骨关节炎患者关节软骨中胶原蛋白表达变化的研究进展

李建 李大鹏 赵国阳

骨关节炎 ( osteoarthritis，OA ) 是威胁人类健康的常见疾病之一，是由多因素引起的慢性关节疾病，其病变特点为关节软骨的退行性变和关节软骨反应性骨质增生，目前世界发病率在 5%～10% 左右[1]，我国 60 岁以上人群中约 70%，80 岁以上人群中约 90% 有 OA 的影像学表现[2]。现在 OA 的病因还没有完全确定，性别、遗传因素、年龄、肥胖、关节外伤等因素都可以成为其发病原因[3]。近年来，有研究发现关节软骨中的 I 型胶原、II 型胶原、X 型胶原在 OA 的发生发展过程中发挥重要作用。现就这几种重要的胶原蛋白在 OA 发病过程中变化的研究综述如下，以期为 OA 的发病机制以及对关节炎的早期诊断和治疗提供一定的理论支持。

根据现阶段的研究，正常成年人关节软骨中存在 8 种胶原，分别是 I 型胶原、II 型胶原、VI 胶原、IX 型胶原、X 型胶原、XI 型胶原、XIV 型胶原、XXVII 型胶原[4-5]。除 X 型胶原之外，其余 7 种也存在于人的其它软组织中。各型胶原有大致相似的结构，分子水平上的构成都存在 3 条 α 链，其特征性的氨基酸序列为 ( Gly-X-Y ) n，其中脯氨酸在 X 位，羟脯氨酸在 Y 位，且每三个氨基酸中有一个“必需”氨基酸 ( 甘氨酸 )，最后甘氨酸与脯氨酸和羟脯氨酸组成的 3 条 α 链通过一系列相互作用形成右手超螺旋结构，这种超螺旋结构能有效地抵抗除金属蛋白酶以外的其它蛋白酶的降解。现阶段研究指出，与 OA 相关的主要是 I 型胶原、II 型胶原、X 型胶原。

一、I 型胶原

I 型胶原是由 I 型原胶原蛋白即型胶原蛋白前体经过胞外基质中的酶切后形成的成熟胶原蛋白，是具有高度有序的自我组装序列的胶原纤维[6]。I 型胶原在正常的关节软骨中含量甚微，是一种成纤维胶原，由 2 个 α1链和 1 个 α2链组成的异源三聚体平行排列成束，多存在于骨、肌腱等组织中。I 型胶原蛋白的相关基因编码单体肽链，其原肽链由粗面内质网 ( ERE ) 核糖体合成[7]。I 型原胶原蛋白分子中大约有 50% 的脯氨酸残基在 4 位含有 1 个羟基，脯氨酸的羟基化程度有种属差异，生活在低温环境中的动物，其胶原蛋白上的脯氨酸羟基化程度较低，脯氨酸的羟基化对于原胶原单体之间形成氢键是必需的，因而对于原胶原三螺旋结构域的热稳定性具有很大作用。

I 型胶原是纤维软骨的标志物，在 OA 中软骨损伤 2 周 即有 I 型胶原蛋白产生，且 I 型胶原蛋白存在于在 OA 的整个发展过程，最近研究发现富含血小板的血浆通过 TGFβ / SMAD 信号通路促进细胞增殖和软骨生成标志物的基因和蛋白表达，抑制 I 型胶原的表达[8-11]。I 型胶原蛋白的产生是由局部开始向其余部位逐渐蔓延，软骨损伤部位的中下段最先出现。I 型胶原蛋白某种信号分子作用可能与 OA 发生发展过程中软骨细胞的一系列病理变化有关，它的这种信号分子作用主要通过整合素、盘蛋白结构域受体、糖蛋白等跨膜受体发挥作用。OA 发展到晚期时，I 型胶原在关节软骨的中间层出现较强的表达。同时在关节软骨的大部分区域可见大量的 III 型胶原表达[12]。有研究指出，可以通过测定软骨细胞分泌 I 型胶原蛋白的量来了解软骨细胞的去分化趋势，因为软骨细胞发生去分化时分泌 I 型胶原蛋白[13]。有学者发现 I 型胶原的 α C-端肽与软骨下骨转换相关，并预测了 OA 关节间隙狭窄和骨赘的进展[14]。

二、II 型胶原

II 型胶原是关节软骨中最主要的胶原蛋白，大约占胶原蛋白总量的 90%～95%，是关节软骨基质中最重要的成分。II 型胶原在正常条件下可以自行形成胶原纤维，由细小纤维逐渐形成大的胶原纤维，作为胶原纤维网架结构中的主体，对此网状结构的稳定起着决定性作用，直接对关节软骨组织起到支撑作用。因其组成中氨基酸的特性，使之形成的纤维束很细，这种纤细的网架结构更易与蛋白聚糖及其它物质结合，使关节软骨具有抗拉伸及缓冲冲击震荡的特性，关节软骨的很多特性都与 II 型胶原蛋白这种网架结构密切相关[15]。

宏观上看，OA 发生的关键一步是 II 型胶原蛋白构成的网状结构被外力破坏或被化学物质如胶原蛋白酶所溶解，这种网状结构被破坏后会引起关节软骨在生物力学、生物化学等方面发生一系列变化；随着这种结构被破坏，在微观上表现为关节软骨细胞所生存的微环境遭到了破坏，也可以引发一系列基因和蛋白表达的变化，从而导致软骨细胞表型的变化[16-19]。关节软骨的 II 型胶原表达的减少直接导致了 II 型胶原质和量的改变，其可被不同的影响因子促进或抑制，使 II 型胶原被分解或受到保护，从而影响 OA 的进展。

在 OA 的发生发展过程中，软骨细胞外基质降解增加，II 型胶原的 mRNA 表达减少以及软骨细胞的过度凋亡，都可以促进 OA 的进展。为了延缓 OA 的进一步加重，机体会选择性的增强软骨细胞内 B 细胞淋巴瘤-2 ( Bcl-2 ) mRNA 的表达来维持这种代谢平衡，并通过这种方式减缓 OA 的进展过程[20]。目前通过调节胶原蛋白的表达来治疗或缓解 OA 的研究主要集中在增加 II 型胶原的表达和抑制其降解方面，研究发现丁酸钠、奈比洛尔、西洛他唑、马钱子苷等可以通过抑制 II 型胶原的降解，减缓 OA 进展[21-24]；氨基葡萄糖、富含血小板的血浆、血小板溶解产物 ( PL )、体外间充质干细胞衍生的细胞外囊泡等与软骨修复的生长有关系，可以促进软骨细胞中 II 型胶原的表达，从而保护 OA 中被破坏的软骨细胞，延缓 OA 的进展[25-28]。分子生物学层面的研究发现，LNA-miR-181a-5、LNA-miR-449a、Krüppel-Like Factor 2 等可以促进 OA 中 II 型胶原的表达，对 OA 进展有一定的延缓作用[29-31]；而 circRNA.33186 直接结合并抑制 miR-127-5p、纤维蛋白 3 等在 OA 中会促进 II 型胶原的降解，从而加速 OA 的进展[32-33]。最近有研究发现 COL2A1 通过抑制 SMAD1 的活化，抑制 BMP-SMAD1 介导的软骨细胞肥大；通过免疫调节 M2 巨噬细胞的活化，可以抑制 OA 中软骨细胞的凋亡和肥大；通过抑制蛋白激酶-D，可以修复 OA 生长板上的软骨，抑制其向肥大的分化。这是几种抑制软骨细胞肥大的新机制，对减缓 OA 的进展有重要意义[34-36]。

II 型胶原在 OA 的诊断方面的研究显示，早期的 OA 动物模型中即有 II 型胶原的明显上升；当 OA 发生时，由于关节软骨发生重建，导致 II 型胶原的降解增快，从而产生大量 C-端肽 ( CTX II )，CTX II 是惟一可同时在血、尿和滑液中测到的标志物。CTX II 的表达水平随着膝关节 OA 的进展而不断升高，关节软骨退变进入快速进展期时达到最高，到膝关节 OA 晚期逐步下降，所以 CTX II 可作为一种生物学指标，用来评判 OA 病情进展程度[37-38]。

三、X 型胶原

X 型胶原是一种短链胶原，其组成为 [ α1( X ) ]3，长度大约是 II 型胶原的 50%，由三部分组成：三螺旋区 ( COL )、C 端非螺旋 ( NC1 ) 和 N 端非螺旋区 ( NC2 )，其中 COL 可与 II 型胶原前体纤维相连接，而影响其功能。另外 X 型胶原可能参与软骨内成骨，存在于软骨骨化中心和生长板的基质及肥大的软骨细胞中[39]。X 型胶原通过形成的网格状结构与 II 型胶原纤维发生联系，对关节软骨的众多特性产生影响，进而影响关节软骨的生理功能[40]。

近年来对 X 型胶原的研究，为 OA 的诊断和治疗提供了新的方向和思路。OA 发生发展的早期和晚期都能在软骨表面发现 X 型胶原，但软骨的肥大区和钙化区才是 X 型胶原主要的分布区。软骨细胞肥大和钙化是随着 OA 的发展，关节软骨不断修复、退变形成的，在此过程中与 X 型胶原病理变化有关的细胞主要是肥大软骨细胞，它们包括独立的圆形肥大软骨细胞和聚集在软骨不同分层中的肥大软骨细胞。

研究发现 OA 软骨损伤的最终病理变化为软骨细胞发生肥大变性，如前所述，肥大软骨细胞表达大量 X 型胶原蛋白[41]。X 型胶原的出现改变了细胞外基质的性质，导致血管更容易的进入软骨各层，与此同时，血管侵入因子又影响着 X 型胶原的合成。因此，在 OA 软骨中 X 型胶原既出现在钙化带及其上层，也可在静止层出现；随着 OA 的进展，关节软骨进一步破坏，OA 的更新与表面完整性的破坏与软骨细胞的活性有关，导致在软骨下层出现了 X 型胶原，这些是与未成熟关节软骨相似的。目前的研究表明， X 型胶原被 X 型胶原的新表位或 C 端抗体包裹在细胞外，分布在 OA 软骨的纤维化表层的软骨细胞簇周围[42-45]。这与前面关于软骨细胞在 OA 软骨中沉积的 X 型胶原研究是一致的。

关于 X 型胶原作为 OA 的新治疗位点的研究指出，X 型胶原蛋白 α1既可作为肥大软骨细胞的特异性表达标志物，又可以在软骨细胞胚胎期和机体生长发育过程中促进软骨内成骨和使软骨细胞周围基质钙化，促进骨骼的形成和发育[46-48]，Lu 等[49]通过动物实验证明过表达 RunX2 可以抑制 X 型胶原蛋白的表达，从而延缓 OA 的发生发展。Kim 等[50]研究发现基质细胞衍生因子-1a ( SDF-1a ) 可以促进软骨内成骨过程中软骨细胞的增殖与成熟，使 X 型胶原蛋白的表达增强，加速 OA 的发展。Ishizuka 等[51]的实验中显示 IL-1B 的处理增加了 OA 半月板细胞中 HIF-2a、COL10 和 MMP-13 的表达，HIF-2a 的敲除抑制了 IL-1 介导的 COL10 和 MMP-13 表达的增加，说明 HIF-2a 可通过 MMP-13 的反式激活导致半月板基质降解。Ji 等[52]和 Corciulo 等[53]研究发现抑制造血 PBX 相互作用蛋白，不仅可以减少 OA 中软骨细胞 II 型胶原和基质的降解，而且可以抑制软骨细胞的肥大；外源性腺苷能够抑制 COL10A1 的表达，进而抑制 OA 中软骨细胞的肥大过程。HIF-2a、PBX、腺苷可能会成为 OA 进展期间调节关节软骨和半月板基质降解的治疗靶点。

刘建华[54]进一步研究发现血清 X 型胶原蛋白 α1可作为 OA 软骨损伤的诊断及预后评估的生物学标志物。在 Coghlan 等[55]发现一组包含整个 c1q 结构域和附着的连接体和胶原区域的可变部分的片段被命名为 cxm，是软骨内骨化过程中 X 型胶原的降解产物，是整个生长板活性理想生物标记物。在此研究基础上，有研究表明在血液循环中可以检测到组织蛋白酶 K 产生的 X 型胶原表位合成的特异性肽 ( GIATKGLNGP )，其浓度反映了关节软骨细胞表型的肥厚变化，并显示了 OA 与 RA 的良好分离[37]。

OA 中关于 X 型胶原的研究，在基础水平和临床研究方面都有了进一步的研究进展，主要在 OA 的诊断方面有很大的潜在价值，关于通过调节 X 型胶原来缓解或治疗 OA 的研究非常欠缺，需要进一步研究，为 OA 的诊断和治疗提供新的思路。

四、展望

OA 是一种由多种因素导致的退行性疾病，在其发生发展过程中存在多种关节软骨的胶原蛋白变化，涉及 I 型胶原、II 型胶原、X 型胶原等，主要变现为 II 型胶原的减少和 X 型胶原的增加。正常成年人的关节发 OA 时，关节软骨内 II 型胶原蛋白等的分泌增加，这很可能是机体经过一系列反应使关节软骨发生代偿性的自我修复与补充导致的；随着 OA 的进展，II 型胶原的代偿性修复与补充不足以抵消 II 型胶原的破坏，II 型胶原大量减少，从而表现为关节软骨不可逆的破坏；而 X 型胶原蛋白等异常胶原分泌的增加，则可能是关节软骨细胞受到一系列病理刺激后发生肥大的结果，因此，X 型胶原可作为软骨细胞肥大的标志物之一。目前对 OA 中 II 型胶原的研究基本确定了其在 OA 中的变化情况，且能通过调节 II 型胶原的表达来延缓或治疗 OA，需要将基础研究与临床科研相结合，使其能够实现临床治疗的应用；今后也需要对 X 型胶原在 OA 中的产生、表达及变化情况做更深入的研究，才能更进一步确定其在 OA 中发挥的作用，以期望对 OA 的临床诊断和治疗提供更多有价值的信息。