代謝性骨性關節炎分子機制研究進展

李盛華 周明旺* 陳嫻 王金 陳威 柳海平

1. 甘肅省中醫院，甘肅 蘭州 730050 2. 甘肅中醫藥大學，甘肅 蘭州 730020

骨性關節炎(osteoarthritis, OA)是肌肉骨骼系統常見的慢性疾病之一，其具有不同的病因學卻有相似的形態學、生物學和臨床表現。傳統觀點認為OA與衰老、創傷等因素有關，但越來越多的流行病學及生物學證據表明OA不是單純的與衰老或機械應力相關的退行性疾病，而是由“代謝紊亂”和“炎性衰老”等多因素共同導致。因此OA被認為是一種代謝性疾病，稱為“代謝性骨性關節炎”(metabolic OA)[1]。本文主要對近年來MetS影響OA發生發展的相關分子機制進行綜述，旨在為OA的防治開辟新思路。

1 流行病學研究

美國一項調查顯示OA患者在調整年齡與體重指數后仍具有較高的代謝綜合征發生率[2]。日本ROAD調查顯示，糖耐量受損及高血壓在調整了其他混雜因素后與膝OA影像學進展相關，且隨著代謝綜合征中組分的累積，膝OA的發生也隨之增加[3]。最近一項關于摩洛哥女性代謝綜合征及各組分與膝OA視覺疼痛評分、功能評分、影像學嚴重度的相關性研究表明，糖尿病、脂代謝異常、高血壓是影響膝OA癥狀的獨立因素[4]。但也有一些調查與上述結論存在分歧。如韓國一項調查認為高血壓和腹型肥胖在調整體重或BMI相關因素后與膝OA無明顯相關性，胰島素抵抗與膝OA影像學風險不相關[5]。作者認為代謝綜合征及其各組分與OA的相關性尚無統一定論的原因與各研究小組對兩種疾病診斷標準及研究的納入標準不一致有關，同時與代謝綜合征各組分導致OA發生發展的復雜機制也有一定關聯。

2 分子機制研究

代謝綜合征是一組以肥胖、高血糖(糖尿病或糖調節受損)、血脂異常[高甘油三酯和(或)低高密度脂蛋白膽固醇血癥]及高血壓等在個體聚集發病，嚴重影響健康的臨床癥候群。代謝綜合征中多種代謝失衡的病理過程及多條信號通路相互作用，直接或間接地對OA的病理進程發揮重要作用。

2.1 肥胖

傳統觀點認為肥胖增加了承重關節的機械負荷，這些機械應力刺激了關節內機械感受器并激活相關力學信號通路(如整聯蛋白信號通路)，促使軟骨細胞分泌促炎因子及蛋白水解酶，引發關節內的炎癥反應和軟骨基質的降解[6-8]。與此同時，力學刺激后的軟骨下骨成骨細胞也能分泌一些有害介質對軟骨產生影響[9]。然而肥胖和超重使非負重關節如手指間關節發生OA的風險增加2倍[10]，表明生物力學的改變無法完全解釋肥胖導致OA的發病機制。一些研究發現[1]，衡量腹型肥胖的指標如腰圍(waist circumference,WC)、腰臀比(waist to hip ratio,WHR)較體重指數能更好地預測OA的發生，腰圍與脂肪含量與膝關節軟骨的丟失及骨髓損傷關系更密切。腹型肥胖主要指脂肪組織在腹腔內和腹腔臟器內外的蓄積。國內外多項研究顯示，腹腔內脂肪組織并非只有儲能的作用，還具有活躍的內分泌功能。它們通過分泌一系列脂肪細胞因子、炎癥因子，引起并加重系統和關節內的炎癥。某些脂肪細胞因子還能促進蛋白水解酶的產生，對軟骨造成損害[11]。

瘦素(leptin)、脂聯素(adiponectin)、內酯素(visfatin)、抑制素(resistin)是目前與OA聯系較為緊密的幾種脂肪細胞因子，它們與OA滑膜炎癥、軟骨基質的降解、軟骨下骨硬化、骨贅形成等病理過程密切相關[12]。其中，瘦素是被研究最深入最廣泛的脂肪細胞因子，它能增加關節軟骨基質金屬蛋白酶及半胱氨酸蛋白酶的表達，促進軟骨細胞分泌促炎因子(TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-8等)[11]。Yang等[13]最近研究發現瘦素通過Akt信號通路下調miR-93增加成骨細胞中OSM表達水平。OSM屬于IL-6家族，參與骨代謝及炎癥性疾病。Yaykasli等[14]研究發現在人軟骨細胞中瘦素通過MAPK和NF-κB信號通路使ADAMTS-4, ADAMTS-5, ADAMTS-9基因表達。此外，OA軟骨下骨成骨細胞中瘦素合成的增加能使堿性磷酸酶(ALP)、骨鈣素(OC)、I型膠原、TGF-β表達加強，影響成骨細胞的功能，導致骨贅的生成。其他脂肪細胞因子如脂聯素，能刺激軟骨和軟骨細胞產生NOS2、MCP-1、MMP-1、-3、-9、13以及IL-6、IL-8、PGE2、血管內皮生長因子(VEGF)發揮強大的促炎作用。內酯素除了能誘導淋巴細胞產生IL-1β、TNF-α、IL-6，還會降低維持軟骨細胞表型所需相關蛋白的表達，如人性別決定區Y框蛋白9(SOX9)、II型膠原蛋白。抑制素可使人軟骨細胞MMP-1、MMP-13、ADAMTS-4表達增多，刺激炎癥因子IL-6、TNF-α、PGE2等的產生[12]。此外，一些研究發現瘦素、脂聯素等對OA也可能是一種保護因素[11]。以上研究提示體內脂肪細胞因子水平異常是其影響OA發生發展的關鍵，使脂肪細胞因子水平恢復正常是治療OA的潛在靶點。脂肪組織除分泌脂肪細胞因子外，還分泌一些前炎癥因子，如IL-1β、TNF-α、IL-6，其他促炎因子如IL-15、17、18，超敏C反應蛋白及補體[15]，加重關節的炎癥反應。

2.2 脂代謝紊亂

相關流行病學研究發現高水平的血清膽固醇(CHO)和甘油三酯(TG)增加了膝關節軟骨下骨骨髓損傷的發生[16]，而高密度脂蛋白膽固醇水平是骨髓損傷的一個保護因素[17]。此外， OA患者血清apo A-I、apo B、HDL-C、LDL-C、TC、TG、Lp(a)水平高于類風濕性關節炎患者，但后者滑液中則有較高水平的apo A-I、apo B、TC、TG、Lp(a)。即關節炎患者血清與滑液中脂質、脂蛋白水平與系統和局部炎癥水平以及滑膜血管的滲透性有關。研究者推測滑液中的脂質及脂蛋白可能參與關節的炎癥過程[18]。TG也是動脈硬化的危險因素之一，動脈硬化引起的軟骨下骨骨髓損傷也參與了OA的發生發展。

另一項研究發現，在KOA軟骨中，膽固醇轉運相關基因表達下降，同時調節膽固醇排出的相關基因也表達減少，使軟骨細胞中脂質沉積從而引起細胞毒性增加[19]。Vasheghani等[20]研究發現，脂代謝相關PPARγ/ mTOR 信號通路異常將對軟骨細胞自噬造成影響。PPARγ基因敲除的小鼠關節軟骨退變明顯、軟骨細胞凋亡、mTOR基因表達上調、自噬相關基因表達下調；減少mTOR基因表達后，自噬相關基因表達增加，炎癥和分解代謝因子表達減少；同時體外研究發現PPARγ、mTOR雙基因敲除小鼠其OA相關表型改變。最近Huang等[21，22]研究發現食用ω-3多不飽和脂肪酸(PUFAs)對關節軟骨的保護機制也與抑制mTORC1信號通路、增強軟骨細胞自噬有關。

此外，Kostopoulou等[23]發現固醇調控元件結合蛋白1784G>C基因多態性在希臘人群中與OA患者體重指數及影像學嚴重度有關。正常軟骨細胞在轉染SREBP-2 G/C質粒后，IL-1β和MMP-13表達上調。OA軟骨細胞中，SREBP-2及其目的基因HMGCR、PI3K、ITGAV、TGF-β的mRNA及蛋白表達水平上調。TGF-β通過ITGAV和PI3K激活SREBP-2通路后，上調的SREBP-2與Smad3結合進一步促進軟骨細胞ACAN生成減少。最近他們[24]研究發現miR-33a及其宿主基因SREBP-2在OA軟骨細胞中表達顯著。miR-33a通過激活膽固醇合成信號通路TGF-β1/Akt/SREBP-2以及降低膽固醇逆轉運相關基因ABCA1和ApoA1 的表達，使軟骨MMP-13表達水平升高，抑制miR-33a可改善OA表型。

2.3 糖代謝紊亂

葡萄糖是軟骨細胞維持日常生理活動主要能量來源。然而，過多的葡萄糖則以多種直接及間接方式影響軟骨細胞的穩態。正常情況下，軟骨細胞根據細胞外基質的葡萄糖濃度，調節細胞膜上的葡萄糖轉運蛋白-1(GLUT-1)的表達，調整攝取葡萄糖的能力[25]。即使在高糖狀態下，正常軟骨細胞對GLUT-1的表達和葡萄糖的攝取仍保持在正常水平。然而OA軟骨細胞在同樣高葡萄糖濃度下，GLUT-1表達增多，從而增加了對葡萄糖的攝取。由于過量的葡萄糖在軟骨細胞內堆積，導致大量的活性氧物質[26]和基質金屬蛋白酶(MMP-1、MMP-13)[27]產生。

氧化應激是組織因各種不良刺激引起氧化系統和抗氧化系統失衡并由此產生的損傷過程。OA關節組織及細胞，如軟骨細胞、滑膜成纖維細胞、脂肪細胞，在生物力學及生物化學刺激下都能產生大量的ROS和NO。ROS和NO通過參與多種炎癥通路，如NF-κB、HIF-1α或AP-1等，對關節造成損害[28]。最近研究發現滑膜成纖維細胞中的ROS通過活化TAK1激活下游MAPKs/NF-κB信號通路，促使滑膜成纖維細胞COX-2的表達和PGE2的產生[29]。除體內高血糖，瘦素、脂聯素、載脂蛋白-2都能促使軟骨細胞及其他關節細胞產生大量的活性氮物質(NO、iNOS)。

近年來，線粒體功能障礙在OA軟骨細胞中被發現。Kendra等發現軟骨細胞線粒體損傷后，由線粒體生成的ROS增多，促使軟骨細胞MMP-1、MMP-3蛋白表達增加。然而線粒體DNA損傷及功能障礙在OA病理過程中的重要作用尚未完全明確，還需進一步研究[30]。因此，氧化應激可能是聯系肥胖相關代謝性疾病與OA軟骨損傷的關鍵步驟，可能成為治療OA的有效途徑。

晚期糖基化終末產物(AGEs) 是生物系統內碳水化合物和蛋白質之間的非酶促反應的產物，體內高血糖以及高齡等因素可造成AGEs在組織中堆積。以往研究發現，AGEs的聚積，一方面使軟骨基質生物力學性能降低，同時還能促進軟骨細胞促炎介質iNOS和COX2的釋放，導致分解代謝活性增加。此外，由于OA軟骨細胞有更高的AGE受體(RAGE)表達，激活的RAGE能夠介導軟骨細胞內MAPK和NF-κB信號通路的活化，促進軟骨基質的分解代謝。其他相關研究還發現，激活RAGE能夠刺激滑膜細胞分泌更多的MMP-1，導致軟骨分解代謝增強[31]。Chen 等[32]最近研究發現人OA軟骨細胞在AGEs刺激后，MMP-13、IL-6、COX-2、HMGB1水平升高，II型膠原表達減少。進一步實驗發現AGEs通過RAGE與TLR4激活p38MAPK、JNK，使PPARγ水平下調，進一步激活NF-κB信號通路，促進軟骨細胞相關炎癥因子及基質水解酶的產生。此外，Rasheed等[33]發現AGEs能促進人軟骨細胞產生內質網應激并通過eIF2α, p38-MAPK和NF-κB 通路刺激COX-2的產生。

2.4 高血壓

血管壁增厚、血管內皮細胞受損造成血管硬化和周圍血管阻力增高是導致高血壓的重要原因。相關研究發現高血壓與OA的發生具有獨立相關性，早期OA患者MRI影像學顯示出骨髓缺血性損傷的表現。研究者認為動脈粥樣硬化導致的血流減少，減少了軟骨下骨營養與氧的供應，造成了軟骨下骨骨髓損傷，影響了軟骨下骨與軟骨的生物學交流[34]。此外，“炎性衰老”是一種隨年齡增長機體出現的慢性低度炎癥狀態。炎性衰老與高血壓、動脈粥樣硬化以及肥胖、II型糖尿病、代謝綜合征都有密切的聯系。近年來一些研究發現，OA患者與這些疾病具有相似的細胞環境，經IL-1誘導的軟骨細胞其釋放的MMP-3的量與細胞衰老明顯相關，學者們認為“炎性衰老”也參與了OA的病理進程[35]。隨著衰老的進展，活性氧物質增多、細胞自噬能力下降，DNA損傷積累，由此介導多種炎癥因子的產生，促進了OA關節軟骨退變及滑膜炎癥反應。因此“炎性衰老”不但是高血壓與OA共同的發病機制，也是二者相互影響的關鍵環節。

2.5 微小RNA

最近越來越多的證據表明微小RNA能對某些炎癥因子，蛋白水解酶的表達進行調控，因而在OA的發生發展中起到了重要作用。Iliopoulos等[36]通過檢測人關節軟骨中365種miRNA的表達發現，與正常軟骨相比，有16種miRNA出現水平差異，其中9種表達上調，7種表達下調。缺乏miR140的小鼠與野生型小鼠相比，更容易發展為嚴重的OA，相關研究表明miR140能抑制ADAMTS-5的表達。OA軟骨中miR149表達降低，與促炎因子如TNF-α、IL-1β、IL-6表達上調有關[37]。

3 總結與展望

隨著對代謝理論研究的不斷深入，針對OA發病機制的探索從最開始的創傷、衰老過渡到代謝紊亂和炎性衰老。各種與代謝紊亂、炎癥相關的細胞因子、信號通路在OA發病機制中的重要作用，為OA今后的治療提供了更多的切入點。由于OA致病因素的復雜性以及其與多種代謝性疾病在人群中的共病現象，加大了OA的治療難度，同時制約了部分患者OA治療方式的選擇。通過改變生活方式，減少體內脂肪含量、口服相關降脂藥物等對這種共患病現象的防治起到了積極作用；與此同時，一些生物制劑和OA相關微小RNA模擬物也已處于臨床試驗階段。因此，拓展經典藥物適應癥、根據相關發病機制研發不同靶點的新型藥物有望在不久的將來改變目前OA的防治現狀。