中医药干预基质金属蛋白酶表达治疗膝骨性关节炎研究进展

李辉 李宁* 谢兴文 李建国 李鼎鹏 柳博 丁聚贤

1.甘肃中医药大学，甘肃 兰州 730000 2.甘肃省第二人民医院，甘肃 兰州 730030 3.西北民族大学附属医院，甘肃 兰州 730030

膝骨性关节炎(knee osteoarthritis，KOA)是一种由多因素引起的原发或继发不可逆关节退行性疾病，其特征主要是关节软骨和软骨下骨的结构改变，但也包括脂肪垫、滑膜、韧带和肌肉等的病理变化。年龄、既往膝关节损伤、肥胖、关节不对齐和不稳定导致机械应力增加均是KOA发生的强危险因素[1-2]。据相关研究数据估计，美国约有1 400万人患有膝骨关节炎，每位患者的年平均费用总额从1 442美元到21 335美元不等，消耗着大量的医疗资源和成本[3]。目前公认的KOA主要病理改变是关节软骨退行性变，而关节软骨细胞外基质(extracellular matrix，ECM)的产生与降解失衡是关节软骨退行性变发生和发展的关键因素[4]。随着现代医学对KOA发病机制的研究不断深入，发现基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)在OA软骨退变过程中发挥重要作用，是OA软骨基质降解的关键酶[5-6]。现阶段关节内注射糖皮质激素或口服非甾体抗炎药(NSAID)治疗KOA，仅限于疼痛管理，而从根本上起不到预防和治疗作用[7]。故寻找有效治疗手段抑制ECM的降解是防治KOA的关键之一。近年来学者们运用中医药治疗KOA进行了大量探索，发现中医药能干预MMPs表达，有效抑制ECM的降解，起到治疗KOA的效果。因此，本文就中医药干预MMPs表达治疗KOA的研究进展进行综述，以期为KOA的诊疗提供新的潜在思路。

1 细胞外基质降解紊乱是KOA重要的病理因素

关节软骨无血管、淋巴和无神经组织，软骨细胞是软骨组织中唯一的细胞类型。除软骨细胞外，关节软骨由ECM形成，而ECM由水(70%以上)和Ⅱ型胶原、蛋白聚糖及其他几种胶原等有机成分组成，在正常的生理环境下，关节软骨的成分被组织在一个复杂多孔、可渗透的ECM中，该基质提供独特的流体加压能力，从而使关节具有长期的承重能力，这种显著的功能归因于ECM机械性质的独特结构[8]。研究表明，Ⅱ型胶原链因含有更高含量的羟基赖氨酸以及葡萄糖基和半乳糖基残基，介导与蛋白多糖的相互作用，故KOA病理过程中Ⅱ型胶原含量的减少破坏了胶原和蛋白聚糖形成的ECM网络的完整性[9-10]。ECM结构和组成的变化逐渐改变了关节内的生物和机械微环境，而过度的机械负荷使合成代谢和分解代谢的数量不平衡，导致ECM成分的耗竭，并且由于关节软骨再生能力的缺乏，导致不可逆的破坏，从而成为OA最明显的触发原因[9-10]。因此，基质合成的改变、基质降解蛋白的上调及机械微环境的改变通过加速降解ECM，改变软骨细胞的机械特性，加剧骨关节炎软骨的破坏，进而加速了骨关节炎的进展。

2 基质金属蛋白酶与膝骨性关节炎

2.1 基质金属蛋白酶

基质金属蛋白酶是锌依赖性内肽酶家族，MMPs具有广泛的特异性蛋白水解靶点，能够切割纤维胶原，包括基质体(ECM蛋白组的整体组成)的许多成分，也可以靶向降解与ECM无关的细胞表面分子和细胞外蛋白，从而影响细胞调控行为[11]。MMPs通常以无活性的前MMP形式分泌，并被各种蛋白酶切割成活性形式。ECM 的降解非常重要，因为它与胚胎发育和血管生成有关，还参与细胞修复和组织重塑。当MMPs的表达发生改变时，它会产生 ECM 的异常降解，在KOA的病理过程中发挥作用[11]。

2.2 基质金属蛋白酶与KOA

研究表明，正常人滑膜和软骨组织中MMPs表达低，而KOA患者中MMPs表达较高[12]。近年来，MMPs家族中MMP-1、MMP-3和MMP-13与KOA关系的一直备受关注，进行了大量研究[13]。目前有临床报道应用MMPs抑制剂(TIMP-1)治疗OA的案例，通过减少MMPs的表达来抑制关节软骨的炎症和软骨的降解，从而更好地保护软骨细胞，改善临床症状和转归，帮助缓解和治疗KOA[14-15]。

MMP-1称胶原酶-1，由滑膜细胞、软骨细胞和成骨细胞产生，可使Ⅰ、Ⅱ胶原变形、裂解，介导软骨破坏[16]。在生理条件下，大多数正常细胞的MMP-1水平都很低，但在炎症和自身免疫性疾病中会上调。Wang等[17]分析MMP-1的蛋白质水平在骨关节炎易感性中的潜在作用，发现软骨组织或滑液中MMP-1的高水平可能与中国人群KOA的发病有关，但该结论应该通过更大的样本量来确认。MMP-3是一种分泌型内肽酶，可降解Ⅱ型、Ⅵ型和Ⅸ型胶原以及各种弹性蛋白、纤维连接蛋白和层粘连蛋白[18]。雷文淼等[19]的研究表明，MMP-3对关节软骨基质中的蛋白多糖具有较高的溶解活性，可破坏胶原和蛋白多糖的网状结构，使软骨弓结构破坏，软骨弹性变弱，易受降解酶作用，最终破坏关节软骨。MMP-13又称胶原酶-3，是驻留在软骨中的软骨细胞的产物，MMP-13最初被认为在结缔组织中表达，特别是软骨和发育中的骨，而近期研究发现在KOA软骨组织中普遍存在MMP-13的过量表达[20]。MMP-13在降解胶原的同时，能降解蛋白聚糖分子aggrecan，从而起到破坏ECM的双重作用。另有研究发现，MMP-13是KOA中表达最多的蛋白酶。MMP-13可以降解许多胶原蛋白，甚至聚集蛋白和其他蛋白，但MMP-13的主要靶蛋白是Ⅱ型胶原，而这是软骨结构中最常见的胶原类型。并且MMP-13引起软骨降解及关节病变，表现为滑膜增生和滑膜炎，滑膜关节内弥漫单核细胞浸润，软骨溃烂[21]。另外，MMP-13不可逆转地降解软骨ECM的胶原基质，通过激活转录因子3间接影响MMP-13的表达，在OA进展和炎症过程中发挥重要作用[22]。

3 中医药干预MMPs表达治疗KOA

3.1 中药单体

鲁海等[23]以杜仲煎液连续灌胃KOA模型大鼠4周后发现，与生理盐水组相比，用酶联免疫吸附试验检测关节冲洗液中MMP-1和TIMP-1的水平，实验组关节液中MMP-1水平显著降低(P<0.05)，提示杜仲可能是通过对MMP-1的调控达到保护关节软骨和治疗KOA的目的。王胜楠[24]研究发现，杜仲苷通过抑制基质金属蛋白酶MMP-3、MMP-9、MMP-13产生，从而抑制ECM大分子降解，增强关节软骨抗应力能力，并且减少软骨细胞的凋亡和减缓细胞外基质的降解，减少软骨的破坏，进而治疗KOA。陈戟霞[25]以56只KOA模型兔为研究对象，运用骨碎补总黄酮将其灌胃8周，发现骨碎补总黄酮对KOA模型兔的早、中、晚三期软骨退变均有明显的改善作用，机制可能是通过降低IL-1β、MMP-3、MMP-13的表达，从而抑制KOA软骨细胞的破坏和细胞外基质的降解。Zeng等[26]研究发现，淫羊藿苷对促炎细胞因子IL-1β刺激下MMP-1、MMP-3、MMP-13的表达有更好的抑制作用，推测淫羊藿苷发挥软骨保护的作用可能是通过抑制MMPs实现的。其中MMP-1和MMP-3的抑制作用部分是通过抑制p38和ERK信号通路的激活来实现，而通过抑制p38和JNK信号通路的激活来实现对MMP-13的抑制作用。

3.2 中药复方

孙亮亮等[27]将补肾活血中药(杜仲-当归)灌胃给OA模型大鼠，采用ELISA法检测血清和关节滑膜组织中MMP-13的表达，发现OA大鼠膝关节中MMP-13表达较其他对照组别明显降低，提示其治疗OA机制可能是通过降低关节软骨中MMP-13表达水平，进而抑制ECM的降解，起到软骨修复作用。张峰等[28]发现，补肾活血汤干预KOA大鼠模型2周后，采用ELISA测定关节腔内MMP-1、TNF-α、IL-1β的浓度状况较对照组明显减低，表明其促进病损软骨的修复，延缓KOA病变进程是通过改善MMP-1、TNF-α、IL-1β的浓度发挥的。张晨等[29]研究表明，加味阳和汤可降低KOA病患血清MMP-3、MMP-9水平，从而发挥保护软骨基质和软骨细胞的作用，进而治疗KOA。李芳等[30]研究表明，痹祺胶囊抑制关节软骨基质降解及保护关节软骨的作用是通过降低OA患者血清、关节液MMP-3的活性和提高TIMP-1的活性实现的。李宁等[31]发现，关节镜关节腔清理术后活血类药物超声导入对KOA患者治疗效果显著，能够明显降低疼痛感、改善膝关节功能，还能够有效控制关节液中IL-17及MMP-1表达。

3.3 针灸及小针刀

刘娣[32]的研究表明，温针灸可抑制兔膝骨性关节炎血清中MMP-1、MMP-13的表达，提示温针灸可能是通过激活jnk信号通路发挥治疗KOA的作用。卢莎等[33]研究表明，改良青龙摆尾针法和普通针刺均能改善患者MMP-3、MMP-9表达水平，能迅速缓解患者疼痛症状，从而更好地改善患者膝关节功能活动。梁楚西等[34]研究发现针刀可影响软骨力学环境治疗KOA，通过激活整合素力学信号转导通路，促进细胞外基质Col-Ⅱ、Aggrecan蛋白表达，下调MMP-3蛋白表达水平，抑制软骨细胞外基质的降解，延缓软骨损伤和关节退变程度。朱定钰[35]探讨针刀疗法对KOA患者的疗效，发现针刀能降低关节滑液中TNF-α、MMP-3、IL-1的含量，进而改善KOA临床症状，是治疗KOA的有效方法之一。

3.4 外敷药膏

范杰[36]的研究表明，跌打通痹膏可通过抑制MMP-1、MMP-3及MMP-13的mRNA表达，减缓COL-Ⅱ降解，从而对关节软骨退变起到积极治疗作用。茆军等[37]研究发现，对家兔KOA模型进行易层贴敷疗法治疗，与对照组相比，治疗组滑膜中MMP-1、MMP-13表达明显降低，提示易层贴敷疗法可通过降低软骨基质的降解来延缓OA的发病进程。夏天卫[38]以78例KOA患者为研究对象，运用伤科消炎膏治疗2周，发现该药膏能够抑制其MMP-1、MMP-3、MMP-13的表达，并揭示其作用机制可能与抑制NF-κB和p38-JNK信号通路相关。

4 小结

关节软骨细胞外基质降解紊乱在KOA关节退变中处于关键环节，而MMPs在ECM降解中发挥重要作用，是OA软骨基质降解的关键酶，故抑制MMPs表达可有效防治KOA。目前的治疗如口服NSAIDs类药物，仅限于疼痛管理，并不针对导致KOA发病的分子失调过程，不能有效防止软骨损伤和关节组织破坏，同时由于西药及手术产生的治疗费用高昂，且治疗不良反应时有发生，加之我国老龄化社会加速到来，KOA患病人数不断上升，运用价廉效优的手段针对性地抑制ECM降解不失为一种可尝试的治疗选择，对我国社会经济发展具有重要意义。中医药作为祖国医学的重要组成部分，具有价格低廉、高效低毒、多靶点及多通路协调作用的显著优势，随着中医药现代化的发展，有效成分被充分发掘，运用中医药治疗慢性疾病前景广阔。

KOA属于中医学“膝痹”病范畴，大批学者以中医学理论为指导，积极运用现代化研究手段在动物实验和临床研究进行了大量探索，证实中医药可明显抑制KOA患者MMP-1、MMP-3、MMP-13及相关炎性因子的表达，减缓ECM降解，进而减少关节软骨的破坏，起到治疗KOA的作用。但目前的研究大多以实验研究为主，缺乏大样本的临床研究及循证数据，且中药及复方的有效成分及针灸针刀的作用机制复杂，未来应在循证医学指导下开展一系列临床研究，积极利用分子生物学和网络药理学等新兴技术，加强中医药作用成分及作用机制研究，为中医药全面治疗骨性关节炎提供依据。