雌激素及雌激素受體與骨關節炎的相關性研究進展

牟利民 張文豪 陳萬吉 韓明展 冉建

骨關節炎（osteoarthritis，OA）是以關節軟骨慢性退行性病變為特征，由多種因素導致局部慢性無菌性炎癥，伴有關節軟骨結構破壞的骨關節疾病[1]。髖、膝、手關節和脊柱是OA最常見的累及部位[2]。OA的發病及進展主要受患者性別、年齡、肥胖及體內雌激素水平的影響[3]。50歲以上的OA患者中，女性的發病率和患病率均高于男性，這表明圍絕經期女性雌激素水平在OA的發病中起了重要作用[4]。1999年，Ushiyama等[5]研究發現雌激素受體（estrogen receptor Alpha，ER）-α和ER-β存在于人體關節軟骨細胞中，這表明關節軟骨是雌激素靶細胞作用位點之一。近年來，有研究發現部分OA的發生與患者雌激素缺乏和ER-α不穩定有關[6]，這為OA的靶點治療提供了新的診療思路。本文就雌激素及ER與OA的相關性研究進展作一綜述。

1 雌激素及ER

雌激素是一種較為重要的類固醇激素，主要由卵巢、睪丸及腎上腺皮質細胞分泌，包括雌三醇（E3）、雌二醇（E2）及雌酮（E1），其中 E2生理活性最強且在體內含量最高。雌激素不僅在調節女性正常生理功能上起著重要作用，而且在維持骨細胞代謝平衡中扮演著重要的角色[7]。雌激素通過胞膜進行擴散，到達相應的骨骼細胞后被活化或分解代謝[8]。女性E2主要在卵巢卵泡顆粒及膜細胞中產生，男性約有15%的E2是直接從睪丸分泌的，其余約85%的E2通過睪丸周圍軟組織中雄激素前體的芳香化作用生成[9]。

在哺乳動物中，ER根據分布的位置不同，可分為雌激素膜受體（membrane estrogen receptor，mER）、雌激素核受體（nuclear estrogen receptor，nER）。mER 主要在內質網和細胞膜上，包括G蛋白偶聯雌激素受體（G-protein-coupled estrogen receptor，GPER）及 GPER家族中的 Gaq-ER、ER-X 及 GPER1（GPR30），大多分布于乳腺、心臟、卵巢及神經淋巴組織中[10]。雌激素結合mER后，相應的離子通道狀態及酶的活性發生改變，如激活Ca2+通道，使磷脂酰肌醇3-激酶及絲裂原活化蛋白激酶的活性增強，這種激活方式獨特，不需要依賴基因的調控，在數秒至數分鐘內即可完成，故被稱作“快速非基因組效應通道”[11]。Niwa等[12]研究表明，mER被E2激活后可對機體產生相應的調控作用。mER被活化后，Ca2+信號通路、環磷酸腺苷、蛋白激酶級聯反應等各種信號通路也被迅速激活，并最終影響下游轉錄因子[13]。轉錄因子中核受體超家族成員nER，是由卵巢合成分泌的甾體激素類受體，包括ER-α和ER-β兩種亞型，主要在細胞核中起作用。所有核受體家族成員共享一個多結構域，每個結構域指導激素相互作用，并發揮其功能[14]。ER-α基因染色體位于6q25.1-2位點上，包含7個內含子和8個外顯子，染色體大小約140 000左右[15]；ER-β基因核型位于染色體14q23.2-3上，包含8個外顯子，染色體大小約為40 000左右[16]。這兩種核受體對雌激素都具有較強的親和力，與雌激素識別結合后能更好地調控靶細胞；但和mER相比，nER發揮作用所需的時間相對較長，通常需要數小時以上，故被稱作“慢速基因組效應通道”[17]。

2 雌激素與OA相關結構的作用機制

2.1 雌激素與關節滑膜的相關作用機制 人體正常關節結構主要由關節面（關節軟骨）、關節腔（關節液）和關節囊（纖維層和滑膜）組成。外層纖維和內層滑膜共同組成關節囊，維持關節腔的穩定性；內層滑膜主要由A型、B型滑膜細胞構成，參與滑膜的分泌和代謝[18]。A型滑膜細胞來源于巨噬細胞系；B型滑膜細胞來源于間充質細胞，被稱為成纖維樣滑膜細胞（hyperplasia of synovial cells，FLS）。這兩個細胞群形成正常的滑膜襯里，其厚度約為兩層細胞大小，沒有真正的基底膜，并位于結締組織基質上方，該基質內含部分血管網絡，少量肥大細胞和淋巴細胞[19]。FLS是產生關節液成分的主要細胞，具有一定的干細胞作用，參與關節組織細胞的更新和修復，其產生的關節液可為關節軟骨提供營養，同時關節液內的巨噬細胞可消除關節內由于各種物理創傷、細菌和病毒感染等引起的局部炎癥反應[20-21]。Lugo等[22]研究表明雌激素通過抑制滑膜細胞增殖，延緩滑膜病變，從而防止OA的發生。Xue等[23]發現雌性大鼠滑膜細胞對炎癥刺激較為敏感，但E2可降低機體對炎癥的敏感性。Dietrich等[24]研究發現E2與滑膜ER-β結合后可使滑膜的通透性發生改變，減少炎癥因子釋放而發揮抗炎效果。Blom等[25]發現滑膜襯里巨噬細胞（synovial lining macrophages，SLM）是滑膜增生的關鍵細胞，其產生的生長因子可誘導滑膜增生，在OA骨贅形成中起關鍵作用；SLM也能分泌基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMP），使軟骨中的基質退化，促進OA的發生；該研究還發現雌激素通過抑制SLM活性和減少SLM數量來降低關節內纖維化，預防骨贅的形成。金鵬等[26]研究也證實了膝關節中MMP-13含量與OA分級呈正相關。因此，當雌激素缺乏時關節滑膜細胞分泌穩態失衡，對關節的保護作用就會明顯減弱。

2.2 雌激素與關節軟骨的相關作用機制 關節面主要由關節軟骨構成。關節軟骨內無神經、血管和淋巴分布，主要由覆蓋于骨細胞表面的光滑結締組織構成。關節軟骨為關節提供了光滑濕潤的表面，不僅減少了摩擦，還有利于軟骨間電荷的傳遞[27]。關節液是關節軟骨主要的營養物質來源，其主要成分包括透明質酸、表層蛋白、磷脂和其他相關調節因子等，關節液的成分可作為反映關節健康狀況的生物指標[28]。關節液中的雌激素含量和體內血液中的雌激素含量呈正相關，因此當體內雌激素水平降低時，關節液中的雌激素水平也會隨之減少，從而影響整個關節的生理及病理改變[29]。Schicht等[30]在干預雌激素合成代謝途徑后，發現軟骨細胞中主要表達ER-α和ER-β，雌激素不僅影響芳香化酶中蛋白和mRNA的合成，導致軟骨細胞的代謝發生改變，而且還促進關節內軟骨細胞產生雌激素，參與關節內細胞代謝。Ye等[31]研究雌激素通過缺氧誘導因子-2α（hypoxia inducible factor-2α，HIF-2α）對下頜突軟骨的影響時發現，高濃度的E2能夠誘導下頜軟骨細胞HIF-2α、血管內皮生長因子、MMP-13及X型膠原蛋白（type X collagen，Col X）的表達，并維持軟骨細胞外基質的穩定性。體外雌激素對下頜軟骨細胞的影響研究表明，超生理劑量的E2可以顯著抑制軟骨細胞中DNA和蛋白聚糖的合成，降低細胞外基質中軟骨厚度，并上調Col X、IL-1β、IL-6和IL-8的表達[32]。故過量的雌激素會干擾下頜突軟骨細胞中的代謝。Wang等[33]研究E2在緩解家兔OA癥狀中的作用發現，E2可以將關節軟骨基質中的糖胺聚糖含量維持在一定水平，從而減輕關節疼痛癥狀。女性體內E2及孕激素水平與關節液、滑膜炎及關節軟骨的退變有關，而男性體內E2及雄激素水平與關節的病變無關[34]。故體內雌激素水平降低會引起軟骨細胞代謝發生改變，此外，關節軟骨退變與性別有關。

2.3 雌激素與關節軟骨下骨的相關作用機制 軟骨下骨主要由骨小梁、小梁間隙、血管及軟骨下皮質等構成，具有緩沖震蕩、減輕生物應力及維持關節正常形態結構的功能。正常代謝情況下，軟骨下骨主要由破骨細胞和成骨細胞共同參與維持骨鈣平衡，破骨細胞主要參與骨的溶解吸收，而成骨細胞則承擔骨基質的合成[35]。Zhu等[36]研究發現更年期女性體內促卵泡激素含量明顯升高，而E2水平卻明顯降低；當血清E2水平降低時，抑制破骨細胞的溶酶體功能減退，成骨細胞的作用相應減弱，骨代謝失去平衡，促使骨量丟失、骨密度明顯下降導致骨質疏松。此外Wu等[37]在切除8周齡雌性小鼠卵巢后發現小鼠膝關節內ER-α上調、細胞外調節蛋白激酶途徑激活，引起軟骨下骨破骨細胞活性增強、細胞凋亡加快、骨量明顯減少，導致OA的進一步發展。魏雙雙等[38]研究去卵巢后大鼠骨組織發現，雌激素通過上調Wnt/β-鏈蛋白信號途徑表達來預防骨質疏松。Xu等[39]用雌激素替代療法治療大鼠后發現，OA軟骨下骨結構發生變化是在雌激素水平降低后發生的，雌激素水平降低可使軟骨下骨代謝紊亂并發生骨質疏松，而雌激素補充又可延緩骨質疏松的發生；實驗后大鼠關節經三維微型計算機斷層掃描成像重建后發現，雌激素替代療法保留了軟骨下骨的基本結構。以上研究表明，雌激素可調節成骨細胞和破骨細胞活性來調節骨-軟骨面，從而延緩OA的進展。

3 ER與OA的相關性

ER在維持內分泌系統平衡、調節骨細胞間信號傳導中起著重要的媒介作用；雌激素通過識別軟骨、軟骨下骨及骨膜上的ER蛋白，實現骨細胞代謝的調控。ER蛋白在人骨骼細胞和關節軟骨細胞中均具有表達。早在10多年前，Oshima等[40]在研究ER分布的定位實驗中，將培育的大鼠根據性別和月齡進行分組，分別對ER-α和ER-β進行了免疫熒光染色，結果發現，雌性及雄性成年大鼠關節軟骨和軟骨下骨中均表達了ER-α和ER-β；同時還發現ER在未成年大鼠關節軟骨中高度表達，而在老年雌性大鼠及去卵巢后大鼠中表達卻明顯降低。此后Engdahl等[41]在研究轉基因小鼠中發現，ER-α的表達對小鼠OA的治療有著明顯的效果。Xu等[39]的大鼠實驗發現，ER的選擇性表達及雌激素的缺乏會對關節軟骨和軟骨下骨的重塑產生重要的影響，雌激素減少將導致軟骨損害增加，出現異常軟骨下骨重塑，從而導致OA的發生。Hughbanks等[42]研究也發現，ER-α的表達與OA的發生呈負相關。

4 小結

綜上所述，目前有關OA的動物實驗及雌激素替代療法研究均表明，雌激素在維持關節內環境穩態中起著重要的調節作用。女性體內維持一定的雌激素水平，會對關節滑膜、軟骨及軟骨下骨的代謝起重要的保護作用。然而體內雌激素水平應保持多少為宜，這仍然未知。此外雌激素水平降低會導致關節內滑膜、軟骨及軟骨下骨發生病變，3者間病變順序如何，它們之間又有怎樣的關系，這值得繼續探討，這些研究可為預防早期OA的發生提供新的診療思路。