与骨关节炎发病相关的因子和信号通路及体外冲击波治疗骨关节炎机制的研究进展▲

翁华宏 李宏宇 叶来生 翁陈祎

(广西骨伤医院关节科,南宁市 530000，电子邮箱:wenghuahong@163.com)

【提要】 目前，关于骨关节炎的发病机制及治疗方法的研究成果显著，但是其具体发病机制尚未完全明确。研究表明，部分因子及信号通路的异常表达可以影响骨关节炎的发生、发展，而体外冲击波可以通过影响这些因子及信号通路，起到治疗骨关节炎的作用。本文基于相关因子及信号通路阐述骨关节炎的发病机制，在此基础上阐述体外冲击波治疗骨关节炎的作用机制，为临床应用体外冲击波治疗骨关节炎提供参考。

骨关节炎是临床上最常见的肌肉骨骼疾病，严重危害人们的健康[1]。骨关节炎的致病因素较多，其发病与衰老、肥胖、性别、关节外伤、重复性损伤、内分泌疾病等相关，骨关节炎的临床表现主要包括关节疼痛、功能活动受限、周围韧带肌肉的柔韧性下降等[2]。目前，中、早期骨关节炎的治疗以口服药物、中医外治、功能锻炼等非手术治疗为主；晚期骨关节炎患者通常需行关节置换术治疗，但其关节的原始功能始终无法恢复。因此，寻找一种能够缓解疼痛、改善关节功能、延缓疾病进展的理想疗法，具有重要的临床意义。

体外冲击波(extracorporeal shockwave，ESW)起初用于肾结石的治疗，经过十多年的发展，现已广泛应用于骨科及其他领域。研究表明，ESW可以缓解骨关节炎患者的疼痛、促进局部血液循环、抑制炎症反应等[3-5]，其可能是通过激活细胞内丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)、Wnt、Smad、核因子κB(nuclear factor κB,NF-κB)等通路，影响基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)、白细胞介素1β(interleukin 1β,IL-1β)、一氧化氮、Ⅱ型胶原等因子的表达而发挥生物效应。因此，本文从上述通路及因子层面，阐述骨关节炎的发病机制，并在此基础上简述ESW治疗骨关节炎的作用机制。

1 与骨关节炎发病相关的因子

1.1 一氧化氮 一氧化氮是一种广泛分布于生物体内的分子，是骨关节炎进程中重要的生物信号。一氧化氮由一氧化氮合成酶(nitric oxide synthase,NOS)催化底物(L-精氨酸)产生，其中NOS可分为结构型NOS和诱导型NOS(inducible NOS,iNOS)。在正常生理状态下，一氧化氮可以通过抑制NF-κB的表达来产生抗炎作用[6]。正常情况下，NF-κB处于一种休眠状态，当接收到外界信号刺激时，NK-κB抑制蛋白激酶被活化后激活体内NF-κB，NF-κB才发生转录并诱导靶基因表达[7]。

在骨关节炎发病过程中，炎性因子激活NF-κB，进而诱导iNOS的表达，引起局部一氧化氮含量过高，使得MMP的活性被上调，从而抑制Ⅱ型胶原合成，引起软骨的退化和破坏[8]。同时，一氧化氮也是一种强活化血管因子，可以扩张血管和促进血液循环，而过高含量的一氧化氮会过度扩张血管，使血管壁通透性增加而引起血管内大分子胶体渗出,导致滑膜肿胀，这是骨关节炎患者出现局部肿胀的原因之一[9]。除此之外，一氧化氮还可以通过激活MAPK信号通路，引起软骨细胞的凋亡[10]。可见，当一氧化氮维持在一定水平时，可以抑制炎症的发生，而当炎性因子激活iNOS使得一氧化氮的生成量增加时，这种相对稳定的水平被打破，此时一氧化氮则会对机体产生损害作用，促使骨关节炎的发展。基于此，抑制iNOS活性及调节一氧化氮含量成为目前骨关节炎疗法的重点。

1.2 IL-1β IL-1β是一种促炎因子，主要由单核-巨噬细胞刺激产生的可以诱导炎症反应和软骨分解[11]。骨关节炎患者关节腔内IL-1β的表达水平较高，并且1L-1β的表达水平与炎症的严重程度呈正相关[12]，其常被当作评估患者炎症状态的指标之一。IL-1β可以诱导多种因子表达，造成软骨细胞及细胞外基质的破坏，影响软骨细胞的修复，加快骨关节炎的进程[11]。此外，IL-1β还可以通过激活MAPK和NF-κB信号通路，影响骨性关节炎的发展。如IL-1β可通过激活p38MAPK通路[11]，诱导iNOS和环氧化酶2表达，使局部一氧化氮和前列腺素 E2的含量增加，从而促进软骨细胞分解代谢，影响软骨的修复[13]；IL-1β还可以激活NF-κB，促使NF-κB发生转录并诱导MMP表达上调[14]，从而对软骨细胞的分化、增殖及修复造成负面的影响[15]。

1.3 肿瘤坏死因子α 肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)-α可由多种细胞(巨噬细胞、单核细胞等)产生。正常情况下，TNF-α可在一定程度上抑制炎症、感染、损伤等病理状态，从而对机体发挥有利的影响。但在骨关节炎发病过程中，TNF-α引起的炎性分子应答与IL-1β相似。TNF-α与细胞膜上的TNF受体结合，把生物信号传导至细胞内以激活NF-κB信号通路，从而引起炎症反应，促使细胞凋亡[16]；同时，NF-κB信号通路激活后又可增强TNF-α的表达，TNF-α与NF-κB之间存在正向调节关系[17]。不仅如此，TNF-α还可以与其他因子共同作用，加重炎性反应，例如其与IL-1β共同产生作用，激活MMP、抑制软骨细胞的合成代谢、诱导软骨细胞凋亡，最终引起软骨的破坏[12]；而随着软骨细胞的凋亡，部分凋亡产物又可以增强IL-1β和TNF-α的表达，导致局部处于一个恶性循环的环境中，加速了骨关节炎的进展[12]。目前，部分研究者认为该恶性循环的核心是由炎性因子打破B细胞淋巴瘤2和 B细胞淋巴瘤2相关X蛋白的平衡所致[18]。

1.4 转化生长因子β 转化生长因子β(transforming growth factor β，TGF-β)最早是由de Larco和Todaro[19]发现，目前发现的TGF-β超家族成员有30多个[20]。在生物体内TGF-β的信号传导较为复杂。在正常生理状态下，TGF-β可以激活Smad通路，发挥相应的生物效应。当TGF-β在软骨细胞外基质中被激活，其可与细胞膜上的受体结合形成复合物进入细胞内，Smad2、Smad3蛋白接收到这个信号后发生磷酸化并与Smad4结合，随后进入细胞核内，从而传导了TGF-β信号。这个由细胞内吞作用进入细胞内，与活化的Smad蛋白结合，从而把信号传递到胞内的过程，成为Smad的经典途径[21]。

van der Kraan[22]研究发现，TGF-β处于一个相对稳定的水平时可以对组织的修复起到促进作用；当TGF-β与炎性因子的平衡被打破时，TGF-β可以激活Smad通路，引起滑膜纤维生成和软骨细胞终末分化，对关节组织具有破坏作用。可见，在一定条件下，TGF-β促进软骨组织合成代谢或修复，而促炎性因子IL-1β、TNF-α等促进软骨组织分解代谢，两者处于一种拮抗状态，共同维持着关节软骨的正常结构和功能的稳定。另外，TGF-β可诱导聚集蛋白聚糖和胶原蛋白基因表达，使得Ⅱ型胶原生成增多，从而对关节软骨起到保护作用。还有研究发现，TGF-β对软骨的保护作用与MAPK通路激活有关。例如Jin等[23]在动物实验中发现TGF-β和Wnt-5a相关：TGF-β在刺激软骨的过程中，Wnt-5a 的表达也明显增强，Wnt-5a可以上调蛋白激酶C-α和激活MAPK信号通路，从而传导TGF-β对软骨的刺激，引起细胞凝结和软骨形成。

综上，TGF-β的作用与其表达水平相关，当TGF-β水平过低或过高时，均可导致异常的TGF-β信号通路激活表达，对软骨功能产生危害[24]。这为治疗骨关节炎提供了新思路，即可从引起TGF-β水平改变的因子着手，维持机体内各因子的平衡来治疗骨关节炎。

2 与骨关节炎发病相关的信号通路

2.1 Wnt信号通路 Wnt信号通路广泛分布于生物体内，可调控细胞的增殖和分化。Wnt信号通路可以分为经典的Wnt通路(Wnt/β-连环蛋白)和非经典的Wnt通路[Wnt/Ca2+、Wnt/平面细胞极性(planar cell polarity,PCP)]。正常生理状态下，Wnt通路处于休眠状态。β-连环蛋白参与细胞间和细胞基质相互作用的黏附连接结构形成过程以及β-连环蛋白-APC-Axin-糖原合成酶激酶3β(glycogen synthase kinase 3 beta,GSK3β)复合物的构成[25]。当Wnt信号通路被激活时，Wnt分泌的Wnt配体与细胞膜上的卷曲蛋白受体、低密度脂蛋白受体相关蛋白受体结合，其中卷蛋白受体接收到配体信号后，在细胞内募集并磷酸化细胞质内的蓬乱蛋白，蓬乱蛋白可以抑制GSK3β的磷酸化，减少β-连环蛋白-APC-Axin-GSK3β复合物的形成，引起β-连环蛋白在细胞内积累并向核内转移，激活转录因子T细胞因子/淋巴增强因子，从而产生生物效应[26]。

在骨关节炎发病过程中，炎性因子激活Wnt通路后引起β-连环蛋白水平上调，从而产生破坏软骨组织的生物效应：上调的β-连环蛋白可引起MMP表达增强，导致Ⅱ型胶原的表达水平显著降低，从而加速软骨细胞及细胞外基质的破坏[27]，同时，随着MMP表达的增强，又可以进一步促进炎症反应[28]；另外，当Wnt/β-链球蛋白通路被激活时，可以促使骨髓间充质干细胞成骨分化，使得RUNX家族转录因子2(Runx family transcription factor 2，RUNX2)表达增强，抑制了SRY核转录因子9(SRY-box transcription factor 9，sox9)[25]，促使软骨干细胞向纤维化或成骨谱系转化，从而抑制成软骨过程。

骨关节炎的发病也涉及Wnt/Ca2+、Wnt/PCP通路的激活。Wnt/Ca2+通路激活后，引起胞内钙离子水平升高，导致钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ和蛋白激酶C的活化及活化T细胞核因子的表达，从而对软骨细胞产生不利影响；Wnt/PCP通路是较为特殊的通路，其常通过激活c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)与Wnt/Ca2+通路关联，共同影响相应基因的表达，从而破坏软骨细胞[29]。

综上，Wnt信号通路与骨关节炎的发生密切相关，因此基于Wnt信号通路探索缓解或者治疗骨关节炎的方法是可行的。但是Wnt信号通路存在着复杂的效应网，仍需进一步弄清其在骨关节炎进程中的具体作用机制。

2.2 MAPK信号通路 MAPK信号通路存在于真核细胞生物中，其包括MAPK-细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinase，ERK)、MAPK-JNK和p38MAPK通路，可以被IL-1β、TNF-α、TGF-β等因子激活。在正常生理状态下，MAPK信号通路可以被TGF-β激活，参与软骨的发生过程。Ma等[30]通过体外干细胞实验发现，TGF-β可以激活p38，同时当p38信号受到抑制时，TGF-β也会受到抑制，说明两者在软骨发生过程中相互影响。此外，Li等[31]发现，在没有TGF-β诱导的情况下，单纯抑制p38也会影响SOX9的表达，认为p38MAPK通路可以影响TGF-β诱导成软骨基因SOX9的表达，p38MAPK与TGF-β呈正向调节的关系。

在骨关节炎发病过程中，由于受到过量炎性因子的刺激，MAPK通路出现表达异常，与正常软骨组织相比，骨关节炎患者的软骨组织中p38和JNK的表达水平更高[32]。Hilgendorff等[7]研究发现，激活的p38MAPK信号通路可增加环氧合酶2和前列腺素E2的表达，使得RUNX2释放增加，引起软骨细胞肥大并抑制细胞外基质的合成，促使软骨细胞发生凋亡，之后的研究结果也得出了类似的结论[33]。MAPK-ERK通路与p38MAPK通路的作用类似。一项动物实验表明，通过抑制骨关节炎模型兔的ERK表达可以明显减轻其关节炎症[34]。MAPK-JNK通路主要与胶原酶基因表达相关[35]，该通路被炎性因子激活后，引起下游转录因子转录，促使 MMP表达，最终导致软骨及细胞外基质被破坏，加快骨关节炎的进程。

由此可见，MAPK信号通路与骨关节炎的进程密切相关，过多的炎性因子刺激引起MAPK信号通路表达异常，加重炎症反应并加快细胞外基质的降解，造成软骨的破坏[36]。

3 ESW治疗骨关节炎的机制

3.1 ESW抑制骨关节炎相关的细胞因子 早在2005年，就有学者利用ESW缓解骨关节炎患者的疼痛症状，并且取得了良好的临床疗效[37]。随着研究的深入，研究者发现ESW还可以有效地抑制炎症反应，减缓骨关节炎的进程。

在生物体内，一定生理量的一氧化氮不仅可以抑制炎症反应，还可以上调血管内皮生长因子的水平，加速局部血液循环，有利于骨关节炎软骨的修复[38]。发生骨关节炎时，机体内一氧化氮含量明显高于正常值[39]，而ESW可以明显地降低一氧化氮的含量，起到抗炎、保护软骨的作用。綦惠等[40]采用低能量ESW刺激大鼠软骨细胞，发现在炎症环境下大鼠软骨细胞中的一氧化氮以及iNOS的表达水平上调，给予低能量ESW刺激后，两者的表达均受到抑制。随着研究的深入，研究者发现ESW产生上述效应是通过特异性机械敏感性离子通道(mechanosensitive ion channel，MSIC)介导的，MSIC是一类感受细胞膜表面应力变化，实现细胞外机械信号向细胞内转导的离子通道，当ESW作用于软骨细胞时，可以刺激细胞膜上的MSIC，将机械信号转化为生物信号[41]，抑制NF-κB表达，从而降低iNOS的活性，减少病理性一氧化氮的生成，从而对软骨起到保护作用[42]。这进一步解释了ESW发挥抗炎作用的机制。除此之外，ESW还可以降低IL-1β、TNF-α的表达水平，抑制MMP的活性，增强 TGF-β、血管内皮生长因子、骨形态发生蛋白的表达水平，促进软骨细胞合成Ⅱ型胶原，从而对软骨组织起到保护和修复的作用[18]。可见ESW抑制炎症、缓解骨关节炎进程是一个多靶点相互作用的过程。

3.2 ESW抑制骨关节炎相关的信号通路 有研究表明，ESW可以影响MAPK信号通路的表达，进而调控下游相关因子，延缓关节软骨的退变[43]。凌琳[4]研究发现，骨关节炎兔模型的膝关节软骨中ERK蛋白活性增强，经ESW处理后，其ERK蛋白表达受到抑制，MMP的分泌减少，软骨细胞的增殖能力增强，软骨的破坏明显减轻，这说明ESW可以通过MAPK 信号通路调控细胞的增殖和修复以延缓骨关节炎的进程。另外，有学者发现ESW还可以刺激细胞释放三磷酸腺苷以激活嘌呤能受体，嘌呤能受体又可以诱导ERK激活[44]，从而促进骨形态发生蛋白表达和Smad磷酸化[45]，进而对软骨起到保护作用。可见，ESW可以通过激活MAPK-ERK信号通路，从而发挥保护软骨等生物效应[46]。

值得注意的是，使用ESW治疗骨关节炎时，虽然一定能量的ESW可以影响MAPK的表达，对骨关节炎起到治疗作用，但是选择的ESW能量不同，所引起的MAPK效应和临床疗效可能存在差异，因此本文仅纳入采用低能量ESW进行治疗的研究进行总结分析。

4 小 结

骨关节炎的进展与MAPK、NF-κB 、Samd、Wnt等信号通路的异常表达相关：炎性因子(TNF-α、TGF-β、IL等)的刺激引起生物体内相关通路的表达以应对炎症反应，打破了原有MAPK、NF-κB 、Samd、Wnt等信号通路的稳态，导致这些通路失去了其原有的生物效应，促使骨关节炎的发展。因此，维持局部内环境中的相关因子及通路的稳定，对于延缓骨关节炎的发展进程尤为重要。

ESW疗法是一种安全有效的骨关节炎治疗方法，其可通过MSIC把信号传入细胞内，通过MAPK、NF-κB等信号通路，抑制炎症反应；同时也抑制TNF-α、TGF-β、IL等因子的表达，减轻炎性因子对软骨的破坏从而起到保护软骨的作用。