骨性关节炎的代谢机制研究进展

郑洁 袁普卫

1. 陕西中医药大学针灸推拿学院，陕西 西安 712046 2. 陕西中医药大学第一临床医学院，陕西 西安 712046

骨性关节炎(osteoarthritis, OA)是以关节软骨进行性退变为核心，并伴有滑膜、软骨下骨、韧带、半月板、脂肪组织以致整个关节结构发生变化的复杂性关节病。OA属于一种低度炎症性关节病，除了力学因素，炎性反应及固有免疫反应等生物学因素在OA进程中也发挥了重要作用[1,2]。研究发现，代谢对炎性反应及免疫细胞功能发挥着重要的调节作用，不同的免疫细胞表现出不同的代谢特征来调节各自的生物学反应[3]。这一规律同样存在于非免疫细胞。在不利条件下(如感染、创伤)，大多数哺乳动物细胞都经历了能量代谢的转变，即从静止的调控状态转变为新陈代谢活跃的状态以维持能量的平衡状态并促进细胞的存活[4]。这种代谢状态的转变也发生在OA关节软骨、滑膜及软骨下骨，影响着软骨细胞、滑膜细胞及骨细胞的代谢行为，进而通过滑膜巨噬细胞影响它们与免疫系统之间的相互作用[5]。

1 生理状况下的软骨代谢

关节软骨是一种特殊的无血管、细胞数目较少的结缔组织，与滑液和血浆相比，软骨中可利用的氧气和葡萄糖等能量物质要少得多[6]，在这种环境下，软骨细胞外基质分子的转换率是相当低的。因此，维持软骨合成代谢与分解代谢之间的微妙平衡对软骨组织长期的完整性和自我修复能力至关重要[7]。葡萄糖是一种重要的代谢原料和软骨的结构前体，它是软骨细胞合成糖胺聚糖的主要前体，对细胞外基质的合成和降解十分重要[8,9]。葡萄糖转运的易化是软骨细胞细胞葡萄糖代谢的第一步，这一过程接受缺氧及促炎细胞因子的调控[6,9]。葡萄糖被转运到软骨细胞后，部分被用于合成糖蛋白，部分通过糖酵解和三羧酸循环途径进行分解代谢，为细胞提供能量。糖酵解途径为不需氧的降解过程，主要在细胞质中完成，该过程将一分子葡萄糖转化成二分子的丙酮酸，并将有限的能量以ATP的形式储存。三羧酸循环是有氧氧化的主要阶段，在氧气充足的条件下，糖酵解产生的终产物丙酮酸可通过氧化脱羧进入三羧酸循环，最终将氧还原成水并释放大量能量。软骨细胞对葡萄糖代谢途径具有选择性，通常情况下，软骨细胞主要通过糖酵解来满足自身的能量需求[10]，在营养应激状况下(如缺氧)，它们通过加强线粒体呼吸以提高三羧酸循环效率，促进细胞外基质的生物合成，并维持细胞存活[11]。因此，良好的线粒体功能对于支持健康软骨细胞的三羧酸循环是至关重要的，而线粒体功能受损则与OA发病机制有关。在OA的早期阶段，关节软骨对新环境条件的代谢适应是很明显的，软骨细胞试图通过代谢的适应性变化修复受损的软骨基质，而这种代谢适应性在OA晚期阶段已经不复存在[12]。

2 OA环境下软骨细胞的代谢

2.1 糖酵解与OA软骨细胞代谢

在OA病理生理过程中，促炎、促分解代谢因子显著增加，分解代谢加快，细胞代谢的动态平衡受到破坏[13]。在这种情况下，细胞通过增殖、蛋白质合成等形式加快合成代谢，以维持合成代谢与分解代谢的动态平衡[14]。与处于完全分化和静止状态的软骨细胞的代谢特征不同，炎性微环境中的软骨细胞的能量代谢发生了适应性变化，表现为糖酵解水平显著提高，而依赖于线粒体三羧酸循环的有氧代谢大大降低[14,15]。软骨细胞也能在ECM中感知氧气和葡萄糖的浓度，并通过调节细胞的新陈代谢来作出适当反应，从而在急性营养和氧气应激时使能量代谢更多地依赖于糖酵解[6]。OA病理中，软骨细胞合成的大量NO使细胞线粒体功能严重受损，造成ATP合成减少，为满足软骨细胞的能量需求，糖酵解水平进一步提高。研究已证实，OA患者关节软骨细胞糖酵解水平显著提高[16]。OA软骨细胞能量代谢的转变使进入三羧酸循环的丙酮酸大大减少，细胞质中的丙酮酸在乳酸脱氢作用下转化为代谢终产物乳酸，胞质中堆积的乳酸使已经酸化的微环境PH值进一步降低[17]。蛋白质组学研究表明，软骨细胞在炎症微环境中的代谢适应对这些细胞中膜蛋白的构成有直接的影响[18]。

2.2 线粒体及氧化应激与OA软骨细胞代谢

线粒体是细胞的动力中心，它以ATP的形式为细胞的活动、分化、死亡、信号调节及细胞周期控制提供能量[19]。线粒体也是整合多种先天免疫信号通路的分子平台。线粒体功能障碍和氧化应激是OA代谢异常的重要标志[20]。在OA在内的退行性疾病进程中，线粒体结构、动力学和基因组稳定性的改变使线粒体呼吸功能衰退，活性氧(ROS)过度合成，引起氧化损伤。与健康个体相比，OA患者软骨细胞的线粒体DNA损伤显著增多，而修复能力明显下降，导致软骨细胞凋亡率增高[21]。线粒体膜电位的维持是推动氧化磷酸化及合成ATP的重要条件，对线粒体电子传递链活动的分析表明，OA患者软骨细胞线粒体膜电位显著下降，复合物II和III的含量明显减少[16]。尽管OA软骨细胞中大多数ATP来自糖酵解而不是氧化磷酸化[22]，但线粒体ROS有助于维持细胞氧化还原平衡以促进糖酵解[23]。软骨细胞能量储备能力的减弱以及代谢途径向糖酵解的转变，导致细胞合成代谢受损，ECM合成减少，细胞生存能力降低[24]。OA关节中的不利微环境导致软骨及滑膜细胞大量合成NO和ROS[25,26]，诱发更多的线粒体DNA损伤和线粒体氧化磷酸化的抑制[27]。OA患者关节软骨细胞中活跃的脂质过氧化反应导致软骨细胞线粒体DNA损伤加快，这作为一个前馈环路，进而影响软骨细胞的端粒DNA和复制寿命，破坏软骨蛋白聚糖的完整性[28]。

2.3 软骨细胞代谢的关键调节因子

腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)是参与调节软骨细胞代谢的一个关键分子，它通过下游的NAD依赖性去乙酰化酶SIRT1和哺乳动物类雷帕霉素靶蛋白(Mammalian target of rapamycin, mTOR)调节软骨细胞的能量代谢。AMPK是细胞能量平衡的重要调节剂，它使细胞能够适应能量需求的变化[29,30]。在代谢应激时(如正常软骨细胞处于低氧状态时)，通过激活AMPK，进而磷酸化多个下游目标，从而促进ATP消耗途径的抑制和ATP生成途径的激活[29,30]。AMPK失调与多种伴有线粒体功能障碍和细胞能量代谢不平衡的增龄性疾病密切相关，包括糖尿病、动脉粥样硬化、心血管疾病、癌症、神经退行性疾病以及OA[29-32]。与正常软骨细胞相比，OA患者关节软骨细胞AMPK活性明显下降。在IL-1β和TNF等促炎因子诱导下或生物力学损伤环境中，AMPK活性降低的软骨细胞表现出了更多的分解代谢反应，这些反应可通过AMPK的药理作用而减弱[31,32]。在软骨中，SIRT1起着促进软骨特异性基因表达[33]，保护软骨细胞免受辐射诱导的衰老[34]，以及抑制软骨细胞凋亡的作用[35]。研究发现，OA患者、OA小鼠及老龄小鼠膝部软骨中的SIRT1的表达显著下调[36,37]；软骨特异性SIRT1基因敲除小鼠OA进程显著加快[37]。SIRT1抑制会加剧TNF和IL-1β诱导的人原代软骨细胞的分解代谢反应[38,39]。在内侧半月板不稳OA小鼠模型中，软骨特异性mTOR缺失可上调软骨自噬水平，进而对软骨具有保护作用[40]；因mTOR信号异常导致的过氧化物酶体增殖因子活化受体γ(peroxisome proliferator-activated receptor γ, PPARγ)缺陷则会加速OA小鼠的软骨退变[41]。

2.4 软骨细胞衰老与OA

在促炎细胞因子、前列腺素和ROS激活等应激原刺激下，处于静止状态的软骨细胞被激活而发生表型的转变，这种现象被称为软骨细胞衰老[42]。软骨细胞衰老导致软骨内稳态和新陈代谢的进一步破坏，细胞分解代谢加快，这一过程与炎症以及自噬和炎症复合物之间的相互作用密不可分[42,43]。衰老软骨细胞分泌的可溶的和不可溶的分子进一步促成了炎性微环境的产生，这被认为是导致关节软骨中ECM大分子降解的主要原因。此外，软骨细胞分泌的分泌性分子(如NO)可作为基因表达的有力诱导因子，进一步促进促炎和促分解代谢基因的异常表达；这些分泌性分子还能抑制线粒体功能，损害氧化磷酸化[44]，促进ECM钙化并形成炎性羟基磷灰石晶体[45,46]。

3 OA环境下滑膜组织细胞的代谢

与固有免疫密不可分的滑膜炎在OA发病中起着关键作用，它通常发生在OA的早期和晚期，影响着关节组织的新陈代谢，是促成软骨退行性改变的重要因素[47]。炎性滑膜组织分泌的促分解代谢和促炎症介质(如细胞因子、ROS、NO、PGE2和神经肽)改变了细胞代谢以及软骨基质降解和修复之间的平衡[48]。滑膜炎是OA晚期的一个常见特征，以巨噬细胞、T细胞和肥大细胞浸润以及局部高浓度促炎细胞因子为特征[49]。滑膜炎性反应导致蛋白水解酶(具有分解软骨的作用)含量增加，加快软骨细胞外基质的降解[50]，软骨降解产物又会进一步诱发滑膜炎性反应，形成一个正反馈环，使OA患者的临床症状和关节退化不断加剧[51]。软骨细胞和滑膜细胞释放的炎症介质还会推动氧化应激，通过ROS对关节组织造成损害[52]。

另有研究发现，经高浓度葡萄糖刺激后的OA患者滑膜成纤维细胞(synovial fibroblast cells, FLSs)可通过PIK3-ATK信号通路合成大量ROS，后者进而诱导血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)(可促进OA滑膜及软骨下骨中的血管生成)在FLSs大量表达，这一结果表明葡萄糖代谢异常在OA病理中发挥了一定作用[53]。

4 小结

OA的发病机制十分复杂，其中涉及关节软骨、软骨下骨和滑膜的代谢变化。这些变化影响了软骨细胞、滑膜细胞和骨细胞的代谢途径，同时也影响了它们通过炎症介质与免疫系统的相互作用。诸多证据表明，OA软骨代谢向糖酵解的转变在免疫反应和慢性疾病(包括OA和RA)炎症途径的激活中发挥了重要作用。这一代谢变化促使免疫细胞和炎性细胞在急性细胞应激或营养障碍期间获取能量，以促进促炎细胞的合成及蛋白质的降解。因此，对这些复杂的代谢途径的更深层次的理解可能会为治疗OA和其他关节炎症性疾病的潜在的新治疗策略提供更多的见解。同时，提高对软骨和滑膜代谢的生理和病理生理调节的理解，也有可能为OA的病因学和病理生理学提供新的见解。