血管內皮生長因子在骨關節炎中的研究進展

劉秀麗(綜述)，滕蔚然，金立倫(審校)

(上海交通大學醫學院附屬新華醫院骨傷科，上海 200092)

骨關節炎又稱退行性骨關節病，是一種可引起關節疼痛并致殘的慢性、進展性關節病，其主要特點是血管生成、滑膜炎、基質降解、軟骨下骨硬化和骨贅形成[1]。骨關節炎是引起的全球肌肉骨骼障礙性疾病的首要原因[2]。據估計，全球約有15%的人患有關節疾病，而在這些人群中，歐洲有超過39萬、美國有超過20萬的人是骨關節炎患者，到2020年這些數字有可能會翻倍[3]。骨關節炎的病因和發病機制非常復雜，至今尚未完全闡明。

血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)在新生血管形成中發揮著重要作用。VEGF通過旁分泌機制促進內皮細胞分裂增殖，誘導新生血管形成；通過誘導某些酶的高表達，增加微血管通透性，為新生血管形成創造條件。近來研究結果顯示，VEGF在骨關節炎軟骨細胞中表達增加，在骨關節炎軟骨退變過程中發揮著重要作用[4-5]。VEGF現已成為研究骨關節疾病發病機制的一個熱點。

1 VEGF基因定位、分子結構及功能

1.1VEGF基因定位與分子結構 人類VEGF是相對分子質量為(46～48)×103的同型二聚體，其基因定位于染色體6p21.3上，因信使RNA剪接方式不同可產生五種不同形式的蛋白分子：VEGF121、VEGF145、VEGF165、VEGF189及VEGF206，其中VEGF165是最主要的作用因子[6-7]。人類VEGF家族包括五個分泌型同型二聚體糖蛋白：VEGF-A、VEGF-B、VEGF-C、VEGF-D和胎盤生長因子，通常所說的“血管內皮生長因子”即指VEGF-A[8]。

1.2VEGF的功能 VEGF是針對內皮細胞特異性最高、促血管生長作用最強的有絲分裂原，它直接刺激內皮細胞的存活、增殖、分化及遷移，并在內皮依賴性血管舒張及血管滲透性中起關鍵作用[8]。VEGF與內皮細胞表面具有高親和力的酪氨酸激酶受體結合后，誘導黏附分子表達，并釋放細胞因子和趨化因子，引起血管基膜降解，使得內皮細胞更易進入周圍組織而促進新生血管生成[9]。

VEGF的主要作用是促進血管生成。決定VEGF生物學功能的受體除了在血管內皮細胞表達外，還在其他細胞組織中表達。研究發現，VEGF參與了骨關節炎的發生、發展過程[10-11]。Ludin等[1]向健康小鼠的關節腔內注入外源性VEGF數周后，觀察到滑膜增厚，關節軟骨鈣化增多，骨硬化及軟骨退化，證明VEGF在骨關節炎的起始和發展中起重要作用。此外，VEGF還參與軟骨細胞的增殖、凋亡及代謝，引起金屬基質蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMPs)降解，導致關節軟骨破壞，是骨關節炎進展過程中最主要的破壞因子之一[10,12]。

2 VEGF在骨關節炎發病機制中的作用

2.1VEGF在血管生成中的作用 血管生成是指從已有的毛細血管發展形成新的血管，主要步驟包括：血管基膜降解，血管內皮細胞激活、增殖、遷移，重建形成新的血管和血管網。血管生成是一個涉及多種細胞的多種分子的復雜過程。成人的軟骨是一種無血管組織[13-14]，而軟骨的血管生成現象在骨關節炎的進展中普遍存在。

在整個骨關節炎的病理過程中，VEGF起促進血管生成和增加血管通透性的作用，它是骨關節炎發展過程中滑膜細胞增殖、血管新生、滑膜炎形成的重要炎性遞質[15]。一方面，VEGF通過激活內皮細胞，使小血管基膜、內皮基質在蛋白酶的作用下被降解；另一方面，通過促進血管內皮細胞增殖、分化及遷移，促進滑膜中血管新生，增加血管的通透性[16]。

在骨關節炎患者中，滑膜的增生、浸潤以及后來出現的軟骨和骨破壞均依賴于滑膜內血管的生成；骨關節炎血管生成不僅可導致炎癥，更重要的是通過新生血管轉運炎性因子致使炎性反應得以持續[17-18]；形成的血管翳可自關節軟骨邊線處滑膜逐漸向軟骨面伸延，被覆于關節軟骨面上，阻斷軟骨和滑液接觸，影響軟骨的營養供應，導致軟骨降解和骨質破壞[19-20]。另外，血管新生還可能直接刺激破骨細胞前體及破骨細胞而致關節破壞[21]。

2.2VEGF在滑膜炎中的作用 骨關節炎是以關節軟骨退變、軟骨下骨改變及繼發性滑膜炎為特征的慢性關節疾病[9]，其本質是關節軟骨與骨破壞和修復相互交替的復雜過程，同時也存在滑膜的繼發性炎癥。在行骨關節炎關節鏡手術時，50%以上患者的關節腔有滑膜增生及炎性改變[22]。在白細胞介素1和腫瘤壞死因子等促炎性因子的刺激下，骨關節炎滑膜的成纖維細胞產生炎性因子和血管生成因子，這些炎性因子和血管生成因子可促進骨關節炎性反應的發生和血管生成[23]。

VEGF促進血管新生的同時也伴隨著炎癥的發生，新生血管為滑膜提供了更多的營養物質及氧氣，從而促進滑膜組織的增生和肥厚。新生血管中釋放的炎性介質也促進了滑膜組織炎癥的發生，在滑膜炎的慢性持續性過程起重要作用。

Lambert等[24]研究證明，在滑膜組織的炎性區域，VEGF的表達明顯增多。Hoff等[25]為了觀察不同滑液環境對原代軟骨細胞的影響，將正常的原代軟骨細胞培養在全身無炎性反應的骨關節炎和類風濕關節炎患者的滑液中，結果發現，兩種滑液培養的軟骨細胞的VEGF的表達均增高，且骨關節炎滑液中VEGF的表達更高。為了研究塞來昔布、雙氯芬酸、布洛芬等非甾體消炎藥對有癥狀的骨關節炎患者滑液中細胞因子的影響，Gallelli等[26]研究發現，非甾體消炎藥能明顯降低骨關節炎患者滑液中VEGF的表達水平。

2.3VEGF對骨關節炎軟骨細胞的影響 骨關節炎典型的病理學表現為嚴重的局灶性軟骨侵蝕、缺失，甚至達軟骨下骨質。軟骨細胞在骨關節炎的發生、發展中起著至關重要的作用。越來越多的關于骨關節炎的基礎研究都將熱點集中于如何調控軟骨細胞的代謝、抑制細胞外基質的丟失、阻止軟骨細胞的凋亡及延緩關節軟骨進行性退變上。

在骨關節炎晚期，VEGF在軟骨細胞中的表達增加[4,27]。Yamairi等[28]通過動物模型發現，在體內，遭受不同形式壓力刺激的再生軟骨細胞產生了VEGF，產生的VEGF反過來又刺激骨關節炎軟骨細胞產生MMPs以及其他蛋白水解酶破壞關節軟骨，證明了VEGF參與關節軟骨的破壞和修復過程。此外，VEGF還能影響軟骨細胞的增殖、遷移、凋亡和代謝[13]。

軟骨細胞的生存環境發生變化，導致軟骨細胞發生變性及凋亡，進而引起關節軟骨退變，關節軟骨變得粗糙，失去彈性，局部軟化，甚至出現裂隙、脫落，關節邊緣骨質增生，侵犯軟骨下骨、滑膜等組織，從而導致骨關節炎的發生及進一步發展[29]。

2.4VEGF在基質降解中的作用 血管生成的第一步是血管基膜降解，MMPs能夠降解細胞外基質的各種蛋白酶，在基質降解中起重要作用，其在退行性關節疾病中也發揮著重要作用。金屬蛋白酶組織抑制劑(tissue inhibitor of metalloproteinase，TIMPs)是MMPs的抑制劑，其能夠抑制MMPs的活性。在正常條件下，MMPs與TIMPs處于平衡之中，但在骨關節炎的進展中，TIMPs與MMPs之間的平衡被打破，導致軟骨外基質降解[30]。

VEGF不僅是一種血管生成因子，也是基質代謝的調節因子，在骨關節炎的病理過程中發揮著重要作用[31]。VEGF刺激骨關節炎軟骨細胞產生MMP-1和MMP-3，卻并不改變TIMPs的水平。骨關節炎患者關節滑液中VEGF與MMP-13的表達水平具有明顯相關性[32]。VEGF作為血管生成過程中MMPs的指示器，直接誘導軟骨細胞中MMPs的表達[13,32]。

MMP-13大量表達后，軟骨基質中的Ⅱ型膠原蛋白被大量分解，導致軟骨基質被破壞和降解，軟骨細胞直接暴露于炎性介質中，軟骨細胞發生變性和死亡，從而引起骨關節炎的一系列臨床癥狀[33-34]。

2.5VEGF在骨贅形成和軟骨下骨硬化中的作用 骨贅形成是骨關節炎的病理特點之一，其形成高度依賴于VEGF[35]。VEGF誘導血管形成，血管形成導致軟骨損害，進而啟動骨贅形成和關節軟骨的鈣化[1]。研究表明，軟骨細胞產生的VEGF與骨贅形成密切相關，且參與了骨贅的形成過程[4]。

Ludin等[1]將VEGF注入小鼠關節腔8周后即觀察到骨贅形成。Yamairi等[28]發現，VEGF與骨關節炎中軟骨細胞的增生、肥大，軟骨膜的遷移及骨贅的形成、發展有關，VEGF的染色強度可作為這些病理變化的客觀評價指標。

軟骨下硬化也是骨關節炎的病理特點之一。Ludin等[1]將VEGF注入造模成功的骨關節炎的小鼠關節腔內，第3周即可觀察到嚴重的軟骨下硬化現象，推測VEGF是通過改變軟骨下骨組織的代謝及促進血管修復因子的釋放而影響組織鈣化的。

2.6其他 VEGF是目前發現的唯一一種與骨關節炎影像學分級密切相關的介質[36]。研究表明，由軟骨下骨破骨細胞分泌的VEGF可誘導血管生成，這一過程同時也導致了關節結構的破壞和疼痛癥狀的產生[37]。

3 VEGF可通過PI3K/Akt信號通路促進骨關節炎進展

磷脂酰肌醇3-激酶(phos-phatidylinositol-3-kinases,PI3K)介導的通路是細胞內重要的信號轉導通路，蛋白激酶B(protein kinase B，PKB又稱Akt)處于該信號通路的中心位置，并起著關鍵的作用。PI3K/Akt信號通路參與調節細胞的增殖、分化、代謝及凋亡等一系列生理活動。PI3K/Akt信號通路廣泛地存在于滑膜組織中，與滑膜細胞的分化、凋亡、黏附、血管形成及基質降解等有關[38-39]。VEGF與受體結合后通過PI3K/Akt信號通路促進血管生成[26]。PI3K與上皮鈣黏素、β聯蛋白和VEGF受體2形成復合物，經由PBK/Akt通路參與VEGF介導的內皮信號傳遞，其一方面作用于VEGF的上游，調節VEGF的表達；另一方面又參與VEGF的下游活動，調節VEGF誘導的內皮細胞生存、遷移和分化[40]。活化的Akt通過多種途徑上調骨關節炎軟骨細胞中的低氧誘導因子的表達，上調的低氧誘導因子與DNA上的激素反應元件相結合后，增強VEGF基因的轉錄，從而促進VEGF的表達，VEGF與其受體結合后促進血管生成、骨贅形成及基質降解[4]。

4 小 結

VEGF在骨關節炎的發生、發展中起著重要作用，參與了骨關節炎的諸多病理過程：血管生成、滑膜炎、基質降解、軟骨下骨硬化及骨贅形成。在骨關節炎病理過程中，血管生成為滑膜細胞的增殖提供了營養及氧分，為其向深層侵蝕提供可能；增殖的滑膜細胞分泌細胞因子及蛋白，促進滑膜炎的同時也促進血管生成；血管的生成、骨贅的形成以及關節軟骨的鈣化致使關節軟骨損壞，破壞的關節軟骨又反過來誘導MMPs、細胞因子、趨化因子等產生，進而促進基質降解、血管生成及滑膜炎。VEGF參與骨關節炎的病理變化，推動骨關節炎的發生、發展。

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