骨关节炎滑膜病变机制研究进展

黎柏军 郑洁 杨锋 袁普卫 董博

骨关节炎 ( osteoarthritis，OA ) 是多因素如劳损、创伤、肥胖、生物力学改变或基因易感性导致的慢性复杂肌肉骨骼疾病，因其慢性退行性关节改变及周围软组织慢性损伤又可称为退行性关节炎，是临床最常见的骨关节疾病，也是导致中老年人疼痛甚至残疾的主要原因。研究显示，我国 40 岁以上人群的 OA 患病率约为 38.46%，据估算，到 2030 年，OA 患病人数或可达 4 亿人。OA的临床症状表现为关节疼痛、肿胀、僵硬甚至运动功能障碍。OA 常是多组织损伤所致，涉及关节和半月板、软骨的变性破坏，软骨下骨的硬化、骨赘形成以及越来越被重视的滑膜病变。因 OA 发病机制的不确定性及多样性，导致 OA 治疗通常是以药物口服或关节腔注射药物缓解症状为主，大多治标不治本，OA 晚期严重时甚至需要更换关节，给患者生理及心理带来极大的痛苦。

滑膜 ( synovial membrane，SM ) 是覆于关节囊内面的特殊疏松结缔组织，由内膜层 ( 衬里层 ) 和内膜下层组成，内膜主要有巨噬细胞样滑膜细胞 ( macrophage-like synoviocytes，MLS )、成纤维样滑膜细胞 ( fibroblast-like synoviocytes，FLS ) 及少量树突样滑膜细胞 ( dendritic-like synoviocytes，DLS ) 组成，内膜下则含有散在的血管、淋巴管、神经纤维、脂肪细胞和纤维细胞、少量淋巴细胞或巨噬细胞。滑膜细胞产生的润滑素和透明质酸，参与滑液的组成，且滑膜作为半渗透膜，可控制分子进出关节腔，维持滑液成分，润滑关节表面减少摩擦，并为没有血管的关节软骨提供营养，保持其正常生理状态。越来越多研究表明，滑膜病变的病理产物对推动 OA 的发生发展起重要作用，干预早期滑膜病变或可延缓 OA 的发生发展。关节内其它组织异常可造成滑膜细胞增殖、滑膜巨噬细胞和淋巴细胞浸润、病理性血管增生和滑膜纤维化等，而滑膜一系列炎症反应又可导致多种细胞因子和趋化因子的合成与释放，对软骨及关节周围组织具有分解代谢作用，加剧软骨退化，加速病理性血管的形成等，使 OA 处于恶性循环之中。

一、OA 中滑膜组织病理改变

1.滑膜增生及滑膜纤维化：大量研究表明，在 OA发生的早期就已存在滑膜病变，现代成像技术如超声、MRI、关节镜可较直观的检测出早期滑膜病变情况。目前研究认为滑膜组织中滑膜衬里细胞增生、滑膜增厚、滑膜纤维化与 OA 的发生发展存有密切联系。炎症因子表达与滑膜增生存在联系并且炎性增生可早于滑膜炎性分泌，FLS 是滑膜组织中的主要细胞，滑膜增生则主要是 FLS 增殖所致，原因可能是当关节内环境炎症细胞因子如肿瘤坏死因子 α ( tumor necrosis factor α，TNF-α )、白介素 1 ( interleukin 1，IL-1 ) 等表达过高时，会刺激 FLS 增殖加快或凋亡减少，滑膜组织增生并加速释放相关促炎因子。另外，关节软骨机械运动和化学降解产生的“软骨磨损颗粒”会被滑膜的 FLS 吸附并吞噬，诱导 FLS 显著增殖并且刺激滑膜细胞中促炎介质如白介素 6 ( interleukin 6，IL-6 )、一氧化氮 ( nitric oxide，NO )、前列腺素 E-2( prostaglandin E2，PGE2 ) 等介质释放。NO 可降解基质金属蛋白酶，抑制胶原蛋白和蛋白多糖的合成，参与细胞凋亡，诱发炎性反应，PGE2 还可使血管舒张，增加关节局部血流量导致关节滑膜急性炎症，局部红肿、发热。滑膜纤维化通常发生在 OA 发展阶段的后期，是导致关节僵硬及功能受限的主要原因之一。有研究通过体外共培养巨噬细胞焦亡与滑膜成纤维细胞，发现细胞焦亡诱导的 FLS 中的纤维化标志物：转化生长因子 β ( transforming growth factor β，TGB-β )、2-酮戊二酸 5-双加氧酶 2、Ⅰ 型胶原 α1 和金属蛋白酶组织抑制剂 1 的表达水平显著增加，说明细胞焦亡可能促进滑膜纤维化。

2.病理性血管生成：OA 滑膜炎导致病理性血管生成，滑膜或骨软骨连接处的异常血管生长会加重关节腔内的炎症反应。血管内皮生长因子 ( vascular endothelial growth factor，VEGF ) 是一种有效的血管生成刺激剂，可通过影响血管的通透性，加速细胞外基质变性、血管内皮细胞迁移和增殖从而诱导病理性血管生成。滑膜组织中巨噬细胞浸润产生 VEGF 是导致滑膜病理性血管生成的主要原因，且 OA 的 FLS 产生的细胞因子、趋化因子等介质可激活 VEGF 表达，通过增强血管内皮通透性使血浆外渗参与关节炎症反应。有研究认为，滑膜血管病理性增生与滑膜增生导致的关节微环境改变相关，原因是滑膜增生使关节腔内耗氧增加，滑膜增生超过血管增加的程度后，关节腔内氧张力降低，缺氧诱导因子-1α ( hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α ) 增加，HIF-1α 增加 VEGF 的表达促进滑膜病理性血管生成。也有实验发现，在 OA 的滑液中结缔组织生长因子 ( connective tissue growth factor，CTGT )和 VEGF 明显增多，CTGT 可通过激活 PI3K / AKT 和 NF-κB等通路上调 miR-210 表达来诱导 HIF-1α 依赖性 VEGF 的表达增加，导致病理性血管生成增加。另外，内皮祖细胞 ( endothelial progenitor cells，EPC ) 可能也参与了血管的生成，脂肪因子内脂素可增强 FLS 中的 VEGF 表达并促进EPC 增值迁移以及血管生成。

3.滑膜巨噬细胞焦亡：目前，相关研究表明，滑膜巨噬细胞焦亡诱发滑膜炎性改变并加速 OA 的发展，细胞焦亡不同于细胞凋亡及坏死等细胞死亡方式，是一种由半胱天冬酶 ( caspase ) 介导的程序性细胞死亡，属于天然免疫防御系统。细胞肿胀破裂后释放出炎性内容物激活炎症反应，NLRP3 ( nod-like receptor protein 3 ) 炎症小体可激活caspase1 并诱导细胞焦亡。Zhang 等在膝关节骨关节炎( knee osteoarthritis，KOA ) 模型小鼠关节内注射 caspase1抑制剂，抑制滑膜巨噬细胞焦亡，发现促炎因子白介素1β ( interleukin 1β，IL-1β )、IL-18 和 HMGB1 的表达显著减低，说明抑制滑膜细胞焦亡可减少促炎介质的释放而缓解关节炎性反应；另有研究证实，抑制 NLRP1 和 NLRP3后细胞焦亡相关因子显著减少。

4.滑膜病变中的细胞免疫：滑膜是单核细胞浸润的主要部位，T 淋巴细胞由胸腺内发育成熟的淋巴干细胞分化而成，是参与滑膜病变的主要免疫细胞，辅助 T 淋巴细胞表达 CD4 分子生成 CD4T 细胞，由 CD4T 细胞分化的辅助 T 细胞 1 ( T helper cell，Th1 ) 分泌 IL、TNF-α 和干扰素 γ( interferon gamma，IFN-γ )，具有明显的促炎及软骨破坏作用而诱发 OA。有研究对早期 OA 患者的滑膜、滑液样本进行表面标记物和细胞因子分析，结果显示，滑液、滑膜中 CD4T 淋巴细胞浸润明显，进一步验证 OA 早期滑膜和滑液中已存在炎性 Th1 浸润。也有研究将原发性 KOA晚期患者关节置换术后的滑膜、滑液及外周血的匹配样本进行流式细胞术检测分析，结果显示滑膜和滑液中存在明显的 CD4T 细胞浸润，滑液中促炎 Th1 细胞及 Th1 细胞相关的细胞因子明显增加。以上说明滑膜和滑液中的 T 细胞浸润产生的细胞免疫对推进 OA 病程具有重要作用。

巨噬细胞也是骨性 OA 中常见的免疫应答细胞，不同的刺激因素刺激滑膜巨噬细胞产生作用相反的两种极化表型，对炎症发生与修复起重要作用。促炎因子 TNF-α、IFN-γ 刺激巨噬细胞形成 M1 促炎型，参与并加重炎症反应，IL-4、IL-13 刺激巨噬细胞形成 M2 抗炎型，具有免疫调节和促进炎症消退作用，当 OA 关节腔内环境发生变化时，炎性因子增加导致滑膜巨噬细胞 M1 促炎型极化增强和 M2 抗炎型极化减少，M1 型促进 Th1 反应，促炎细胞因子如 TNF-α、IL-1 以及 NO 分泌增加，抑制周围细胞增殖及损伤邻近组织，参与 OA 的炎症微环境改变和加速滑膜、软骨组织的损伤。

5.滑膜及滑液中的钙盐晶体沉积：近年来，已有研究在 OA 滑膜及滑液中发现钙盐晶体沉积。OA 滑膜中的钙盐晶体沉积主要是碱性磷酸钙 ( basic calcium phosphate，BCP )，BCP 其成分包括羟基磷灰石、磷酸八钙、磷酸三钙等晶体。晶体在滑膜沉积后通过 NF-κB、MAPK 信号通路激活滑膜成纤维细胞、巨噬细胞以及软骨细胞，刺激滑膜增生、MMP 以及促炎细胞因子如 TNF-α、IL-1β、IL-6的产生，加剧滑膜炎症反应以及关节软骨损伤，促进 OA滑膜及软骨病变的发生发展；另有研究表明，BCP 还可诱使巨噬细胞向 M1 型极化，加剧炎症反应。研究通过电子扫描显微镜观察 74 例 OA 患者关节穿刺后的滑液样本，其中 30 个样本发现存在含钙晶体；另外，在不同严重程度的 OA 患者滑膜中进行茜素红染色发现在所有阶段都检测到了 BCP 的存在，并在小鼠关节腔注射 BCP 中最具炎性的磷酸八钙晶体 ( octacalcium phosphate，OCP )，30 天后仍可观察到 OCP 主要集中在滑膜，导致滑膜炎症持续加重，滑膜巨噬细胞浸润明显，OCP 诱导巨噬细胞表达基质降解基因导致软骨损伤。

二、参与滑膜病变的细胞因子和炎性介质

OA 及滑膜病变产生的大量炎症细胞因子和炎性介质是加重滑膜炎症和软骨破坏的主要原因，TNF-α、IL-1β、IL-6 是起主要作用炎症细胞因子，这些炎症细胞因子通过抑制软骨细胞的代谢、刺激软骨细胞和滑膜细胞中基质金属蛋白酶 ( matrix metalloproteinase，MMPs ) 异常表达，降解软骨的细胞外基质中 ( extracellular matrix，ECM ) 的 Ⅱ型胶原蛋白，从而对软骨产生破坏作用，并诱导软骨细胞凋亡。OA 的炎性微环境直接刺激滑膜中单核细胞及巨噬细胞浸润后又推动各种病理性因子的产生，反过来加重滑膜病变以及加重 OA。OA 患者的滑膜、滑液中 TNF-α、IL-1β 的分泌明显增加，是参与 OA 及滑膜病变的关键炎症细胞因子。

1.IL-1β：滑膜中极化的巨噬细胞可产生 IL-1β，诱导 ECM 代谢失常，影响软骨细胞合成 MMP，诱发加重局部炎症以及中性粒细胞、单核细胞和巨噬细胞募集、激活，IL-1β 与滑膜中 FLS 表面的 TRL 家族受体结合后可激活 NF-κB 通路加重滑膜炎性反应，且 IL-1β 还能以自分泌的方式刺激其它细胞因子如 IL-6、IL-5 以及趋化因子的产生。

2.TNF-α：TNF-α 刺激滑膜成纤维细胞中 IL-8 蛋白分泌及 mRNA 表达并与 FLS 内的 TNF-R1 受体结合激活NF-κB 通路，具有促进软骨细胞凋亡及软骨降解的作用。TNF-α 和 IL-1β 均可使 NF-κB 通路激活，扩大关节内的细胞免疫反应，NF-κB 通路激活后反过来又可调节多种促炎细胞因子、趋化因子和黏附分子参与炎症调节细胞的激活和募集，影响 ECM 蛋白的积累和重塑，诱导关节软骨分泌 MMP，促进软骨降解，加速软骨细胞凋亡。

3.IL-6：FLS 和滑液中 IL-6 的过度表达通常是 IL-1β和 TNF-α 作用于 FLS 和巨噬细胞所导致，IL-6 与其它炎症细胞因子存在协同作用，可造成 Ⅱ 型胶原蛋白减少、促进破骨细胞形成并刺激滑膜产生 MMP 降解关节软骨。FLS 吸附吞噬软骨磨损颗粒后导致滑膜增生并分泌 IL-6，另外滑膜与滑液中钙盐晶体沉积也促进 IL-6、TNF-α 和IL-1β 的分泌。

4.MMPs：MMPs 可降解 ECM 中的各种蛋白质，滑膜巨噬细胞可调节 MMPs 的产生，MMP-1、MMP-13 可以裂解 Ⅱ 型胶原蛋白，使关节软骨破裂。MMP-3 在 OA滑膜细胞中的平均表达量比正常高 132%，过度表达后的MMP-3 促进细胞增殖，抑制细胞凋亡，加重 OA 症。MMP-3 直接降解非胶原结缔组织，与其它 MMP 相互作用引起其它降解机制对关节组织产生破坏。

5.HMGB1：高迁移率族蛋白 B1 ( high mobility group box 1，HMGB1 ) 主要由坏死细胞或巨噬细胞焦亡后产生，产生促炎及分解代谢介质参与各种炎症。NLRP1 和NLRP3 炎症小体介导和依赖性 FLS 细胞焦亡增加 KOA 中的 HMGB1 分泌。另外，有研究证明，OA 滑膜中的炎性因子会刺激 FLS 释放 HMGB1，导致 HMGB1 在 OA 滑膜中过度表达，HMGB1 与 IL-1β 同时存在时加剧滑膜炎症反应，产生更多细胞因子、趋化因子及 MMP 作用于关节软骨而加重损伤。

三、滑膜炎症改变的其它相关因素

1.抗炎因子不足：抗炎细胞因子具有抑制炎症反应的作用，滑膜巨噬细胞受 IL-4、IL-13 刺激极化成 M2 型巨噬细胞，主要分泌抗炎因子，通过释放 IL-10、精氨酸酶、TGF-β 控制炎症且 IL-10 可抑制单核细胞和巨噬细胞释放促炎细胞因子，如 TNF-α、IL-1β、IL-6。虽然抗炎因子和促炎因子均由免疫系统的细胞产生，但抗炎因子产生过少导致其作用变得有限，抗炎因子不能通过其它方式获得，而促炎因子如 TNF-α、IL-1β、IL6 等可由多种途径产生，在 OA 早期时，关节腔内炎性因子已经开始增加，滑膜及软骨组织受到刺激不断分泌促炎因子。研究发现，在关节炎中 M1 巨噬细胞增加而滑膜基质中的 M2 巨噬细胞减少，并且促炎因子的持续分泌会使巨噬细胞主要极化为 M1 型而不是 M2 型，意味着抗炎因子与促炎因子的产生处于极不平衡的状态，促炎因子加重炎症反应而抗炎因子无法及时有效控制炎症。

2.滑膜病变激活相关通路：NF-κB 和 PI3K / Akt 信号通路的激活在滑膜炎症的发生发展中起重要作用，是参与病变的主要信号通路。OA 关节中的炎性因子和基质降解物可激活 IκB 激酶并上调 IκB 磷酸化的表达，导致 IκB 蛋白从 NF-κB 脱落被泛素化激活 NF-κB，例如 CTGT、IL-1β 和 TNF-α激活均可激活 NF-κB。NF-κB 可单独或与其它信号通路联合产生作用，抑制软骨细胞合成与代谢，并触发 IL、TNF、MMP 和聚蛋白多糖酶家族的表达，增加巨噬细胞中促炎因子和趋化因子的表达、M1 型巨噬细胞极化、中性粒细胞的募集以及诱导 T 细胞和 B 细胞分化，加重软骨炎症、软骨细胞凋亡，加速关节损伤。另外，滑膜病变还涉及到 Wnt / β-catenin 通路，其产生的炎性因子与 NF-κB 的炎性产物协同调控骨关节炎的发展。PI3K / Akt 涉及许多生物过程，与细胞增殖、分化、凋亡和血管生成以及葡萄糖代谢关系密切，有研究发现 TNF-α 诱导 OA 中 FLS 活化后，激活磷酸化依赖性的PI3K / Akt 信号通路，使 OA 中的 FLS 中钙黏蛋白 11 表达增加，加重滑膜炎及软骨损伤。

总之，滑膜是维持关节正常功能的重要组织结构，滑膜分泌润滑素和透明质酸可有效防止关节及关节软骨过度摩擦，保护骨与关节软骨的表面。以上研究证明，滑膜一系列炎性反应在 OA 的发病机制中起着重要作用，滑膜病变使 OA 处于恶性循环中，当 OA 发生时，关节腔内一旦形成炎性微环境即可引发滑膜病变，炎性的滑膜组织分泌出促炎介质并激活相关通路产生大量炎性细胞因子、促炎介质等，再作用于关节软骨。与此同时，滑液分泌也随之减少，关节软骨间的摩擦加剧。而关节软骨经关节机械运动以及相应细胞因子刺激后降解产生的软骨碎屑进入滑液，进一步刺激滑膜炎症发生，加重 OA。

目前，OA 病变机制的相关研究大多数聚焦于关节软骨。近年来，越来越多研究结果显示滑膜增生、滑膜病理性血管生成以及滑膜单核细胞浸润等均可早于关节软骨的病变，滑膜病变所产生的病理产物对关节软骨具有较大的破坏作用，滑膜的病变贯穿于 OA 发生发展的整个过程。所以，明确 OA 的早期滑膜病变机制及病理改变对于 OA治疗和预后的重要性不言而喻。并且在以后的研究中以滑膜为切入点，通过抑制滑膜增生、病理性血管生成、巨噬细胞焦亡、细胞免疫以及钙盐晶体沉积等，为 OA 的早期预防和治疗提供新的思路。