透明質酸對膝關節骨性關節炎相關細胞因子及生物標志物的影響*

廖瑛，張興，周君，曾亞華，成果，王甜甜，鄧程遠，黎洲

（南華大學附屬第一醫院 1.康復科，2.骨科，湖南 衡陽 421001）

骨性關節炎（Osteoarthritis, OA）是一種由不同病因引起的綜合征最終聚集在同一致病途徑上，產生軟骨、軟骨下骨和滑膜的特征性變化[1]，其已成為世界范圍內日益嚴重的健康問題。OA好發于膝、髖及手等關節，其中以膝關節受累最為常見。關節腔注射透明質酸（hyaluronic acid, HA）在緩解膝關節 OA 疼痛、改善關節功能方面應用廣泛。軟骨保護是HA治療膝關節OA的最常見機制，本文將闡述HA治療膝關節OA的相關細胞因子及生物標志物的研究進展，為膝關節OA的治療和預防提供新思路。

1 HA治療膝關節OA的相關細胞因子變化

1.1 白細胞介素

白細胞介素（Interleukin, IL）是一種低分子多肽，作為一種重要的先天免疫調節劑，參與免疫、炎癥、造血、致癌及生育等多種生物學活動。在人體中軟骨細胞、滑膜及成骨細胞上都存在各類IL受體，與其他組織一樣存在免疫應答反應。隨著對IL研究和OA發病機制認識的不斷深入，筆者發現OA發病跟IL家族相關因子的表達關系密切，可作為OA的療效判斷及預后評價指標之一。

1.1.1 白細胞介素 1（Interleukin-1,IL-1） IL-1 是與天然免疫和炎癥密切相關的大細胞因子家族。隨著國內外OA的深入研究，IL-1發病機制和病理變化過程逐漸被人們所認識。近年來，已有證據表明白細胞介素1β（Interleukin-1β, IL-1β）在膝關節OA關節軟骨基質退行性病變和軟骨破壞中起重要作用，是膝OA臨床療效的判斷標準之一[2]。張蕾等[3]研究結果顯示，經過關節腔注射HA治療后，膝關節OA患者IL-1β含量降低且關節活動功能得到改善，進一步提示IL-1β水平變化可作為HA治療膝關節OA療效判斷的輔助指標之一。YANG等[4]探討HA對膝關節OA患者滑液IL-1β的影響并分析其臨床機制時，將40例膝關節OA患者隨機分為HA治療組和生理鹽水注射組，予以1次/周，共5周的關節腔等量注射治療；另外，還選取20例健康志愿者作為正常對照組，不做任何處理。分別收集3組治療前、治療后5周的膝關節滑液，檢測3組膝關節滑液中IL-1β含量，結果表明：膝關節OA患者關節滑液中IL-1β含量高于正常人，HA組可降低滑膜關節IL-1β含量，同時HA治療組治療后膝關節OA嚴重程度指數評分降低。研究提示IL-1β含量變化可能是HA治療膝關節OA的療效判斷及預后評價的重要指標之一[4]。

1.1.2 白細胞介素 6（Interleukin-6, IL-6） IL-6 被認為可促進2型輔助性T細胞免疫反應，在多細胞生物體細胞間的通訊中起重要作用。其參與調節復雜的細胞過程，如增殖、分化，并在炎癥和免疫反應中起關鍵作用。GREGORY等[5]在對膝關節OA患者不同發展時期血清中IL-6水平的測定時發現，IL-6與膝關節OA嚴重程度呈正相關，結果提示膝關節OA的發生或加重極有可能與IL-6水平變化有不可分割的關聯。臨床研究表明，關節腔注射HA可改善膝關節OA患者關節腔內環境，減少炎癥介質的產生，減輕膝關節OA患者炎癥癥狀，延緩病程進行性加重，其機制可能與IL-6含量降低有著密切關系[6]。韋卓等[7]探討對關節腔注射HA治療兔膝關節OA軟骨退行性病變模型時，發現HA可能通過抑制炎癥因子NO-iNOS而發揮抵抗炎癥反應，保護關節軟骨作用，其作用機制與抑制IL-6等促炎因子的高表達有著密切關系。

1.1.3 白細胞介素 17（Interleukin-17,IL-17） IL-17是一類炎癥細胞因子成員，主要是由CD4+、CD45RO+記憶T細胞分泌的一種促炎細胞因子。有國外學者在探討某些炎癥介質和軟骨降解分子作為大鼠OA模型關節損傷的可能標志物時，發現IL-17在大鼠膝關節OA模型中明顯升高，提示IL-17是OA關節中主要的促炎細胞因子，其表達水平與滑膜炎癥、軟骨退變的表現呈正相關[8]。白玉明等[9]通過對56例膝關節OA患者每周行關節腔注射HA后，分別在第1次前和每間隔4周注射前及治療后留取靜脈血及患側膝關節滑液，檢測其留取液的IL-17含量，發現治療后8周IL-17的濃度較治療前降低，同時緩解膝關節疼痛癥狀。結果表明，膝關節OA患者關節腔注射HA后可緩解膝關節疼痛癥狀，其機制可能與改善機體內環境病理過程發生或發展有關，尤其與體內IL-17含量變化有一定關聯，IL-17可作為一種膝關節OA療效評估的細胞炎癥因子。

1.2 腫瘤壞死因子

腫瘤壞死因子 α（tumor necrosis factor-α, TNF-α）是OA發病過程中的重要介導因子，也是炎癥反應的重要調節因子，對滑膜炎的發生和軟骨基質的破壞起重要作用。OA患者血清和關節液中的TNF-α含量隨病情惡化而升高，提示TNF-α水平對反映OA的嚴重程度有一定意義[10]。許鵬等[11]發現輕、中度膝關節OA患者關節腔注射HA治療時，關節功能、炎癥癥狀好轉，其機制可能是使TNF-α等炎癥介質含量降低而實現的。張麗娜等[12]動物實驗發現在兔膝關節OA模型中，膝關節腔注射HA能降低關節滑液中TNF-α含量，減輕滑膜炎癥介質對軟骨組織的損傷，加速軟骨細胞的新陳代謝，對軟骨的重建及修復有促進作用。

1.3 基質金屬蛋白酶

基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinases,MMPs）是主要的蛋白酶家族，負責切割細胞外基質（extracellular matrix, ECM）蛋白質組和與 ECM 無關的蛋白質，產生生物活性分子。人體關節軟骨基質的破壞是由多種MMPs引起的。QIU等[13]研究證實，MMPs在膝關節OA軟骨和滑膜中明顯增加，尤其在軟骨破壞中的作用越來越明顯，同時發現在實驗性兔膝關節OA關節腔注射HA可抑制早期滑膜基質金屬蛋白酶3（matrix metalloproteinase-3, MMP-3）的表達，其可能是關節腔注射HA對創傷性膝關節OA早期治療作用的機制之一。HAN等[14]在采用兔膝關節OA模型實驗研究時，發現兔膝關節OA早期MMP-3在軟骨和滑膜mRNA中過度表達，可能是致使軟骨降解因素之一。與此同時，關節腔注射HA可以抑制兔膝關節OA模型產生MMP-3，總蛋白多糖合成水平升高，抑制軟骨分解，加速軟骨合成代謝，這對阻止早期膝關節OA的發生、發展具有重要意義[14]。另一方面，基質金屬蛋白酶 9（matrix metalloproteinase-9, MMP-9）是一種降解膠原蛋白和彈性蛋白的IV型膠原酶，SHIMIZU等[15]研究發現，膝關節OA患者關節腔注射HA可降低MMP-9的濃度，增加關節軟骨中HA含量，降低蛋白酶含量，從而抑制關節軟骨的分解代謝，延緩膝關節OA的發展。麻圣達等[16]將68例膝關節OA患者隨機分為HA組和對照組，治療后HA組關節液中MMP-3、MMP-9含量較對照組下降，且關節功能療效評估優于對照組，結果提示，關節腔注射HA能有效防止膝關節OA軟骨組織分解代謝，阻礙關節軟骨進行性退變，其與減少關節液中MMP-3、MMP-9含量有著緊密的聯系。李彥林等[17]研究發現，膝關節OA患者關節腔內注射HA可能通過干擾關節液中基質細胞衍生因子 1（stromal cell derived factor-1, SDF-1）與軟骨細胞表面的CXCR4受體結合，阻斷細胞外信號調節酶（Erk）及相關激酶（p38MAP kinase）的信號通路，從而抑制軟骨細胞釋放MMP-3、MMP-9及MMP-13，阻止軟骨基質降解酶與軟骨的接觸，防止軟骨基質進一步破壞。

1.4 骨橋骨蛋白

骨橋骨蛋白（Osteopontin, OPN）是一種磷酸化糖蛋白，在骨組織中廣泛存在，可由軟骨細胞和滑膜細胞等多種細胞分泌。研究發現，OA患者軟骨細胞中OPN mRNA的表達量較正常軟骨增加[18]。此外，OPN在滑液、血漿和關節軟骨中的表達與進展性關節損傷有關，可作為判斷OA病情和病情進展的一個生物因子[19]。張德清等[20]發現，膝關節OA病情越重，關節液中OPN含量越高，當膝關節OA患者關節腔注射HA后，膝關節OA關節液中OPN含量降低，且OPN含量越低，關節功能及疼痛改善越明顯，說明關節液中OPN含量變化可及時反映膝關節OA患者病情的發展和療效。孔暉[21]研究發現，關節腔內注射HA治療膝關節OA是安全有效的，其作用機制與降低膝關節液中OPN含量有密切關系。

2 相關生物標志物的變化

2.1 生物標志物

隨著分子生物學的發展，不斷發現新的關節軟骨破壞標志物，OA的生物標志物被限定為來源于關節組織的大分子物質，即可讓OA患者關節液或血液等體液中特異性生物標志物和蛋白酶等作為診斷OA的輔助指標。其不僅對OA的診斷有指導意義，而且是骨關節炎類藥物的臨床療效和安全評估指標之一。

2.2 Ⅱ型膠原C-端肽

Ⅱ型膠原蛋白由三段螺旋鏈狀交替構成。當OA患者發生病變時，在各類蛋白酶的降解下，Ⅱ型膠原最先裂解生成Ⅱ型膠原C-端肽（C-terminal telopeptides of type II collagen, CTX- Ⅱ ），CTX- Ⅱ 在MMPs等的降解下，三螺旋結構分裂，以小肽成分存在于體液中，可同時在血液、滑液和尿液中測到生物標志物。CHRISTGAU等[22]首先描述一種將尿CTX-Ⅱ作為軟骨退化指標的免疫測定法，這項研究表明OA患者尿CTX-Ⅱ增加，因此CTX-Ⅱ可被認為是監測膝關節OA發生或進展的生物標志物。CONROZIER等[23]對51例單側癥狀性膝關節OA患者每周注射HA，連續注射3個月后，檢測到膝關節OA患者尿CTX-Ⅱ水平與基線相比下降，Ⅱ型膠原降解速度減慢，從而起到對軟骨的保護作用。

2.3 軟骨寡聚基質蛋白

軟骨寡聚基質蛋白（cartilage oligomeric matrix protein, COMP）是軟骨的原始分子標志物，是一種非膠原糖蛋白。其能激活補體系統，與其他蛋白質相互作用，維持軟骨完整性，調節軟骨細胞功能和細胞死亡。ANDERSSON等[24]稱COMP是監測軟骨損傷和預后情況的重要因子，也是確定是療效的可靠因素。有研究者發現，COMP濃度的增加反映OA持續發展的過程，是一個比放射性變化更加敏感的測量工具[25]。GIARRATANA等[26]對72例膝關節OA患者每周關節腔注射HA時發現，在最初注射前第1、6和26周COMP的濃度與膝關節OA癥狀呈負相關，結果表明COMP含量的變化是評價關節腔注射HA治療膝關節OA的重要指標之一。

2.4 硫酸軟骨素

硫酸軟骨素（chondroitin sulfate, CS）是一種天然的糖胺聚糖，廣泛存在于軟骨和細胞外基質中，其中4- 硫酸軟骨素（chondroitin 4-sulfate, C4S）和 6- 硫酸軟骨素（chondroitin 6-sulfate, C6S）是關節軟骨中CS的主要組成成分。關節軟骨變性和破壞會引起CS釋放進入滑液，繼發性導致滑液的黏度降低，使軟骨進一步破壞。杜國輝等[27]對兔膝關節OA模型關節腔注射HA后，發現可減少兔關節滑液中C4S、C6S含量，從而調節軟骨蛋白聚糖的降解及合成，對維持關節軟骨正常的新陳代謝起重要作用。KUSAYAMA等[28]對73例膝關節OA患者進行5周（1次/周）內關節腔注射HA治療，并對55例（55膝）進行分析；分別于第1和5次注射前測定C4S、C6S含量，結果顯示注射后C4S、C6S濃度降低。研究表明，關節腔注射HA可調節關節內CS的水平，其中C4S、C6S含量降低可能對關節軟骨和滑膜有保護作用[28]。

2.5 HA

HA是一種由D-葡萄糖醛酸與N-乙酰-氨基葡萄糖反復交替組成的大型糖胺多糖，存在于滑膜液和許多其他細胞外基質中，是軟骨基質成分之一，在關節軟骨的柔韌性和彈性，以及維持滑膜液的粘彈性和潤滑性方面著重要作用。其也可以在關節軟骨表面形成一層保護膜，防止軟骨降解或變性。JIAO等[29]在對膝關節鏡或全膝關節置換患者進行軟骨損傷評分時，發現血清中HA可用于預測膝關節早期軟骨損傷。而在臨床上，當將高分子HA注入關節腔后，可以在痛覺感受器表面形成覆蓋，即能刺激滑膜內HA的合成，又能介導軟骨細胞的增殖功能。WIIG等[30]通過兔膝關節前交叉韌帶離斷復制膝關節OA后，行關節腔注射HA，發現軟骨面組織修復，膠原合成增加，炎癥發生減少，受軟骨病變抑制。GUIDOLIN等[31]研究認為，在關節腔內注射HA可重建表面軟骨細胞，改善軟骨細胞密度和代謝，從而達到治療膝關節OA的目的。綜上所述，筆者發現關節腔注射HA可以使其在膝關節OA患者關節腔內保持穩定，其不僅可以防止軟骨的損傷和變性，而且可促進軟骨組織修復，減輕炎癥反應，從而阻止膝關節OA的發病進程。

2.6 Ⅱ型膠原-1

Ⅱ 型 膠 原 -1（type II collagen-1, Coll2-1） 是Ⅱ型膠原在膠原酶和明膠酶B共同解聚后形成的松弛螺旋暴露新表位的代謝物，屬于二型膠原的衍生物。DEBERG等[32]在測定OA患者的血清或滑液中Coll2-1濃度時，發現其濃度高于年齡匹配的正常人，進一步闡述其在診斷、預后、疾病負擔及監測療效方面有潛在的應用價值。HENROTIN等[33]通過膝關節OA患者關節腔注射HA治療后軟骨標記物的敏感性分析顯示，HA治療組患者血清Coll2-1水平降幅高于對照組，研究發現關節腔內注射HA可以顯著降低軟骨分解代謝產物—Coll2-1，表明其對軟骨退化有一定好處，并且在臨床試驗中可用于評估膝關節OA單個關節內治療。特別在重癥膝關節OA患者中，關節腔注射HA可使血Coll2-1、硝基化Coll2-1水平明顯下降，從而抑制Ⅱ型膠原降解，改善關節炎癥表現，這反映血清中Coll2-1水平似乎是治療反應的預測因子[34]。

3 展望

雖然迄今膝關節OA發病原因仍不明確，但已有大量證據顯示膝關節OA的發生與體重、性別、年齡、外傷及遺傳等密切相關；而就膝關節OA患者個體而言，其發生可能跟關節局部生物力學異常改變有關，如關節創傷、關節紊亂、半月板損傷、韌帶損傷及肌肉無力等因素有關。同時，膝關節OA的發展也伴隨著滑膜炎癥的產生、軟骨損傷和骨贅的形成等病理過程呈進行性的病變。

HA是一種天然存在關節中，具有流體動力學特征的糖胺多糖類物質。而關節腔注射HA治療膝關節OA的有效性及安全性已得到普遍認同，其可刺激內生性HA進一步分泌，也可覆蓋和保護關節內組織，鈍化疼痛感受器，抑制炎癥因子釋放及蛋白多糖物質從軟骨基質中游離，間接或直接抑制軟骨變性。在膝關節OA的病理過程中，筆者不僅可以發現多種細胞因子及生物標志物與膝關節OA的發生、發展存在密切聯系，而且當關節腔注射HA時，其含量變化似乎是治療反應的一個預測因素。本文說明生物標志物及相關細胞因子不但在診斷膝關節OA方面有重要意義，同時也對關節腔注射HA的預后和療效評估有重要指導意義。膝關節OA作為一種晚期致殘率較高的疾病，其治療應該是個體化、綜合性的多種學科結合方式。就當前而言，HA關節腔注射治療膝關節OA仍是非手術治療的重要組成部分，這對于進一步研究HA治療膝關節OA的療效提供了可靠的科學依據。

綜上所述，筆者發現膝關節OA的發展可能不僅與關節過度負重導致生物力學改變有關，而且與多種細胞因子和生物標志物協同參與相互作用的病理過程也有著重要的關系。