寒冷环境对骨关节炎发病及损伤影响的研究进展

胡一帆,翟孝庭,徐鑫宇,姜 华

骨关节炎(osteoarthritis,OA)作为一种慢性关节疾病,其特征包括关节软骨的退行性变和继发的骨质增生,全世界约15%的人口受其影响[1]。虽然遗传、代谢和机械等因素被认为是该病的发病因素,但OA的发病机制尚未完全阐明,临床上也缺乏有效的非手术治疗方法来逆转疾病进展。因此,预防OA的发生及针对病因采取早期干预措施显得尤为重要。我国北方地区的寒冷季节相对较长,在寒冷环境下,机体会受到冷应激影响,导致关节相关的骨骼肌形态结构和代谢发生改变,同时引起关节软骨结构的改变,在骨关节病发生发展过程中产生一定影响,甚至进一步发生冷损伤。本文对近年来寒冷环境对OA发病的影响及关节相关结构的变化进行综述,以期为寒冷环境下OA发病的研究提供理论依据及防治思路。

1 寒冷环境下骨关节炎发病情况

寒冷环境指最冷月的平均温度为-10 ℃～0 ℃。寒冷作为一种常见的环境应激因素,对各种类型的OA如膝关节、肘关节和指关节等,均会造成一定影响[2,3]。人类关节腔基本温度是32 ℃,且在24 ℃～38 ℃起伏,这为低温环境直接作用于关节内细胞增殖提供理论依据[4]。流行病学研究表明,寒冷环境是与OA病情进展密切相关的环境因素,33%～66%的OA患者认为寒冷环境与其病情进展密切相关[5]。在北欧等长期寒冷地区有1/3人群存在与寒冷相关的关节和肌肉疼痛症状[6]。寒冷环境与OA患者的疼痛程度相关,冬季关节疼痛强度明显高于全年平均关节疼痛强度[7,8],包括低温在内的环境因素改变与OA患者的疼痛及肿胀程度加重相关,且女性患者(62%)较男性患者(37%)更为显著[9]。另一项研究评估了OA患者关节疼痛与天气变量之间的关联,结果显示OA患者关节疼痛程度与天气(包括温度、湿度和大气压力)变化相关,其中与温度变化呈中度相关[10]。有研究通过分析美国50个城市连续五年的相对在线搜索量,以及温度、相对湿度、气压和降水等当地天气数据,评估这些气象变量对疼痛搜索相对量的偶然影响,结果显示温度下降时关节肌肉骨骼疼痛症状的在线搜索量增加[11]。

然而这一观点仍存在一定争议。在一项为期一个月的研究中,使用VAS模拟量表将骨关节炎患者症状的严重程度与日常天气条件的变化进行比较,与大多数患者的反馈不同,结果显示外部天气条件不会影响OA患者的症状[12]。另有研究针对345名参与者进行了一项基于网络的病例交叉研究,发现包括温度在内的天气因素的变化并非膝关节OA患者疼痛加重的风险因素[13]。虽然寒冷环境对OA的影响目前尚未有定论,但大量流行病学结果显示,寒冷作为OA的潜在诱因之一,与OA的发生发展有关,会在一定程度上损伤关节。

2 寒冷环境对骨关节损伤的影响

2.1 骨骼肌的产热机制 哺乳动物骨骼肌产热方式主要分为颤抖性产热(shiveringthermogenes,ST)和非颤抖性产热(nonshivering thermogenesis,NST)[14]。这两种产热方式都是在肌肉收缩时,通过线粒体产生大量热量以维持其正常功能活动。肌细胞的几种产热方式都和肌细胞中多种酶类有一定关系。首先是线粒体内部,在三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)的合成过程中,因为有一部分质子总是在线粒体内膜上运动,不为ATP合成酶所逸出;另一方面,酶促反应的过程,甚至在ATP的水解过程中,当释放的能量超过反应所需的能量时,就会出现热,例如钠钾泵、肌球蛋白ATP酶和肌浆网内的钙泵(sarco/endoplasmic reticulum Ca2+-ATpase,SERCA)相结合,肌肉收缩时利用ATP来产生热量。

SERCA共有7种异构体表达于哺乳动物组织,其中SERCA1a(主要在酵解型纤维中)和SERCA2a(主要在氧化性纤维中)被认为参与了骨骼肌的产热过程[15]。对神经肌肉代谢的研究主要集中在SERCA1a方面,但SERCA2a也可以通过ATP水解来调节产热[16],激活SERCA会使肌肉代谢率比静息状态提高25%,从而增加肌肉产热,并提高寒冷条件下的基础代谢率[17]。

虽然上述产热途径发生的阶段不同,但它们在寒冷条件下都会被激活,使人体能够通过各种新陈代谢过程保持体温和提供能量。暴露于寒冷环境3周的大鼠比目鱼肌中线粒体的总数增加了37%,导致通过合成ATP产生的热量显著增加[18]。在暴露于寒冷的仔猪体内骨骼肌中钠泵和钾泵的活性显著增加,这种调节可能是由于相关酶的表达水平的增加所导致的[19]。反之,SERCA在寒冷环境中由固体脂质纳米粒(solid lipid nanoparticles,SLN)所生成的热效应是瞬间的[20]。Guarnieri等[21]发现,胞外Ca2+内流促进单个细胞产热,但抑制SERCA活动,抑制产热上升。除了肌原纤维的萎缩之外,在SERCA中ATP水解明显是肌肉中寒冷反应能瞬时上调的一种机理。

2.2 对骨关节结构和代谢的影响 寒冷环境下哺乳动物机体调控代谢途径,以提高产热能力,最重要的2个产热部位是棕色脂肪组织(brown adipose tissue,BAT)和骨骼肌[22],用脂肪酸将葡萄糖等能量底物转化为热量,用于维持自身体温,骨骼肌的产热与线粒体代谢密切相关。此外,在维持正常运动时,肌肉也需要消耗大量能量以提供热量。研究表明,寒冷环境可增加全身氧气和食物消耗量,导致肌肉组织形态改变,增强氧化代谢能力[23]。另外低温也使肌肉细胞中游离钙的浓度降低,从而降低细胞膜稳定性,影响细胞器的功能和蛋白质的合成,温度越低,肌肉弹性越弱。研究表明,小鼠和仓鼠的胫骨前肌暴露于4 ℃,肌纤维横截面积明显减小[24]。小鼠处于16 ℃的轻微寒冷和4 ℃的严重寒冷环境,肌纤维横截面积分别减小13.38%和18.66%[25]。这表明随着温度的下降,肌原性改变加剧。另外,低温刺激可提高肌肉的磷酸化水平,促进骨骼肌的糖原储存和脂肪分解。体内骨骼肌的耗氧量和线粒体酶活性随着对逐渐降温的适应而明显增加[26];在大鼠暴露于4 ℃条件下7天后,比目鱼肌肌浆网Ca2+-ATPase基因表达和肌脂蛋白含量显著增加,钠泵和钾泵活性也显著增加[27],这表明低寒冷环境可促进骨骼肌的能量代谢。

研究发现,寒冷刺激后小鼠趾间关节组织水肿,炎症细胞浸润,滑膜增生,组织匀浆液检测显示小鼠踝关节组织匀浆液中C反应蛋白水平升高[28],提示寒冷环境会导致OA加重。另有研究发现,寒冷环境暴露的大鼠膝关节间隙显著狭窄,关节软骨面坍塌,关节周围有骨赘形成;骨痂表面凹凸不平,有少量破骨细胞浸润;膝关节软骨细胞在寒冷的环境中排列混乱,小血管入侵关节软骨层,表层及深层软骨细胞发生坏死,关节液中IL-1β、TNF-α、MMP-13等凋亡蛋白的表达显著增加[29]。寒冷环境对软骨细胞外基质的降解也有促进作用,对膝骨关节软骨细胞RNA、乳酸及蛋白聚糖合成有抑制作用,这种抑制作用会随温度升高而减弱[30, 31]。长时间寒冷刺激(>7天)也可抑制软骨细胞生长和增殖,促进软骨细胞死亡[32,33],说明寒冷环境会破坏软骨组织。

冷应激可通过温度敏感性离子通道增加关节内血流量,并影响OA大鼠的疼痛敏感性[34]。温度敏感性离子通道又称瞬时感受器电位离子通道(transient receptor potential,TRP),可被各种温度激活,通过调节细胞内和细胞外Ca2+的平衡影响神经元电流和细胞增殖,导致组织炎症和细胞凋亡等现象[35]。TRPA1和TRPM8在TRP家族中是唯二能够对冷刺激产生反应的温度敏感离子通道。在10 ℃至17 ℃的温度范围内,TRPA1可被激活[36],而TRPM8的启动温度则是8 ℃至28 ℃[37]。这表明温度敏感离子通道介导的Ca2+流入可能是低温诱导OA的机制之一。

2.3 对骨骼肌肌纤维类型的影响 根据肌纤维的线粒体代谢、氧化酶/磷酸化酶含量,将骨骼肌肌纤维分为三类,即Ⅰ型(慢缩氧化型)、ⅡA型(快缩氧化酵解型)和ⅡB型(快缩酵解型)。快肌中以MyHC IIB型肌球蛋白为主,通过糖酵解供能,收缩力强但易疲劳;而慢肌中以MyHC I型肌球蛋白为主,通过有氧代谢供能,具有较好的耐力和抗疲劳能力[38]。Ⅰ型肌纤维兴奋阈值低于Ⅱ型,能量代谢较强,这对骨骼肌震颤的产热可能有重要影响。研究发现,暴露于寒冷及热中性环境的仔猪骨骼肌中MyHC1基因的表达上调,MyHCIIx基因表达减少,说明寒冷导致骨骼肌肌纤维向氧化型肌纤维的转化[39]。另有研究表明,寒冷导致大鼠比目鱼肌肌球蛋白水平增加,说明富含Ⅰ型纤维的骨骼肌具有解除肌球蛋白介导的钙泵的功能,能够适应严寒的天气[27]。文献[40]研究发现,急性(24 h)或长期(8 d)暴露于4 ℃的寒冷环境,雏鸡骨骼肌重量和慢肌纤维与快肌纤维特异性肌钙蛋白Ⅰ的表达比例明显增加,乳酸脱氢酶活性明显下降,生长抑制因子的表达明显低于对照组,冷暴露结束后,PGC-1 mRNA表达量明显增加,对照组上述基因表达的改变迅速恢复。这表明当冷暴露造成细胞损伤后,也许会有快速修复的过程,但肌纤维的种类和酶活性的变化在寒冷环境暴露结束后24 h内仍没有恢复,能否恢复及是否需要更长时间才能恢复仍待进一步研究

2.4 对骨骼肌内线粒体结构和功能的影响 线粒体是体内主要营养物质被最终氧化并释放能量的场所,其主要功能是合成ATP,为多种生理活动提供能量[41]。咀嚼肌作为骨骼肌,富含线粒体,其中各类型肌肉纤维数量差别较大,Ⅰ型肌纤维因有氧代谢旺盛,线粒体含量多。骨骼肌富含线粒体,各类型肌肉纤维数量差别较大,Ⅰ型肌纤维因有氧代谢旺盛,线粒体含量多。线粒体呼吸功能完善的组织中含有丰富的PGC-1α共激活因子,例如棕色脂肪组织、心脏与骨骼肌,并受到训练、绝食、寒冷等生理刺激的高度诱导[42]。寒冷环境下,随着细胞对能量需要量的增大,骨骼肌线粒体的数量显著增加,线粒体内有氧代谢有关酶的活性也急剧升高,且骨骼肌内的线粒体发生显著的重构:肌纤维间线粒体增加,线粒体内嵴密度出现了明显的重塑与升高[43]。针对以上变化,神经肌肉活动和局部循环代谢发生改变,在氧化代谢时产生大量自由基致肌肉组织破坏,而肌肉及关节运动功能障碍等损伤亦从可逆发展到不可逆。

2.5 对骨骼肌抗氧化能力的影响 寒冷环境会破坏机体的抗氧化系统,降低超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)、过氧化氢酶(catalase,CAT)等抗氧化酶的活性,使自由基集聚。当机体受到外界刺激时,体内活性氧含量急剧升高,使组织细胞发生氧化损伤。同时低温也可通过提高氧自由基的生成来损害细胞。这些因素都会造成机体内氧化还原平衡失调,引发一系列疾病。自由基的过度积累致使细胞膜结构和组织完整性遭到破坏,严重威胁机体健康[44]。研究发现,断奶仔猪长期暴露于寒冷环境后,骨骼肌柠檬酸合酶及3-羟基酰基-CoA脱氢酶活性性明显增强[39]。GSH-Px、CAT和SOD1在寒冷的环境暴露的第1天表达降低,第7天表达水平上升到高于常温环境下水平,并在之后的2周内保持了很高的水平[45]。短期暴露在寒冷中,体内积累过多氧自由基,对机体产生损害,然而随着时间的推移,体内抗氧化系统渐渐回复平衡并对寒冷产生适应性,长期处于低温环境下,机体氧化还原能力增强,同时清除氧自由基的酶活性也随之提高。这表明,机体对于长期寒冷导致的氧自由基增多具有积极补偿作用。

总之,寒冷环境使机体产生冷应激,使骨骼肌肌纤维类型及横截面积、组织代谢、线粒体结构及抗氧化能力等发生异常,骨骼肌的改变影响软骨周围环境,可能间接影响软骨细胞相关功能表达,同时寒冷直接抑制关节软骨增殖,引起关节结构改变,可能在OA的发生、发展过程中产生一定影响,其可能的机制包括凋亡、线粒体自噬及促炎因子分泌增加等,仍需进一步研究验证。