骨关节炎中滑膜炎症致病因素的研究进展

刘斌 鲜艳思 郭保生 蒋青

骨关节炎（OA）是发病率最高的关节疾病，其临床表现为关节肿胀、疼痛、僵硬甚至残疾，可严重影响患者运动能力及生活质量[1]。OA 曾被定义为软骨的机械磨损，现被认为与整个关节结构的功能紊乱有关，包括滑膜炎症和纤维化、软骨下骨异常硬化、关节内韧带及关节周围肌肉异常等，其中滑膜炎症临床相关性更高[2-4]。

既往认为，OA 患者软骨磨损的降解产物可导致滑膜炎症发生，即软骨损伤先于滑膜炎症出现。但现有研究发现，仅有关节疼痛或软骨损伤较轻微患者的磁共振成像（MRI）图像已可见明显的关节积液和滑膜炎症表现，提示滑膜炎症并不局限于疾病晚期，甚至可能是OA 进展的驱动因素，早期轻度的滑膜炎症即可预测后期软骨退变及疼痛进展[5-6]。影像学检查现已确认，滑膜炎症不但与关节结构破坏直接相关，而且与疼痛通路的外周和中枢敏化存在直接因果关系[7-8]。本文对OA 中滑膜炎症致病因素的研究进展进行综述。

1 关节滑液炎症微环境

OA 发生时，以关节滑液中白细胞介素（IL）-1β、IL-6、肿瘤坏死因子（TNF）-α 为代表的多种炎症因子表达水平上调，关节软骨中的软骨细胞、滑膜中的成纤维样滑膜细胞、巨噬细胞、T 淋巴细胞等以及髌下脂肪垫中的脂肪细胞均可表达炎症因子，共同参与构成关节腔的炎症微环境[9-10]。此外，关节内创伤发生后，炎症因子和基质降解酶表达水平也会升高，且创伤愈合后滑液中的炎症因子水平仍然高于正常[11]。

在炎症环境持续影响下，成纤维细胞对炎症刺激的响应能力可发生改变。从OA 患者滑膜提取的成纤维细胞对炎症刺激的响应更敏感，经脂多糖（LPS）或TNF-α 刺激后可分泌更高水平的趋化因子及生长因子，并可分泌更多与软骨降解直接相关的基质金属蛋白酶（MMP）3、组织蛋白酶（CTS）K 或CTSS[12]。巨噬细胞经OA 患者关节滑液来源的外泌体处理后，也可分泌更多IL-1β 等炎症因子，提示滑液中的外泌体是组成OA 炎症微环境的关键介质[13]。因此，持续暴露于高水平的炎症介质可能是滑膜炎症的动因之一。

2 软骨降解产物对滑膜的刺激

2.1 软骨磨损颗粒对滑膜的刺激

软骨经过机械磨损及化学降解后，软骨磨损颗粒会脱落到滑液中，而部分颗粒则黏附到滑膜表面，可显著增大滑膜与滑膜、滑膜与软骨之间的摩擦系数，破坏正常关节运动时关节腔内的低摩擦环境，从而加剧软骨磨损并影响正常细胞的力学信号[14]。IL-1β 与TNF-α 是OA 发病机制中的2 个关键细胞因子，常在OA 体外研究中用于模拟OA 发生时的炎症环境，而软骨磨损颗粒可产生类似于 IL-1β 与TNF-α 的效应，经其处理后关节腔内的促炎细胞因子和基质降解酶增多，滑膜成纤维细胞增殖活跃且细胞外基质合成增加，宏观上表现为滑膜增生[15-17]。

除滑膜成纤维细胞外，巨噬细胞是滑膜中另一种主要细胞，也会受到磨损颗粒影响。研究显示，磨损颗粒对巨噬细胞的刺激效应与其直径相关，微米尺寸的羟基磷灰石可通过上调巨噬细胞中葡萄糖转运体（GLUT）1 和己糖激酶（HK）2 激活糖酵解，而纳米尺寸颗粒无类似影响。此外，抑制细胞吞噬可以逆转微米尺寸颗粒所致的巨噬细胞炎症因子产生及其M1 型极化标记物的表达，表明微米颗粒对巨噬细胞的影响借助吞噬作用实现[18]。

2.2 含钙晶体对滑膜的刺激

异常钙化是OA 的重要病理特征，OA 患者软骨表面、深层均可见含钙晶体沉积，主要包括碱性磷酸钙（BCP）和焦磷酸钙二水合物（CPP）[19]。

经BCP 及CPP 刺激后，滑膜成纤维细胞环氧合酶（COX）2 上调，前列腺素（PG）E2 增多，MMP1、MMP3、MMP8、MMP9 均上调且基质金属蛋白酶抑制物（TIMP）1、TIMP2 下调，蛋白激酶Cα 和核因子（NF）-κB 信号转导通路被激活并可促进成纤维细胞有丝分裂，宏观表现为滑膜增生及软骨退变[20]。

经BCP 刺激后，巨噬细胞M1 型极化增加，其相关分泌因子IL-8、趋化因子CXC 受体（CXCL）8和 CXCL9 分泌也增加。值得注意的是，经BCP 处理后细胞能量代谢由以氧化磷酸化为主转变为以糖酵解为主，而使用2-脱氧-D-葡萄糖（2-DG）抑制糖酵解则可有效逆转巨噬细胞的M1 型极化及炎症因子生成，提示OA 发生时关节腔中的含钙晶体可通过代谢重编程调控巨噬细胞表型[21-22]。

2.3 软骨来源细胞外囊泡对滑膜的调节作用

近年研究发现，以外泌体为代表的细胞外囊泡能够通过脂质双层膜包裹核酸、蛋白、脂质等形式参与细胞间物质交换，影响OA 的病理生理过程，其在细胞间通讯中的作用越来越受重视[23-24]。

OA 患者软骨细胞分泌的细胞外囊泡富含缝隙连接蛋白（Cx）43，该细胞外囊泡被滑膜细胞摄取后可上调细胞衰老标记物p16 和p21，滑膜衰老细胞染色（SA-β-Gal）阳性比例相应上调，炎症基因IL-1B、IL-6、COX-2、MMP3表达升高[25]。另一方面，经OA 软骨细胞来源的外泌体处理后，巨噬细胞促炎M1 型极化增多，其机制为外泌体通过递送miR-449a-5p 抑制巨噬细胞ATG4B基因并使其自噬能力下降，线粒体中活性氧（ROS）累积则可激活NLRP3 炎症小体。与之相反，经正常软骨外泌体处理后，巨噬细胞的线粒体功能障碍可以逆转，并转变为抗炎、促修复的M2 型[26]。

3 滑膜细胞衰老

年龄是OA 的独立危险因素。随着年龄增加，关节滑膜组织中表达衰老标志物p16INK4A 的细胞逐渐蓄积，而OA 患者滑膜中p16INK4A 阳性细胞比例更高[27]。衰老细胞以增殖减少、抵抗凋亡为特征，除本身功能下调外，其还可通过衰老相关分泌表型（SASP）影响组织微环境，从而加剧疾病进展[28]。

与OA 患者滑膜类似，在内侧半月板失稳术（DMM）造模两周后，小鼠滑膜区域即有衰老细胞蓄积，滑膜成纤维细胞衰老早于软骨退变，其机制在于异常m6A 修饰导致的滑膜成纤维细胞自噬水平下降[29]。另一种OA 动物模型在行前交叉韧带横断术（ACLT）后也可见滑膜中衰老细胞增多，IL-17 表达增高，向关节腔内注射IL-17 中和抗体则可下调衰老标记物p21 表达，并可减轻关节软骨退变[30-31]。

体外实验中，诱导后的衰老滑膜成纤维细胞较非衰老细胞IL-6 和IL-8 等炎症因子分泌水平更高，经TNF-α 刺激后其SASP 表达也更高，提示衰老细胞的促炎潜能更高[27,32]。此外，滑膜中衰老细胞与免疫细胞之间存在双向调控关系，例如衰老细胞可诱导幼稚T 细胞向辅助性T 细胞（Th）17细胞分化，而Th17 也可加剧成纤维细胞向衰老表型分化[31]。

清除衰老细胞已成为OA 治疗新方向。向关节腔注射衰老细胞清除药物UBX0101 可有效降低衰老基因Cdkn2a和Cdkn1a及炎症基因MMP13和IL-1B表达，减轻小鼠疼痛症状，改善软骨合成代谢[30]。另一项研究发现，向小鼠关节腔注射以滑膜成纤维细胞特异亲和适配体修饰的、载有达沙替尼和槲皮素等衰老清除药物的脂质体，可有效清除衰老的滑膜成纤维细胞，从而减缓关节软骨退变[33]。

4 滑膜机械应力异常

适当的机械应力有助于维持关节健康，但过高的机械应力却会通过多种信号转导通路促进软骨细胞凋亡和细胞外基质降解，加速OA 进展[34]。机械应力异常也可破坏滑膜稳态。有体外研究用不同频率的拉伸应力模拟不同活动时滑膜组织所处的力学环境，发现高频拉伸可以使OA 患者滑膜的中性粒细胞脱颗粒，内质网应激等促炎信号转导通路被激活，并伴有乳酸释放和ROS 形成增加[35]，提示高频拉伸可改变滑膜代谢并引发氧化应激，从而引起滑膜损伤。

除拉伸刺激外，异常机械应力也可诱导滑膜组织细胞的炎症表型[36]。学者们将未分化的M0型单核细胞与预先诱导M1 型或M2 型极化的巨噬细胞分别封包在琼脂糖凝胶中，并分别施加剪切力和压力负荷，发现经处理后上述3 种细胞分泌的IL-6、IL-8、TNF-α 和巨噬细胞炎性蛋白（MIP）1α 等炎症因子均显著上调[37]。另一项研究分别对OA和健康关节滑膜成纤维细胞施加48 h机械负荷，发现两者TNF-α 及PGE2 分泌均增多，且健康关节滑膜成纤维细胞在处理后细胞外基质组分Ⅰ型胶原和纤连蛋白1 合成减少，提示异常机械应力对成纤维细胞的影响可能存在于OA 起始和进展等多个阶段[38]。

5 全身代谢因素

5.1 肥胖

临床研究和动物实验研究均证实，除年龄、性别、创伤外，肥胖也是OA 的危险因素。肥胖患者的高体质量可直接增加软骨的机械压力，通过加剧软骨衰老、激活局部固有免疫反应等加重OA[34,37]。肥胖人群手部等非负重部位的OA 发生率也更高，且疼痛症状更严重，提示肥胖与OA 关联的因素可能不仅有机械压力，还包括肥胖所致的脂代谢异常、全身慢性炎症、脂肪因子紊乱等[39-40]。肥胖患者血清及关节液中的IL-1β、IL-6 和TNF-α水平均高于非肥胖患者，上述炎症因子除直接诱导软骨细胞产生基质降解酶外，还可通过调控脂肪细胞释放的脂联素和瘦素等间接加剧炎症反应[15]。另一项研究显示，肥胖患者髌下脂肪垫中NF-κB 通路明显激活，关节滑液中瘦素等脂肪源性促炎细胞因子水平更高，与体质指数（BMI）呈正相关[41]。

一项研究对肥胖与非肥胖OA 患者滑膜进行比较分析，发现肥胖OA 患者滑膜纤维化更严重，CD45+CD14+巨噬细胞浸润增加，固有免疫相关的模式识别受体TLR4 表达增加[42]。OA 动物模型也可见类似现象，高碳水、高脂饮食诱导的肥胖大鼠在软骨退变前即有更严重的滑膜炎症，滑膜中巨噬细胞浸润更多，且以M1 型为主[43]。体外实验研究还发现，肥胖大鼠关节滑液可以促进骨髓来源的单核巨噬细胞极化为M1 型[44]。肥胖的关节炎患者在减重后未见滑膜炎症影像学表现好转以及疼痛症状改善，提示肥胖所致的关节滑膜病变为不可逆损伤或表观遗传改变[45-46]。

5.2 糖尿病

排除BMI 和年龄干扰后，Ⅱ型糖尿病（T2DM）是OA 的独立危险因素[47]。T2DM 患者的OA 发生率（52%）接近非T2DM 患者（27%）的两倍[48]。与不伴有T2DM 的OA 患者相比，伴有T2DM 的OA 患者滑膜炎症反应更重，其浸润巨噬细胞数量和TNF-α 水平均更高，且晚期糖基化终末产物（AGE）蓄积增加，内质网应激水平也更高[2,49-50]。体外实验研究发现，高血糖不但可以激活大鼠滑膜成纤维细胞中缺氧诱导因子（HIF）-1α/GLUT1通路，引起胞内AGE 蓄积，而且可以导致内质网应激和炎症反应加剧，因此可以促进与之共培养的软骨退变，揭示高血糖通过加重滑膜炎症加剧OA 的潜在机制[49]。高糖处理后，升高的胞内ROS及AGE 均可通过磷脂酰肌醇3 -激酶（PI3K）/蛋白激酶 B（Akt）和NF-κB 途径上调血管内皮生长因子（VEGF），促进滑膜血管生成[50-51]。此外，高糖培养后滑膜成纤维细胞初级纤毛数量减少，长度缩短，可能是滑膜成纤维细胞机械敏感性下降的原因[52]。

OA 发生时滑膜还存在胰岛素通路的异常。胰岛素可以抑制正常滑膜成纤维细胞的炎症[53]，OA患者滑膜胰岛素信号紊乱，呈现类似“胰岛素抵抗”的效应，因而胰岛素的抗炎、抗分解代谢效应被削弱[54]。糖尿病可进一步加剧胰岛素信号紊乱，伴有T2DM 的OA 患者滑膜成纤维细胞经胰岛素处理后，胰岛素受体磷酸化及Akt 磷酸化均受到抑制，而经高糖环境培养后，滑膜外植体的GLUT1 表达上调，糖摄取增加，提示高糖环境可影响滑膜组织的糖代谢稳态[2]。

6 结语

滑膜炎症是OA 的常见病理特征，与患者的关节肿胀、疼痛、僵硬等症状密切相关。滑膜炎症的发病机制可能与OA 发生时关节腔的炎症微环境相关，如软骨退变时释放的磨损颗粒、小细胞外囊泡等均可诱导滑膜炎症。异常的机械应力和滑膜细胞衰老也参与这一过程。此外，肥胖、糖尿病等全身代谢因素也通过塑造全身炎症环境、改变滑膜细胞代谢加剧滑膜炎症。但OA 中滑膜炎症与软骨退变的因果关系迄今尚无定论，而针对滑膜炎症的治疗方法尚不明确，因此深入探究滑膜炎症发病机制可为OA 治疗提供新的策略。