骨关节炎（OA）的发病机制研究现状

赵青松 李欢 徐鹏 何天达 靳小雅

长期以来，骨关节炎（osteoarthritis，OA）产生的病症困扰着广大的人群，特别是中老年人及肥胖人群，其发病率与人口老龄化及肥胖密切相关，据世界卫生组织（WHO）报道，有1/10左右超过60岁的中老年人患有骨关节炎。骨关节炎临床表现为关节的慢性肿、痛，运动障碍，僵硬，外观畸变等，给患者带来了极大的痛苦与不便，同时造成一定的社会负担，有较高的致残率。目前现有的医疗技术还未能使骨关节炎获得痊愈，骨关节炎的主要治疗原则是减轻症状，延缓病情进展，但较为严重的骨关节炎最终只能采取关节置换术。骨关节炎的发病因素及机制呈多元化，且相互影响制约，且存在很多争论，其研究热点之一便是其发病机制的探索。故笔者梳理了国内外关于骨关节炎病因探索的现状，希望在骨关节炎的临床防治及研究中提供一定的参考作用。

1 基质金属蛋白酶类

基质金属蛋白酶类（matrix metalloproteinase，MMPs）是存在于细胞外基质中的金属蛋白酶类，钙、锌等金属元素作为辅助因子参与该类酶的构成。MMPs参与软骨细胞外基质的降解和重塑，对骨关节炎的发病起到至关重要的作用。其中MMP-13和MMP-3与骨关节炎的发病关系密切，其可降解多种成分，如蛋白多糖，骨连接蛋白Ⅱ、Ⅳ、Ⅸ型胶原等[1]，在骨关节炎发病中的作用至关重要。正常状态下，MMP-13参与软骨细胞的生理代谢，但当关节软骨处于骨关节炎的病理状态时其活性显著提升[2]。Wang等[3]在动物试验中使用MMP-13抑制剂下调软骨关节中该酶的含量，显示胶原纤维Ⅱ和蛋白多糖降解减少，该研究说明抑制MMP-13可缓解软骨病变。MMP-3为MMPs的另一重要成员，Chen等[4]通过实验测得，骨关节炎滑膜中MMP-3的含量较生理对照组显著提升，而病变越严重的组织中可以测得更高的数值，提示其可作为监测骨关节炎病情进展的指标之一。李晓萍等[5]比较经有效治疗前后的骨关节炎组织中该酶的含量，结果显示症状改善后的膝关节组织中其表达量显著降低。

ADAMTS为MMPs的另一种类，为含Ⅰ型血小板结合蛋白结构的金属蛋白酶，锌离子参与其构成、呈解聚蛋白活性。作用机制为通过降解蛋白多糖，使软骨细胞稳定性降低，发生形态剧烈变化，软骨细胞破坏，骨关节炎发生。董富强[6]采用IHC（免疫组化）、蛋白质印记法等多种技术手段测量骨关节炎组ADAMTS-4、ADAMTS-5的含量，与生理对照组进行比较后发现其表达量提升且差异具有统计学意义。Larkin等[7]用ADAMTS-4和ADAMTS-5特异性单抗分别给予动物骨关节炎模型治疗，发现ADAMTS-4、ADAMTS-5的单克隆抗体对骨关节炎软骨破坏起到阻碍的效果，而ADAMTS-5单抗较ADAMTS-4单抗的抗破坏效果更为显著。可见ADAMTS在骨关节炎中扮演着重要的角色。

所以，MMPs作为一种存在于细胞外基质的酶，直接参与细胞外环境的代谢，是细胞外基质发生各种炎性反应的急先锋，其参与软骨及滑膜细胞外基质的破坏及速度的调节，对软骨和滑膜的破坏，直接影响着骨关节炎的病情进展，因此对其进行深入研究及其必要。

2 细胞因子

与骨关节炎发生密切相关的细胞因子主要包括：白细胞介素（interleukin，IL）、肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、转化生长因子（transforming growth factor，TGF）、一氧化氮（nitric oxide，NO）等。

多种白细胞介素均参与骨关节炎的发生发展，其中最为重要的两个亚型为IL-1、IL-6。IL-1广泛参与软骨细胞的各种代谢活动，众多研究表明发生骨关节炎时，IL-1表达量异常增高[8-11]。有学者报道，骨关节炎患者IL-1的表达量与关节肿痛程度、运动功能降低及关节间隙进行性变窄等呈正相关[12]。IL-1还可通过促进其他炎症因子的增加而间接促进软骨病变。例如，IL-1可以上调MMP的生物活性，加速蛋白多糖与胶原纤维等必要成分的分解，并刺激多种致炎物质的产生[13]，促进骨关节炎的发生。IL-6在骨关节炎中的作用同样突出，该因子促使局部组织免疫状态失衡，致软骨细胞破坏并丧失代偿能力。国内有学者研究发现，IL-6因子表达量在骨关节炎患者与正常对照组中存在显著差异，前者明显高于后者[10]。此外，膝关节软骨及滑膜细胞中PG、胶原酶的含量被证实与IL-6呈正相关，可以加剧炎症反应、促进MMPs过量表达[14]。故IL-1和IL-6通过各种途径参与骨关节炎的发生。

TNF-α在骨关节炎的发生发展中作用也非常突出。Lai等[15]研究发现，TNF-α可促进部分基质金属蛋白酶的表达而加速细胞外基质的破坏，与此同时，多种致病因子（如前列腺素等）合成增加，加速骨关节炎的发生。有学者对骨关节炎患者滑膜组织中该炎性介质进行定量，结果提示相较于病变程度轻的对照组，病变程度较重的组织中所测数据明显升高，猜测其可能与病变严重度呈正相关[16]。TGF-β对软骨基质具有双向调节作用，Blaney等[17]对不同病变程度的动物模型中TGF-β进行定量，提示病变较重的模型所测得的该炎性介质的含量反而降低，据此可以理解其可能对骨关节炎的发展起延缓效果。而Blaney等[18]同样在动物模型中发现：TGF-β可以通过与碱性磷酸酶1、5受体作用使部分基质金属蛋白酶分泌增加，促进骨关节炎的发生，预测该因子对软骨具有负面调控的作用。说明TGF-β既可以作为炎性因子参与骨关节炎发生，也可以对骨关节炎的进展起到延缓作用，一定程度上决定着软骨细胞的命运。

NO广泛参与细胞的代谢活动，当作为一种自由基时，兼具细胞毒性及信息传递的作用，关节软骨及滑液中含量的异常增高可导致严重的关节病变，NO还可以与其他炎性因子（如IL-1、TFN-α等）产生生物学效应，促进关节软骨的破坏，这种负面的生物学效应相互叠加，将加速关节的病变。此外，由于在骨关节炎的患者中，软骨细胞凋亡的场所与NO产生的场所具有一致性，故有学者猜想NO是诱导软骨降解的主要因素[19]，但此猜想有赖于进一步的研究证实。

骨关节炎作为一种炎性病变，其发病过程中自然会有很多细胞因子参与，且各种细胞因子间以及细胞因子与MMPs等相互作用，共同调节骨关节炎。因此细胞因子可以作为判定骨关节炎炎性病变的重要依据，也可作为一种高效的生物因子调节骨关节炎。

3 信号通路

信号通路本质是一种酶类，其通过形态学的迅速变化高效、灵敏地参与软骨细胞代谢，信号通路的异常活动将决定着软骨细胞的命运。骨关节炎中重要的信号通路包括Wnt/β-Catenin、Notch、SDF-1/CXCR4、BMP、MAPK等。

Wnt/β-Catenin信号通路是重要的Wnt信号通路之一，Wnt负责信息传递时的启动作用，而β-Catenin则负责信息传递，其在发生骨关节炎时含量增加，Wnt/β-Catenin信号通路对骨关节炎的发生及病变进展起重要作用。唐萌芽等[20]研究发现膝骨关节炎患者Wnt/5a、β-Catenin、BMP-2及相应的mRNA含量较高，经治疗好转后测其含量下降明显。Zhu等[21]发现转基因动物模型中若β-Catenin分子出现高表达量，则测量其成年后的关节软骨量会出现降低、骨质增生等变化，并测量到相关金属基质蛋白酶超出标准值。Wnt/β-Catenin信号通路可能据此发挥关键的致炎作用。

Notch信号通路在关节软骨生长及骨关节炎病变过程中意义重大，其决定着软骨细胞的代谢方向是合成还是降解，软骨细胞的最终结局可能取决于该通路[22]。此外，Hosaka等[23]测量Notch家族的上游Jagged1信号分子在动物模型骨性关节炎的软骨中表达明显增强；Karlsson等[24]研究发现，该通路中的Notch1受体、JAG1配体、下游配对基因HES5在关节炎软骨细胞中过量表达。

SDF-1/CXCR4（基质细胞衍生因子1/趋化因子受体4）：骨关节炎时SDF-1/CXCR4信号通路使众多致病性基质金属蛋白酶类激增，在此层面上促进关节炎的病变[25]。BMP（骨形成蛋白）：该通路促进新生软骨细胞的生长发育、增殖并维持细胞的稳定性。Caron等[26]发现BMP-7可以提高Ⅱ型胶原蛋白在软骨细胞中的含量，并减少X型胶原蛋白的含量，进而抑制软骨细胞的生长。同时研究人员也检测到BMP-2含量与骨关节炎病情程度呈正相关[20]。

丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信号通路是广泛存在于哺乳动物的丝/苏氨酸蛋白激酶类。其中的JNK、p38MAPK、ERK1/2信号通路与骨关节炎发生发展紧密相关。Yoon等[27]用人体的软骨细胞经钒酸盐和MAPK磷酸酶抑制剂RO318220预处理后，发现TGF-α诱导的JNK通路激活时间明显延长，最终导致了细胞的裂解。p38信号通路主要通过使p53磷酸化，进一步介导Fas凋亡和提高TNF-α的表达等来促进细胞的凋亡[28]。Kühn等[29]发现p38MAPK信号通路参与IL-1β刺激和促进软骨细胞凋亡的过程。ERK1/2信号通路能加速软骨细胞的增殖、促进软骨细胞肥大，最终导致软骨矿物化和骨赘生成[30]。在动物模型实验中使用相关抑制剂抑制ERK后，骨关节炎的病变程度明显降低，还可以有效阻止骨赘继续生成[31]。

综上，信号通路是细胞发生各种生物学反应的闸门和枢纽，对其进行深入的研究来防治骨关节炎可能是一种较为根本、高效的途径。

4 基因

基因的差异性表达或突变在大部分疾病中均有体现，骨关节炎同样如此，且可能是造成骨关节炎发生发展的主要内在因素。有学者分析骨关节炎患者与正常对照组有关基因的全基因组关联性，结果显示骨关节炎组发生复制率异常，包括6个基因靶点，然而其相互间的相关性有待更深入的研究[32]。同时Bravatà等和Nakajima等[33-34]发现，在骨关节炎患者中，DVWA基因具有单核苷酸多态性，并参与了骨关节炎软骨细胞外基质有关蛋白的表达，从而影响软骨细胞的合成与分解，且和骨关节炎病变程度正相关，说明其参与骨关节炎的发生及病变进展。Carlson等[35]发现，COL 2A1基因突变会导致软骨发育不良、骨关节炎等表现。

种种研究表明基因差异表达或基因突变可能是导致骨关节炎发病的核心因素。特别是基因的差异性表达，其在发病机制方面更具有代表性。近年来，在基因芯片技术和RNA测序迅猛发展的背景下，依靠生信学分析有关疾病的关键基因为研究各种疾病提供了一个重要线索，为筛选各种疾病候补生物标志物提供了一条便捷高效的途径。国内也有不少学者做过相关探索，试图找到骨关节炎的关键致病基因。宋珊等[36]从公共数据库GEO下载与骨关节炎相关芯片数据集，利用相关软件筛选差异表达基因、GO功能富集以及KEGG通路富集分析，再利用特定的软件进一步筛选核心基因，最终筛选出MMP-9、IL-6、VEGF-A、JUN、COX-2、CXCL8、MYC、EGFR 8个关键基因，经过进一步的生物信息学分析，预测MMP-9、VEGF-A、JUN、COX-2可能成为诊治骨关节炎的关键靶向标志。王辰飞等[37]从GEO下载mRNA表达数据集GSE55235和GSE55457，通过相应的软件分析得到10个差异性表达基因（JUN、MYC、VEGFA、ATF3、CD19、EGR1、CXCL10、TLR7、TLR8和NR4A1）。众多学者均做过此类研究并获得关键基因，然而这些关键基因和生物学标记物并没有得到骨关节炎组织和正常对照组的逆转录PCR（RT-PCR）验证和之后进一步的分析，该后续的研究具有重要的意义。

miRNA（MicroRNA）作为一种内源基因编码的产物，在骨关节炎的发病中亦起到重要的作用，其是一种非编码单链小分子，在细胞中参与转录后的基因表达及调控。首先，它们可通过促进或抑制Target基因的活性以参与翻译蛋白的过程。Wang等[38]发现骨关节炎患者中异常表达的众多miRNA如（miR-23b、miR-25等），通过促进或抑制骨关节炎相关基因表达，干预骨关节炎病情进展。其次，miRNA也可通过信号通路调节软骨代谢。Kang等[39]研究发现，miR-23a可以放大Smad3通路的生物学信号而引起病变进行性发展，同时也有学者发现miR-34a可调节SIRT1/p53通路的生物活性而参与骨关节炎的发生。更有研究发现其可通过参与白细胞介素的代谢调节骨关节炎病情[40]。Yang等[41]研究发现，miR-448会通过抑制IL-1β使MMP-13的表达降低，阻止软骨细胞外基质降解，从而延缓软骨病变的进展。综上，miRNA广泛参与骨关节炎发生及病变进展，预测其可作为骨关节炎诊断及治疗的靶向标记物。

因此，如果说信号通路是控制疾病的闸门和枢纽，那么基因表达则是疾病产生的总指挥部，其可能是骨关节炎产生的内部核心因素，笔者认为对相关致病基因表达的探索是研究骨关节炎致病机制的重中之重。

5 骨关节炎的其他致病因素

不容忽视的是，肥胖、糖尿病、性别、性激素水平、骨内压、中医学说、年龄等也是参与骨关节炎发病的重要因素。肥胖主要通过两点导致骨关节炎的发生：①肥胖患者往往伴有体重超标，过度的负重使关节面软骨的局部应力增强，加速软骨磨损、软骨细胞结构破坏，继而导致关节炎发生发展；②肥胖患者产生过量中间代谢产物（如瘦素等），其通过参与炎症反应和调节软骨细胞代谢致病，因此肥胖使骨关节炎罹患率增高。男性骨关节炎患者数量小于女性，预测与体内性激素表达量有关，雌激素通过与雌激素受体（estrogen receptor，ER）结合，参与 Ⅱ 型胶原、细胞因子等代谢，导致病变发生。但也有学者发现雌激素可抑制关节滑膜细胞的核因子κB通路表达，以缓解炎症进展。糖尿病也参与骨关节炎的病变进展，其中糖尿病患者的高血糖状态可使软骨细胞的应激性剧增，进而导致炎症病变。此外，糖尿病患者的炎性介质分泌增加，Ⅱ型胶原纤维生成较少，进而使软骨修复能力下降，促进骨关节炎病变。骨内压是指骨骼系统内血液循环在骨质间所产生的压力。有研究指出，当骨内压超过40 mmHg时，膝关节会产生静息痛，低于35 mmHg时不会产生静息痛。部分学者认为骨内压过高会使软骨内动静脉压力差值降低，血液瘀滞，使得营养物质及氧气交换不充分，导致软骨凋亡降解、骨关节炎的发生。王硕等[42]等研究证实，对DH小鼠进行骨内减压可以保护胫股关节软骨，延缓其退变，其机制可能与骨内减压可以抑制MMP13mRNA表达有关。中医认为骨关节炎的发生是由于肝肾亏虚，气滞血瘀，导致筋骨失养所致。此外，年龄的增加使软骨磨损时间延长，且由于软骨分裂再生能力减弱，导致自我修复能力降低。

6 小结与展望

长期以来，学者们对骨关节炎发病机制的探究从未止步，越来越多的因素被认为与骨关节炎发病有关，有的观点着眼于细胞酶类，部分研究重点放在各种细胞因子的作用，也有学者认为跟基因和信号通路关联密切，也有观点认为与关节内的机械应力、年龄、性激素等较为经典的致病因素息息相关，甚至提出了骨内压及中医的致病机制等。然而各种致病因素之间的关联错综复杂、互相作用，对骨关节炎的核心致病因素或者内在因素的研究仍然不够充分，至今未有统一的认识。随着研究的扩大和深入，相信骨关节炎的核心或主要致病因素的研究能够取得突破性进展。