细胞凋亡在膝骨性关节炎半月板损伤中的作用研究*

李盛华，吴献毅，周明旺，叶丙霖，郭铁峰，付志斌

1甘肃省中医院，甘肃 兰州 730050；2甘肃中医药大学；3甘肃省中医药研究院

膝关节骨性关节炎(knee osteoarthritis，KOA)是一种以关节软骨降解为主要特征的退变性骨关节疾病，不仅损害关节软骨，亦对半月板、关节周围肌肉、韧带、滑囊等软组织产生不利影响，最终导致关节结构和功能的完整性破坏［1］。膝关节是人体的主要负重关节，是发生关节炎的常见部位，KOA极大地影响了人们的生活质量，尤其是目前社会人口老龄化严重，退变性骨关节炎使得部分老年人丧失活动能力，导致老年人生理机能衰退，进而转化为严重的社会问题，值得注意。有研究指出，造成膝关节结构和功能退变的主要原因之一是膝关节半月板的损伤［2］。膝关节半月板损伤和关节软骨损伤是常见的关节疾患，造成关节软骨损伤与退变的原因有很多，如人体自身内环境的变化、关节腔滑液成分的改变、关节软骨营养的缺失以及软骨细胞在关节软骨相互摩擦过程中的逐渐凋亡等。半月板损伤多系运动伤，但少部分严重的半月板损伤是一个长期慢性累积的过程，可能与半月板软骨细胞过度凋亡有关［3］。笔者就细胞凋亡在KOA半月板损伤中作用研究做一综述，以期为KOA的预防及治疗提供一定的借鉴和参考。

1 细胞凋亡

细胞的死亡和更新是真核生物整个生命过程

中不可或缺的环节，可以及时地清除体内多余和受损伤的细胞，对各组织器官的发育及免疫系统的调节发挥了重要的作用［4］。

1.1 细胞凋亡的概念 细胞调亡是一个被周密调控的复杂过程，凋亡作为第一个被认定的程序性细胞死亡(programmed cell death，PCD)，是一种由遗传决定并且进化保守的生理性细胞自杀。细胞凋亡是以细胞内Caspase的激活为起点，死亡细胞的内容物由功能完整的细胞膜包裹形成凋亡小体进而被其他细胞吞噬，通常没有死亡细胞内容物的遗漏和炎症。在真核生物中，细胞凋亡对于机体自身的发育和稳定具有重要的作用，但当凋亡调控机制失衡时，可引起细胞凋亡不足或者凋亡过度，导致相关疾病发生，比如凋亡不足可以引起肿瘤、自身免疫性疾病；凋亡过度可以引起心血管疾病、病毒感染、神经元退行性疾病及关节软骨退变；当细胞凋亡不足与过度并存时则产生动脉粥样硬化等。

1.2 细胞凋亡的途径 目前发现真核细胞主要经外部凋亡途径、内部凋亡途径、内质网应激途径及B粒酶介导的细胞凋亡途径来介导细胞发生凋亡。

1.3 细胞凋亡的意义 细胞凋亡在生理条件下是机体平衡细胞群生长消亡的重要方式，与细胞增殖一起，共同维持机体细胞群自身的稳定，具有重要的生理意义：确保机体正常的生长发育；维持内环境的稳定——清除受损、突变或者衰老的有害细胞；发挥积极的防御功能——清除受病毒感染的细胞。

2 半月板的生理功能、损伤机制及分类

2.1 半月板的生理功能 半月板是膝关节内特有的生理性填充组织，主要由纤维软骨细胞组成，具有不可替代的功能和地位，有滑润关节、加深关节、吸收震荡、缓冲压力、传递负荷、保护关节软骨和维持关节稳定等重要作用，以及防止股骨前滑、防止膝关节过伸过屈和过度旋转。总之，半月板有维持膝关节正常生理功能的稳定性和灵活性的重要作用［5］。

2.2 半月板的损伤机制 近年来，因运动创伤及交通事故所致的半月板损伤越来越多，已经成为临床常见病和多发病。膝关节在运动过程中通过屈、伸、旋、展、收等一系列动作完成各种承负功能，虽然膝关节承受负荷的阈值还无法确定，但过度负荷后较易引起关节局部组织细胞疲劳而致劳损［6］。适度负荷可以增强膝关节的解剖应力及功能，但过度会使膝关节的承受能力下降，从膝关节微观结构分析，膝关节经反复多次过度刺激后，神经元兴奋性降低，血液供给产生障碍，关节内微细结构产生紊乱进而导致各组织细胞疲劳［6］。如若不及时纠正负荷或再加强承载负荷，膝关节会因负担过重而引起整个关节的代谢紊乱，维持膝关节功能活动的能量得不到及时补充易导致相应功能区的变性，如韧带附着区增厚钙化、关节腔积液等。因关节内微细结构紊乱导致疲劳的组织细胞大量积累，引起各组织代偿性的改变，导致膝关节损伤。半月板有吸收和消除肢体下传的冲击力的作用，在膝关节屈伸和扭转的过程中，半月板的运动产生不一致的矛盾，致使半月板在胫骨平台与股骨髁之间发生剧烈研磨，这是半月板发生损伤的主要生理学因素［7］。半月板损伤后关节软骨面之间失去了缓冲、减震的作用，损伤的半月板关节面受到磨损、剪切应力的破坏，关节软骨细胞发生凋亡、脱落、坏死等改变。关节表面软骨的损伤同时也加重半月板的损伤，多种因素的相互作用可能进一步加重膝关节功能的减退。

2.3 半月板的损伤分类 半月板损伤多由剧烈运动或强大暴力造成，起病较急，损伤人群主要以青壮年为主；少数损伤由半月板软骨退变所致，甚至可以没有明显的外伤，以老年患者居多。根据临床实践中最为常用的镜下发现半月板损伤类型而制定的O′Connor［8］分类法大体分为纵向撕裂和水平撕裂。纵向撕裂是指因垂直暴力致径向胶原纤维断裂导致环状胶原纤维之间彼此分离，这种损伤多见于青壮年，特征性症状是膝关节伸直位易致关节绞锁［9］。半月板水平撕裂的撕裂线与上下关节面平行，将半月板分为上下两部分，故又称“鱼嘴样撕裂”，这种损伤多见于老年患者，损伤的主要原因在于老年患者半月板硬度及弹性均有不同程度下降。水平撕裂不严重时，患者症状往往不很明显，因此在致伤因素的反复作用下，水平撕裂可以衍变成复杂性撕裂及退变性撕裂，至此，患者才会逐渐出现较严重的关节绞锁和疼痛等症状。

3 细胞凋亡与半月板损伤

生理状态下的细胞凋亡对于维持半月板的正常结构及功能具有非常重要的意义，但当机体受到各种内外因素的刺激引起细胞凋亡调控机制失衡进而使细胞凋亡过度时，则可引起半月板软骨细胞的退变，进而导致半月板损伤的发生。Li Y等［10］研究认为，至少有两种凋亡途径参与了软骨细胞的凋亡，一种是由NO介导的与滑膜炎症无关的途径，另一种是由Fas介导的同滑膜炎症相关的途径。当KOA内不存在明显的炎症反应时，以NO介导的细胞凋亡途径为主；当有炎症反应产生时，则通过Fas途径加速软骨细胞凋亡和关节破坏。贺斌等［11］在研究中证实了NO及其产物可以诱导软骨细胞凋亡并且抑制蛋白多糖和胶原的合成而促进其分解。由于蛋白多糖的减少，软骨基质中的水分含量也相应下降，软骨由光滑半透明变得干涩无光泽。胶原蛋白的缺乏使得软骨弹性降低，缺少对抗正常活动的应力而致磨损破裂。由于软骨的蛋白多糖及胶原蛋白抗原决定簇暴露易诱发免疫反应，产生炎症介质如TNF-α、IL-1β等，又可刺激软骨细胞内iNOS激活产生大量NO，形成恶性循环。而且炎症反应造成Fas途径参与，也加剧了关节软骨的破坏。Kim HA等［12］对比正常人和KOA患者的关节软骨，发现正常人的半月板软骨内几乎找不到凋亡细胞，而在KOA患者中，受损区半月板软骨细胞的凋亡数明显高于未受损区，Fas在受损伤区的表达高于未受损伤区，提示Fas表达可诱导软骨细胞凋亡。王文志［13］在探讨膝关节退变过程中半月板软骨细胞产生内皮素(Endothelin,ET)和一氧化氮(Nitric oxide,NO)表达情况的研究中分为3个组：骨关节炎组、关节损伤组和正常对照组。研究发现：骨性关节炎患者的半月板组织有软骨细胞数量减少、胶原组织减少、不同程度钙化、表面欠光滑及颜色暗淡等表在KOA患者半月板组织中高表达；ET在KOA的半月板中表达明显，考虑ET影响了半月板组织的血运，促进了软骨细胞凋亡。同时他还指出ET和NO在关节损伤组和正常对照组中含量表达无明显差别，均显著低于骨关节炎组，说明关节损伤半月板撕裂不引起软骨细胞过量分泌ET和NO。由此看来在KOA患者中，软骨细胞更容易发生凋亡等病理改变，继而细胞凋亡与KOA之间又相互促进，形成恶性循环，加重症状。对于半月板损伤的治疗，陈绩［14］指出用自体富血小板血浆(PRP)移植到膝关节腔内，能够刺激半月板损伤区域的软骨细胞增生，促进损伤的无血供区半月板的愈合，如果这一研究成熟并在临床推广，将具有非常重要的临床意义。郭铁峰等［15］指出转化生长因子β1可通过不同途径促进细胞外基质合成，促进软骨细胞增殖分化，增强软组织自身再生能力，只是这一研究虽取得成果，但还存在许多问题需要进一步探讨而暂时没应用于临床，不过这有望对治疗各种软骨损伤及骨的退行性变提供新的治疗思路。

4 半月板损伤与KOA

半月板损伤日久可以导致KOA，KOA患者也多数伴有半月板的损伤，所以彼此间的因果关系，谁为因，谁为果，或者互为因果，尚需进一步观察和探讨，本文主要从以下两方面对半月板损伤与KOA之间的关系进行简要阐述。

4.1 半月板损伤→KOA半月板在关节镜下进行修整可使之形态得以完整或大部分保留，这对维持膝关节的正常力学性能、缓解关节软骨的压力及磨损程度非常重要。否则损伤的半月板由于迁延失治即可造成关节软骨的退变和凋亡，导致KOA的发生［16］。经过长期临床观察，人们开始逐渐认识到，损伤的半月板如若切除将导致关节不稳和载荷传递功能紊乱，切除致使膝关节术后接触应力增大易引起关节软骨退行性变进而促使KOA的发生。吴向阳等［17］在其研究的半月板切除对急性关节软骨损伤的试验研究中发现损伤的半月板切除后，膝关节之间的应力增高，高应力诱发了新生软骨细胞的凋亡，凋亡的软骨细胞不能生成软骨下基质，基质减少导致修复组织表层的软骨被破坏，久之易导致KOA。所以如何修复已损伤的半月板并防止KOA等并发症的发生已经引起临床医学界的广泛重视，因此人们又开始把目光转移到半月板损伤后的修复的问题上［18］。半月板的微循环状况直接影响到半月板损伤后的修复，改善损伤区的微循环障碍是半月板损伤愈合的关键，因此有必要对损伤区的微循环特征进行更深入的研究［19］。

4.2 KOA→半月板损伤 KOA患者往往伴有半月板损伤，老年患者较常见，由KOA引起的半月板损伤多为破裂伤，且形式多样、破碎不规则，容易嵌顿于关节间隙内形成绞锁。这种损伤基本没有修复的可能和必要，需要在关节镜下将破碎的半月板部分或者完全切除，残余部分给予修整，破裂严重者只能将损伤的半月板完全切除，这对缓解症状会有一定作用，但半月板的缺失对KOA本身以及患者自身不利。况且半月板切除后再生半月板不能完全行使正常半月板的生物力学性能，即使部分切除也可导致KOA的发生，如关节软骨退化、关节腔狭窄、骨赘形成等［20］。陈军［21］研究 KOA 与半月板损伤及软骨下脊髓水肿严重程度的相关性实验中发现KOA的分度与半月板损伤和脊髓损伤程度呈正相关，可以根据半月板损伤和脊髓水肿程度判断KOA的发展和预后以及为KOA的防治提供依据。时剑辉等［22］在研究的关节镜下膝骨关节炎伴发半月板损伤的临床报道中指出，半月板退变性撕裂在老年KOA患者中较多见，但门诊及术前诊断率偏低，提醒我们在诊断KOA，尤其是病程较长的患者时，应考虑到并发半月板损伤的可能。在依赖影像学检查的同时，也不能忽视物理查体，尤其是麦氏试验及研磨试验对诊断半月板损伤有一定的参考意义。

5 细胞凋亡与KOA

生理情况下的细胞凋亡是一个正常的过程，但如果凋亡过度则是病理性和有害的。目前在许多疾病中均发现了细胞过度凋亡的证据，如阿尔兹海默症、心血管疾病、神经元退变性疾病等，近年来不断有研究显示，软骨细胞的凋亡可能在KOA的发病过程中产生了重要的影响。张洪等［23-24］在研究中指出，凋亡相关基因、凋亡抑制蛋白及Caspase酶系等在KOA中均有高表达。说明软骨细胞过度凋亡是关节软骨退变发展为KOA的重要原因之一。同时KOA患者的关节软骨细胞也更容易发生凋亡等改变［11］。乔斌等［25］、张嘉美等［26］在研究中发现，Wnt/β-catenin信号通路与软骨代谢相关性时指出Wnt信号通路在骨骼的发育、软骨及骨生物学中起着重要作用，同时对不同部位、不同生长阶段软骨形成起着正负双向调节作用。那么是否可以通过调节Wnt相关信号通路而实现抑制关节软骨细胞的过度凋亡，进而阻止或者减缓半月板损伤导致KOA发生的进程，还有待研究，如果这一设想成立并取得一定成果，将为KOA的治疗提供新的途径，为研发防治KOA的有效药物开辟新的思路，意义重大。

6 结语与展望

细胞凋亡对于维持机体正常正常生理功能具有重要作用，但如果其凋亡通道中某一信号通路异常将使凋亡调控机制失衡，引起软骨细胞过度凋亡致使KOA的发生，在随后一段时期内KOA、半月板损伤与细胞凋亡相互影响，致使病情进一步加重，形成恶性循环。所以了解细胞凋亡对KOA以及半月板损伤的调控机制及具体的信号通路，对过度凋亡及过度增殖的细胞进行有效干预，有望对KOA及其他与细胞凋亡有关的疾病防治提供一种新的思路。

［1］周明旺,吴献毅,李盛华,等.胰岛素抵抗对膝骨性关节炎软骨细胞自噬作用的影响［J］.中国中医骨伤科杂志,2016，24(11)：79-82.

［2］姚晓滨.关节镜下两种手术方式治疗老年膝关节半月板损伤的疗效比较［J］.中国老年学,2015，35(16):4604-4605.

［3］周明旺,王晓萍,李盛华,等.膝骨关节炎中医体质类型与IGF-1表达的相关性研究［J］.西部中医药,2015,28(12):1-3.

［4］Hrgovic I,Doll M,Kleemann J,et al.The histone deacetylase inhibitor trichostatin a decreases lymphangiogenesis by inducing apoptosis and cell cycle arrest via p21-dependent pathways［J］.BmcCancer,2016,16(16):763-769.

［5］Zhang Y,Li P,Wang H,et al.Research progress on reconstruction of meniscus in tissue engineering［J］.Journal of Sports Medicine&Physical Fitness,2016，57(5)：595-603.

［6］楼华.膝关节半月板损伤与组织及功能重建［J］.中国组织工程研究与临床康复,2007，11(10):1907-1910.

［7］Gormeli G,Gormeli CA,Karakaplan M,et al.Acute patellar dislocation with multiple ligament injuries after knee dislocation and single session reconstruction［J］.Jpma the Journal of the Pakistan Medical Association,2016,66(6):757-760.

［8］O'Connor PJ,Grainger AJ.Ultrasound imaging of joint disease［J］.2014，14(3)：180-186.

［9］Sasaki A,Sugita T,Aizawa T,et al.Evaluation of the size and position of the insertion of the anterior medial meniscus root in varus osteoarthritic knees［J］.Knee Surgery Sports Traumatology Arthroscopy,2016,167(2):1418-1429.

［10］Li Y,Wu X,Jin X,et al.Enhancement of death receptor 4-mediated apoptosis and cytotoxicity in renal cell carcinoma cells by anisomycin［J］.Anti-cancer drugs,2016,28(2)：180.

［11］贺斌,陶海鹰,卫爱林,等.PI3K/Akt信号通路在羧甲基壳聚糖保护一氧化氮诱导软骨细胞凋亡中的作用及机制研究［J］.中华风湿病学杂志,2015,19(3)：170-175.

［12］Kim HA,Lee YJ,Seong SC,et al.Apoptotic chondrocyte death in human osteoarthritis［J］.Journal of Rheumatology,2000,27(2):455-462.

［13］王文志.内皮素和一氧化氮在膝关节骨性关节炎半月板中的表达和意义［D］.天津：天津医科大学,2006.

［14］陈绩.自体富血小板膝关节内移植修复兔损伤半月板的初步研究［D］.苏州：苏州大学,2009.

［15］郭铁峰,周明旺,李盛华,等.转化生长因子β1对软骨组织代谢影响的研究进展［J］.中国组织工程研究,2013,17(15):2827-2834.

［16］Soltani AM,Best MJ,Francis CS,et al.Trends in the surgicaltreatment of cubitaltunnelsyndrome:an analysis of the national survey of ambulatory surgery database［J］.Journal of Hand Surgery,2013,38A(8):1551-1556.

［17］吴向阳,侯筱魁.半月板切除对急性关节软骨损伤愈合影响的实验研究［J］.医用生物力学,2004,19(1):35-38.

［18］王大鹏,张岚,赵娜.组织工程化软骨修复运动性软骨损伤［J］.中国组织工程研究,2016,20(7):1037-1043.

［19］吴鹏飞,邓亮,谷文光.半月板损伤与修复研究进展［J］.中国矫形外科杂志,2011,19(20):1706-1709.

［20］杨小宁.半月板运动性损伤的组织工程修复:国际研究趋势与未来［J］.中国组织工程研究,2012,16(24):4535-4540.

［21］陈军.女性膝骨关节炎与半月板损伤和软骨下骨髓水肿(BME)的相关性研究［D］.南京：南京中医药大学,2010.

［22］时剑辉,吕伟,王岩,等.膝关节骨关节炎并发半月板损伤的关节镜下清理85例报告［J］.中国骨与关节杂志,2015，4(4):245-247.

［23］张洪.细胞凋亡与骨关节炎［D］.长沙：中南大学,2008.

［24］梁先敏,杨克敌.Caspase和JNK/SAPK、p38 MAPK与细胞凋亡［J］.环境卫生学杂志,2008,35(1):5-10.

［25］乔斌,李盛华,周明旺,等.Wnt/β-catenin信号通路与软骨代谢相关性研究进展［J］.中国中医骨伤科杂志,2014，22(10):75-77.

［26］张嘉美,赵宁,晓玲等.Wnt/β-catenin信号通路对细胞凋亡和坏死的调控研究进展［J］.中国细胞生物学学报,2015，37(9):1309-1316.