高膽固醇與骨關節炎的研究進展

韓廣弢，李皓桓，蔡偉松，張宇標

高脂肪攝入和缺乏運動會導致許多健康問題，最終會導致高血壓、肥胖、血脂異常、高膽固醇血癥和胰島素抵抗綜合征或代謝性疾病的患病率不斷上升，而代謝性疾病又會促使糖尿病、心血管疾病和動脈粥樣硬化等疾病的發病。據報道，這些疾病的發生可能使骨關節炎（osteoarthritis，OA）的患病風險增加［1］。更重要的是，這些危險因素可能相互作用，促使OA惡化。雖然大多數OA是因為肥胖、高血壓、高膽固醇血癥等基礎疾病而產生，但是高膽固醇如何影響OA發病尚不明確，本文將對其進行綜述。

1 高膽固醇是誘發OA的危險因素

人體中膽固醇可以通過兩種途徑來產生，一是細胞通過生物合成途徑合成，二是通過飲食攝取。膽固醇是細胞膜的重要組成成分，并影響許多信號分子，包括Ras、Hedgehog、Rho等。據報道，正常人滑液中膽固醇含量比血漿中含量要低［2］。然而，炎癥性關節病患者的滑液中膽固醇和膽固醇晶體含量高于正常人的滑液。通常認為，膽固醇會對炎癥性關節病的產生起促進作用。

受脂肪代謝的影響，超重者容易發生高膽固醇血癥。但是關于高膽固醇水平是否影響OA的發生還存在爭議。關于OA與血清膽固醇水平之間的關系，流行病學研究得出了不同的結論。部分研究表明高膽固醇血癥會促進OA的發展［3-6］，而有研究則發現高膽固醇血癥會抑制OA的發展［7］。

當膽固醇流入超過膽固醇流出時，就會造成膽固醇蓄積。最近的一項研究發現，與正常人相比，OA軟骨組織中載脂蛋白1和三磷酸腺苷結合盒轉運體A1（ABCA1）等膽固醇轉運基因的mRNA表達水平顯著降低。此外，在OA軟骨中，兩種肝臟亞型X受體（LXR）的表達水平降低，特別是LXRα和LXRβ mRNA表達水平也明顯降低［8］。并且，軟骨中上調的固醇調節元件結合蛋白2（SREBP-2）對OA的發病起著關鍵作用［9-11］。蛋白質組學分析進一步支持了這一觀點，這些蛋白質在OA軟骨中的表達與正常軟骨存在差異［12-13］。推斷這些基因的低表達可能會對OA的產生有促進作用。

最近，GIERMAN等［14］通過對小鼠和兔子進行實驗研究高膽固醇和OA之間的聯系，其認為高膽固醇的小鼠和兔子更容易軟骨退化，從而促使OA發病。隨著進一步研究，其還指出，載脂蛋白E敲除的小鼠和兔子更易受高膽固醇的影響［15］，這為高膽固醇參與OA提供了直接證據。其研究指出雖然這些小鼠和兔子更容易患OA，但其產生可以被他汀類藥物抑制。為了更好地研究高膽固醇對OA的影響，其使用了阿托伐他汀對患OA的小鼠和兔子進行治療，治療后OA癥狀顯著改善。所以作者提出是高膽固醇而不是過度機械負荷促進OA發病。高膽固醇血癥的特點之一是低密度脂蛋白（LDL）水平升高。LDL是一類非均質脂蛋白顆粒，核內含有三酰甘油和膽固醇酯，核外由親水的磷脂殼、游離膽固醇和載脂蛋白（Apo）構成。最近DE MUNTER等［16-17］提出，高LDL可使軟骨下骨形成骨贅導致OA產生。并且高LDL的小鼠炎性反應更重，說明高LDL可促進滑膜炎的產生。TIKU等［18］研究也報道了軟骨細胞LDL蓄積與軟骨基質降解之間的關系，其使用ApoE敲除小鼠和飲食誘導的高膽固醇血癥大鼠來探討高膽固醇血癥對OA的影響。兩種模型均表現出軟骨降解，骨贅形成，軟骨下骨結構改變的OA樣癥狀。與對照組比較，高膽固醇飲食的動物術后更容易發生膝關節不穩。這些結果共同強調了高膽固醇在OA發病機制中的重要性［19］。盡管上述研究已經證明了高膽固醇和OA之間重要而復雜的相互作用，但是這種相互作用背后的機制仍然不清楚。為了更好地理解這種聯系，需要進一步研究以解決潛在的分子機制。

2 高膽固醇損傷軟骨的過程

雖然不清楚高膽固醇如何損傷軟骨，但是高膽固醇可以導致軟骨損傷的方式有很多，這里對這些假說進行介紹。

2.1 OA與動脈粥樣硬化的聯系 目前證據表明，OA的發展可能與血管功能的改變有關，而血管功能的改變與動脈粥樣硬化有關［20-23］。由于膽固醇是細胞膜的主要組成成分，任何改變均會影響細胞膜的功能和流動性，導致細胞功能受損和膽固醇過度蓄積［24］。高膽固醇血癥可能導致組織內脂質氧化和沉積，對軟骨造成損害，與動脈粥樣硬化等疾病表現相類似。動脈粥樣硬化產生的關鍵因素之一是組織內膽固醇流入和流出之間的不平衡。眾所周知，膽固醇的流入和流出受到多種細胞表面受體的調節，包括CD36、ABCA1和B類I型清道夫受體（SR-BI）［25］。膽固醇逆向轉運的第一步與ABCA1有關，ABCA1是一種跨膜蛋白，介導從細胞到Apo的脂質流出。有研究證明ABCA1在膽固醇穩態中起重要作用，該基因的改變與動脈粥樣硬化有關［26-27］。SR-BI是CD36超家族的一員，主要在類固醇類組織和肝臟中表達，其能讓高密度脂蛋白（HDL）選擇性攝取膽固醇。此外，SR-BI在巨噬細胞中表達，如動脈粥樣硬化病變中的巨噬細胞、單核細胞來源的巨噬細胞和組織巨噬細胞［28-30］。SR-BI缺乏與動脈壁膽固醇的失調有關，并促使動脈粥樣硬化的產生。CD36是氧化LDL（oxLDL）和多種配體（如長鏈脂肪酸、凋亡細胞、陰離子磷脂等）的結合和內化因子。CD36在oxLDL攝取中起著調節清道夫受體的作用［31］，并識別oxLDL的脂質部分。此外，越來越多的證據表明，過氧化物酶體增殖因子激活受體（PPARs）通過刺激肝臟X受體（LXR）-ABCA1通路［32］，增加膽固醇釋放，從而發揮抗動脈粥樣硬化作用。調節動脈粥樣硬化中的基因和分子也可能影響軟骨膽固醇穩態。而軟骨組織中某些基因的表達支持了這一假說。有研究表明，膽固醇對骨骼形成和軟骨細胞分化是必不可少的［33］。參與膽固醇代謝的蛋白在軟骨細胞中表達受到嚴格的調控。例如，載脂蛋白A-1（apoA-1） 和ABCA1在軟骨細胞分化過程中表達較高，一旦細胞增生，apoA-1和ABCA1表達降至初始水平［34］。這些研究結果提示，必須對膽固醇的利用和合成進行嚴格調控來避免膽固醇在關節異常沉積。有研究表明，OA患者滑膜液中脂質分布與關節腔炎癥嚴重程度有關［35］。另一項研究表明，調節膽固醇代謝的關鍵轉錄因子SREBPs參與OA的發病［36］。在最近的研究中，Hedgehog信號通路在軟骨細胞中的重要性已經在調節膽固醇穩態中得到證實［37-40］。有研究表明，miR-33a通過激活轉化生長因子（transform growth factor，TGF）-b1/Akt/SREBP-2信號通路，以及OA軟骨細胞中膽固醇外分泌相關基因ABCA1和apoA-1調控膽固醇合成［9］。此外，脂肪組織釋放的炎性因子、免疫系統的激活和年齡的變化與動脈粥樣硬化的產生和OA的啟動有關［41］。綜上所述，認為OA與動脈粥樣硬化有一定聯系。

2.2 OA與炎癥的關系 肥胖和相關的代謝綜合征與全身組織損傷和慢性低度炎癥有關［42］。軟骨細胞外基質中蓄積的以LDL為主的脂蛋白可觸發炎癥。C反應蛋白（C-reactive protein，CRP）是一種敏感度高的炎性因子。OA中，CRP和白介素（IL）-6水平升高，說明OA受炎癥影響。因為CRP與肥胖、代謝綜合征和OA有關［43］，所以應該對肥胖與OA的關系進行進一步研究。IL-6是包括軟骨細胞為主的促炎因子。有研究顯示OA中IL-6 mRNA水平升高。高敏感性CRP水平升高與OA患者的局部炎癥有關，IL-6似乎與內臟肥胖和胰島素抵抗有關［44］。最近的研究強調了炎癥和膽固醇之間的密切聯系，而ABCA1在其中起著重要作用［45］。例如，ABCA1敲除的巨噬細胞中細胞內游離膽固醇升高，巨噬細胞炎性反應增強。

最新研究發現，肥胖可通過促進脂多糖的表達從而增加Toll-樣受體4（TLR4）的表達，并且在OA患者的血液樣本中發現脂多糖的低表達［46］。研究指出，PPAR-α可通過抑制TLR4的表達對OA進行治療［47］，但是其之間的相關作用需要進一步研究。

2.3 高膽固醇水平通過影響線粒體功能和氧化應激導致OA 線粒體由外膜、膜間隙和內膜組成［48］，是維持細胞內穩態、細胞分化、細胞代謝的重要細胞器。其不僅產生能量，而且可以誘導細胞凋亡，激活信號通路，還可以完成細胞的正常生理活動。高膽固醇血癥可引起線粒體功能障礙［49］。研究指出，OA患者線粒體內膽固醇蓄積可使軟骨細胞凋亡從而促進OA的產生［50］。并且研究發現，膽固醇的增加可影響線粒體膜的通透性［51］。最近的研究證實了膽固醇轉運多肽的活性可促進膽固醇在線粒體跨膜運輸［52］。

越來越多的證據表明，線粒體中膽固醇的蓄積會損害特定的線粒體成分，可能會導致線粒體功能障礙［53］。游離膽固醇超載可能通過激活促凋亡分子或直接膜效應或兩者共同作用來實現。研究表明，膽固醇氧化產物氧化甾醇增加與線粒體的氧化應激有關，后者通常導致線粒體活性氧類（mtROS）的生成增加［54］。過量的氧化膽固醇在線粒體結合含硫酸鹽的蛋白質多糖進行氧化修飾。雖然不確定哪些物質參與此過程，但除了活性氧（ROS）外，還涉及多種膜和細胞外組織相關酶［55］。不同的防御機制可以抑制脂蛋白蓄積導致的氧化損傷。但在長期脂質蓄積下，這些防御機制可能失效，并導致一些信號通路的激活［56］。ROS通常由線粒體產生，正常情況下可被線粒體清除。ROS的蓄積可使線粒體的氧化應激保護作用失效，還可激活氧化應激對線粒體造成更大程度的破壞。ROS還會損傷細胞脂質、蛋白質和DNA，導致脂質過氧化，這種情況會刺激更多的線粒體DNA損傷。研究表明，蓄積的膽固醇會提升過氧化物陰離子的水平，增強氧化應激，并使炎性反應激活，造成不可逆的組織損傷［57］。在人類和動物模型中，氧化應激的產生，尤其是由超氧化物導致的自由基的產生，與軟骨功能障礙有關［57-58］。越來越多的證據表明氧化應激與軟骨退化之間有一定關系。然而，高膽固醇水平能否引發軟骨線粒體功能障礙以對這一特定群體進行抗氧化治療還需要進一步研究。最近的研究表明，高膽固醇可通過影響軟骨細胞線粒體造成軟骨破壞［59］。透射電鏡觀察發現膽固醇刺激的軟骨細胞線粒體形態不規則。此外，與對照組相比，膽固醇刺激的軟骨細胞中腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）含量降低，在高膽固醇處理的軟骨細胞中，細胞ROS水平升高［60］。這些結果共同表明膽固醇水平升高導致軟骨細胞線粒體功能障礙和ROS增加。通過使用抗壞血酸、生育酚等線粒體靶向抗氧化劑來治療線粒體功能障礙，能夠延緩載脂蛋白E（apoE）敲除小鼠和飲食誘導的高膽固醇血癥小鼠OA進展［61］，這些藥物為治療OA提供了理論基礎。

3 降膽固醇藥物對OA的治療

現在有許多藥物可以治療OA，包括非甾體消炎藥、激素、透明質酸、過氧化物歧化酶等。研究指出，他汀類藥物也可以阻止從頭合成膽固醇，對OA進行治療［62］，但是未見對其進行臨床隨機對照試驗來進行評估。在一項大樣本的研究中，CLOCKAERTS等［63］認為他汀類藥物的應用可治愈膝關節OA，但無法治愈髖關節OA。他汀類藥物不僅對脂質代謝有影響，還有抗炎作用。研究表明，在OA發病過程中向關節內注射他汀類藥物可減少炎性細胞浸潤和基質降解酶的表達，從而抑制軟骨降解［64］。AKASAKI等［65］認為，體外加入阿托伐他汀是通過降低軟骨降解基質金屬蛋白酶（MMP）-13，保護OA患者的軟骨細胞。此外，美伐他汀可提高MMP-2的mRNA水平，Ⅱ型膠原蛋白和聚蛋白聚糖促進大鼠軟骨細胞蛋白多糖的合成。SIMOPOULOU等［66］研究結果表明，他汀類藥物能夠抑制軟骨細胞的分解和關節軟骨的衰老。而他汀類藥物具有免疫調節和軟骨保護功能，從而減少軟骨損傷。然而，還不清楚降低多少膽固醇可維持軟骨內穩態。目前藥物可使大多數人群維持正常的膽固醇水平，但是沒有一種藥物可以對所有OA患者有效。雖然個性化的治療方案在短時間內不會施行，但這種方案對OA治療有幫助。了解膽固醇在骨性關節炎中的作用可能會對骨科醫生進一步治療有幫助。如果高膽固醇與OA之間有明顯的聯系，骨科醫生在診斷OA之前會對患者進行血脂檢查。此外，如果在血液中檢測到膽固醇高表達，就可以通過服用降膽固醇藥物將其降至參考 范圍。

4 結論與展望

雖然有研究已經證明高膽固醇會導致OA產生，然而其機制依舊未明。研究高膽固醇如何導致OA十分關鍵。因為可以通過非手術方式降低膽固醇水平來預防OA，這樣可以減輕患者的手術痛苦并提高其生活質量。

作者貢獻：韓廣弢、李皓桓進行文章的構思與設計；韓廣弢進行研究的實施與可行性分析，文獻收集；韓廣弢、張宇標進行文獻整理；韓廣弢、蔡偉松撰寫論文；李皓桓進行論文的修訂，負責文章的質量控制及審校，對文章整體負責，監督管理。

本文無利益沖突。

本文文獻檢索策略：

檢索數據庫：萬方數據知識服務平臺、中國知網、PubMed、Medline；檢索關鍵詞：骨關節炎、高膽固醇血癥、骨關節炎、線粒體、氧化應激、軟骨及其相應的英文；檢索時間：2000—2019年。共檢出相關文獻200余篇，選用發表時間較近、研究設計合理、影響因子較高的論著、綜述及Meta分析。