代谢性骨性关节炎分子机制研究进展

李盛华 周明旺* 陈娴 王金 陈威 柳海平

1. 甘肃省中医院，甘肃 兰州 730050 2. 甘肃中医药大学，甘肃 兰州 730020

骨性关节炎(osteoarthritis, OA)是肌肉骨骼系统常见的慢性疾病之一，其具有不同的病因学却有相似的形态学、生物学和临床表现。传统观点认为OA与衰老、创伤等因素有关，但越来越多的流行病学及生物学证据表明OA不是单纯的与衰老或机械应力相关的退行性疾病，而是由“代谢紊乱”和“炎性衰老”等多因素共同导致。因此OA被认为是一种代谢性疾病，称为“代谢性骨性关节炎”(metabolic OA)[1]。本文主要对近年来MetS影响OA发生发展的相关分子机制进行综述，旨在为OA的防治开辟新思路。

1 流行病学研究

美国一项调查显示OA患者在调整年龄与体重指数后仍具有较高的代谢综合征发生率[2]。日本ROAD调查显示，糖耐量受损及高血压在调整了其他混杂因素后与膝OA影像学进展相关，且随着代谢综合征中组分的累积，膝OA的发生也随之增加[3]。最近一项关于摩洛哥女性代谢综合征及各组分与膝OA视觉疼痛评分、功能评分、影像学严重度的相关性研究表明，糖尿病、脂代谢异常、高血压是影响膝OA症状的独立因素[4]。但也有一些调查与上述结论存在分歧。如韩国一项调查认为高血压和腹型肥胖在调整体重或BMI相关因素后与膝OA无明显相关性，胰岛素抵抗与膝OA影像学风险不相关[5]。作者认为代谢综合征及其各组分与OA的相关性尚无统一定论的原因与各研究小组对两种疾病诊断标准及研究的纳入标准不一致有关，同时与代谢综合征各组分导致OA发生发展的复杂机制也有一定关联。

2 分子机制研究

代谢综合征是一组以肥胖、高血糖(糖尿病或糖调节受损)、血脂异常[高甘油三酯和(或)低高密度脂蛋白胆固醇血症]及高血压等在个体聚集发病，严重影响健康的临床症候群。代谢综合征中多种代谢失衡的病理过程及多条信号通路相互作用，直接或间接地对OA的病理进程发挥重要作用。

2.1 肥胖

传统观点认为肥胖增加了承重关节的机械负荷，这些机械应力刺激了关节内机械感受器并激活相关力学信号通路(如整联蛋白信号通路)，促使软骨细胞分泌促炎因子及蛋白水解酶，引发关节内的炎症反应和软骨基质的降解[6-8]。与此同时，力学刺激后的软骨下骨成骨细胞也能分泌一些有害介质对软骨产生影响[9]。然而肥胖和超重使非负重关节如手指间关节发生OA的风险增加2倍[10]，表明生物力学的改变无法完全解释肥胖导致OA的发病机制。一些研究发现[1]，衡量腹型肥胖的指标如腰围(waist circumference,WC)、腰臀比(waist to hip ratio,WHR)较体重指数能更好地预测OA的发生，腰围与脂肪含量与膝关节软骨的丢失及骨髓损伤关系更密切。腹型肥胖主要指脂肪组织在腹腔内和腹腔脏器内外的蓄积。国内外多项研究显示，腹腔内脂肪组织并非只有储能的作用，还具有活跃的内分泌功能。它们通过分泌一系列脂肪细胞因子、炎症因子，引起并加重系统和关节内的炎症。某些脂肪细胞因子还能促进蛋白水解酶的产生，对软骨造成损害[11]。

瘦素(leptin)、脂联素(adiponectin)、内酯素(visfatin)、抑制素(resistin)是目前与OA联系较为紧密的几种脂肪细胞因子，它们与OA滑膜炎症、软骨基质的降解、软骨下骨硬化、骨赘形成等病理过程密切相关[12]。其中，瘦素是被研究最深入最广泛的脂肪细胞因子，它能增加关节软骨基质金属蛋白酶及半胱氨酸蛋白酶的表达，促进软骨细胞分泌促炎因子(TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-8等)[11]。Yang等[13]最近研究发现瘦素通过Akt信号通路下调miR-93增加成骨细胞中OSM表达水平。OSM属于IL-6家族，参与骨代谢及炎症性疾病。Yaykasli等[14]研究发现在人软骨细胞中瘦素通过MAPK和NF-κB信号通路使ADAMTS-4, ADAMTS-5, ADAMTS-9基因表达。此外，OA软骨下骨成骨细胞中瘦素合成的增加能使碱性磷酸酶(ALP)、骨钙素(OC)、I型胶原、TGF-β表达加强，影响成骨细胞的功能，导致骨赘的生成。其他脂肪细胞因子如脂联素，能刺激软骨和软骨细胞产生NOS2、MCP-1、MMP-1、-3、-9、13以及IL-6、IL-8、PGE2、血管内皮生长因子(VEGF)发挥强大的促炎作用。内酯素除了能诱导淋巴细胞产生IL-1β、TNF-α、IL-6，还会降低维持软骨细胞表型所需相关蛋白的表达，如人性别决定区Y框蛋白9(SOX9)、II型胶原蛋白。抑制素可使人软骨细胞MMP-1、MMP-13、ADAMTS-4表达增多，刺激炎症因子IL-6、TNF-α、PGE2等的产生[12]。此外，一些研究发现瘦素、脂联素等对OA也可能是一种保护因素[11]。以上研究提示体内脂肪细胞因子水平异常是其影响OA发生发展的关键，使脂肪细胞因子水平恢复正常是治疗OA的潜在靶点。脂肪组织除分泌脂肪细胞因子外，还分泌一些前炎症因子，如IL-1β、TNF-α、IL-6，其他促炎因子如IL-15、17、18，超敏C反应蛋白及补体[15]，加重关节的炎症反应。

2.2 脂代谢紊乱

相关流行病学研究发现高水平的血清胆固醇(CHO)和甘油三酯(TG)增加了膝关节软骨下骨骨髓损伤的发生[16]，而高密度脂蛋白胆固醇水平是骨髓损伤的一个保护因素[17]。此外， OA患者血清apo A-I、apo B、HDL-C、LDL-C、TC、TG、Lp(a)水平高于类风湿性关节炎患者，但后者滑液中则有较高水平的apo A-I、apo B、TC、TG、Lp(a)。即关节炎患者血清与滑液中脂质、脂蛋白水平与系统和局部炎症水平以及滑膜血管的渗透性有关。研究者推测滑液中的脂质及脂蛋白可能参与关节的炎症过程[18]。TG也是动脉硬化的危险因素之一，动脉硬化引起的软骨下骨骨髓损伤也参与了OA的发生发展。

另一项研究发现，在KOA软骨中，胆固醇转运相关基因表达下降，同时调节胆固醇排出的相关基因也表达减少，使软骨细胞中脂质沉积从而引起细胞毒性增加[19]。Vasheghani等[20]研究发现，脂代谢相关PPARγ/ mTOR 信号通路异常将对软骨细胞自噬造成影响。PPARγ基因敲除的小鼠关节软骨退变明显、软骨细胞凋亡、mTOR基因表达上调、自噬相关基因表达下调；减少mTOR基因表达后，自噬相关基因表达增加，炎症和分解代谢因子表达减少；同时体外研究发现PPARγ、mTOR双基因敲除小鼠其OA相关表型改变。最近Huang等[21，22]研究发现食用ω-3多不饱和脂肪酸(PUFAs)对关节软骨的保护机制也与抑制mTORC1信号通路、增强软骨细胞自噬有关。

此外，Kostopoulou等[23]发现固醇调控元件结合蛋白1784G>C基因多态性在希腊人群中与OA患者体重指数及影像学严重度有关。正常软骨细胞在转染SREBP-2 G/C质粒后，IL-1β和MMP-13表达上调。OA软骨细胞中，SREBP-2及其目的基因HMGCR、PI3K、ITGAV、TGF-β的mRNA及蛋白表达水平上调。TGF-β通过ITGAV和PI3K激活SREBP-2通路后，上调的SREBP-2与Smad3结合进一步促进软骨细胞ACAN生成减少。最近他们[24]研究发现miR-33a及其宿主基因SREBP-2在OA软骨细胞中表达显著。miR-33a通过激活胆固醇合成信号通路TGF-β1/Akt/SREBP-2以及降低胆固醇逆转运相关基因ABCA1和ApoA1 的表达，使软骨MMP-13表达水平升高，抑制miR-33a可改善OA表型。

2.3 糖代谢紊乱

葡萄糖是软骨细胞维持日常生理活动主要能量来源。然而，过多的葡萄糖则以多种直接及间接方式影响软骨细胞的稳态。正常情况下，软骨细胞根据细胞外基质的葡萄糖浓度，调节细胞膜上的葡萄糖转运蛋白-1(GLUT-1)的表达，调整摄取葡萄糖的能力[25]。即使在高糖状态下，正常软骨细胞对GLUT-1的表达和葡萄糖的摄取仍保持在正常水平。然而OA软骨细胞在同样高葡萄糖浓度下，GLUT-1表达增多，从而增加了对葡萄糖的摄取。由于过量的葡萄糖在软骨细胞内堆积，导致大量的活性氧物质[26]和基质金属蛋白酶(MMP-1、MMP-13)[27]产生。

氧化应激是组织因各种不良刺激引起氧化系统和抗氧化系统失衡并由此产生的损伤过程。OA关节组织及细胞，如软骨细胞、滑膜成纤维细胞、脂肪细胞，在生物力学及生物化学刺激下都能产生大量的ROS和NO。ROS和NO通过参与多种炎症通路，如NF-κB、HIF-1α或AP-1等，对关节造成损害[28]。最近研究发现滑膜成纤维细胞中的ROS通过活化TAK1激活下游MAPKs/NF-κB信号通路，促使滑膜成纤维细胞COX-2的表达和PGE2的产生[29]。除体内高血糖，瘦素、脂联素、载脂蛋白-2都能促使软骨细胞及其他关节细胞产生大量的活性氮物质(NO、iNOS)。

近年来，线粒体功能障碍在OA软骨细胞中被发现。Kendra等发现软骨细胞线粒体损伤后，由线粒体生成的ROS增多，促使软骨细胞MMP-1、MMP-3蛋白表达增加。然而线粒体DNA损伤及功能障碍在OA病理过程中的重要作用尚未完全明确，还需进一步研究[30]。因此，氧化应激可能是联系肥胖相关代谢性疾病与OA软骨损伤的关键步骤，可能成为治疗OA的有效途径。

晚期糖基化终末产物(AGEs) 是生物系统内碳水化合物和蛋白质之间的非酶促反应的产物，体内高血糖以及高龄等因素可造成AGEs在组织中堆积。以往研究发现，AGEs的聚积，一方面使软骨基质生物力学性能降低，同时还能促进软骨细胞促炎介质iNOS和COX2的释放，导致分解代谢活性增加。此外，由于OA软骨细胞有更高的AGE受体(RAGE)表达，激活的RAGE能够介导软骨细胞内MAPK和NF-κB信号通路的活化，促进软骨基质的分解代谢。其他相关研究还发现，激活RAGE能够刺激滑膜细胞分泌更多的MMP-1，导致软骨分解代谢增强[31]。Chen 等[32]最近研究发现人OA软骨细胞在AGEs刺激后，MMP-13、IL-6、COX-2、HMGB1水平升高，II型胶原表达减少。进一步实验发现AGEs通过RAGE与TLR4激活p38MAPK、JNK，使PPARγ水平下调，进一步激活NF-κB信号通路，促进软骨细胞相关炎症因子及基质水解酶的产生。此外，Rasheed等[33]发现AGEs能促进人软骨细胞产生内质网应激并通过eIF2α, p38-MAPK和NF-κB 通路刺激COX-2的产生。

2.4 高血压

血管壁增厚、血管内皮细胞受损造成血管硬化和周围血管阻力增高是导致高血压的重要原因。相关研究发现高血压与OA的发生具有独立相关性，早期OA患者MRI影像学显示出骨髓缺血性损伤的表现。研究者认为动脉粥样硬化导致的血流减少，减少了软骨下骨营养与氧的供应，造成了软骨下骨骨髓损伤，影响了软骨下骨与软骨的生物学交流[34]。此外，“炎性衰老”是一种随年龄增长机体出现的慢性低度炎症状态。炎性衰老与高血压、动脉粥样硬化以及肥胖、II型糖尿病、代谢综合征都有密切的联系。近年来一些研究发现，OA患者与这些疾病具有相似的细胞环境，经IL-1诱导的软骨细胞其释放的MMP-3的量与细胞衰老明显相关，学者们认为“炎性衰老”也参与了OA的病理进程[35]。随着衰老的进展，活性氧物质增多、细胞自噬能力下降，DNA损伤积累，由此介导多种炎症因子的产生，促进了OA关节软骨退变及滑膜炎症反应。因此“炎性衰老”不但是高血压与OA共同的发病机制，也是二者相互影响的关键环节。

2.5 微小RNA

最近越来越多的证据表明微小RNA能对某些炎症因子，蛋白水解酶的表达进行调控，因而在OA的发生发展中起到了重要作用。Iliopoulos等[36]通过检测人关节软骨中365种miRNA的表达发现，与正常软骨相比，有16种miRNA出现水平差异，其中9种表达上调，7种表达下调。缺乏miR140的小鼠与野生型小鼠相比，更容易发展为严重的OA，相关研究表明miR140能抑制ADAMTS-5的表达。OA软骨中miR149表达降低，与促炎因子如TNF-α、IL-1β、IL-6表达上调有关[37]。

3 总结与展望

随着对代谢理论研究的不断深入，针对OA发病机制的探索从最开始的创伤、衰老过渡到代谢紊乱和炎性衰老。各种与代谢紊乱、炎症相关的细胞因子、信号通路在OA发病机制中的重要作用，为OA今后的治疗提供了更多的切入点。由于OA致病因素的复杂性以及其与多种代谢性疾病在人群中的共病现象，加大了OA的治疗难度，同时制约了部分患者OA治疗方式的选择。通过改变生活方式，减少体内脂肪含量、口服相关降脂药物等对这种共患病现象的防治起到了积极作用；与此同时，一些生物制剂和OA相关微小RNA模拟物也已处于临床试验阶段。因此，拓展经典药物适应症、根据相关发病机制研发不同靶点的新型药物有望在不久的将来改变目前OA的防治现状。