细胞代谢与骨关节炎发生发展的研究进展

王婧 薛松 马金忠

骨关节炎 （ osteoarthritis，OA ） 是以关节软骨损毁或丢失为主，涉及关节软骨、软骨下骨、韧带、关节囊、滑膜等关节结构的炎症性疾病[1]。OA 根据病因可分为原发性及继发性两类，前者无明显的发病诱因，发病机制不明，年龄及肥胖或为其主要危险因素，后者可由于创伤、机械应力、先天异常、代谢性疾病及其它原有关节疾病等所诱发。然而两者在发展过程中存在着相同的代谢机制，即关节机械负荷、炎症介质及免疫共同推动了关节软骨的损毁，这三者又可在不同程度上受到机体代谢因素的影响，从而进一步造成骨代谢紊乱，破坏关节软骨。

代谢综合征 （ metabolic syndrome，MS ） 是包括肥胖、血脂异常、高血压和糖代谢紊乱在内的一组症候群，可能导致 2 型糖尿病、心血管疾病、脂肪肝等疾病[2]；MS 与OA 有着高度相关的共同发病基础，是 OA 的危险因素之一。肥胖通过关节机械负荷的增加及脂肪因子诱导的全身低度慢性炎症促使 OA 的发生。脂代谢紊乱通过脂质堆积破坏软骨，导致骨密度及骨量的减少。2 型糖尿病也与OA 的发生相关，说明了高糖在 OA 中的重要影响。

在 OA 条件下的软骨及相关组织又因异常关节力学、高表达炎症介质及过度固有免疫发生骨代谢紊乱，进一步促进 OA 的发展。在软骨细胞代谢中，腺苷酸活化蛋白激酶 （ adenosine 5’-monophosphate -activated protein kinase，AMPK ） 及沉默信息调节因子 1 （ silent mating type information regulation 2 homolog 1，SIRT1 ） 活性降低和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白 （ mammalian target of rapamycin，mTOR ） 的活性增强，引发软骨细胞的线粒体功能障碍、氧化应激和炎症，使软骨细胞更新凋亡、组织结构和功能受损[3]。发生炎症反应的滑膜组织会产生更多的蛋白水解酶，释放多种骨吸收相关代谢物。骨吸收与骨形成为骨代谢中的两大生理过程，两者形成动态平衡保持机体的骨稳态，任一方面异常均可导致骨代谢平衡的紊乱，促进 OA的发生发展。

一、脂代谢

脂代谢主要从脂肪因子引发全身低度慢性炎症及胆固醇堆积造成细胞损伤两方面促进 OA 的发生发展。

瘦素是由脂肪组织产生的一种蛋白质，瘦素及其受体主要调控进食及能量消耗，同时参与机体的代谢、炎症及免疫反应。瘦素通过介导白细胞介素-1 （ interleukin-1，IL-1 ）、IL-6 的上调，参与机体的炎症反应；同时，通过诱导基质金属蛋白酶 1 （ matrix metalloproteinase 1，MMP1 ）、MMP13 的表达，瘦素可以激活信号传导及转录激活蛋白 （ signal transducer and activator of transcription，STAT ）、丝裂原活化蛋白激酶 （ mitogen-activated protein kinase，MAPK ）、蛋白激酶 B 和核因子 κB （ nuclear factor κ-B，NF-κB ） 信号通路，促进软骨的分解代谢[4]。在免疫系统中，瘦素可以促进 T 细胞分化，调节免疫功能，参与OA 的发展。在小鼠模型中，瘦素或其受体基因缺陷小鼠被证实在极度肥胖状态下患 OA 的风险仍然不会增加[5]，证明了瘦素在 OA 发展中的重要作用。对于 OA 患者的研究发现，患者血清瘦素水平与 OA 具有相关性[6]。同时，OA 患者的关节滑液瘦素水平与影像学严重程度相关[7]，提示瘦素或可应用于评估 OA 进展。

胆固醇是脂代谢紊乱中促进 OA 发生发展的重要危险因素。高胆固醇会引发慢性炎症反应，并诱发线粒体功能障碍，造成软骨细胞的氧化应激，促进软骨细胞的损伤。体外培养人 OA 软骨细胞的实验中，他汀类药物阿托伐他汀的添加可降低 MMP13 水平，减少软骨降解[8]。在动物 OA 模型中，他汀类药物延缓 OA 发展的作用也被证实[9-11]。Clockaerts 等[12]的研究表明，他汀类药物与膝骨关节炎 （ knee osteoarthritis，KOA ） 进展的减少相关。可以此为基础进一步进行他汀类药物治疗 OA 的临床试验。

过氧化物酶体增殖因子激活受体 （ peroxisome proliferators-activated receptors，PPAR ） 主要由 PPARα、PPARγ 和 PPARβ/δ 3 种亚型组成，差异分布于机体不同部位进行脂代谢的调控。其中 PPARγ 参与调节以胆固醇为主的脂代谢，通过肝 X 受体 （ liver X receptor，LXR ）增加腺苷三磷酸结合盒转运子 A1 （ ATP-binding cassette transporter，ABCA1 ） 的表达，促进软骨细胞胆固醇外流，从而避免脂质沉积、保护软骨[13]。此外，PPARγ 可抑制体内的炎症反应，减少高糖环境对软骨细胞的破坏。Zhu 等[14]的研究中，OA 患者和内侧半月板失稳小鼠的关节软骨表现出明显的 PPARγ 抑制，而使用脱甲基剂恢复PPARγ 表达后软骨损伤减轻。PPARγ 激动剂如冬凌草甲素、芒果苷也可降低软骨细胞中 IL-1β 介导的炎症反应，对 OA 的治疗有着积极作用[15-16]。

此外，ω-3 多不饱和脂肪酸也与软骨的组成相关。摄入 ω-3 多不饱和脂肪酸可能通过改善在 OA 关节升高的ω-6 与 ω-3 比例从而对 OA 具有保护作用[17-18]。其疗效仍有待临床进一步研究。

二、糖代谢

糖代谢紊乱对 OA 有着促进作用，高糖主要通过氧化应激、胰岛素抵抗及晚期糖基化终末产物 （ advanced glycation end products，AGEs ） 的积累，上调炎症因子、水解蛋白酶，对关节造成损伤[19-20]。

荟萃分析中，2 型糖尿病显示了与 OA 的正相关性[21]。胰岛素抵抗会在局部促进炎症，并诱发全身低度炎症状态，促进 OA 的发展。同时，胰岛素抵抗常作为肥胖的并发因素与之共同推动 OA 的发展。但胰岛素对于 OA的作用尚存争议。高胰岛素血症会导致甲状腺激素下调，从而抑制软骨细胞的分化[22]。而 Al-Jarallah 等[23]的研究中，接受胰岛素治疗的 2 型糖尿病患者 OA 骨赘生成进展有所延缓。另一项基于 1 型糖尿病大鼠的研究也显示胰岛素和钒的合用可减少糖尿病诱导的 OA 的发生[24]。

AGEs 是非酶糖基化反应的终末产物，随年龄增长在机体中累积，与多种老年退行性疾病相关。在 OA 中，AGEs 通过降低软骨胶原结构弹性、上调促炎因子水平、降低金属蛋白酶分解等作用加速软骨的磨损[25]。针对晚期糖基化终末产物受体 （ receptor of advanced glycation endproducts，RAGE ） 的研究中发现 OA 软骨中 RAGE 增加，进而上调软骨细胞 MAPK 和 NF-κB 活性，并增加了MMP13 的表达[26]。Li 等[27]的兔 OA 模型表明，AGEs 升高可加重运动引起的软骨降解，而吡格列酮治疗对其有效。AGEs 抑制剂在随机双盲对照研究中也显示出减轻患者疼痛及炎症，恢复其活动功能的疗效[28]。

三、骨代谢

骨吸收与骨形成是机体调节骨代谢的两大生理过程，在正常生理情况下两者的动态平衡有助于机体的骨稳态，在 OA 的病理生理条件下，骨吸收与骨形成在疾病的不同阶段分别被激活或抑制，导致骨代谢平衡的紊乱，加剧OA 的发展。

1. 骨形成代谢：骨保护素 （ osteoprotegerin，OPG ） 可与核因子 κB 受体活化因子配体 （ receptor activator for nuclear factor-κB ligand，RANKL ） 竞争性结合核因子 κB 受体活化因子 （ receptor activator for nuclear factor-κB，RANK ），调节骨吸收。在 OA 早期，RANKL 占据主要地位，破骨增强，表现为骨及软骨破坏；在 OA 晚期，OPG 的表达增加，破骨被抑制，表现为骨增生。Tat 等[29]的研究表明，雷奈酸锶可通过降低人 OA 成骨细胞吸收活性，抑制 OA 过程中软骨下骨的再选择。同样，Zhang 等[30]的研究发现阿仑磷酸盐可以通过抑制破骨细胞，增强骨质量，发挥软骨保护作用。因此，可以在 OA 早期以降低骨吸收作为 OA 的靶向治疗思路。

骨钙素 （ osteocalcin，OCN ） 不仅对机体钙的生成与维持具有重要作用，同时也参与了机体抗衰老的过程。OCN可以通过降低如肿瘤坏死因子-α （ tumor necrosis factor-α，TNF-α ）、IL-1 等炎症因子的水平发挥抗感染功能。同时OCN 通过促进胰岛 B 细胞增生及胰岛素分泌降低血糖，减少 AGEs 的累积。瘦素及脂联素等脂肪因子也受到 OCN的刺激上调，从而参与 OA 的发展。研究表明 OA 患者的OCN 伴随 OA 进展而升高[31]，并且在手部 OA 患者中 OCN的浓度与其严重程度呈正相关[32]，但也有研究表明 OCN与 OA 无显著相关性甚至有相反的结果[33-34]，需要对其进一步的研究。

透明质酸 （ haluronic acid，HA ） 可以促进软骨的生成和修复。但有证据表明透明质酸与 CD44 结合可促进细胞外基质的降解及软骨的退化[35]。虽然 HA 在 OA 进展中的机制目前尚不明朗，但已有注射 HA 对于 OA 疗效的研究，证实 HA 或可以作为早期 OA 的治疗方式之一[36-37]。尽管美国骨科医师学会指南和国际骨关节炎研究学会指南都不建议将 HA 作为 OA 的治疗方式，但由于大部分研究缺乏系统定量和统一标准，HA 对于 OA 的疗效仍值得更广泛的系统评估。

2. 骨吸收代谢：Ⅰ 型胶原 C 末端肽 （ C-terminal cross linked peptide-Ⅰ，CTX-Ⅰ ） 是 Ⅰ 型胶原的分解产物，是检测骨吸收的指标之一。Cibere 等[38-39]的研究中，尿液中CTX-Ⅱ 升高增加 KOA 的风险，其浓度被证明与 OA 进展呈正相关，且其与软骨合成指标的比值能更好地判断 OA的进展[38]。但尿液中 CTX-Ⅱ 的特异性尚有待提升，可以作为辅助标志物与其它标志物如甲壳质酶蛋白-40 综合对早期 OA 进行诊断评估[40]。在应用层面，Park 等[41]开发了氟微球引导芯片用以测定血清和尿液中的 CTX-Ⅱ，有助于 CTX-Ⅱ 在诊断 OA 的实际应用。

MMPs 是一类可以降解细胞外基质的蛋白酶，多种亚型可在 OA 中引起软骨细胞外基质中 Ⅱ 型胶原蛋白的降解。亚洲人群中，MMP1，MMP2 和 MMP9 蛋白的表达增加可能与 OA 的发病有关[42]。上调 MMP13 的表达会提高KOA 的易感性，加剧 OA 的严重程度[43]。Baragi 等[44]的研究中，选择性 MMP13 抑制剂在 OA 大鼠模型中显示出软骨保护作用并可能缓解疼痛。组蛋白脱乙酰基酶抑制剂也可通过下调 MMP13 的表达减缓 OA 中的软骨降解[45]。

3. 钙磷代谢：钙磷代谢通过调控骨骼及血中钙、磷的分布，参与调节骨形成及骨吸收的动态平衡。

降钙素 （ calcitonin，CT ） 可抑制机体的破骨活性、增强成骨活性，促进钙盐沉积。在 OA 大鼠模型中，CT 通过增加转化生长因子-β1 （ transforming growth factor-β1，TGF-β1 ） 的表达减弱了 OA 的发展，并降低疼痛[46]；CT也可能通过阻止 IL-1β 作用，保护大鼠软骨细胞[47]。两项随机双盲多中心对照试验评估了口服鲑鱼降钙素 （ salmon calcitonin，sCT ） 在 OA 患者中的疗效，结果显示其疗效无统计学意义[48]。但有研究显示，sCT 联合 ω-3 脂肪酸在动物 OA 模型中具有较好的疗效[49]，体现了 sCT 作为联合治疗用药的潜力。

甲状旁腺激素 （ parathyroid hormone，PTH ） 是甲状旁腺分泌的多肽激素，可使血钙水平升高，血磷水平下降。PTH-1-34 治疗可以通过增加自噬、减少软骨细胞的终末分化和凋亡，减轻大鼠 OA 进展[50]。Morita 等[51]的研究表明，PTH 的使用减少了大鼠软骨下骨中肥大细胞的数量，改善了软骨下骨微结构，从而延缓了 OA 的进展。也有不同意见认为 PTH-1-34 引起钙化软骨层变宽，导致骨关节炎性软骨变性，可能引发早期 OA[52]，其在 OA 不同阶段具体机制仍有待进一步探索。

维生素 D 可促进体内钙、磷的吸收，有利于骨形成。缺乏维生素 D 会增加患 KOA 的风险；而 1,25-二羟基维生素 D3 通过降低 MMP 的表达，可促进软骨损伤愈合。多项研究证实了维生素 D 对 OA 有着积极的治疗作用。Manoy等[53]的研究显示，KOA 患者在接受维生素 D2 治疗后疼痛减轻并得到握力和身体功能的改善。一项观察性队列研究显示，在维生素 D 补剂治疗后，血清 1,25-二羟基维生素 D3 水平较低的患者在 OA 严重程度和疼痛评分、整体健康方面均得到改善[54]。

四、其它代谢

叶酸在 OA 的发展中有着一定推动作用。通过对其作用机制的研究发现，叶酸缺乏会导致同型半胱氨酸的累积，前后两者可共同导致氧化应激、细胞内钙超载，后者还可造成破骨活性上调，成骨活性下降，以及骨基质的直接破坏[55]。Hsu 等[56]的研究证实叶酸缺乏会阻碍滑膜细胞生长并促进其凋亡，同时，缓解叶酸缺乏可降低活性氧过剩，减少细胞内钙的释放并减弱滑膜细胞的凋亡，证明了叶酸缺乏在 OA 发展中的推动作用。

腺嘌呤通过对于自噬的影响促进 OA 的发生发展。OA兔模型显示自噬在 OA 早期增强，而在晚期则减弱，而自噬特异性抑制剂 3-甲基腺嘌呤显著促进了软骨细胞和软骨的变性[57]。同样，腺苷可通过介导炎症的抑制、抑制分解代谢蛋白 MMP13 减缓 OA 的进展[58]。Corciulo 等[59]的研究显示，采用关节内注射含腺苷的脂质体悬浮液、置换腺苷的治疗方法可防止大鼠 OA 的发展；细胞外腺苷水平的降低会促进 OA 的发展，故靶向腺苷受体或可成为预防、治疗 OA 的靶点。

SIRT 的表达与年龄相关，并主要通过与自噬相关基因 7 作用调节自噬，参与 OA 的进程。SIRT1 的缺乏会导致软骨细胞肥大和软骨基质丢失。SIRT1 敲除的小鼠表现出更快的 OA 进展[60]，且有研究表明 SIRT1 表达与 KOA的严重程度呈负相关[61]，提示了 SIRT1 的保护作用。在炎性应激的软骨细胞中，SIRT1 会被裂解为无活性的 N 末端（ N-terminal，NT ） 多肽和 C 末端 （ C-terminal，CT ） 分段，而早期 OA 患者中血清 NT / CT SIRT1 比升高[62]，提示其可以作为早期 OA 的诊断标志。Guo 等[63]的研究中，褪黑素可分别在体外及体内通过抑制 SIRT1 依赖性烟酰胺磷酸核糖转移酶和高渗诱导因子信号转导，下调 IL-1β 诱导的 MMP 生成。白藜芦醇可激活 SIRT1 从而抑制缺氧诱导因子-2α （ hypoxia inducible factor-2α，HIF-2α ） 表达，预防OA 软骨的破坏[64]。二甲双胍可通过激活 AMPKα / SIRT1信号，抑制小鼠 OA 模型中的细胞外基质降解，延缓 OA进展[65]。上述实验均显示了 SIRT1 作为 OA 治疗靶点的可能性。

五、讨论

OA 作为一种好发于中老年的失能性疾病，在如今老龄化的社会需要得到更多的关注。目前 OA 在疾病的早期检测与治疗方面均无较高的特异性，无法有效地满足患者的需求。OA 的诊断大多依赖于临床症状，影像放射检查往往滞后于临床进展；而其治疗主要着重于锻炼、减轻体重等非药物治疗及非甾体类抗炎药 （ nonsteroidal antiinflammatory drugs，NSAIDs ） 或一些补剂的对症治疗，并无通用的靶向治疗方案。现有研究表明细胞代谢在 OA的发生发展中发挥了重要的作用，对不同类型的代谢物进行进一步筛查及研究或可有助于在早期更准确地诊断疾病，针对相关靶点进行精确化治疗，并对患者的预后做出准确判断。然而，机体的代谢是有机调控的网络，单一代谢通路或代谢物在 OA 的发生发展中可能在不同阶段产生多重作用。依据单一的代谢通路或代谢物进行诊断、治疗和预后判断是不可取的，需要结合多条代谢通路及相关代谢物进行研究，按照 OA 的病理生理进程分阶段进行诊断、治疗及预后判断的优化，达到更好的临床应用效果。