膝關節創傷后炎性細胞因子變化的研究現狀①

王飛，劉克敏

近年來，隨著分子生物學及其相關學科的迅速發展以及細胞因子研究的深入，炎性細胞因子在膝關節創傷后造成疼痛及僵直的作用越來越受到重視。大量研究表明，膝關節創傷后周圍組織，包括關節囊、滑膜、關節軟骨、半月板等，均能產生炎癥介質，這就提示膝關節創傷后疼痛及僵直與其局部的炎癥反應及炎性細胞因子有關。在膝關節創傷后，炎性細胞因子的存在是僵直的原因還是結果，目前還不清楚。最有可能的解釋是炎性細胞因子可能是通過自分泌或旁分泌的方式作用于膝關節周圍，通過改變其生物行為和(或)產生病理效應，從而參與僵直的形成。而膝關節創傷后的細胞生物學行為改變后，可產生各種炎性細胞因子誘導并引起膝關節僵直。膝關節疼痛和(或)僵直發生后，在康復治療過程中又反過來刺激各種炎性因子的產生及變化。兩者相互促進，互為因果。

這些炎性細胞因子中有促進和加速炎癥反應的因子如腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)、白細胞介素-1(interleukin-1,IL-1)、白細胞介素-2(IL-2)、白細胞介素-6(IL-6)、環氧酶(cyclooxygenase,Cox)等。下面對各種炎性細胞因子近年的研究進行綜述。

1 白細胞介素(interleukin,IL)

白細胞介素簡稱白介素，是由多種細胞產生并作用于多種細胞的一類細胞因子。它和血細胞生長因子同屬細胞因子。兩者相互協調，相互作用，共同完成造血和免疫調節功能。IL在傳遞信息，激活與調節免疫細胞，介導T、B細胞活化、增殖與分化在炎癥反應中起重要作用。目前已發現了35個IL，分別命名為，IL-1～IL-35。而在膝關節創傷后的研究中主要集中在IL-1、IL-2和IL-6。

1.1 白細胞介素-1(interleukin-1,IL-1)

IL-1是單核細胞產生的多肽，血管內皮細胞、大小膠質細胞、星形細胞、巨噬細胞和T淋巴細胞均能產生IL-1。Clausen等用凝膠過濾的化學分析和高效液相陰離子交換色譜法研究發現，血管內皮細胞釋放IL-1，當加到培養中的巨噬細胞內時，可增加細胞數5～7倍[1]。Karao?lan等研究發現，IL-1可影響下丘腦-垂體-腎上腺皮質激素的釋放，多種神經遞質如5-羥色胺、去甲腎上腺素、多巴胺、乙酰膽堿、氨基丁酸、促腎上腺素釋放因子、促甲狀腺激素釋放激素及阿片肽等的作用均與IL-1有關[2]。IL-1還參與宿主防御，參與免疫反應，炎癥、發熱、急性期蛋白質合成，全身或局部誘發的IL-1可有力地啟動、加強、延長創傷后疾病應激狀態的炎癥反應，與IL-1相應的血管內皮細胞功能的改變可使白細胞滲到炎癥區[3-4]。此外，IL-1能夠刺激星形細胞和膠質細胞的激活和增生，介導星形細胞表面干擾介導的Ⅱ類主要組織相容性復合體(major histocompatibility complex,MHC)抗原的調節，刺激星形細胞分泌IL-6，使星形細胞擴增，膠質細胞溶解[5-6]。

IL-1還是重要的炎性介質之一，也是一種熱原質成分[7]，具有致熱和介導炎癥的作用，主要在細胞免疫激活中發揮調節作用。IL-1受各種刺激因子(包括抗原、內毒素、細菌及病毒等)所誘導，在急性和慢性炎癥的致病過程發揮重要作用[8]。IL-1升高在某些自身免疫性炎癥反應，如類風濕性關節炎時，IL-1參與了關節滑膜、軟骨的病理損傷過程，在多種關節炎[9](包括創傷性關節炎、骨性關節炎、色素絨毛結節性滑膜炎等)的關節液中可測出高水平IL-1。監測IL-1的釋放有助于了解機體的免疫調節能力，可為疾病的診斷、療效觀察及預后判斷等提供一項可靠依據。

近年來研究發現，IL-1在早期膝關節創傷后的病理過程中占有重要的地位。IL-1可通過誘導基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMPs)的表達，引起蛋白多糖的降解。Ross等發現，IL-1可以通過影響MMPs的生物活性以及抑制基質中蛋白多糖的合成而導致創傷后關節軟骨退變的發生，而且這種作用呈現明顯的時間和濃度依賴性[10]。Wassilew等發現IL-1能促使滑膜細胞產生的前列腺素E2(prostaglandin E2,PGE2)和磷脂酶A2(phospholipaseA2，PLA2)增加，且分泌量呈劑量依賴性增加，而后兩者同時誘導酪蛋白酶(casein)mRNA的產生，減少創傷后早期膝關節滑膜中總的蛋白多糖含量，從而導致關節滑膜萎縮、退變加劇[11]。

1.2 白細胞介素-2(interleukin-2,IL-2)

IL-2原稱T細胞生長因子，是最為重要的淋巴因子之一，在機體復雜免疫網絡中起中心調節作用，它能誘導和激活機體多種免疫細胞發揮效應。因此，IL-2在機體免疫應答、免疫調節和抗腫瘤免疫中具有重要作用。IL-2的產生或表達異常與臨床多種疾病有密切關系[12]。通過測定人外周血、尿液中IL-2水平，或激活淋巴細胞上清液中IL-2水平，可為疾病的早期診斷、預后及療效觀察提供可靠數據。IL-2低下在多種原發性免疫缺陷病和繼發性免疫缺陷病時均可伴有產生IL-2水平和表達IL-2膜受體的能力顯著降低，如類風濕性關節炎[13-14]、紅斑狼瘡、麻風病、艾滋病等。Vangsness等在分子基礎水平研究骨性關節炎時發現，骨關節炎患者滑膜中IL-2表達水平較正常膝關節滑膜明顯升高[15]。Cuellar等還發現，在膝關節創傷后早期，即使半月板仍然完好，在半月板中的IL-2表達水平仍然明顯高于正常膝關節半月板，并且與疼痛及僵直形成有密切關系[16]。

1.3 白細胞介素-6(interleukin-6,IL-6)

IL-6是一種來源廣泛的細胞因子，它可被多種淋巴細胞和非淋巴細胞自發地或在各種因素刺激下產生。IL-6是細胞因子網絡中一種多效應的細胞因子[17]，對多種細胞的生長、分化及其基因表達都有影響。IL-6還是重要的炎癥促進劑，可刺激炎癥細胞聚集，激活和炎癥介質的釋放，促進膝關節創傷后疼痛及早期僵直形成的驗證過程[16]。Huebner等在兔膝關節創傷后早期僵直形成的過程中研究發現，IL-6、IL-1β、TNF-α在關節囊攣縮過程中含量相應增加，提示炎性細胞因子可能在關節僵直的形成和發展中起重要作用[18]。Sui和Lee等對正常和膝關節創傷后早期的關節軟骨組織分別進行體外培養，結果發現，創傷后早期的膝關節關節軟骨組織培養液中IL-6含量遠遠高于正常的膝關節關節軟骨組織，提示IL-6可能參與了膝關節創傷后早期僵直形成的過程[19]。Lin等同樣認為，IL-6可能通過調節免疫細胞的功能而促進膝關節創傷后早期的自身免疫反應，從而加劇膝關節創傷后僵直形成過程[20]。還有研究認為，在膝關節創傷后早期，僵直形成的病理過程中有自身免疫反應機制參與[21]。總之，IL-6在膝關節創傷后早期僵直形成過程中的作用是多方面的，具體作用機制還有待于進一步深入研究。

2 腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)

19世紀末人們發現，某些腫瘤患者感染細菌或注射細菌毒素混合物后，腫瘤會縮小。當時人們認為是細菌內毒素所導致的效應。1975年，Carswell及其同事發現，感染卡介苗的小鼠用內毒素處理后，其血清中含有一種具有內毒素樣能使腫瘤壞死的物質，稱其為腫瘤壞死因子[22]。1985年Shalaby把巨噬細胞產生的腫瘤壞死因子命名為TNF-α，把T淋巴細胞產生的淋巴毒素(lymph toxin,LT)命名為TNF-β[23]。TNF-α又稱惡質素。

TNF不僅是一種抗腫瘤炎性細胞因子，還是一種真正的多效因子，具有多種生物學效應。TNF可直接作用于T細胞、B細胞、Mφ、NK細胞等效應細胞，在細胞分子水平上發揮作用。TNF主要由巨噬細胞和單核細胞產生。Ng已發現，TNF可對眾多的組織器官產生生物效應，是體內細胞因子網絡中重要的多功能物質[24]。Kaye等同樣認為，TNF具有多種生物效應，主要是介導抗腫瘤及調節機體的免疫功能，也是炎癥反應介質之一，參與炎癥病變的多方面病理變化[25]。有研究證明，風濕性關節炎患者的膝關節滑膜中有大量TNF存在[26]。還有研究證明，在嚴重創傷后、膿毒敗血癥、感染性肺炎等嚴重致命性疾病時，血清中TNF含量明顯增高[27]。細菌、瘧疾抗原、病毒感染均可誘導TNF產生，TNF又反過來具有抗細菌、抗病毒、抗瘧疾的作用。TNF還是內源性熱原質，引起發熱，并誘導創傷急性期蛋白的合成[28]。TNF引起發熱可能是通過直接刺激下丘腦體溫調節中樞和刺激巨噬細胞釋放IL-1而引起，還可通過IL-1、TNF-α刺激其它細胞產生IL-6。TNF在體外還可刺激骨質破壞和再吸收，抑制新骨形成[29]。將重組TNF加入體外骨培養物可使多核的破骨細胞數增加，礦化的骨質質量下降，骨膠原(骨質的主要成分)合成抑制。TNF刺激骨吸收是通過誘導成骨細胞產生一種可溶性因子完成的。

TNF-α是一種單核因子，主要由激活的單核細胞和巨噬細胞產生，中性粒細胞、淋巴激活殺傷細胞(lymphocyte activated killer cells,LAK)、星狀細胞、內皮細胞、平滑肌細胞亦可產生TNF-α。近期研究認為，TNF-α主要有以下作用：可以上調基質金屬蛋白酶的活性和基因表達；能刺激產生其他炎性細胞因子，如IL-1、IL-6、IL-8和PGE2等；能刺激細胞遷徙，改變內皮細胞的通透性；能降低基質中膠原和蛋白多糖的合成；能刺激機體產生炎癥反應[30]。Fiocco應用單克隆抗TNF-α抗體對膝關節創傷后早期關節滑膜組織進行檢測，結果發現，早期僵直的膝關節滑膜細胞中存在TNF-α，并證明創傷早期僵直膝關節所釋放的TNF-α可啟動一系列的神經病理變化[31]。Woodell-May通過對比TNF-α與IL-1β在蛋白水平，細胞因子的降解和基因受體方面面對人正常和膝關節創傷后的關節軟骨細胞的影響，發現在同一刺激水平時，TNF-α并不能誘導MMPs的表達，但是它可以使IL-1β的表達增多，從而說明TNF-α可能是膝關節創傷后早期僵直中重要的啟動因素[32]。

但是，關于創傷后僵直膝關節周圍肌肉組織中TNF-α的來源和及其機制，目前仍未明了。有研究認為，在大鼠創傷后膝關節僵直的形成過程中，肌肉細胞就開始產生TNF-α和IL-1等炎性細胞因子，而這些炎性細胞因子可以從細胞內遷移到細胞外，導致創傷后僵直膝關節周圍肌肉組織巨噬細胞集聚，由于聚集的巨噬細胞具有強大的吞噬功能及其釋放的基質金屬蛋白酶的作用，病變的肌肉組織可逐漸萎縮[33]。Orita和Koshi等認為，TNF-α可能參與并促進創傷后膝關節僵直的發生、發展過程，在創傷后膝關節僵直的發病機制中發揮重要的作用[34]。

3 環氧酶(cyclooxygenase,Cox)

Cox是前列腺素(prostaglandin,PG)合成所必須的酶，也是PG合成初始步驟中的關鍵性限速酶。又稱環氧化物水化酶。全稱為環氧化物水解酶，其作用是催化醚水解，專一作用于醚鍵。該酶可催化各種環氧化物和芳烴氧化物水解。Cox有兩種同工酶：Cox-1和Cox-2。

3.1 Cox-1

Cox-1為結構型，被稱為要素酶或管家酶，主要存在于血管、胃、腎等組織中[35]。國內、外學者普遍認為，Cox-1產生的PG參與機體正常生理過程和保護功能，如維持胃腸黏膜完整性、調節血小板功能和腎血流[36-37]。現已證明，Cox-1不僅參與炎癥并有加重炎癥的作用[38]。

3.2 Cox-2

Cox-2為誘導型，是經刺激迅速產生的誘導酶，即由各種損傷性化學、物理和生物因子誘導其產生，進而催化PG合成參與炎癥反應[39]。Gierse等認為，Cox-2似乎主要參與早期炎癥，而在慢性炎癥階段反而有抗炎作用[40]。有研究發現，在梗死的心肌內皮細胞、肌細胞和擴張性心肌病纖維化的心肌細胞中均發現Cox-2表達增加[41]。有學者認為，內皮細胞誘導的Cox-2增加，可能是一種防護創傷后損傷的補償機制，對肌肉細胞可能有保護作用[42]。

Crofford將Cox歸納為：Cox-1作為生理性酶具有保護黏膜、激活血小板及維持腎功能的作用，并參與巨噬細胞分化[43-44]。而Cox-2除在誘導下作為病理性酶引起炎癥、疼痛、發熱和異常調節外，還參與組織修復，維持腦、腎、心、肺等器官的生理功能。另外，該酶對慢性炎癥有抗炎作用。

4 總結

炎性細胞因子在創傷后早期膝關節僵直的形成過程中起著重要作用，其含量增加或減少會促進細胞外基質降解、促進膝關節周圍的炎癥反應，最終導致膝關節僵直及相關癥狀的發生。雖然，近年來對炎癥細胞因子的研究越來越深入，并可以應用炎性細胞因子的作用來解釋一些臨床征象，但這些炎性細胞因子作用機制非常復雜，來源與作用方式仍無法完全解釋。目前對膝關節關節炎的研究主要集中于骨性關節炎、類風濕性關節炎和創傷后關節炎早期階段。沒有對膝關節創傷后僵直及康復治療過程中的中、長期炎性細胞因子表達變化加以研究。并且，目前研究主要關注于關節軟骨細胞、滑膜組織及關節囊內的變化，沒有對關節周圍肌肉組織變化的系統研究。因此，創傷后膝關節僵直在康復訓練過程中，周圍肌肉組織的炎性細胞因子的變化規律需要進一步研究。

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