前交叉韧带损伤后形成骨性关节炎机制研究进展—基于生物学方向

周 塏，杜秀藩，王广积

（海南医学院附属海南医院 海南省人民医院 运动医学科， 海南 海口 570311）

骨性关节炎（osteoarthritis，OA）是指由多种因素导致软骨细胞损伤以及继发骨质增生，属于一种慢性疾病。目前其病因尚不明确，主要在关节损伤（如关节内骨折、韧带损伤、半月板损伤等）后发生［1］。其中前交叉韧带损伤是常见的病因之一。先前的研究表明该韧带损伤后会发生生物学的改变，从而导致软骨损伤，最终促进OA 的形成。但目前的研究显示前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）损伤后引起骨性关节炎是由多种因素所致［2］。大多数ACL 损伤或断裂患者是通过手术干预，恢复膝关节稳定性，降低创伤性骨性关节炎（post-traumatic osteoarthritis，PTOA）的发生率。但经过重建术后仍然不能阻止OA 的发展［3］，表明ACL 损伤后OA 风险增加并可能与关节腔内微环境密切相关。研究显示，ACL 损伤后软骨细胞会产生炎症和分解代谢因子，使关节腔处于炎症环境状态，进而加重PTOA 的形成［4］。也有研究发现OA 发病机制中最重要的因素之一是关节腔内细胞因子平衡失调，促炎细胞因子占据优势，这些因子通过其作用启动恶性循环，导致最终效应［5］。本文主要探讨与分析前交叉韧带损伤后导致关节腔微环境的一系列变化（包括细胞因子的改变、滑液中蛋白质成分的变化以及软骨细胞的损伤与破坏）以及通过相关分子机制或介导信号通路使软骨基质降解和软骨细胞损伤、坏死，最终导致PTOA 形成。

1 关节腔内细胞因子的改变致使PTOA 的形成机制

在前交叉韧带损伤后，使其关节腔内细胞因子发生巨大的变化。相关研究表明，ACL 急性损伤后关节腔内IL-6、TNF-α、IL-1β、IL-8、IL-10 等细胞因子水平升高［6，7］。这些细胞因子由活化的软骨细胞、滑膜细胞和滑膜成纤维细胞释放，并参与到软骨基质的降解，使软骨受到破坏并抑制基质合成［8］。此外，细胞因子IL-6 和IL-8 也参与了滑膜炎的炎症过程，而滑膜炎是引起OA 发作和发展关键性因素，该物质在ACL 损伤后持续处于高水平阶段，可能在维持并导致PTOA 的炎症环境中起致病作用［7］。因此，ACL 损伤后关节腔内细胞因子之间的失衡会导致了PTOA 的形成。以下将具体分析与讨论滑液中细胞因子升高后对OA 形成的作用机制。

1.1 IL-6 因子

研究表明，IL-6 因子可对骨结构及其功能有着重要的影响［9］，主要是通过相关信号途径对软骨产生破坏。据目前研究显示，IL-6 主要通过两种途径产生生物作用，IL-6 正式信号传导为IL-6 与IL-6 受体（IL-6R）结合，通过与糖蛋白130（gp130）同型二聚体形成复合物，激活JAK/STAT 途径，进而导致STAT1、STAT3 的募集和激活［10］。导致软骨的损伤。同时IL-6 还可激活MAPK 信号通路和PkB/Akt 信号通路，诱导基质的降解。IL-6 反式信号传导则由IL-6 和可溶性IL-6R（IL-6/sIL-6R）的形成的复合物发挥作用，它可以抑制蛋白聚糖合成并促进蛋白聚糖丢失，对软骨造成损害。由此可看出，IL-6 因子通过介导相关信号通路致使软骨细胞的损伤与凋亡。

1.2 IL-1β 因子

研究表明，IL-1β 是OA 病理生理学中主要的炎症和分解代谢细胞因子之一。它通过增加基质降解中关键酶的表达和活性对软骨具有显着的分解代谢作用［11］。IL-1β 可直接诱导基质降解酶（MMP）的活化，导致软骨的损伤［12］。一般来说，IL-1β 因子通过与受体（IL-1RI）结合后，激活信号通路NF-κB和MAPK 途径，通过提高蛋白分解酶的表达，导致分解代谢增强，即蛋白聚糖降解和胶原蛋白破坏［13，14］。通过相同的信号通路，IL-1β 抑制转录因子（如SOX-9）合成从而抑制Ⅱ型胶原蛋白以及聚集聚糖的合成［15］。值得注意的是，IL-1β 可促进COX-2，PGE-2 和NO 的表达来抑制关节腔内蛋白多糖形成。同时，IL-1β 还可通过激活JNK 通路上调MMP3 和MMP9［16］的 表 达。并 能 激 活PI2K 和Akt途 径 来 上 调NO、PGE3、MMP 和ADAMT 的 浓度［17］。促使软骨基质的降解。此外，IL-1β 还可通过诱导NF-κB 信号通路从而抑制II 型胶原蛋白合成［18］。以上这些研究机制中可以看出IL-1β 因子对细胞软骨的造成巨大的损伤。

1.3 TNF-α 因子

相关研究阐明，TNF-α 与TNF 受体（TNFR）结合时，构象变化促进胞质内相关因子募集一种含DD 的激酶，称为受体相互作用蛋白-1（RIP1）。RIP1 反 向 招 募TNF 受 体 相 关 因 子-2（TRAF2）和TRAF5 以及细胞凋亡蛋白-1（cIAP1）和cIAP2 的细胞抑制剂［19］。这些因子与RIP1 发挥协同作用，参与下游磷酸化级联以激活NF-κB，JNK 和p38 途径，并间接上调导致关节软骨降解的基质降解酶，如10 型胶原（Col10）、MMP13、ADAMT5 和ADAMT9［20］，可导致软骨结构的退化，从而导致骨关节炎的发生发展。与此同时，Li 等［21］报道TNF-α 途径可上调IL-1β 因子共同发挥作用（图1）。TNF-α 可直接诱导MMP 和前列腺素的产生，并抑制蛋白聚糖和Ⅱ型胶原蛋白的合成［22］。因此，TNF-α 在OA 的软骨基质降解和骨吸收中起着关键作用。

图1 IL-1β 与 TNF-α 因子通过相关信号通路导致ECM 的降解Fig 1 IL-1β and TNF-α factors lead to degradation of ECM through relative signal pathway

1.4 IL-8 因子

IL-8 因子由4 个外显子和3 个内含子组成。IL-8 由炎症中的各种类型的细胞产生。IL-8 基因的5'侧翼区域包含多个核因子结合位点，NF-κB 与AP-1或C/EBP 结合协同激活IL-8 基因以响应IL-1 和TNFα，从而促使软骨降解［23］。此外，IL-8 信号传导促进主要效应子磷脂酰肌醇-3 激酶或磷脂酶C 的激活，促进Akt 和MAPK 信号级联的激活［24］。MAPK信号可导致软骨损伤，而PI3K/AKT 信号通路可促进细胞增殖，抑制软骨细胞凋亡。并且有研究显示：IL-8 通过CXCR2 介导的PI3k/Akt 信号通路在体内增强软骨生成［25］。因此，ACL 损伤后IL-8 因子对软骨细胞的作用是双重的，目前大多对IL-8 因子研究主要在于肿瘤方面的影响，未有研究明确显示IL-8 因子与PTOA 形成的关系，相信未来研究会在此方面有所突破。

综上所述，ACL 损伤后会导致关节腔内炎症因子的急剧上升，并通过相关信号通路（如PkB/Akt、MAPK、NF-κB 等信号通路）或相关分子机制促使关节的形态变化，如软骨变性，骨赘形成和其他炎症变化。若在该韧带损伤后通过调节炎症因子之间的平衡或者抑制相关信号通路，是否可以更好的避免PTOA 的形成。近年来，已有许多研究发现miRNA 参与IL-1β、TNF-α 等炎症因子引起的软骨稳态破坏过程［26］，表明可通过调控相关miRNA 可抑制OA 的发生。同时，还包括对各信号通路的研究，如Ge 等［27］通 过IL-1β 诱 导PKDI 蛋 白 表 达，使p38 磷酸化，导致细胞凋亡，结果显示PKDI 可能通过p38 MAPK 信号通路促使细胞凋亡。但目前未有报道显示在ACL 损伤后可通过该蛋白发挥作用促使OA 形成。此外，还有许多基因介导的信号通路尚未被研究或者正在研究中。如Gremlin-1 基因介导的NF-κB 通路在ACL 损伤后的作用。因此，对于ACL 损伤后导致PTOA 形成的机制有着更好的了解之后，可对其进行深入研究，挖掘相关基因或因子介导的机制，为ACL 损伤后预防PTOA 的发生提供新治疗策略。

2 滑液中蛋白成分的变化与PTOA 的关系

据相关研究表明，ACL 损伤后导致滑液中相关蛋白成分的增加如基质金属蛋白酶（MMP）、骨膜素、半 胱 天 冬 酶3 等［28，29］。这 些 蛋 白 成 分 主 要 是 由滑膜细胞、软骨细胞和其他关节内组织被激活后通过炎症介质促使产生的，可促进导致软骨基质降解以及胶原蛋白破坏。

2.1 基质金属蛋白酶

OA 的特征性体征是软骨进行性破坏，最终导致软骨细胞完全丧失。负责软骨退行性变化的关键酶是基质金属蛋白酶，特别是MMP-13。MMP目前被认为是参与ECM 降解的主要蛋白酶［30］。先前研究提出的观点表示MMP 发挥作用机理主要是由于MMP 可在特定肽键上切割聚集糖的糖胺多糖（GAG）并释放相关片段。蛋白水解裂解过程具有破 坏 性 作 用，导 致 基 质 中GAG 的 损 失［31］，同 时，MMP 对聚集糖的末端具有分解代谢作用，这可能会加速关节软骨中基质聚集聚糖的损失。此外，MMP 还具有胶原酶活性，可直接降解细胞外基质（ECM）中胶原蛋白［32］。因此，MMP 水平升高会导致关节ECM 降解，包括GAG、蛋白聚糖和胶原蛋白，从而引发MMP 的进一步激活，从而形成正反馈循环［33］。值得注意的是。关节软骨中蛋白聚糖和胶原蛋白的丢失是一种显著的改变，且胶原蛋白一旦丢失，软骨就无法修复［34］。由此可以看出，MMP可导致软骨发生不可逆的改变。

2.2 骨膜蛋白

骨膜蛋白（POSTN）属于一种分泌的母细胞蛋白，已被证明在多种结缔组织中表达，例如骨和骨膜、肌腱等［35］，有研究表明。据目前研究POSTN 蛋白在软骨基质降解和骨关节炎的作用的机制尚未明确。有相关研究表示骨膜蛋白可以诱导NF-κB信号通路对软骨基质的降解，还可通过促使p65 核易位和诱导ADAMTS5 过表达，ADAMTS5 蛋白具有细胞外基质降解酶活性，可通过降解促使OA的发生，目前ADAMTSs 与OA 之间的关系日益受到医学界的重视［36］。同时，也有研究使用外源性骨膜蛋白处理软骨细胞，则发现POSTN 会增加MMP13 的表达，进而促进软骨降解，但并不改变骨膜蛋白mRNA 表达［34］。因此，ACL 损伤后滑液骨膜蛋白增加会导致软骨的降解风险。

2.3 Caspase-3 及各种蛋白

含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶（Caspase）是细胞凋亡发生的重要蛋白，其中Caspase-3 是细胞凋亡过程中最主要的终末剪切酶。研究表明其主要机制是由各种信号的诱导下，启动caspases，该蛋白启动后与辅助因子结合发生激活，即可发挥水解蛋白作用，同时继续激活下游的效应型caspases，一旦效应caspase 被激活，便可大范围的水解细胞内的相关物质，从而降解细胞内蛋白，最终使细胞发生凋亡［37］。此外，ACL 损伤后关节腔内发生变化的蛋白还包括载脂蛋白A1，α-2-巨球蛋白、结合珠蛋白30 多种蛋白等等［38］，但目前对这些蛋白与OA 的关系研究较少，因此未来还需更多的研究来完善，以期能更好地评估PTOA 发生的风险。

综上所述，ACL 损伤后可促进关节腔内滑液中相关蛋白升高导致软骨基质及软骨细胞的破坏，进而影响OA 的进展。对于以上蛋白对关节软骨的影响，其最重要的是MMP。目前针对于MMP 抑制剂的研究比较热门，由于MMP 抑制剂在韧带损伤后重塑细胞外基质起着至关重要的作用，如Malemud［39］在动物实验中发现通过PI3Kδ，γ 抑制剂进行抑制了MMP，从而降低了MMP 基因表达，减少蛋白水解酶对软骨的降解。该类抑制剂分类有多种，但均会对患者产生疼痛和关节僵硬等副作用，称为肌肉骨骼综合征（MSS）［40］，而MMP-13 抑制剂可避免出现这种不良反应。目前选择性MMP-13 抑制剂受到了相当大的关注。相信特异性MMP-13 抑制剂最终将会产生突破性的治疗，在不久的将来能为OA 缓解病情进展。

3 软骨细胞损伤与降解

软骨损伤与降解是形成OA 病因的核心，软骨细胞是一种具有分泌细胞外基质（ECM）如胶原和蛋白多糖进而形成的软骨组织细胞。若ECM 过度降解和软骨细胞分化及降解则会引起OA，其降解基质结构成分（主要是聚集聚糖和胶原蛋白）主要由滑液中蛋白酶及细胞因子介导。由于在ACL 损伤后，关节腔内环境发生巨大变化（图2），引起胶原酶、细胞因子以及软骨细胞末端分化相关基因（如COL10A1，MMP-13，MMP-9 等）分泌增加，影响到软骨细胞的生长以及导致软骨细胞的坏死，有研究表示，ACL 损伤后关节腔内炎症、分解代谢因子水平的增加与软骨细胞凋亡有关，并可能导致软骨退化和骨关节炎的发展［41］。具体来说，ACL 损伤后导致软骨的降解与细胞因子以及滑液中蛋白的变化密切相关。许多研究已被证实，细胞因子的失衡以及蛋白的增加会通过多种信号通路促使关节软骨的形态发生退化［42］。因此，ACL 损伤后由于关节腔内微环境的改变导致软骨细胞发生凋亡以及软骨基质的降解。

图2 ACL 损伤后，导致关节腔内细胞因子平衡紊乱以及蛋白酶的增加，致使胶原蛋白丢失以及软骨细胞的损伤Fig 2 Injury to the anterior cruciate ligament leads to a disturbance in the cytokine balance in the joint cavity and an increase in proteases， resulting in loss of collagen and damage to cartilage cells

ACL 损伤后通过相关分子机制作用促使PTOA 的发生，而PTOA 的形成过程是逐渐恶化的，目前临床治疗方法主要通过非甾体抗炎药、止痛药等。然而，这些方法只能减轻骨关节炎患者的疼痛和延缓OA 过程，而不能改变由关节软骨不可逆变性引起的OA 病程。如今尚未有相关药物能够对抗PTOA 的潜在干预措施，理论上是可以在早期阶段进行干预的，以防止疾病的进展。

4 讨论

既往有ACL 损伤病史的患者PTOA 的发病率较高。若伴有关节内损伤的患者则PTOA 的发生率更高。ACL 损伤较重且通过手术治疗的患者可以重新稳定膝关节，以减轻膝关节旋转不稳定，抑制胫骨前平移，恢复功能［43］，术后进行康复的训练可以很大的改善结构性、机械系及神经肌肉上的缺陷。而在生物学方面术后患者关节腔内仍然处于炎症环境阶段，对于加剧PTOA 有一定的影响。此外，针对于ACL 损伤较轻可以通过保守治疗的患者，该韧带损伤之后对于PTOA 形成是多种因素的［44］，并且具有一定的复杂性，因此给当前治疗的带来了一定的局限性。术前术后的患者若通过改善关节腔内微环境状态来看是有益的，在未来的研究方向可致力生物学方面研究，目前药物治疗的效果也在动物研究中得到了广泛的研究。随着我们对ACL 损伤引发的生物学机制的了解增加，对动物研究中对炎症趋化因子（如IL-1 和TNF-α）的选择性抑制显示出预防损伤关节退化的潜力［45］。但目前来看，通过药物预防PTOA 进展只是基于动物实验方面。在人体方面的预防尚未清楚。此外，PTOA 的发展是一种慢性以及渐进性疾病，应当早期阶段检测PTOA，监测OA 进展以及严重程度，并评估相关治疗的有效性。最后，应当更好地了解关节腔内环境变化对于韧带损伤后进行干预是至关重要。

5 问题与展望

ACL 损伤发生OA 的由多种因素所致，对于生物学方面的影响主要是由于韧带损伤后关节腔内物质发生了变化，致使促炎因子与抗炎因子失衡、蛋白分解酶增多以及软骨细胞损伤等，通过潜在的重要因子和信号通路从而导致OA 的发生。目前分子及蛋白的药物开发极少，预防OA 的发生比较艰巨。而PTOA 是属于关节结构的慢性损伤性疾病。在晚期，膝关节的改变是不可逆的。只能通过手术的方式进行改善。因此，早期预防以及发现OA 对于指导治疗和防止膝关节无法修复的损伤是值得必要的。并且在于未来的研究方向应当致力于靶向因子或者蛋白分解酶方向研究，开拓新的药物研发，减少OA 的发生。

作者贡献度说明：

周塏：主要进行文献查找，翻阅，记录，写作等工作。王广积：文章整体把控，文章内容审校。杜秀潘：课题组成员，提供所在领域文献和相关领域修改意见。

所有作者声明不存在利益冲突关系。