量降至1%时，HIF-1α可诱导白细胞介素(interleukin,IL)1β、活性氧类和IL-8的表达上调，说明病理性缺氧可以促使软骨细胞的分解代谢，增强软骨细胞的促炎症反应，从而使软骨细胞受到破坏。

1.2低氧影响软骨细胞能量代谢在关节腔内低氧环境下，不但软骨细胞外基质的合成分解代谢受到影响，而且软骨细胞的能量代谢也同样受到了严重的影响。Beverley等[15]将处理过的猪关节软骨细胞分别于1%、 5%和20%环境中培养，发现软骨细胞ATP的合成量在氧含量为1%组中明显低于氧含量为5%和20%组，而IL-1诱导的一氧化氮水平和腺苷酸活化蛋白激酶蛋白水平却远远高于其他两组。由此可见，关节腔内软骨细胞的能量代谢同样也受到了低氧环境的严重影响，使软骨细胞的破坏进一步加重。

2低氧与关节滑膜组织代谢

2.1低氧促进滑膜增生和血管生成随着对OA研究和认识的不断深入，Wenham和Conaghan[16]研究证实了OA的发生、发展与关节滑膜增生及滑膜炎的生成密不可分。而关节滑膜的增生及滑膜炎的发生、发展与关节腔内低氧环境有着直接联系。OA发生时关节腔内氧分压明显降低，在这种情况下滑膜组织会代偿性的增生及产生大量的新生血管以应对极低的氧环境，血管生成的同时血液循环中促炎因子在趋化作用下会大量迁移并浸润至滑膜组织，从而一系列病理生理过程就这样在低氧的起始因素下发生、发展。Strunk等[17]发现，慢性滑膜炎的滑膜中有大量的新生血管产生，而新生血管导致的滑膜充血是早期滑膜炎的最早可见的病理学改变。Ruiz-Romero等[18]研究发现，在低氧时细胞因子介导的滑膜组织增生过程中滑膜组织增生速度明显超出了相应血管生长速度，导致关节腔缺氧程度进一步加剧，进而引起滑液中氧分压明显降低。可见低氧促进滑膜组织增生和血管生成的同时又明显加剧了缺氧，形成关节腔内缺氧的恶性循环。

2.2低氧促进滑膜炎性因子浸润与氧化性损伤虽然关节腔内滑膜组织的增生及大量血管的生成是对于关节腔内缺氧的应答反应，然而这种反应也同时促进了炎性细胞浸润，在滑膜炎的慢性持续性过程中起到了重要的作用。Ng等[19]研究发现，低氧环境下，循环血液中T细胞(CD3、CD68)和单核细胞趋化进入滑膜组织，同时大量的炎性细胞因子(如肿瘤坏死因子α、IL-1β和干扰素等)渗入滑膜组织，说明低氧可以通过趋化炎性因子的转移，从而引起滑膜组织的慢性炎症反应。关节腔缺氧在促进滑膜组织血管增殖和加重炎症反应的同时也可以使得滑膜组织的脂质产生过氧化反应和增加滑膜中血管周围线粒体的功能损害[20]。研究显示，随着关节的活动，关节腔内滑膜组织始终处于缺氧-氧灌注-缺氧的动态改变，因此在OA患者滑膜炎发生时滑膜组织可能受到了不同程度的氧化损伤。Chenevier-Gobeaux等[21]将OA患者的关节滑膜组织于特定的缺氧/氧气再灌注环境中培养后发现，这种特殊的缺氧过程可明显调节滑膜组织中由IL-β和肿瘤坏死因子α诱导的一氧化氮合酶和氮氧化物等氧化应激反应，也证明了关节腔内病理性缺氧与OA中滑膜组织的氧化损伤有着密不可分的联系。

3低氧与软骨下骨硬化

OA的主要特征之一是软骨下骨的改变[22]。骨赘形成、软骨下骨磨损及硬化是诊断OA的决定性影像学改变。这些骨的改变以前多认为是发生在病程的终末期。然而近年来，越来越多的学者认为软骨下骨的病理改变很有可能早于软骨退变的发生[23]，这些发现使得对OA发病的起始因素有了新的认识。软骨下骨区域具有丰富的血管系统，能够很好地提供给软骨氧和必需的营养，而OA的软骨下骨中血管常常是功能紊乱的，因此可以导致软骨下骨局部缺氧[24]，Warren等[25]研究显示，低氧可以调节成骨细胞基因的表达。Utting等[26]在大鼠模型的研究中同样证实了成骨细胞的表达受低氧调控。Chang等[27]通过长期的研究证实了低氧可以在多方面影响和调节OA软骨下骨的硬化及骨赘生成，例如低氧可以调节软骨下骨的重塑，降低碱性磷酸酶的作用，调节IL-6、IL-1、趋化因子(C-X-C基序)配体12等炎性因子及环加氧酶2的表达，促进前列腺素E2的生成，促进VEGF、牛血管生成素样蛋白4基因、人内皮素1等调节血管生成的基因表达，调节可以介导成骨细胞表型的HIF-1的表达等。Maes等[28]研究显示，血管供应的中断和伴随组织的缺氧在骨的发展、再生、骨折的修复以及一些骨性疾病中起到了至关重要的作用。异常成骨是骨赘形成和软骨下骨硬化的关键环节，因此认为软骨下区域血管系统的功能紊乱和相应的组织缺氧在OA软骨下骨硬化以及骨赘的生成中起到了关键作用。

4小结

正常情况下，关节腔处于一种生理性低氧环境之中，这种低氧环境对关节软骨的正常生理功能及软骨细胞的生存具有重要的意义。然而，OA关节腔内的病理性低氧环境却严重的影响了软骨细胞的正常代谢甚至威胁软骨细胞的生存，加剧了OA的进展。作为对于低氧应答反应的调节和控制最重要的转录因子，HIFs已成为近年来研究的重点，虽有望作为治疗OA的靶点，但在OA关节腔不同的氧含量环境下，HIFs的具体作用机制及相关信号通路仍需进一步深入研究。因此，正确的认识和了解关节腔内低氧微环境的变化以及低氧时相关因子的表达，不仅可以对OA发生、发展机制进行更深一步的探究，而且对于今后临床的诊治和相关药物的开发可以起到更好的指导和帮助。

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Research Progress in the Association between Hypoxia Microenvironment and OsteoarthritisMAShuo,WANGWen-bo,LIUNing. (DepartmentThreeofOrthopedics,theFirstAffiliatedHospitalofHarbinMedicalUniversity,Harbin150001,China)

Abstract：Osteoarthritis (OA) is the most common chronic diseases of skeletal system.In recent years,with the growth of aged population and the increase of the obese people,the incidence is increasing year by year.However,the exact mechanism of OA is still unclear.Normally, the intra-articular hypoxia environment is very important to the survival and physiological function of chondrocyte, but the oxygen content is significantly reduced in the articular cavity of OA.Some studies show that,intra-articular pathological hypoxia is closely related to various pathological changes of OA.Therefore,correct understanding of the change of intra-articular hypoxic microenvironment is helpful to the research on the pathogenesis of OA.

Key words:Osteoarthritis; Hypoxia; Cartilage; Synovium; Hypoxia-inducible factors

收稿日期：2014-11-03修回日期：2015-02-27编辑：相丹峰

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.18.012

中图分类号：R684.3

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)18-3297-03