肥大细胞在肥胖患者膝骨关节炎中的作用研究进展

刘高卿 金 柱 刘晓萌 汪利合

1.河南中医药大学骨伤学院，河南郑州 450000；2.河南中医药大学第一临床医学院，河南郑州 450000；3.河南中医药大学第一附属医院骨伤科，河南郑州 450000

膝骨关节炎（knee osteoarthritis，KOA）是以关节软骨磨损、软骨下骨硬化及关节周围软组织炎症为特征的慢性退行性疾病[1]。肥大细胞（mast cells，MCs）作为重要的免疫细胞，在组织微环境影响下完成其特异性的分化和成熟，目前在变态反应、固有免疫和获得性免疫方面被广泛研究。但事实上MCs 还能参与周围组织多项病理生理过程。肥胖是KOA 的独立危险因素之一，随着社会进步及生活条件改善，肥胖人群不断增加，使KOA 的患病人群及患病风险提高。研究显示，肥胖患者KOA 发病率为12%～43%，且肥胖患者各个年龄层发病率都高于正常体重人群[2]。近年来，肥胖脂肪组织中MCs 的生理与病理作用引起了学界的广泛关注。MCs 作为脂肪组织内部高度异质性细胞，在脂肪组织中大量存在，并参与脂肪的形成、代谢、生物学功能等。在病理学方面，有研究表明，肥胖导致的代谢因子改变会影响与骨关节炎（osteoarthritis，OA）病理学相关的炎症因子的产生[3]。关节软骨细胞、滑膜细胞也表达和响应相关联的细胞因子。因此，肥胖、MCs 和KOA 三者之间可能具有特定的影响和联系。本文结合国内外相关文献，探讨MCs 在肥胖患者KOA 中的作用，以期为肥胖患者KOA 的预防和临床治疗提供一种新的思路。

1 MCs 活化

MCs 来源于CD13+、CD34+、CD117+骨髓多能造血祖细胞，具有广泛的组织分布，可在组织中存活长达数月。成熟的MCs 表达多种受体，如模式识别受体，包括Toll 样受体（Toll-like receptors，TLR）和NOD 样受体等；细胞因子受体，包括白细胞介素（interleukin，IL）-1、IL-33、γ 干扰素等；Fc 受体，包括FcεRⅠ和FcγRⅠ等，还表达趋化因子受体、神经肽受体等，这些受体在激活时会触发各种信号通路[4]。受体与相应的配体结合可影响MCs 的发育、增殖与存活，诱导细胞活化。MCs 激活的主要途径是免疫球蛋白E（immunoglobulin E，IgE）依赖性和非依赖性。虽然，IgE 依赖性信号传导是MCs 激活的主要途径，但也发现IgE非依赖性通路在各种炎症性疾病的病理生理学中起着关键作用[5]。MCs 可通过以下机制影响OA：①释放细胞因子和趋化因子吸引其他免疫细胞；②释放可溶性介质和酶引起OA 疼痛。而这些机制离不开MCs 的活化。MCs 活化诱导预成型介质从其颗粒中释放或从头合成并释放介质。预先合成介质包括组胺、类胰蛋白酶等；从头合成并释放介质包括脂质介质[前列腺素D2、细胞因子（IL-33、IL-6）、肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）等]、趋化因子如单核细胞趋化蛋白-1（monocyte chemotactic protein-1，MCP-1）等[4]。在没有过敏反应典型的脱颗粒时，MCs可以通过选择性释放这些高活性的生物因子，在炎症、组织损伤、炎性疼痛等病理生理学反应过程中发挥不同作用。正是通过这种差异性或选择性的释放，才能使MCs 参与多种细胞生理过程。

2 MCs 在肥胖组织中的作用及其相关介质对KOA的影响

2.1 肥胖诱发KOA 的炎性因素

传统理论认为，肥胖可使膝关节承受的机械应力和摩擦增大，进而增加KOA 的患病风险及病情进展。近年来，越来越多的证据也表明肥胖所致的一些代谢性炎症因子在诱发KOA 炎症机制中有着重要贡献。首先，在肥胖状态下，由于脂肪组织肥大增生、纤维化、死亡及脂肪因子分泌异常，导致组织内的微环境显著改变，脂肪细胞稳态失调，形成脂肪组织炎症[6]。Kawai 等[7]指出肥大增生的脂肪细胞可以表达和分泌更多的炎症细胞因子如IL-6、TNF-α 等；杨放等[8]通过酶联免疫吸附试验法检测早期与晚期KOA 患者髌下脂肪组织，证明晚期患者IL-6、IL-8 及TNF-α 水平均高于早期患者。这些研究共同说明了脂肪组织在炎症状态下，可促进炎症细胞因子分泌，加重KOA。其次，脂肪组织也合成和释放脂肪细胞因子如瘦素、脂联素、炎症趋化因子等改变组织代谢[9]。Duan 等[10]通过研究22 例KOA 肥胖患者和10 例体重健康的KOA患者，发现瘦素的表达和体重指数呈正相关。血清瘦素水平与KOA 呈正相关，并可在软骨细胞中通过诱导基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）1 和MMP13 表达并伴随激活STAT、MAPK、PKB 和NF-κB 信号通路发挥其分解代谢功能。此外，有文献指出肥胖相关的血脂异常如甘油三酯升高、高密度脂蛋白胆固醇降低、游离脂肪酸升高等也可通过促进滑膜炎症等有害过程来介导OA 病理[11]。综上，脂肪组织炎症、脂肪组织自身合成与释放相关因子、肥胖相关代谢异常在肥胖诱发KOA 的炎性因素中发挥重要作用。

2.2 MCs 在肥胖组织中的作用

MCs 的数量及活化和脂肪组织相互影响，他们共同产生大量的活性物质，且在KOA 发病过程中可进一步促使炎症的发生与发展。Gurung 等[12]研究显示，在代谢综合征患者皮下脂肪组织中，单位面积内的MCs 数目是正常人群的4.5 倍，并且随着MCs 数目的增加，MCs 活化程度也显著升高。Takata 等[13]指出MCs数量的增加可能导致肥胖KOA 患者的滑膜碱性成纤维细胞生长因子表达升高，而其与KOA 的严重程度有关。此外，当脂肪过度堆积破坏脂肪组织正常的内分泌模式，导致脂肪因子分泌失衡后，脂肪组织中活化并脱颗粒的MCs 可释放如IL-1β、IL-6、MCP-1 等大量促炎症细胞因子和趋化因子到细胞外空间募集巨噬细胞、中性粒细胞等免疫细胞[14-15]。这些研究都说明了MCs 的数量在肥胖脂肪组织中增加，活化后可以促进脂肪组织炎症。另外，脂肪组织纤维化微环境本身也会改变浸润其中的MCs 的分泌模式，使其转变为促炎表型，分泌出更多的IL-6、IL-1β、TNF-α 等促炎症细胞因子。

2.3 MCs 相关介质对肥胖患者KOA 的影响

上述相关炎症细胞因子在KOA 的病程进展中发挥着重要的作用。Huang 等[16]指出，IL-1β 可以诱导软骨细胞氧化应激损伤和软骨细胞衰老。徐伟等[17]通过体外实验发现，IL-1β 可以导致软骨表层细胞中活性氧增加，采用抗氧化剂处理可以明显减少活性氧，缓解IL-1β 导致的软骨表层细胞衰老。IL-6 是多功能炎症细胞因子，除本身的促炎作用外，还可能作为MCs 的关键介质来调节机体脂质代谢，进而影响到肥胖患者KOA。Woodell-May 等[18]在文献中指出，IL-6可能刺激MMPs 等胶原酶的表达，降解软骨基质。TNF-α 可以通过诱导产生IL-6、MCP-1 等从而加重炎症；可以上调MMPs 的表达，还可以通过影响体内糖代谢、脂代谢及脂肪细胞分化转录因子的表达，参与机体的脂肪代谢和机体能量平衡，对肥胖起负性调节的作用。MCP-1 是单核细胞募集进入KOA 炎症部位的主要调节因子，可以吸引或增强其他炎症因子或细胞的表达。在MCs 预先形成的介质中，类胰蛋白酶具有高度特异性，是诊断MCs 相关疾病及介导反应的生物标志物[4]。在脂肪组织纤维化过程中，活化后的MCs 一方面可通过分泌类胰蛋白酶进而激活MMPs，增加细胞外基质的周转率，促进软骨细胞凋亡和软骨破坏；另一方面，脂肪组织的纤维化又会强化MCs 释放促炎因子，进一步加重KOA 症状[19]。类胰蛋白酶是公认的蛋白酶激活受体2（protease-activated receptor-2，PAR-2）激活剂，而PAR-2 激活在关节炎症中发挥着重要作用。Lü 等[20]提出PAR-2 通过调节炎症因子、代谢因子等的产生和释放，可参与OA 关节软骨、软骨下骨、滑膜的病理生理进展，以及疼痛的发生和传递。此外，类胰蛋白酶通过切割一些关键蛋白质，激活其他具有更广泛特异性的蛋白酶及刺激细胞反应，进而在各种慢性炎症和组织重塑的过程中起到驱动作用。

3 MCs 与肥胖患者KOA 相关信号通路探讨

3.1 TLR 相关信号通路

TLR 是成熟MCs 表达的表面受体，目前研究较多的是TLR2 及TLR4。TLR4 可被广泛发现且作为重要的信号通路转导蛋白，对相关的病原进行识别、结合、转导，从而释放炎症介质。TLR4/My D88/NF-κB 信号通路作为KOA 防治机制的通路，近年来逐渐被研究[21]。TLR4 通过其下游的MyD88 依赖性信号转导通路，调控下行的各种炎症因子（如IL-6），当炎症因子进入细胞内，TLR4 介导MyD88 下行表达，进而磷酸化NF-κB，进一步激活炎症因子（如IL-1β、IL-6、TNF-α和MMPs）的释放，参与炎症反应。Kalaitzoglou 等[22]研究表明，TLR4 通过识别损伤相关的分子模式介导肥胖诱导的代谢炎症和软骨分解代谢，并且随着OA 关节的老化而增加。韦嵩等[23]通过分子生物学技术证明了TLR4 介导的信号传导通路，抑制下游MyD88、NF-κB，阻断炎症细胞因子的分泌，减少软骨破坏。以上研究共同表明，肥胖患者KOA 的软骨损害与TLR4相关信号通路的异常激活有关。当配体与TLR2 受体结合后，经MyD88 依赖的信号通路进行传导，最终导致MAPK、NF-κB 及AP-1 活化，调节基因表达，合成并释放多种细胞因子。Shoukat 等[24]通过Sanger 测序检测得出TLR-2 基因变异与肥胖发生显著相关并构成风险。这也为未来的基因组研究和靶向治疗提供方向。Xu 等[25]通过动物造模及体外试验研究证明，通过抑制TLR2-4/MyD88/NF-κB 信号通路可调节关节软骨细胞的炎症损伤，缓解细胞凋亡。

3.2 神经生长因子（nerve growth factor，NGF）相关信号通路

NGF 是正常伤害感受器发育的重要生长因子，在炎症条件下，NGF 表达上调。MCs 响应NGF 水平升高而产生，导致OA 关节中伤害性信号传导增加。TrkA受体可由MCs 表达，他们被NGF 激活导致炎症介质的上调和释放，从而使关节伤害感受器敏感。有文献指出，KOA 患者关节液和血液中NGF 与TrKA 的表达随疾病进展而增加，提示NGF/TrKA 通路与KOA疼痛相关的病理变化有关[26]。NGF/TrKA 通路可促进神经末梢释放致痛因子。Sousa-Valente 等[27]通过使用TrkA KI 小鼠模型体外研究结果表明，在OA 关节中，细胞外NGF 通过MCs 中的TrkA 受体激活起作用，并导致环氧化酶-2 的显著上调和PGD 的产生。PGD 是MCs 释放的主要前列腺素，可使感觉神经元敏感，促进从OA 关节到脊髓背角的有害信号传导。此外，在软骨方面，NGF/TrKA 通路可影响骨软骨交界处的感觉神经密度，通过抑制TrKA 可以减少骨软骨交界处的感觉神经密度[28]。NGF 还可通过增加硫酸黏多糖和MMPs 的释放，增加软骨内基质的降解，参与软骨退变。这些机制可能会与力学因素及MCs 在脂肪组织生理病理的共同作用下对KOA 产生影响。

3.3 Mrgpr B2/X2 相关信号通路

Mas 相关的Mrgprs 是主要在感觉神经元上表达的GPCR 家族。Mrgprs 大量表达于神经系统的背根神经节上。Mrgpr B2/X2 在MCs 中高表达，与P 物质等配体结合后，受体与Gαq 相互作用活化磷脂酶C，产生甘油二酯，激活下游蛋白激酶，经Ras/Raf/MEK/MAPK 信号通路影响基因转录，最终导致MCs 迅速发生脱颗粒，释放组胺等介质，并合成释放前列腺素D2及细胞因子TNF-α 等[29]。Mrgpr X2 受体还可与Gαi作用，通过Mrgpr X2/Gαi 信号转导诱导瞬变感受器TRPV4 通道开放，阳离子内流，从而使MCs 连续脱颗粒。在相关研究中发现，Mrgpr B2 介导炎症机制和热痛觉过敏，并作为必需受体在损伤部位募集先天免疫细胞，进而影响炎症浸润、增加外周传入敏感性。Green 等[30]通过对小鼠术后痛模型和CFA 诱导的炎性痛模型的研究后提出假设：组织损伤后释放的P 物质通过Mrgpr B2/X2 激活MCs，引起细胞因子和趋化因子的释放及免疫细胞的募集，进而参与炎症和疼痛。在病理反应领域，这种受体也参与慢性炎症。综上，肥胖作为一种慢性炎症状态，肥胖患者KOA 在组织损伤后产生的炎症和疼痛可能与Mrgpr X2 相关。

4 小结与展望

MCs 在脂肪组织中参与重要的生理和病理过程，并与肥胖共同对KOA 的进程产生影响。目前，KOA的发病机制还未完全阐明，而成像技术的进步、鉴定新型生物标志物的不断成熟及关节组织内细胞通路知识的增加等将会促进开发更好的治疗KOA 策略。随着肥胖患者KOA 发病率不断提高，对肥胖、MCs 与KOA 三者之间研究的不断深入，以及对MCs 相关介质差异释放的日益重视，可能会导致对单个介质的特定调节进行更集中的研究，这些因素将加速“智能”药物的开发。未来对肥胖患者KOA 研究需要进一步揭示MCs 在肥胖与KOA 生理病理学之间的作用，更深入地关注他们在KOA 进程中所发挥的作用，以提出更有效的、无副作用的治疗方案和干预措施。