代谢综合征与骨关节炎关系的研究进展

许吉昊 季明亮 任可 陆军

一、骨关节炎(osteoarthritis，OA) 与代谢综合征的概述

OA 的主要症状是疼痛，据估计全球患病人数超过 2.5 亿，每年对于该病的医疗支出超过 1850 亿美元[1]。中老年人多发，最常见的发病部位是膝关节，其次是手部和髋关节，女性的发病率高于男性[2]。Wallace 等[3]通过研究大量美国成人遗骸后发现，OA 的发病率自 20 世纪中期以来增加超过 2 倍，然而，有证据表明，寿命延长可能不是 OA 发病率升高的惟一原因，与多数疾病一样，OA 的发病机制涉及基因和环境之间的相互作用，从某些层面上来说，OA 也符合生物学家所谓的“错配疾病”( mismatch disease) 的概念，例如人们生活质量的提高以及现代化生活方式的改变所致的肥胖症的流行是 OA 公认的一个危险因素。还值得注意的是在老年患者中，往往会存在一种或多种共病，国外的一项研究显示，半数以上的老年 OA 患者患有高血压，其次是心血管疾病(20%)、血脂异常 (19%) 、糖尿病(14%) 等[4-5]。

代谢综合征是一种由环境因素与遗传缺陷相互作用而导致的疾病，该病发生的核心是胰岛素抵抗[4]。这种新的非传染性疾病已成为现代社会的主要健康威胁，对于代谢综合征的定义各地区、组织间略有不同，而用于调查和医疗保健工作最为流行的是 1999 年 WHO 定义代谢综合征为：存在胰岛素抵抗并存在肥胖、甘油三酯水平升高、高密度脂蛋白水平降低或高血压中至少 2 项。针对中国人群特点，2017 年版的中国 2 型糖尿病防治指南规定诊断代谢综合征需具备以下至少三项：( 1) 腹型肥胖(即中心型肥胖)：腰围男性 ≥ 90 cm，女性 ≥ 85 cm；(2) 高血糖：空腹血糖 ≥ 6.l mmol / L 或糖负荷后 2 h 血糖 ≥ 7.8 mmol / L和(或) 已确诊为糖尿病并治疗者；( 3) 高血压：血压 ≥ 130 / 85 mm Hg(1 mm Hg = 0.133 kPa) 及(或) 已确认为高血压并治疗者；( 4) 空腹甘油三酯 ≥ 1.70 mmol / L；( 5) 空腹高密度脂蛋白 < 1.04 mmol / L。代谢对软骨和滑膜关节功能有重要影响。在不利的微环境条件下，哺乳动物细胞的细胞代谢经历了从静息调节状态到高代谢激活状态的转换，以维持能量稳态。这一现象也导致了炎症和降解蛋白生物合成的代谢中间体的增加，进而激活了参与分解代谢过程的关键转录因子和炎症信号通路，并使发病机制的驱动因素持续存在[6-7]。国外已有研究认为异常的免疫代谢是 OA 发病的重要特征，并提出了代谢性 OA 可能是 OA 的一种新亚型[8]。

OA 与代谢综合征有着密切的共病关系，通过对 7714 例统计可知代谢综合征在 59% 的 OA 患者和 23% 的未患 OA 的人群中流行，研究还发现，无肥胖等代谢相关问题的人群发生膝关节 OA 的风险仅为 9.6%，而肥胖人群，尤其是女性发生膝关节 OA 的风险高达 23.8%[6]。虽然代谢综合征与 OA 的具体关系尚不清楚，但是已有越来越多的证据支持了代谢性 OA 是系统性代谢紊乱的一部分。

肥胖是 OA 的重要危险因素，长期以来致软骨的缺失，骨赘的产生也被认为是骨的保护作用和为了稳定关节的反应过程，然而调查发现这类患者如手部这样的非承重部位的 OA 发病率也出现了显著的升高[9]。临床和动物研究结果表明，这种联系更有可能与代谢和免疫相关的全身及局部炎症的增加有关。Engström 等[10]通过对 1991 年到 1994 年共 5171 例的一项队列研究结果，提示患有代谢综合征的肥胖患者患膝关节和手部 OA 的风险和严重程度增加。以上研究均表明，代谢综合征与 OA 的发病密切相关，除了超重带来的额外机械应力作用以外，代谢综合征还能通过其它多种途径影响 OA 的发生。代谢综合征通过影响脂肪因子水平、诱导巨噬细胞极化、改变肠道与肥胖相关的慢性低度炎症也被确定为代谢综合征患病率增加的重要促成因素[9]。脂肪细胞是脂肪组织主要成分，可以分泌生理活性分子和炎性细胞因子，这些分泌产物被称为脂肪因子。脂肪因子在代谢活动中发挥重要的生理作用，以膝关节为例，髌下脂肪垫(infrapatellar fat pad) 是膝关节滑液中脂肪因子的主要来源，脂肪细胞在衰老和肥胖的过程中也会在骨髓中积累，其脂肪因子可作微生物菌群组成与 OA 的关系及机制。

二、脂肪因子与 OA

人们已经逐渐认识到 OA 是一种关节处于持续低度炎症状态的疾病。肥胖，尤其是内脏脂肪的扩张，会导致全身的慢性低度炎症[11-12]，其也是参与软骨细胞衰老的相关分泌表型因子(senescence associated secretory phenotype factors，SASPs)[13]，脂肪因子参与调节了全身和局部关节相关的自身免疫和(或) 炎症过程，因此，代谢综合征导致促炎性脂肪因子的分泌失调是介导关节病变的重要触发因素。

1. 脂联素是一种由脂肪细胞分泌的激素，也被称为 Acrp30(30 kDa 脂肪补体相关蛋白)、apM1(脂肪组织最丰富的基因转录产物)、GBP28(28 kDa 明胶结合蛋白) 或 AdipoQ(高纯度的重组蛋白)[14]。脂联素主要通过两种受体发挥作用，分别是存在于骨骼肌中的 AdipoR1 和主要存在于肝脏中的 AdipoR2，当脂联素与其受体结合后会导致腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)、PPAR-α 和 PPAR-γ 等信号通路的激活[15]。脂联素对抗动脉粥样硬化和糖尿病有着重要作用，与代谢综合征有着紧密的联系，在病理性肥胖的患者和代谢综合征的患者以及胰岛素抵抗的动物模型 中[16]循环脂联素的水平明显降低。脂联素可能对软骨细胞有抗炎作用，从而保护软骨免于退化。研究表明经脂联素治疗的原代软骨细胞上调了金属蛋白酶组织抑制因子-2，下调 IL-1β 介导的人基质金属蛋白酶-13(MMP13) 基因表达，经脂联素处理大鼠关节软骨细胞通过 AMPK / m-TOR 诱导自噬，并减弱了 H2O2诱导的凋亡[17]。Landgraeber 等[18]应用免疫组织化学方法检测关节置换术后无菌性松动患者和非松动患者的脂联素水平及其受体和细胞凋亡情况，此外还通过建立脂联素基因敲除小鼠模型验证了脂联素在颗粒诱导的骨溶解中起重要作用。目前的证据均表明，高水平的脂联素对代谢综合征的发生和 OA 关节置换术后的假体松动起到保护作用。

2. 瘦素主要由脂肪细胞产生，其水平主要取决于白色脂肪组织(white adipose tissue) 的质量，部分炎症因子也可调节瘦素的水平[19]。瘦素及其受体(leptin receptor，Ob-R) 均可在软骨细胞中检测到，瘦素对免疫系统而言是强有力的调节剂，此外它还具有影响食物能量的摄入，骨与软骨的代谢等功能[12,20]。瘦素与代谢综合征密切相关，研究发现在男女代谢综合征患者中都观察到了高瘦素血 症[21]。随着证据的积累，循环瘦素水平被认为是代谢综合征发展的肥胖依赖性预测因子，这可能与葡萄糖不耐受和胰岛素抵抗的发展有关。Dumond 等[22]证明了与健康对照组相比，OA 患者的血清、髌下脂肪垫、滑膜组织和软骨中的瘦素水平升高。Gómez 等[23]最近也发现了瘦素也可诱导软骨细胞中 MMP13、IL-6、IL-8、一氧化氮(NO)、一氧化氮合酶(NOS)、前列腺素 E2(PGE2) 和环氧合酶-2(COX2) 等促炎因子表达，从而促进软骨降解。这些证据有力地证明了瘦素与 OA 之间的联系。

3. 脂质运载蛋白-2 是一种糖蛋白，尽管与脂联素、瘦素相比，脂质运载蛋白-2 的相关研究较少，但它也是一种具有重要免疫调节能力的脂肪因子。脂质运载蛋白-2 在代谢综合征中扮演了重要角色，肥胖患者的脂质运载蛋白-2 浓度普遍增加，经噻唑烷二酮治疗后可降低[23]。循环中脂质运载蛋白-2 水平与肥胖、高血糖、胰岛素抵抗和高甘油三酯血症呈正相关，与高密度脂蛋白水平呈负相关[24]。在成骨细胞中，脂质运载蛋白-2 在缺乏机械负荷的情况下由肿瘤坏死因子-α(TNF-α) 和 IL-17 诱导，刺激破骨因子、激活核因子 κB(NF-κB) 信号通路和 IL-6 促进骨代谢。然而在小鼠软骨中过度表达脂质运载蛋白-2 并未诱导 OA 的发病，并且敲除脂质运载蛋白-2 也不会影响由小鼠内侧半月板失稳诱导的软骨破坏[25]。脂质运载蛋白-2 与人类 OA 的关系仍需一步阐明。

三、代谢综合征诱导巨噬细胞极化

1. 巨噬细胞是 OA 的关键效应细胞，它是一种具有显著可塑性的细胞，主要有两种激活类型：由促炎因子诱导的 M1 型和具有抗炎保护作用的 M2 型，滑膜和脂肪组织中巨噬细胞向促炎 M1 表型的倾斜被认为在 OA 的发病机制中起作用[26]。早期的证据来自胶原酶诱导的小鼠 OA 模型，当巨噬细胞在 OA 模型诱导前被消融，骨赘的形成可减少 84%[27]，最近 Kraus 等[28]通过 SPECT-CT 也证实了活化的巨噬细胞直接参与了人类 OA 滑膜炎的发展。巨噬细胞的增殖、可塑性和极化是由也受代谢综合征影响，代谢综合征可通过多种分子机制如细胞代谢紊乱和脂肪因子水平变化来促使巨噬细胞从 M2 表型向 M1 表型的转变，在脂肪、肝脏和肌肉等代谢组织中均可观察到这种变化。

2. 巨噬细胞激活并向滑膜浸润是由关节初始损伤引起的，释放大量损伤相关分子模式(damage-associated molecular patterns，DAMP) 并由巨噬细胞所表达的模式识别受体识别，随后活化 NF-κB 信号通路，产生 TNF、IL-6、IL-1β 等炎性介质，释放的炎性介质又会进一步导致成纤维细胞样滑膜细胞活化，产生基质金属蛋白酶 (MMPs) 和 Ⅰ 型血小板结合蛋白基序的解聚蛋白样金属蛋白酶(a disintegrin and metalloprotease with thrombospondin 1 repeats，ADAMTS) 从而导致软骨的降解[29]。与此同时，活化的巨噬细胞和成纤维细胞又能释放趋化蛋白募集循环中的单核细胞浸润至滑膜，这些单核细胞分化成了巨噬细胞[30]，如此往复，OA 患者关节内绝大多数巨噬细胞最终向促炎的 M1 表型倾斜。巨噬细胞还可通过 AMPK 和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白-1(mTORC1) 感知代谢紊乱水平。大量研究表明，代谢综合征的存在降低了 AMPK 的水平[17]，巨噬细胞也因此通过低氧诱导因子-1(HIF-1) 增加细胞无氧糖酵解，使活性氧的产生增多，激活了 NF-κB 信号通路，最终导致巨噬细胞向 M1 表型极化，加速了 OA 的进展。蛋白激酶 B(AKt) 是一种对细胞存活和凋亡起关键作用的蛋白激酶，可上调如 Ym1、Arg 和 Fizz1 等对巨噬细胞 M2 表型极化极其重要的基因，也能下调 PRR 和 Toll 样受体 4(Toll-like receptors-4，TLR4) 产生所必需的 Forkhead 转录因子 1(FOXO1) 来抑制巨噬细胞 M1 表型极化，而肥胖和营养过剩会促使 mTORC1 过度活化，从而抑制 AKt 的表达[31]，最终导致巨噬细胞的 M2 表型极化缺陷，促进 OA 相关基因表达，最终诱导 OA 的形成。

3. 除了影响关键的营养传感器，多项研究还表明了代谢综合征可直接作用于晚期糖基化终产物(advanced glycation end products，AGEs)[32]和游离脂肪酸[33]以影响巨噬细胞的功能。AGEs 在正常软骨组织中负责改变生化特性，在高血糖的作用下，AGEs 自我改变能力降低，巨噬细胞上的 AGEs 受体识别 AGEs，激活 NF-κB 信号通路，促使 TNF 和 IL-1β 转录增多，最终导致巨噬细胞向着 M1 表型极化倾斜。游离脂肪酸也处在类似的境况之中，当机体营养过剩时，健康的脂肪细胞过度膨胀，脂肪细胞无法安全储存脂质，过量的脂质以游离脂肪酸的形式存在，游离脂肪酸与 TLR4 结合导致大量促炎因子释放，巨噬细胞 M1 / M2 表型比例升高。由此可见巨噬细胞极化的失平衡也是代谢综合征和 OA 之 间的一个重要共同机制。

四、肠道微生物菌群与 OA

1. 人体的消化道是一个富含营养，内蕴无数微生物的巨大生态系统，消化道的总面积可达 250～400 m2，在广袤的肠道内生活着大量细菌，它们对人体的免疫、代谢和内环境稳定有着重要的作用[34]。肠道微生物菌群的失调主要指：有益菌减少、致病菌增多或总体生物多样性减少，而营养过剩、使用微生物制剂或免疫功能障碍导致的体内微生物群平衡机制变化是许多疾病产生的基础。目前已经有许多研究证实了肠道微生物与 OA 发病相关。Guss 等[35]利用持续负重诱导小鼠软骨损伤，其中长期使用抗生素的小鼠，软骨损伤远低于其它组小鼠，这说明针对肠道菌群的治疗对缓解 OA 的软骨损伤有效。Boer 等[36]发现肠道中链球菌丰度与关节疼痛评分呈正相关，且与关节局部炎症程度(积液量评估) 呈正相关，以此推测链球菌可能是通过增加局部炎症而使得疼痛加重。由此可推断，肠道微生物菌群可能与 OA 的发病和临床表现有关。

2. 膳食纤维支配着肠道微生物群的代谢，并能预防糖尿病和冠心病等疾病。还有数据表明肠道微生物群可通过脂多糖 - 内源性大麻素系统调节环决定脂肪组织生理学特征，并可能在肥胖期间对脂肪组织可塑性具有关键作 用[37]。Wang 等[38]又发现肥胖小鼠经益生菌目改善肠道微生物菌群的组成后，代谢相关疾病均有好转趋势。以此为基础，多项研究使用益生元补充剂来调控肠道微生物群从而证实其与全身炎症、代谢失调和宿主疾病之间的因果关系[39]。益生元的主要成分是纤维素，对细菌的活化和生长起重要作用， 如难消化的低聚纤维果糖在进入结肠之前不会被代谢或吸收，而是通过胃肠道，在结肠中被不同种类的常驻微生物群落发酵。由此可见，低聚果糖和其它类似益生元的宿主效应依赖于肠道微生物群发挥的生物作用。由于益生元能够预测性地改变肠道微生物菌群，而不会对宿主产生直接影响，因此益生元已成为重要的研究试剂，揭示了肠道微生物与宿主的关系。在此背景下 Schott 等[40]在对高脂饮食喂养的小鼠以低聚果糖治疗后发现它们丢失了大量双歧杆菌，而这种肠道微生物群的变化可以直接影响肠道上皮通透性和屏障功能完整性，使得小鼠循环中包括 KC、MIP-IB、M-CSF、Tnf 以及 IL-12 等促炎细胞因子水平下降，这一发现有力地表明了肠道微生物群对全身或局部的炎症反应有着深远的影响

3. Steves 等[41]发现了肠道菌群可通过影响宿主代谢的潜能及其先天和适应性免疫系统来改变个体的炎症状态。据报道，日常饮食中的维生素、镁、尤其是氨基酸对肠道微生物菌群，特别是厚壁菌 / 拟杆菌的比例有着显著的影响，同时也与 OA 的发病有关，这正是因为肠道微生物菌群丰度的改变可导致肠道内皮上的微生物相关分子模式 (MAMPs) 向体循环的移位增加。微生物多糖包括脂多糖、肽聚糖和细菌 DNA 等因子可以通过刺激骨、软骨和滑膜的常驻物菌群各细菌丰度的变化与滑膜中合成免疫复合物的沉积[42]。肠道微生物群和先天免疫系统可以作为一个复杂的整体发挥作用，先天免疫系统可以塑造肠道微生物群，肠道微生物群又具有免疫激活的功能，Ulici 等[43]、Cheng 等[44]发现了 NLRP3 炎症体或 TLR5 的基因修饰会导致葡萄糖代谢受损，这与肠道微生物群结构的改变密切相关，这进一步验证了上述观点。同时在患有肥胖症或代谢紊乱的小鼠和人体中也观察到肠道微生物群结构的改变、TLR 配体水平的升高和 TLRs 的过度表达[44]。因此，肠道微生物菌群已被证实是 OA 发病机制中相关免疫触发的一项重要原因。最近 Huang 等[45]通过向无菌小鼠移植 Met-OA 患者粪便，经 16S rRNA 基因测序与基因集富集分析发现，肠道微生物群丰度改变趋势与 OA 的组织学严重程度和炎症生物标志物密切相关，证明了肠道微生物菌群在 OA 的发生中所扮演的重要角色。

五、小结

既往对 OA 发病机制的认识仅停留在“磨损”上，随着大量新证据的积累，全身和局部的“慢性低度炎症”在 OA 中的重要性开始受到重视。尽管在最近的几项回顾性研究中，对于代谢综合征及其具体组分(高血压、高血糖、高血脂) 与 OA 的相关性仍存在争议[46-47]，但是诸多代谢综合征可以通过影响脂肪因子的水平和巨噬细胞的极化，为 OA 的病理生理学提供了一个允许的炎症环境，还能通过改变肠道微生物菌群的组成激活宿主的天然免疫，为 OA 与代谢性炎症间的联系提供了一个统一的机制。作为临床医师，通过对代谢综合征和 OA 之间关系的认识，有助于未来对此类患者更好地开展早期诊断和预防工作，改善患者的预后，有效提高患者的生活质量。