软骨下骨的病理改变及其在骨关节炎发病机制中的作用

陈文杰，李益军，郑小飞，王华军

骨关节炎是一种以关节软骨退变为主要特征的慢性疾病，是导致成年人群残疾的主要原因。由于肥胖和人口老龄化，骨关节炎发病率正在逐渐上升。据报道，中国40岁以上人群原发性骨关节炎总体患病率为46.3%，其中40～49岁患病率为30.1%，而70岁以上患病率为62.1%，呈现出随年龄增长患病率逐渐增加的趋势[1]。与其他20个主要致残原因相比，在1990—2005年和2005—2015年期间，骨关节炎是全球人口残疾人数增加最多的病因，仅在2015年，骨关节炎已占全球残疾人数的3.9%，预计在2020年将成为全球第四大致残原因；在各高收入国家，骨关节炎的医疗费用占国内生产总值的1%～2.5%[2]。改善骨关节炎治疗方案，对于缓解症状、提升患者生命质量、增加社会效益和经济效益都有非常重要的意义。

尽管有许多已知易感因素的影响和参与，骨关节炎的发病机制目前仍不十分明确。近年来学者们越来越关注软骨下骨病理改变在骨关节炎进展中的作用[3-4]，而关节软骨周围发生的变化主要包括软骨下骨板明显增厚、软骨下小梁骨质量下降、骨髓水肿样病变（bone marrow edema-like lesions，BMELs）、骨囊肿形成、钙化软骨与软骨下骨微损伤等。以下就软骨下骨病理改变在骨关节炎中的作用及以软骨下骨为治疗靶点的相关研究展开综述。

1 软骨下骨的正常结构与功能

软骨下骨通常指位于钙化软骨正下方的骨骺骨区，有学者认为这一概念应扩大到关节软骨潮线远端的钙化结构，将钙化软骨归入软骨下骨范畴[5-6]。从解剖学角度，软骨下骨结构可进一步区分为软骨下骨板和软骨下骨小梁[7]。

软骨下骨板本质上类似于其他骨骼部位的皮质骨，是一个薄层的板状结构[7]，内部存在孔隙，是直接连接关节软骨和软骨下骨小梁的通道。影响这些通道密度和分布的因素主要包括骨软骨的老化程度，以及关节内与关节之间通过骨软骨传递压缩力的大小[8]。这些通道优先集中在关节内的高应力区，当软骨下骨板厚度发生变化时，通道的形状和直径也随之出现相应改变：在软骨下骨板较厚的区域，通道较窄，形成网状结构，而软骨下骨板较薄的区域则更宽[8]。相对于软骨下骨板，软骨下骨小梁包含血管、感觉神经和骨髓，具有疏松的孔隙和更活跃的代谢活性[9]，为正常关节提供支持和减震功能，在关节软骨的代谢过程和营养支持中也可能扮演重要角色[7]。

事实上，软骨下骨和钙化软骨等结构在骨关节炎的发生发展进程中发挥不同的潜在作用。然而，目前临床影像学研究多基于软骨下钙化组织，现有的影像学技术还无法从解剖学角度区分软骨下骨和钙化软骨，软骨下骨各区域之间缺乏明确的解剖边界，从而阻碍了对其作用的深入研究。

2 软骨下骨病理学改变及其在骨关节炎进展中的作用

软骨下骨硬化和软骨进行性退化被广泛认为是骨关节炎的标志[7]。研究表明，软骨下骨的不同微结构改变发生在骨关节炎的不同阶段[10]，软骨下硬化可能仅在患者较晚期阶段才能观察到[11-12]；其他组织病理学改变包括BMELs、骨囊肿和微损伤等。

2.1 骨关节炎软骨下骨的微结构变化

在骨关节炎早期，骨重塑和软骨下骨吸收的增强被认为是其进展的决定因素[13]。Sniekers等[14]通过观察前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）横断诱导的犬骨关节炎模型，发现术后10、20周软骨下骨板厚度显著减少，软骨下骨板孔隙率明显增加。Botter等[15]建立基于胶原酶诱导的小鼠骨关节炎模型，发现注射胶原酶后2周，动物模型膝关节软骨下骨板厚度开始减少，穿孔增加。尽管目前骨关节炎早期骨转换增加和结构恶化的潜在机制还不完全清楚，但有几个因素涉及其中，包括微损伤修复、血管生成因子刺激引起的血管增多以及软骨下骨板孔增加所致的骨软骨相互作用增强等[16-17]。

在骨关节炎晚期，软骨下骨表现为骨吸收和骨转换减少，而骨形成却相对增多，正常骨吸收与骨形成之间的耦合机制受到影响，使得平衡向骨形成倾斜[7]。软骨下骨中的胶原合成有所增加，但沉积的胶原蛋白矿化度及钙含量明显降低[18]，刚度也处于较低状态[19]。这种情况是由骨骼表观密度和材料密度之间的差异造成的。当骨体积分数增加时，表观密度随之呈现增加的趋势；而骨矿化程度下降时，则会引起材料密度和机械强度降低。

研究还发现，尽管软骨下骨硬化导致骨体积分数增加、骨密度增高，但由于骨重建发生异常，其矿化度低于正常关节甚至骨质疏松关节[19]。骨体积分数和骨矿化在骨关节炎晚期呈负性相关，这是一个相互适应和代偿的过程，即在骨矿化程度下降的情况下增加骨量[20]。但骨关节炎晚期软骨下骨矿化减少的机制目前仍不清楚。

2.2 骨关节炎软骨下BMELs

BMELs是骨关节炎常见的软骨下骨髓病变，是一类具有典型信号特征但不具有定性诊断特异性的MRI征象。Zanetti等[21]通过MRI和病理对照研究发现，导致骨关节炎BMELs征象的主要病理改变包括骨髓坏死、骨髓纤维化及骨小梁结构异常，而并非真正意义上的骨髓水肿。因此，有学者将骨关节炎伴随的这种影像学表现称为骨髓水肿样病变[22]。这一概念既能反映骨结构变化带来的影像学特征，更能揭示其有别于骨髓水肿的病理基础。

目前BMELs的发病机制尚不明确。Hunter等[23]指出，膝内翻或外翻患者其膝内侧或外侧压力负荷增加，更容易在相应区域发生骨髓损害，因此认为BMELs与膝关节的异常应力有关；机械性因素导致的微损伤也可能导致BMELs的发生；软骨破裂产物或其他侵入关节液的因素所引发的炎症均有助于BMELs的形成[24]；有学者还发现，BMELs通常出现在硬化的软骨下骨区且骨体积分数增加，骨小梁更多更厚，结构更像板状，骨小梁组织成分在BMELs区域内也有异常表现，与病灶外组织相比，磷酸盐和碳酸盐的含量均有所降低[25]。而骨关节炎患者骨吸收标志物水平增加、低矿化度组织积聚的机制可能与骨转换不平衡有关，组织学分析及其他研究组发表的有关BMELs内骨体积增加的数据亦支持BMELs内骨转换增加的看法[26-27]。此外，骨关节炎软骨病灶常发生在BMELs附近，且其软骨退变程度与BMELs信号强度成正比，提示BMELs与软骨加速退变之间存在局部空间相关性[25,28]。

BMELs是骨关节炎动态发展过程的一部分，因此骨关节炎患者BMELs表现与临床症状进展相关，尤其是在疼痛方面[22]。正常关节软骨内不存在神经纤维，造成骨关节炎患者疼痛的直接原因并非关节软骨遭到破坏，而是软骨损伤后周围软骨下骨承受的压力及密度发生改变，进而刺激软骨下骨及髓内痛觉感受器所致。软骨下骨出现的这些改变将使骨小梁间隙增大，小梁间隙内部充满大量体液，加之纤维血管和新骨增生，最终促进BMELs的形成[29]。可见，BMELs与软骨下骨遭受的压力密切相关，压力越大，疼痛越严重，因此可通过疼痛评分来推断BMELs的程度，临床上可更加全面地评估骨关节炎患者的病情。未来随着对BMELs的深入研究，其在骨关节炎发生发展过程中起到的作用会逐渐清晰，从而为骨关节炎的转归及治疗提供新的思路和方向。

2.3 骨关节炎软骨下骨囊肿

软骨下骨囊肿为球形或梨状的骨内病变，其内为纤维结缔组织，最初可能含有液体，随着时间的推移，其成分不断变化，后期会发生骨化，周围区域缺乏骨细胞，可在反复的病理负荷下形成硬化边缘[30]。软骨下骨囊肿是骨关节炎软骨下骨异常骨重建的特征性改变之一，其在MRI上显示为明确的液体信号区域，与X线片上具有硬化边缘的清晰透明区域相对应[31]。

一直以来，学者们都在关注骨关节炎软骨下骨囊肿，其病因和发病机制目前主要存在两个相互矛盾的假说。“滑液侵入”理论认为，骨软骨连接处破裂后滑液侵入软骨下骨，从而导致软骨下骨囊肿的形成[32]；“骨挫伤”理论则认为，囊肿起源于软骨下骨坏死性病变，由异常的机械应力和伴随而来的微裂纹、水肿和局灶性骨吸收引起[33]。McErlain等[30]建立由ACL切断术和右膝内侧半月板部分切除术诱导的骨关节炎鼠模型，术后4周75%的鼠膝关节至少有1个囊肿，12周时所有鼠膝关节均形成软骨下骨囊肿；所有软骨下骨囊肿上都存在软骨下骨板裂口，且囊肿常出现在胫骨平台内侧关节室应力异常增加的区域，因此认为软骨下骨囊肿的扩张更可能是由于微骨折和应力诱导的骨吸收，而不是液体通过缺口流入。目前仍不清楚软骨下骨囊肿形成的具体机制是软骨完整性丧失还是软骨下骨破坏，未来的研究方向之一是探讨这两种机制对软骨下骨囊肿的作用。

软骨下骨囊肿可引起软骨丢失、关节置换风险增加和关节疼痛。Tanamas等[34]研究发现，软骨下骨囊肿的程度越严重，患者软骨量越低，病情越重，关节置换风险越高；Burnett等[35]的研究结果亦提示，软骨下骨囊肿严重程度与夜间休息痛症状密切相关，而局部软骨下骨密度可能在其疼痛发生机制中起到重要作用。研究还发现，软骨下骨囊肿可以消退，软骨丢失也可逆转，因此可将其作为治疗骨关节炎的治疗靶点，及早采取有针对性的预防措施，如使用双膦酸盐、降钙素等，有助于改善症状，降低置换风险，令患者获益[36-37]。

2.4 骨关节炎钙化软骨和软骨下骨的微损伤

作为影响骨质量的关键性因素，微损伤广泛存在于骨关节炎关节周围钙化软骨、软骨下骨板和小梁骨等矿化组织中[38]。微损伤以线性微裂纹和扩散微损伤两种不同形式出现[39]。线性微裂纹为短间隙裂纹，其主要功能在于启动骨重建以及在软骨和软骨下骨之间起到交流通道的作用[7,40]，进而对骨关节炎发生发展进程产生重要影响[41]。微裂纹激活骨重建的机制可能包括破坏骨细胞和随后的骨细胞凋亡，从而诱导破骨细胞吸收和微裂纹修复；而由微裂纹引起的高骨转换可造成软骨下板及钙化软骨增厚，最终导致软骨变薄[42]；微裂纹通道功能则令更多的分解代谢物质穿过骨软骨连接，血管侵犯和锥细胞切入软骨均可加速这种变化[7]。

在骨关节炎关节软骨下小梁骨中也发现以一系列亚微米裂纹形式存在的弥漫性微损伤[43]。它主要位于拉伸区域，导致骨的力学性能减退[44]。与线性裂纹相比，弥漫性微损伤不会引起骨细胞凋亡，也不会激活局部骨重建活动，用以移除和替换受损区域[39]。尽管机体可能通过微裂纹分散机械负荷的作用来减少软骨损伤，但在过度异常的机械负荷作用下，软骨下骨的损伤程度将超出其自愈能力，最终引起异常骨重塑的发生[5]。

3 以软骨下骨为治疗靶点的相关研究

目前以软骨下骨为骨关节炎治疗靶点的相关研究主要集中在抗骨吸收药物和促进骨形成药物领域，在减少关节疼痛和僵硬、改善关节功能等方面效果良好。

3.1 双膦酸盐

双磷酸盐治疗骨关节炎的机制之一可能是减少软骨下骨早期骨丢失，其本身也存在直接的抗炎作用，尤其是氯膦酸盐药物[45]。在骨关节炎动物模型中，双膦酸盐可通过促进软骨细胞增殖、抑制基质金属蛋白酶（matrix metalloprotein，MMP）、减少软骨细胞凋亡和软骨内骨化，从而起到一定的软骨保护作用，有效阻止骨关节炎进展。Hayami等[36]对大鼠ACL横断骨关节炎模型软骨降解标志物进行检测，结果表明，阿仑膦酸盐具有明显的软骨保护作用，不仅阻断软骨下骨中破骨细胞的募集，而且以剂量依赖的方式抑制钙化软骨的血管侵袭和骨赘形成。Strassle等[46]研究发现，早期积极的唑来膦酸盐治疗能够抑制破骨细胞介导的软骨吸收，在增加骨密度、防止软骨退变和抑制疼痛方面效果明显。Carbone等[37]的研究结果则表明，阿仑膦酸盐、雌激素联合治疗后老年妇女膝关节骨关节炎相关的软骨下骨异常（包括骨磨损和BMELs）明显减少，膝关节疼痛也得到缓解。

3.2 降钙素

降钙素是一种参与钙剂骨质代谢的多肽类激素，通过对破骨细胞的直接作用来抑制骨吸收，从而影响骨小梁结构，阻止软骨下骨吸收和小梁变薄[47]。降钙素还可有效抑制软骨下骨重建和随后的骨丢失，避免软骨损伤[48]。Papaioannou等[49]对手术诱导兔骨关节炎模型的研究结果表明，肌肉内注射降钙素后动物模型关节表面光滑，无溃疡或轻微溃疡迹象，骨赘体积和软骨下骨囊肿形成减少，提示降钙素可通过增加透明软骨层和关节周围骨质来抑制骨关节炎进展，还可通过减少软骨下骨囊肿，以及改善骨转换、骨小梁结构和骨基质矿化质量达到治疗效果。鉴于降钙素对骨关节炎软骨和软骨下骨的积极影响，以软骨下骨作为治疗靶点，通过抑制骨吸收、改善软骨下骨结构，可起到对OA的治疗作用[50-51]。

3.3 甲状旁腺激素

由于骨重构与骨关节炎发病早期存在相关性，因此任何能够改变骨微结构的药物都可能对软骨细胞生物学及软骨健康产生一定影响。甲状旁腺激素可通过增加骨体积和骨矿物质含量来形成新骨，进而在一定程度上改变软骨下骨的生物力学特性[5]；还可通过维持软骨形成和关节软骨细胞的存活，从而抑制骨关节炎的进展[52]。Yan等[53]对豚鼠接受甲状旁腺激素后的软骨下骨结构进行显微CT观察，结果表明，甲状旁腺激素可增加骨体积比和骨密度，延缓软骨下骨小梁由棒状向板状发展的微结构变化，也在一定程度上减轻了软骨损伤。Morita等[54]对大鼠骨关节炎模型进行研究，结果发现，甲状旁腺激素治疗不仅能减缓软骨退变，还能降低软骨下骨肥大细胞数量，维持骨小梁结构相对正常，抑制软骨下骨硬化的发生，从而延缓关节软骨退变的进程。

目前在骨关节炎动物模型中，有关促进骨形成药物的研究相对较少，但作为潜在的治疗药物，甲状旁腺激素为治疗OA开辟新的视野，未来还需要进行更多的基础和临床研究。

3.4 其他

以软骨下骨为治疗靶点的策略还包括骨保护素（osteoprotegerin，OPG）、雷奈酸锶等。核因子κ B受体活化因子配体（receptor activator for nuclear factor-κB ligand，RANKL）由成骨细胞合成，是破骨细胞分化和骨吸收的重要因素[55]，而OPG/RANK/RANKL系统被认为是调节破骨细胞生物学性质的关键系统。Kadri等[56]研究发现，OPG全身治疗后OA小鼠骨体积明显增大，骨小梁厚度明显增加，骨小梁内破骨细胞显著减少。通过调节OPG/RANK/RANKL系统，早期骨吸收受到影响，微结构变化减少，有助于抑制软骨退化。这些发现为OPG治疗骨关节炎的潜在价值提供证据。

研究还发现，雷奈酸锶不仅通过调节OPG/RANK/RANKL系统来抑制破骨细胞分化，降低破骨细胞活性，还可作用于MMP-2和MMP-9，以抑制软骨下骨吸收，改善骨结构[55]。目前以软骨下骨为靶点的治疗研究较多集中在调节软骨下骨代谢平衡以改善软骨下骨结构及抑制软骨退化作用方面，但软骨下骨的代谢机制仍有待进一步明确。

4 小结

软骨下骨的病理改变是一个复杂连续的动态过程，与骨关节炎的发生发展过程密切相关。骨关节炎软骨下骨微结构早期的主要病理变化以骨吸收增强为主，晚期则是软骨下骨硬化；此外还存在BMELs、骨囊肿和微损伤等病理改变。以软骨下骨为治疗靶点的方法在动物实验中表现出较好的疗效，但在临床试验中仍缺乏相应证据，需要深入观察。目前软骨下骨的病理改变与软骨之间的关系仍不明确，其交互作用机制仍需进一步探索；软骨下骨代谢和微环境变化的细胞分子机制也有待未来的深入研究。