骨关节炎氧化应激及干预的研究进展

周巧+刘健

【摘 要】 骨关节炎是一种常见的渐进性疾病，影响所有关节结构，包括软骨、软骨下骨、关节滑膜及其相邻的支持结缔组织，导致关节功能障碍。近年来越来越多的证据表明，氧化应激即自由基清除机制的失衡是骨关节炎发病的一个重要机制，氧化应激不仅导致软骨破坏，同时参与炎症介质的分泌和降解过程，促进从临床无症状的软骨破坏到明显骨关节炎的过渡。中医药在抗氧化方面有显著成效，故对氧化应激在骨关节炎中研究现状及中药干预进行综述。

【关键词】 骨关节炎；氧化应激；活性氧；活性氮；中药干预；综述

骨关节炎（osteoarthritis，OA）是一种常见的慢性疾病，导致关节功能受损，呈高龄化增长。氧化应激（OS）是指机体受各种有害刺激时产生过多的自由基、活性氧（ROS）或活性氮（RNS）和（或）机体抗氧化能力减弱，机体自身对ROS或RNS清除不足，导致体内ROS或RNS增多，破坏了机体原来的氧化/还原的平衡状态，OA中OS则致局部关节内病变和滑膜炎症，影响软骨细胞的合成代谢过程，导致软骨退化，是OA发病的重要机

制[1]。ROS或RNS直接或间接破坏软骨细胞及软骨细胞外基质（主要成分是胶原和蛋白聚糖），其中氨基酸的氧化修饰、亚硝基化、硝化和氯化都可改变蛋白质结构，从而损害其生物功能，以及线粒体DNA损害，影响软骨细胞合成代谢，导致软骨细胞衰老和凋亡[2]。Yudoh等[3]发现，在OA关节软骨中，OS的存在导致端粒基因组不稳定，致软骨细胞衰老和调亡。中医药治疗OA疗效确切，通过清除自由基、抗氧化及抑制炎症介质等保护软骨细胞延缓病情发展。本文就近年来OS在OA中的发展及中药干预方面进展做一综述。

1 OS概述

1.1 定 义 ROS是体内一类氧的单电子还原产物，其产生主要是线粒体由状态Ⅲ向状态Ⅳ转换中高氧的环境和高还原态的呼吸链使大量电子漏出并还原氧分子而形成。很多证据提示，在促凋亡信号作用下，ROS的升高可能作为第二信使上调促凋亡蛋白表达，促进线粒体通透性转变孔的开放，激活天冬氨酸特异的半胱氨基酸酶，参与Ca2+途径等，诱导细胞凋亡。在OA中，OS可以使细胞膜和核酸以及外成分包括蛋白多糖和胶原蛋白发生降解，还可致线粒体损伤包括线粒体DNA功能紊乱、抗氧化系统防御失调、钙稳态失调、线粒体的细胞骨架破坏等，造成软骨老化和退化[4-5]。

1.2 生物标志物 OS可影响OA进程，因此需要发现总结临床相关的生物标记物，能够判断疾病发展进程及预后。OA患者中ROS相关标志物水平显著升高已在既往文献被观察到[6]。自由基主要氧化损伤DNA、脂质以及蛋白质等大生物分子。DNA的测量值可以反映全身OS累积水平，主要的尿生物标记物有8-氧代-2'-脱氧鸟苷和8-氧鸟苷。对于脂质的氧化损伤主要有3个指标：血清中丙二醛（MDA），例如4-羟基-2-壬醇（4-HNE）可直接反映体内脂质过氧化的水平，硒谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px），尿液或血浆中F2-异前列腺（F2-IsoPs）反映体内脂质氧化水平。蛋白质的氧化损伤主要有2个指标：蛋白羰基生成（羰基化）和二酪氨酸的生成（蛋白质中酪氨酸硝基化）。

1.3 抗氧化系统 机体内自身存在管理系统维持氧化还原平衡，它们能保持ROS生产和代谢之间的平衡，并保护细胞免受氧化损伤。消除ROS的抗氧化防御体系分为酶系和非酶系，前者有谷胱甘肽、超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽S-转移酶、谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）、过氧化氢酶（CAT）、γ-L-谷氨酰基-L-半胱氨酰（GSH）等；后者主要有还原性谷胱甘肽和一些小分子物质，例如维生素C、维生素E、维生素D3和烟酸或维生素B3的酰胺形式。此外，某些蛋白质（铁蛋白、转铁蛋白、乳铁蛋白、铜蓝蛋白）作为抗氧化剂，可以结合和封存过渡金属开始氧化反应。此外，血红素加氧酶-1（HO-1）是血红素代谢的限速酶，被认为能够降低OS和抑制炎症的抗氧化剂酶。

2 OS与OA的基础研究

Suantawee等[7]将35例OA患者和35例健康对照者作为研究对象，通过测定血浆和滑液中亚硝酸盐、MDA、维生素E的水平，以及铁离子还原抗氧化能力（FRAP），比较2组的抗氧化能力（TEAC）。结果OA患者的滑液中维生素E水平明显高于配对的血浆样本，总抗氧化能力实验组均较正常对照组显著降低，表明OS可能是OA发病的主要机制。王桂珍等[8]对40例膝骨关节炎（knee osteoarthritis，KOA）患者血清SOD进行分析，结果血清SOD值低于正常参考值的例数及所占百分比为90%，表明SOD与KOA病情活动性密切相关。自由基对软骨的损伤机制较为复杂，目前研究表明，OS可致关节软骨基质、软骨细胞和线粒体损伤，可能是OA的重要机制。Loeser等[9]

从正常人体关节软骨分离出软骨细胞在海藻酸珠中培养，OS由叔丁基过氧化氢（TBHP）诱导，免疫印迹分析细胞内信号，共焦显微镜用来测量核Smad4的易位。结果发现，OS通过抑制胰岛素样生长因子-1（IGF-1）刺激蛋白激酶磷酸化，减少成骨蛋白-1（OP-1）刺激Smad4的核易位，抑制IGF-1和OP-1刺激蛋白多糖合成。Yin等[10]也通过对正常和OA患者细胞中IGF-1信号通路进行比较，结果发现，OA软骨细胞升高的ROS通过影响AKt与ERK通路的平衡而致软骨细胞IGF-1抵抗，致软骨细胞合成减少。Bhatti等[11]发现，抗氧化剂维生素E可以增加体外过氧化氢诱导的鼠软骨细胞中蛋白多糖含量，降低亚硝酸盐含量，同时提高软骨细胞的存活率。Grishko等[4]发现，OA软骨细胞中存在线粒体DNA的损伤，OS后线粒体DNA修复能力下降，细胞活力降低，软骨细胞凋亡增加，证实了由OS引起的线粒体DNA损伤及修复能力下降可能导致OA的发展。近年的研究普遍认为，酶类和细胞因子在OA的发病中起着重要作用，酶类的降解失调、体内抗炎因子与促炎因子之间的平衡被打破，可致胞外基质的降解和软骨的破坏。而高水平的氧自由基与免疫和炎症密切相关，如关节滑液中性粒细胞、巨噬细胞、炎性滑膜等均可释放过量氧自由基，从而加速OA的发生发展。Martin等[12]发现，促炎细胞因子白细胞介素（IL）-1β可以激活关节软骨细胞ROS的产生，并通过活化激活蛋白-1（AP-1）和核转录因子-κB（NF-κB）的途径诱导基质金属蛋白酶-1（MMP-1）

和MMP-13的合成和分泌，导致基质降解损伤软骨细胞。NADPH氧化酶（NOX）是ROS的主要酶体。Rousset等[13]发现，HO-1表达能抑制NADPH氧化酶4的活性，从而减少MMP-1的分泌，减少软骨细胞死亡。

自噬是在OS条件下控制细胞稳态的关键机制。既往研究发现，自噬可能通过降低细胞内ROS水平间接减少细胞器的损伤进而起到削弱凋亡的作用[14]。据报道，FOXO蛋白作为转录因子激活自噬蛋白质如LC3和Beclin1基因以调节自

噬[15]。Akasak等[16]研究发现，下调FOXO转录因子的表达将会增加OS，诱导软骨细胞调亡，可能与抗氧化剂和自噬相关蛋白（LC3和Beclin1基因水平）减少有关。抗OS细胞保护机制包括通过转录因子如核因子E2相关因子2（Nrf2）的转录控制细胞保护酶。

3 中药干预OS

程园园等[17]观察新风胶囊（主要成分为黄芪、薏苡仁、雷公藤、蜈蚣等）对KOA患者B、T淋巴细胞衰减因子（BTLA）及SOD变化的影响，通过流式细胞术检测BTLA表达频率及活化水平，比色法测定血清SOD，酶联免疫吸附法检测2组血清中IL-10、IL-1β、MDA，结果新风胶囊能提高KOA患者外周血BTLA表达，抑制T细胞活化，降低异常免疫反应和OS损伤。赖震等[18]

观察海桐皮汤熏蒸对兔KOA氧自由基代谢的影响，分组造模后4周检测实验前后兔血清SOD活性和MDA含量，结果2组比较，模型组治疗后SOD活性降低，MDA含量升高，实验组SOD活性升高，MDA含量降低，表明海桐皮汤熏蒸可在一定程度上降低OA氧自由基含量，延缓关节软骨的退变，促进软骨修复。李振华等[19]研究鹿茸多肽对OA软骨细胞的氧化损伤的逆转作用，对15只日本兔造模后体外分离培养软骨细胞，

8周后用DCFH-DA法检测细胞内ROS水平，Griess法测定细胞培养上清中NO、SOD和GSH-Px含量，结果发现，一定浓度的鹿茸多肽显著提高兔软骨细胞培养上清中SOD和GSH-Px水平。傅强等[20]运用骨刺消合剂（熟地黄、黄芪、补骨脂、威灵仙等）治疗KOA患者60例，结果骨刺消合剂组患者血清中SOD含量上升，NO和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）含量下降。李建斌等[21]将76例KOA患者随机分组，治疗组口服仙灵骨葆胶囊（主要成分为淫羊藿、续断、补骨脂、地黄、丹参、知母等），对照组口服双氯芬酸钠，观察治疗前后膝关节液中NO、SOD和MDA的含量，结果治疗组用药8周后血浆中SOD活性明显提高，MDA含量和NO活性比治疗前显著下降。Kim等[22]研究人参皂苷Rb如何调节软骨基因及促炎因子达到软骨保护作用，培养的大鼠关节软骨细胞分别用

100 μM的人参皂苷Rb1和（或）500 μM的过氧化氢（H2O2），并评估存活率，ROS、NO水平和软骨基因表达，结果发现，人参皂苷Rb1减少IL-1β和TNF-α的释放，促进软骨基因如Ⅱ型胶原和SOX9的表达，抑制MMP-1、MMP-13，以及NO和细胞内ROS的产生。张冲等[23]观察补肾固筋方对KOA患者IL-1、iNOS水平的影响，采用酶联免疫吸附法检测IL-1、iNOS的含量，结果治疗后中药组（口服补肾固筋方）和对照组（口服美洛昔康胶囊）IL-1、iNOS水平较治疗前均增高；中药组关节液和血清IL-1、iNOS相比，对照组显著降低。提示中药补肾固筋方通过调节细胞因子的表达水平来调控细胞凋亡和减轻软骨破坏，改善KOA发生及发展。

4 小 结

综上所述，OS在OA中发挥重要作用，ROS的产生和清除平衡失调、氧化和抗氧化的失衡均可导致相关的生物大分子及软骨损伤，继而导致疾病的发生和进展。积聚的ROS或RNS诱导软骨细胞衰老和凋亡，并损害其功能，破坏软骨的结构完整性，导致关节软骨的功能障碍。对OS与OA关系的研究可加深对OA发病机制的认识，为临床正确使用药物及研究新药提供指导及思路。同时中药及其有效活性成分在清除自由基方面具有较大的优势和潜力，许多化学成分如黄酮类、三萜类等都已经在清除自由基方面显示出较好的活性[24]。

OS影响软骨和软骨下骨代谢是非常复杂的；但目前对如何维持软骨细胞氧化还原稳态及其相关机制和通路却知之甚少，需要更多的研究阐明OS、软骨和OA之间的复杂关系。研究发现，调节氧化和抗氧化平衡的方法及途径，从而减少自由基所致的OA软骨组织的损伤。同时应加强中药调控OA软骨细胞凋亡的理论和临床研究，从多角度、多层次深入揭示中医药发挥药效作用靶点及调控机制，为临床上OA治疗提供新方法和思路。

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收稿日期：2016-07-15；修回日期：2016-08-29