滑膜巨噬细胞影响骨性关节炎的研究进展＊

2020-01-01徐建斌肖涟波梁倩倩

世界科学技术-中医药现代化 2020年6期

徐建斌，徐浩，施杞，肖涟波，梁倩倩＊＊

（1. 上海中医药大学附属光华医院上海 200052；2. 上海中医药大学附属龙华医院上海 200032）

1 背景介绍

骨性关节炎是世界上最常见的关节疾病，在60岁以上人群中，估计有10%的男性和18%的女性受其影响[1]。其病理特征在于以承重区域为中心的关节软骨局灶损伤，损伤区域形成与关节边缘骨质增生、软骨下骨破坏以及滑膜炎有关。机械因素，如肥胖或关节创伤史是OA 的公认危险因素，某些内源性因素，如II型胶原突变和髋臼发育不良也是如此。OA 是世界上导致长期残疾的主要原因，不仅对老年人，而且对工作年龄的年轻人也是如此。鉴于OA 的巨大经济和个人负担以及该疾病成为关节置换的主要原因，迫切需要掌握OA 的发病机制，对早期骨性关节炎进行疾病调节治疗来停止或减缓OA的发生和发展。

今天，人们普遍认为类风湿性关节炎（RA）的炎症和破坏性特征都是通过滑膜炎来驱动的。RA 滑膜具有丰富的活化巨噬细胞浸润，产生肿瘤坏死因子a（TNF-α），白细胞介素-1（IL-1)和其他促炎细胞因子[2]。因为TNF-α 有一个细胞因子级联驱动其他促炎介质，这种细胞因子已成为RA 的关键治疗靶点，具有几种抗TNF-α使用的药物取得了相当大的成功。

相比之下，OA 一直被认为是退行性疾病，主要涉及软骨和骨骼。滑膜炎诱导OA 的概念是在20 世纪90 年代提出的，从那时起就得到了越来越多的重视[3-5]。该概念对于使用改善疾病的抗OA 药物(disease-modifying anti-OA drugs DMOADS）的潜在发展具有相当重要的意义。在这里，我们将回顾和总结涉及滑膜炎与OA 的研究，这些研究强烈提示滑膜炎和活化的滑膜巨噬细胞在促进OA 病理学中的重要性。特别是，我们将概述滑膜巨噬细胞在促进OA 中的炎症和破坏性反应中的作用以及针对巨噬细胞或巨噬细胞产生的细胞因子作为该疾病治疗策略的潜在作用。

2 滑膜的功能解剖学

滑膜组织将关节囊与关节腔分开，防止关节囊与软骨之间粘附。除了营养软骨和润滑关节之外，滑膜组织通过产生透明质酸和纤溶酶原激活剂，保持关节的活动能力[6]。透明质酸还负责确保运动期间恒定的滑液量[7]。正常滑膜分为内层和外层，滑膜组织的内层称为内膜，主要由两种细胞类型组成，即特异性巨噬细胞（巨噬细胞样滑膜细胞）和成纤维样滑膜细胞，它们对维持内部关节稳态非常重要。滑膜细胞不具有基底层,缺乏细胞连接，这促进关节液与血液或淋巴管之间的交换。滑膜组织的外层又称为内膜下层，根据关节特定的生物力学，内膜下层可以由不同类型的结缔组织组成：纤维状，脂肪状或蜂窝状。蜂窝滑膜组织是一种松散且高度粘弹性的结缔组织，可以伸展或折叠。绒毛进一步增加滑膜表面并允许在运动期间适应关节囊的形状。内膜下层有复杂的淋巴管和血管网络。

3 滑膜炎在OA中的作用

临床上，OA 患者具有不同程度的滑膜炎。其中一些，膝关节或髋关节可能形成相当具侵袭性的炎性OA，有时有明显的关节腔积液，可通过关节穿刺和局部注射类固醇治疗。其他患者，特别是那些易患OA的肥胖或其他机械因素的患者，其临床上明显滑膜炎程度要小得多。

滑膜炎症与OA 的许多症状和体征有关，包括关节肿胀和积液[5,8]。通过炎症的生物标志物（如C 反应蛋白和软骨寡聚基质蛋白）与影像学检测OA 结构病变程度之间的相关性，已证实滑膜炎促进OA 疾病进展[9-10]。组织学分析发现，OA 滑膜增生并出现混合炎性浸润，表现为主要由巨噬细胞组成的滑膜内层细胞数量增加[11]。而且，形态学检测早期OA患者滑膜活检标本发现其类似于类风湿性关节炎（RA）患者活检标本，但是巨噬细胞，T 细胞和B 细胞的百分比含量比RA患者低得多[12-14]。

在OA 病理变化过程中，关节软骨和滑膜的相互作用非常重要[15-17]。与骨性关节炎相关的滑膜炎导致正反馈回路：（a）软骨破坏将组织和分子碎片释放到滑液中;（b）滑膜中的巨噬细胞吞噬这些碎片，诱导进一步的信号传导，促进滑膜炎症。新激活的滑膜细胞释放促炎细胞因子，比如白细胞介素1（IL-1）和肿瘤坏死因子α（TNF-α），导致大量产生基质金属蛋白酶（MMPs），在软骨细胞中引发细胞凋亡并进一步促进软骨破坏。另外，骨性关节炎滑膜产生较少的IL-1受体拮抗剂，增强上述炎性细胞因子在OA 中的分解代谢作用[18]。随着软骨进一步分解，循环继续。

4 OA滑膜中的巨噬细胞功能

既然公认滑膜炎症和来自OA 滑膜的炎症因子对于OA 的症状和进展是重要的，则关键问题是OA 滑膜中的哪种细胞类型负责维持滑膜炎症。在RA 中，巨噬细胞是疾病活动的主要启动子，抑制巨噬细胞产生的TNF-α，是一个主要的治疗目标[2]。然而，尽管组织学研究已经证明OA 滑膜巨噬细胞表现出活化的表型，滑膜巨噬细胞产生血管内皮生长因子被认为是加剧OA 滑膜血管生成和炎症的潜在机制,但对OA 中巨噬细胞生物学的了解依然很少[19]。

在慢性关节炎的实验模型中，经常发现骨赘形成，这表明滑膜炎的存在可以诱导骨赘的形成[20]。来自滑膜衬里的巨噬细胞已经明确在骨性关节炎模型中具有促进炎症和加重损伤软骨的作用[21]。当选择性地耗尽骨性关节炎模型中的滑膜巨噬细胞时，滑膜炎症和软骨损伤都得到改善。此外，从滑膜内层选择性消耗巨噬细胞也可以防止这些骨性关节炎模型中的骨赘形成。在一项研究中，通过关节内注射胶原酶进行OA 造模。通过使用氯膦酸盐脂质体在OA 诱导之前选择性去除滑膜内层巨噬细胞来研究这些细胞在该模型中的作用。在1 周和2 周后，解剖膝关节进行组织学检查。结果，在诱导OA 后第7 天和第14 天，观察到骨赘形成和纤维化。与对照组相比，滑膜巨噬细胞的消耗导致骨赘形成的显著减少，分别为84%和66%，通过MRP8/14 表达测量的纤维化和滑膜活化也得到改善（40-60%）。此外，在很大程度上防止了滑膜中生长因子（TGF-β，BMP-2 和BMP-4）的产生，但是在滑膜和骨膜的较深层中这些生长因子的产生与对照没有差异。这些结果表明滑膜巨噬细胞是滑膜中的关键细胞，介导骨赘形成和其他OA 相关的病理学，如滑膜纤维化，生长因子的产生[22]。

Arjen B.Blom 通过关节内注射胶原酶进行OA 造模，在OA 诱导之前使用氯膦酸盐选择性耗尽滑膜巨噬细胞[23]。作者观察到滑膜巨噬细胞耗竭的OA 关节中，MMP-3和MMP-9的表达强烈下降，同时发现巨噬细胞耗竭的OA小鼠软骨退变较少。在2岁小鼠中，与对照小鼠相比，MMP-3 敲除小鼠的衬里层中，自发性OA 样变化显着降低，小鼠严重软骨损伤发生率降低67%。此外，MMP 介导的VDIPEN 表达显着降低，表明MMP 介导的软骨破坏减少。该研究的结果证明MMP-3 参与小鼠OA 中严重软骨损伤的产生。滑膜巨噬细胞在早期介导MMP 的产生中是至关重要的[24]。

巨噬细胞影响OA 发展的另一种可能机制是旁分泌对软骨细胞合成和分解代谢的影响。Samavedi S[25]将巨噬细胞与软骨细胞共培养，发现软骨细胞产生MMP-1、MMP-3、MMP-9、MMP-13、IL-1β、TNF-α、IL-6和IL-8明显增加。其机制可能是M1亚型分泌的R-spondin-2（Rspo2）蛋白激活了软骨细胞中的βcatenin通路[26]。在UtomoL[27]的一项研究中，将人OA软骨细胞与M1(IFN-γ+TNF-α)或M2(IL-4 或IL-10)巨噬细胞条件培养基（MCM）混合培养.M1（IFN-γ+TNFα）MCM 通过上调IL-β，MMP-13和ADAMTs-5 来影响OA 软骨，同时抑制Col2A1 和Aggrecan 表达。此外，M2(IL-4 或IL-10)巨噬细胞对M1 巨噬细胞或IFN-γ/α诱导的软骨炎症反应没有抑制作用，但是，该机制尚不清楚。

5 激活的滑膜巨噬细胞及其细胞因子在OA中的作用

在OA 滑膜细胞培养模型中，使用抗CD14 缀合的磁珠可以实现滑膜巨噬细胞的特异性消除[28]。这些CD14+耗尽的滑膜细胞培养物不再产生明显的巨噬细胞衍生的细胞因子，例如TNF-α 和IL-1。有趣的是，主要由滑膜成纤维细胞产生的几种细胞因子也显著抑制（40-70%），如IL-6 和IL-8 以及MMP-1 和MMP-3的显著下调。表明OA滑膜巨噬细胞在激活成纤维细胞和维持促炎细胞因子和破坏性酶的产生中起着重要作用。

为了研究这种巨噬细胞驱动的OA 滑膜中炎症和降解途径的刺激所涉及的机制，以及TNF-α 内源性产生的特异性中和作用和IL-1在OA滑膜细胞培养中的应用[28]。Jan Bondeson 等[29]将未经处理的OA 滑膜细胞分别与依那西普（抗TNF-α）一起孵育，与IL-1抗体孵育，或与依那西普和IL-1抗体联合孵育。正如可以预料的那样，依那西普有效中和TNF-α的产生，而对IL-1 没有影响；IL-1 抗体有效中和IL-1 的产生，而对TNF-α 的产生也无影响。这与RA 的情况形成鲜明对比，其中IL-1是强依赖于TNF-α滑膜细胞的这些培养物[30]。这一发现表明RA 和OA 之间巨噬细胞生物学的另一个可能的差异：TNF-α 是RA 滑膜中的上级细胞因子，调节着IL-1的产生，在OA滑膜中这两种细胞因子之间似乎存在冗余。同时，作者还发现，依那西普和IL-1 抗体均抑制IL-6 和IL-8 的产生，当IL-1 和TNF-α同时被拮抗时可获得60%抑制率。

巨噬细胞在不同的微环境下有不同的表达谱，即M1 和M2 两种功能极化状态[31]。M1 巨噬细胞被干扰素-和脂多糖（LPS）激活，分泌大量促炎细胞因子和介质，如TNF-α，IL-1，IL-6等关键细胞因子[32]。M2巨噬细胞，又称为组织修复巨噬细胞，能消除炎症并促进组织再生[33-34]。既往有文献报道在OA 发生过程中，滑膜会发生巨噬细胞的聚集，然而，在针对性使巨噬细胞凋亡的转基因小鼠中，去除巨噬细胞（使M1、M2 巨噬细胞均大量减少）不能减轻小鼠的OA 严重程度[35]。白晓春与蔡道章[36]研究团队通过研究发现M1 巨噬细胞通过分泌IL-1,IL-6，TNF-α 来起作用，或通过分泌Rspo2 来活化wnt 通路来引起OA。[37]本项目组对OA关节中滑膜巨噬细胞与滑膜淋巴管内皮细胞（LEC）进行了研究，发现OA 关节中M1 巨噬细胞促进LEC 产生大量IL-1 和一氧化氮合酶（iNOS），诱发LEC 炎症反应，导致滑膜淋巴引流减少和关节组织损伤的进展。相反，M2 巨噬细胞降低了上述炎症因子的表达。同时，研究人员还发现硼替佐米可通过抑制M1 介导的LEC 炎症，改善滑膜淋巴回流功能，减轻关节组织损伤。

6 巨噬细胞和巨噬细胞产生的细胞因子作为OA 中的治疗靶标

在RA 靶向生物治疗大获成功之后，对OA 中的抗细胞因子策略的研究也引起了很大的兴趣。在RA中，TNF-α已经成为主要的治疗靶点。而针对IL-1的策略只取得了一定的成功，根据现有的临床数据，牛皮癣，银屑病关节炎和强直性脊柱炎也是如此。在慢性青少年关节炎中，针对TNF-α或IL-1的策略已经取得成功[38-39]。这种成功可能表明这些炎性关节炎之间细胞因子生物学存在细微差别。

与RA中的情况不同，在OA滑膜中存在TNF-α和IL-1 冗余。这两种细胞因子似乎在驱动其他促炎细胞因子和刺激MMP 的产生起重要作用[28]。在患有炎症性KOA 的患者中，在磁共振成像扫描中可见滑膜炎，抗TNF 药物对疼痛和步行距离以及滑膜炎，滑膜渗出和骨髓水肿具有显著疗效[40]。在一项涉及12 名患有炎性手关节OA 的患者的初步研究中，抗TNF 抗体阿达木单抗虽能改善症状，但效果不显著[41]。另一项涉及10 名患者的试验性研究表明，与安慰剂相比，关节内注射抗TNF 抗体英夫利昔单抗可引起明显的症状缓解，但12 个月后放射学进展评分无显著差异[42]。

巨噬细胞可以根据其微环境表现出强大的可塑性。它们可以是产生促炎因子和引发炎症的M1 亚型，或产生抗炎因子和生长因子的M2 亚型，以解决炎症并促进组织再生。通过适当的刺激，促进M1 与M2巨噬细胞的重编程，主要是抑制M1 分化促进M2 分化，从而降低M1/M2 比率，可以减轻OA 的进展。Dai等[43]最近的一项研究发现，鱿鱼II 型胶原蛋白可以通过免疫调节激活M2 亚型，从而增加TGF-β1/3 的分泌并促进软骨修复。针对OA，INVOSSA TM（组织基因-C）的第一个基因和细胞疗法的II 期临床研究已经完成，并且表明INVOSSA TM 改善了OA 患者的疼痛，日常活动，运动功能和软骨结构[44-46]。此外，该研究表明，INVOSSA TM 可能诱导抗炎环境，特别是M2 巨噬细胞分化，这有助于减少疼痛和软骨再生[47]。该药物的美国临床试验III期目前正在招募患者，预计这将是首批使用的DMOAD[48]。因此，通过抑制M1 或促进M2表型，滑膜巨噬细胞可以是真正的治疗靶标。