关节软骨与软骨下骨病变的研究进展

郭 磊 牛啸博

骨关节炎(osteoarthritis,OA)是关节炎中最常见的类型,也是我国最常见的老年慢性退行性疾病之一,研究报告指出,在我国60岁以上的人口中关节炎发生率高达44.68%[1]。随着我国人口老龄化的增加,骨性关节炎发生率逐年增长。其主要的临床特征是引起关节的疼痛及活动受限。典型的病理改变是由多因素引发的以关节软骨(articular cartilage, AC)的退行性改变和软骨下骨(subchondral bone, SCB)的异常重塑。伴随病情的演变,还伴有骨赘的形成、滑膜的增生以及关节间隙进行性的狭窄,最终导致患者关节畸形甚至残疾,因此OA也是中老年人关节畸形和残疾最重要的原因之一[2]。因此本文分析关节软骨与软骨下骨在病变过程中的演变机制及潜在关联,以期探寻OA新的防治思路。

一、关节软骨的改变及其机制

1.炎性细胞因子的影响:正常的关节软骨主要由Ⅱ型胶原、透明质酸、富含蛋白多糖的细胞外基质(extracellular matrix, ECM)以及软骨细胞有序排列构成,其稳态的维持主要靠ECM和各类胶原蛋白的动态调节来维持,但在异常的应力作用或损伤机制下,AC内出现异常的信号交流及细胞表型的改变,这个过程中,软骨细胞和免疫细胞产生许多炎性介质,如肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor, TNF)-α和白细胞介素(interleukin, IL)-1β和IL-6等,这些炎性细胞因子尽管不是引起软骨退变的成因,但是其联级放大效应却加剧了软骨的破坏[3,4]。研究表明,IL-1和TNF-α可激活丝裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinases,MAPK)和核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)信号通路促使软骨细胞中的前列腺素E2(PGE2)、一氧化氮(NO)、基质金属蛋白酶家族(matrix metalloproteinase,MMP)和解聚蛋白样金属蛋白酶(A disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs, ADAMTs)等因子过表达,这些因子对软骨的损伤均有促进作用[5～7]。其中MMP家族可以降解ECM的所有成分,特别是MMP13除了降解Ⅱ型胶原外,还能降解蛋白多糖分子聚集素,从而在ECM中起到双重破坏作用[8]。

2.肥胖:肥胖无疑是OA发病的一个重要的危险因素,脂肪组织生理学的最新进展为理解肥胖和骨关节炎之间的关系提供了新的见解,肥胖不仅与OA患病率增高呈正相关,而且在OA发展中扮演着重要的角色。研究表明,肥胖本身是一种低度炎症性疾病,脂肪组织是细胞因子、趋化因子和称为脂肪因子(如瘦素、脂联素、抵抗素)等代谢活性介质的主要来源,而这些脂肪细胞因子具有促炎和分解代谢的特性。他们还是几种促炎性细胞因子(如IL-1β、IL-6和TNF-α等)的重要来源,因此可以推断脂肪组织通过介导炎性反应诱导分解代谢过程而对AC造成损伤[9]。值得一提的是,在传统观念中肥胖一直被认为会导致负重关节(如膝、髋)的OA,因为肥胖会增加关节所承受的机械应力。这个概念似乎合乎逻辑,因为OA患者在减肥后感觉症状会明显缓解。然而,据Joseph等[10]对2271例OA患者对照研究后发现体重的增加和减轻与AC的退变及生化成分的改变并无相关性。

3.缺氧:由于AC没有毛细血管神经网络,所以正常软骨微环境是处于低氧状态。当关节内氧需求超过供应量时,缺氧诱导因子(hypoxia inducible factor, HIF)-2α的表达上调[11]。HIF-2α是软骨破坏的分解代谢调节剂,HIF-2α不仅使基质降解酶和炎性介质的表达上调,并且通过一种独特的基因表达程序促进软骨细胞变性肥大。肥大软骨细胞体积较大,增殖较少,基质生成、矿化和重塑模式也与正常软骨细胞不同。它们还表达较高水平的MMP13、X型胶原和血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF),以及较低水平的Ⅱ型胶原。且VEGF表达增加能够促进血管生成和软骨内骨形成,从而加快了软骨侵蚀使关节内的氧气浓度的进一步降低,二者形成一个恶性循环,加速软骨的退行性病变,进而促进OA[12]。HIF-1α与HIF-2α的作用截然相反,HIF-1α不仅在早期软骨细胞分化中起一定的作用,还通过抑制HIF-2α介导的NF-κB信号通路减少MMP13等分解代谢因子的表达从而起到保护关节软骨的作用[13]。

二、软骨下骨的改变及其机制

1.微损伤:人体的关节在面对不同的机械应力时,SCB通过不断调整自身的微观结构适应其机械载荷,从而实现应力传导。在自我调节的过程中导致的骨显微结构的改变称为骨的微损伤。伴随微损伤的积累,钙化软骨中微裂隙大量生成,逐渐蔓延并侵入AC,同时纤维血管会随着微裂隙进入软骨区域,增加了SCB与AC间的异常交流途径,加速软骨的退变,而软骨的退变又进一步加重SCB的异常负载,诱导异常骨重塑,形成恶性循环[14]。

Malekipour等[15]利用Micro-CT对赛马最易累积微损伤的第3掌骨研究后发现,受损SCB局部区域的骨刚度降低,骨刚度降低的区域的承载应力降低,而相邻区域正常骨以及关节表面的应力增加。由于骨对其载荷环境高度敏感,SCB损伤局部载荷变化抑制了SCB的正常重塑从而导致随后的OA。且局部受损区域的骨体积分数较正常区域显著增加,这一变化与后期的关节僵硬关系密切。

2.软骨下骨骨髓病变:骨髓水肿(bone marrow edema-like lesions, BMLs)基于OA患者SCB的异常重建,对于OA患者SCB骨髓在MRIT2加权像上的非囊性、边界不清的高信号区表现。其发病机制尚不明确,但BMLs在关节疼痛和软骨退变起到促进作用,这一观点已得到广泛认可,且研究表明,这一病理早于软骨损伤,可以作为早期OA的诊断依据之一[16]。

研究表明,BMLs一般出现在应力增加的区域,例如膝关节排列不良的区域,在这些区域内,发现了典型的组织病理学变化(脂肪坏死、局部骨髓纤维化和骨小梁微骨折),且病变大小与关节疼痛显著相关,这表明BMLs也是引发OA疼痛的成因之一[17]。

研究表明,BMLs区的SCB与非BMLs区比较出现了异常的骨重塑,BMLs区域内的骨细胞数量和小动脉密度增加,血管出现特征性改变,特别是壁厚和壁腔比增加,这表明血管增生对BMLs的发展有贡献,且与非BMLs区比较,BMLs区域软骨下骨板增厚,骨小梁体积增大,骨小梁增多,以板状为主[18]。Bowes等[16]通过对88例患有BMLs的OA患者的研究发现,约2/3患者的软骨侵蚀发生在BMLs的浅表区域,这表明BMLs对软骨丢失起到促进作用,这一发现有助于在早期OA预测局部软骨丢失情况。

3.软骨下囊肿(subchondral bone cysts, SBCs):SBCs也是OA典型的病理改变之一。2006年Carrino等[19]对32例OA患者的随访研究发现,92%的软骨下囊肿起源于BMLs的信号区域,且SBCs的病变区域的大小随着BMLs发展而发生改变,这提示二者间可能存在密切的联系。Cerma等[20]对1283例OA患者的前瞻性临床研究表明二者在空间和时间上具有显著的相关性,推测二者可能为同一病理过程中的不同阶段,并提出猜想BMLs可能为“软骨下骨囊肿前病变”。

Weber等[21]在先前理论的基础上结合近期研究结论,提出SBCs发病机制可能是在异常或高频的机械应力作用下,SCB不断累积微损伤,激活自身免疫反应,在淋巴细胞的浸润下,骨桥蛋白、转化生长因子(transforming growth factor,TGF)-β以及骨形态发生蛋白等骨代谢相关因子被激活,启动SCB的异常重建,在此期间形成了BMLs,随着病程的发展,未被吸收者形成了SBCs,直至终末期软骨下硬化,在此过程中,被覆关节软骨逐渐变薄,磨损增加。研究表明受损SCB区域内SBCs的直径与被覆软骨量呈显著负相关,与毗邻的SCB所受的异常应力呈正相关,同时骨内应力的增加会导致局部骨质破坏和随后的SBCs扩张[22]。这一现象与Weber等[21]得出的结论一致。虽然现在对于其成因仍有争议,但为揭示OA进展的重要性不可忽视,其作用机制仍有待于进一步研究。

4.软骨下骨异常重塑: SCB的异常重塑无疑是OA进展中的重要组成部分。现有研究认为在关节异常载荷的影响下,关节的应力传导分布不均导致AC内环境的紊乱以及SCB的组织架构的改变,促进成骨细胞与破骨细胞的异常激活,导致骨的动态平衡被破坏,形成SCB的异常重塑,且这一过程的发生先于AC退变,这一观点已在现有文献中得到广泛认可。

在早期OA中,应力分布的变化导致SCB重塑平衡发生变化,主要体现在4个过程:骨转换减少、SCB的厚度减少、钙化软骨增厚和骨小梁变薄,直至晚期SCB出现明显骨体积和密度的增加,骨质增生硬化,骨髓腔隙减小,骨赘和游离体形成[23]。研究表明,尽管晚期硬化的SCB的骨密度增加,但其SCB中碳酸盐磷灰石与羟基磷灰石的比值升高,提示骨基质矿化不足。另外,晚期SCB胶原合成增加,但沉积的胶原减少,胶原比明显降低,进一步影响了骨的矿化过程,促进了SCB的异常重塑[24]。

Zuo等[25]在晚期OA患者硬化性骨小梁中发现,病变区域的低骨转换使硬化区矿物晶体的异常聚集,形成无序的胶原纤维和矿物晶体排列,导致骨骼结构骨脆性显著增加,骨骼承受变形的能力降低。同时纤维与晶体的非平行排列改变了正常的载荷传递,关节表面能量吸收减少而传导增加,使骨小梁微损伤不断累积,导致SCB硬化增加。

三、骨-软骨单元

随着对OA认识的不断加深,越来越多的研究表明OA是一种波及全关节的疾病,AC与SCB二者作为一个相互影响、相互作用的复合骨功能单元,参与了OA的发展进程,而不是仅由于软骨退变导致的。正常成人的关节是一种复杂的结构,AC可以缓冲关节所承受的机械应力,减少运动过程中的滑动摩擦,但SCB同样重要——AC的内环境稳定和完整性依赖于与SCB的生化和生物力学相互作用。骨-软骨单元(osteochondral unit,BCU)在结构上可分为软骨层、钙化层和软骨下骨,软骨下骨又可分为表层的软骨下骨板以及紧邻的松质骨,其中软骨层与钙化层之间有一明显的组织学边界为潮线,起到连接二者的作用。

作为软组织到硬组织的过渡区,骨软骨界面易发生“微损伤”和“神经-血管化”,累积的微损伤激活骨重塑过程。研究表明,经微损伤嵌入骨基质中的转化生长因子(transforming growth factor,TGF)-β,在OA早期破骨细胞介导的重塑过程中被释放,且TGF-β信号增强伴随着SCB的灌注异常、血管生成增强和骨髓水肿等病理改变。在此过程中,SCB孔隙率增高,这有助于血管和神经从SCB侵蚀到AC。

Taheri等[26]研究发现,在OA患者的软骨钙化层中分布有来自于SCB的微通道,可以联通软骨与骨髓,并且在AC最厚的区域,微通道的局部密度通常最高。这表明在OA进展过程中,AC与SCB存在异常的信号交流。研究发现来自OA患者SCB的成骨细胞可以诱导健康AC细胞形成促分解代谢表型,使MMP家族成员表达上调,特别是MMP3和MMP13的表达增加,ADAMTs产生减少,加速了ECM的降解[27]。

Yan等[28]通过建立动物实验模型发现,SCB局部受损后,削弱了SCB吸收、分散和传递来自AC传导的载荷的能力。另外在受损SCB区域,其血管网络遭到破坏,降低了向软骨深层提供营养的能力。受损区域被覆软骨出现显著退化。而与之对应的骨水泥填充组在一定程度上对AC起到了支持作用,缓冲了其作用力,虽然AC仍然发生了退变,但其退变程度明显低于骨缺损组。这表明在OA进展过程中软骨损伤与骨重塑是偶合的,当SCB 出现微结构的改变,同样会造成额外的软骨损伤。

另一方面,OA患者的关节软骨细胞也影响SCB的重塑,Prasadam等[27]将正常软骨细胞与OA患者的软骨细胞做对照,分别与软骨下骨细胞混合培养后发现,OA患者的软骨细胞可显著激活细胞外信号调节蛋白激酶 1/2 (tracellular signal-regulated kinase1/2, ERK1/2)的MAPK信号通路,使软骨下骨成骨细胞的表型发生变化,导致成骨标志物如碱性磷酸酶、骨桥蛋白、骨钙素表达显著上调,而正常软骨细胞的条件培养液则不影响ERK1/2磷酸化,且能够产生延迟成骨细胞分化的因子。这表明正常软骨细胞对软骨下骨成骨细胞分化的抑制性调节可能是调节SCB重塑的因素之一,而这一机制的失调可导致骨代谢增加,导致SCB结构的改变和随后的骨硬化,这是OA的一个显著特征。但目前关于骨与软骨的相互作用机制尚不明确,相关文献报道较少,仍需要开展进一步的研究予以论证。

四、展 望

综上所述,软骨与软骨下骨在OA的发展过程中并不是作为两个独立因素介导,而是建立在二者应力学、解剖学以及生物学的共同影响下,双向相互作用发生改变,骨-软骨界面的异常应力分布会使上覆的软骨退化,软骨损伤反过来会影响软骨下骨的重塑。过往的研究已证实单纯的软骨修复或是软骨下骨重建并不能对延缓OA有明显的作用,甚至还促进了的OA的全面发展,而对于骨与软骨组成的骨软骨单元整体,在OA的发生、发展中产生的作用被严重低估,如软骨下骨异常重塑对软骨细胞基质降解之间的相关性,软骨细胞变性对软骨下骨微结构的影响及机制等尚缺乏客观的实验依据,国内外对此也鲜有报道。随着OA患者数量的增多以及患者的年轻化,对于OA治疗的需求不仅仅停留于晚期的关节置换,但遗憾的是,目前的非手术治疗只能暂时缓解症状,而手术治疗面临太多复杂的困难和局限性。但可预见的是,未来的变革性研究需要多学科共同开发具有更高临床疗效的治疗策略,笔者认为关于如何阻断或影响AC与SCB的异常信号交流途径,维持骨软骨单元的完整性,必将会为骨关节炎延缓和治疗思路上提供新的方向。