骨性關節炎的代謝機制研究進展

鄭潔 袁普衛

1. 陜西中醫藥大學針灸推拿學院，陜西 西安 712046 2. 陜西中醫藥大學第一臨床醫學院，陜西 西安 712046

骨性關節炎(osteoarthritis, OA)是以關節軟骨進行性退變為核心，并伴有滑膜、軟骨下骨、韌帶、半月板、脂肪組織以致整個關節結構發生變化的復雜性關節病。OA屬于一種低度炎癥性關節病，除了力學因素，炎性反應及固有免疫反應等生物學因素在OA進程中也發揮了重要作用[1,2]。研究發現，代謝對炎性反應及免疫細胞功能發揮著重要的調節作用，不同的免疫細胞表現出不同的代謝特征來調節各自的生物學反應[3]。這一規律同樣存在于非免疫細胞。在不利條件下(如感染、創傷)，大多數哺乳動物細胞都經歷了能量代謝的轉變，即從靜止的調控狀態轉變為新陳代謝活躍的狀態以維持能量的平衡狀態并促進細胞的存活[4]。這種代謝狀態的轉變也發生在OA關節軟骨、滑膜及軟骨下骨，影響著軟骨細胞、滑膜細胞及骨細胞的代謝行為，進而通過滑膜巨噬細胞影響它們與免疫系統之間的相互作用[5]。

1 生理狀況下的軟骨代謝

關節軟骨是一種特殊的無血管、細胞數目較少的結締組織，與滑液和血漿相比，軟骨中可利用的氧氣和葡萄糖等能量物質要少得多[6]，在這種環境下，軟骨細胞外基質分子的轉換率是相當低的。因此，維持軟骨合成代謝與分解代謝之間的微妙平衡對軟骨組織長期的完整性和自我修復能力至關重要[7]。葡萄糖是一種重要的代謝原料和軟骨的結構前體，它是軟骨細胞合成糖胺聚糖的主要前體，對細胞外基質的合成和降解十分重要[8,9]。葡萄糖轉運的易化是軟骨細胞細胞葡萄糖代謝的第一步，這一過程接受缺氧及促炎細胞因子的調控[6,9]。葡萄糖被轉運到軟骨細胞后，部分被用于合成糖蛋白，部分通過糖酵解和三羧酸循環途徑進行分解代謝，為細胞提供能量。糖酵解途徑為不需氧的降解過程，主要在細胞質中完成，該過程將一分子葡萄糖轉化成二分子的丙酮酸，并將有限的能量以ATP的形式儲存。三羧酸循環是有氧氧化的主要階段，在氧氣充足的條件下，糖酵解產生的終產物丙酮酸可通過氧化脫羧進入三羧酸循環，最終將氧還原成水并釋放大量能量。軟骨細胞對葡萄糖代謝途徑具有選擇性，通常情況下，軟骨細胞主要通過糖酵解來滿足自身的能量需求[10]，在營養應激狀況下(如缺氧)，它們通過加強線粒體呼吸以提高三羧酸循環效率，促進細胞外基質的生物合成，并維持細胞存活[11]。因此，良好的線粒體功能對于支持健康軟骨細胞的三羧酸循環是至關重要的，而線粒體功能受損則與OA發病機制有關。在OA的早期階段，關節軟骨對新環境條件的代謝適應是很明顯的，軟骨細胞試圖通過代謝的適應性變化修復受損的軟骨基質，而這種代謝適應性在OA晚期階段已經不復存在[12]。

2 OA環境下軟骨細胞的代謝

2.1 糖酵解與OA軟骨細胞代謝

在OA病理生理過程中，促炎、促分解代謝因子顯著增加，分解代謝加快，細胞代謝的動態平衡受到破壞[13]。在這種情況下，細胞通過增殖、蛋白質合成等形式加快合成代謝，以維持合成代謝與分解代謝的動態平衡[14]。與處于完全分化和靜止狀態的軟骨細胞的代謝特征不同，炎性微環境中的軟骨細胞的能量代謝發生了適應性變化，表現為糖酵解水平顯著提高，而依賴于線粒體三羧酸循環的有氧代謝大大降低[14,15]。軟骨細胞也能在ECM中感知氧氣和葡萄糖的濃度，并通過調節細胞的新陳代謝來作出適當反應，從而在急性營養和氧氣應激時使能量代謝更多地依賴于糖酵解[6]。OA病理中，軟骨細胞合成的大量NO使細胞線粒體功能嚴重受損，造成ATP合成減少，為滿足軟骨細胞的能量需求，糖酵解水平進一步提高。研究已證實，OA患者關節軟骨細胞糖酵解水平顯著提高[16]。OA軟骨細胞能量代謝的轉變使進入三羧酸循環的丙酮酸大大減少，細胞質中的丙酮酸在乳酸脫氫作用下轉化為代謝終產物乳酸，胞質中堆積的乳酸使已經酸化的微環境PH值進一步降低[17]。蛋白質組學研究表明，軟骨細胞在炎癥微環境中的代謝適應對這些細胞中膜蛋白的構成有直接的影響[18]。

2.2 線粒體及氧化應激與OA軟骨細胞代謝

線粒體是細胞的動力中心，它以ATP的形式為細胞的活動、分化、死亡、信號調節及細胞周期控制提供能量[19]。線粒體也是整合多種先天免疫信號通路的分子平臺。線粒體功能障礙和氧化應激是OA代謝異常的重要標志[20]。在OA在內的退行性疾病進程中，線粒體結構、動力學和基因組穩定性的改變使線粒體呼吸功能衰退，活性氧(ROS)過度合成，引起氧化損傷。與健康個體相比，OA患者軟骨細胞的線粒體DNA損傷顯著增多，而修復能力明顯下降，導致軟骨細胞凋亡率增高[21]。線粒體膜電位的維持是推動氧化磷酸化及合成ATP的重要條件，對線粒體電子傳遞鏈活動的分析表明，OA患者軟骨細胞線粒體膜電位顯著下降，復合物II和III的含量明顯減少[16]。盡管OA軟骨細胞中大多數ATP來自糖酵解而不是氧化磷酸化[22]，但線粒體ROS有助于維持細胞氧化還原平衡以促進糖酵解[23]。軟骨細胞能量儲備能力的減弱以及代謝途徑向糖酵解的轉變，導致細胞合成代謝受損，ECM合成減少，細胞生存能力降低[24]。OA關節中的不利微環境導致軟骨及滑膜細胞大量合成NO和ROS[25,26]，誘發更多的線粒體DNA損傷和線粒體氧化磷酸化的抑制[27]。OA患者關節軟骨細胞中活躍的脂質過氧化反應導致軟骨細胞線粒體DNA損傷加快，這作為一個前饋環路，進而影響軟骨細胞的端粒DNA和復制壽命，破壞軟骨蛋白聚糖的完整性[28]。

2.3 軟骨細胞代謝的關鍵調節因子

腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)是參與調節軟骨細胞代謝的一個關鍵分子，它通過下游的NAD依賴性去乙酰化酶SIRT1和哺乳動物類雷帕霉素靶蛋白(Mammalian target of rapamycin, mTOR)調節軟骨細胞的能量代謝。AMPK是細胞能量平衡的重要調節劑，它使細胞能夠適應能量需求的變化[29,30]。在代謝應激時(如正常軟骨細胞處于低氧狀態時)，通過激活AMPK，進而磷酸化多個下游目標，從而促進ATP消耗途徑的抑制和ATP生成途徑的激活[29,30]。AMPK失調與多種伴有線粒體功能障礙和細胞能量代謝不平衡的增齡性疾病密切相關，包括糖尿病、動脈粥樣硬化、心血管疾病、癌癥、神經退行性疾病以及OA[29-32]。與正常軟骨細胞相比，OA患者關節軟骨細胞AMPK活性明顯下降。在IL-1β和TNF等促炎因子誘導下或生物力學損傷環境中，AMPK活性降低的軟骨細胞表現出了更多的分解代謝反應，這些反應可通過AMPK的藥理作用而減弱[31,32]。在軟骨中，SIRT1起著促進軟骨特異性基因表達[33]，保護軟骨細胞免受輻射誘導的衰老[34]，以及抑制軟骨細胞凋亡的作用[35]。研究發現，OA患者、OA小鼠及老齡小鼠膝部軟骨中的SIRT1的表達顯著下調[36,37]；軟骨特異性SIRT1基因敲除小鼠OA進程顯著加快[37]。SIRT1抑制會加劇TNF和IL-1β誘導的人原代軟骨細胞的分解代謝反應[38,39]。在內側半月板不穩OA小鼠模型中，軟骨特異性mTOR缺失可上調軟骨自噬水平，進而對軟骨具有保護作用[40]；因mTOR信號異常導致的過氧化物酶體增殖因子活化受體γ(peroxisome proliferator-activated receptor γ, PPARγ)缺陷則會加速OA小鼠的軟骨退變[41]。

2.4 軟骨細胞衰老與OA

在促炎細胞因子、前列腺素和ROS激活等應激原刺激下，處于靜止狀態的軟骨細胞被激活而發生表型的轉變，這種現象被稱為軟骨細胞衰老[42]。軟骨細胞衰老導致軟骨內穩態和新陳代謝的進一步破壞，細胞分解代謝加快，這一過程與炎癥以及自噬和炎癥復合物之間的相互作用密不可分[42,43]。衰老軟骨細胞分泌的可溶的和不可溶的分子進一步促成了炎性微環境的產生，這被認為是導致關節軟骨中ECM大分子降解的主要原因。此外，軟骨細胞分泌的分泌性分子(如NO)可作為基因表達的有力誘導因子，進一步促進促炎和促分解代謝基因的異常表達；這些分泌性分子還能抑制線粒體功能，損害氧化磷酸化[44]，促進ECM鈣化并形成炎性羥基磷灰石晶體[45,46]。

3 OA環境下滑膜組織細胞的代謝

與固有免疫密不可分的滑膜炎在OA發病中起著關鍵作用，它通常發生在OA的早期和晚期，影響著關節組織的新陳代謝，是促成軟骨退行性改變的重要因素[47]。炎性滑膜組織分泌的促分解代謝和促炎癥介質(如細胞因子、ROS、NO、PGE2和神經肽)改變了細胞代謝以及軟骨基質降解和修復之間的平衡[48]。滑膜炎是OA晚期的一個常見特征，以巨噬細胞、T細胞和肥大細胞浸潤以及局部高濃度促炎細胞因子為特征[49]。滑膜炎性反應導致蛋白水解酶(具有分解軟骨的作用)含量增加，加快軟骨細胞外基質的降解[50]，軟骨降解產物又會進一步誘發滑膜炎性反應，形成一個正反饋環，使OA患者的臨床癥狀和關節退化不斷加劇[51]。軟骨細胞和滑膜細胞釋放的炎癥介質還會推動氧化應激，通過ROS對關節組織造成損害[52]。

另有研究發現，經高濃度葡萄糖刺激后的OA患者滑膜成纖維細胞(synovial fibroblast cells, FLSs)可通過PIK3-ATK信號通路合成大量ROS，后者進而誘導血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)(可促進OA滑膜及軟骨下骨中的血管生成)在FLSs大量表達，這一結果表明葡萄糖代謝異常在OA病理中發揮了一定作用[53]。

4 小結

OA的發病機制十分復雜，其中涉及關節軟骨、軟骨下骨和滑膜的代謝變化。這些變化影響了軟骨細胞、滑膜細胞和骨細胞的代謝途徑，同時也影響了它們通過炎癥介質與免疫系統的相互作用。諸多證據表明，OA軟骨代謝向糖酵解的轉變在免疫反應和慢性疾病(包括OA和RA)炎癥途徑的激活中發揮了重要作用。這一代謝變化促使免疫細胞和炎性細胞在急性細胞應激或營養障礙期間獲取能量，以促進促炎細胞的合成及蛋白質的降解。因此，對這些復雜的代謝途徑的更深層次的理解可能會為治療OA和其他關節炎癥性疾病的潛在的新治療策略提供更多的見解。同時，提高對軟骨和滑膜代謝的生理和病理生理調節的理解，也有可能為OA的病因學和病理生理學提供新的見解。