膝骨性關節炎合并骨質疏松癥調節機制的研究進展

陳欣 劉建軍 董萬濤 張兵剛 李寧 席芳琴 寧學乾 鞏彥龍

1.甘肅中醫藥大學，甘肅 蘭州 730000 2.甘肅中醫藥大學附屬醫院，甘肅 蘭州 730000

膝骨性關節炎(knee osteoarthritis，KOA)和骨質疏松癥(osteoporosis，OP)是與年齡增長相關的骨與關節退行性疾病[1]。在KOA的疾病進程中，膝關節發生的病理變化除了滑膜炎癥、關節面軟骨退變、半月板退變和韌帶、肌肉的改變外，還包括軟骨下骨改變和關節周圍骨贅形成，即骨質和骨代謝改變也參與了KOA的病程[2]。KOA與OP的關系，目前仍存在較大的爭議，但多數研究支持KOA與OP之間存在密切的相關性[3]，兩者在流行病、病理和治療等方面均有著密切的關聯，OP是KOA的危險因素，也能影響KOA的進展，KOA可加重OP[4]。研究[5]顯示，KOA合并OP在我國的發病率高達30 %。目前，對于KOA的生物力學型、骨質疏松型、代謝型以及炎癥型等表型的研究正逐漸展開[6]，其中骨質疏松型已被多學科研究者廣泛關注。KOA與OP兩者通過復雜的機制調節相互影響、相互作用，本研究從以下幾個方面展開分析，以期為膝骨性關節炎合并骨質疏松癥調節機制和臨床治療提供理論基礎。

1 炎癥在KOA并OP中的調節作用

KOA雖屬于非炎癥性膝關節疾病，但是免疫系統多種成分都參與到KOA炎癥活化的病變過程中[7]。因增齡、激素改變等誘發的骨代謝異常病程中，導致機體發生低度氧化應激而引起免疫系統的低度活化，免疫系統的低度活化導致機體處于系統性微炎癥狀態進而可誘發OP[8]。

KOA和OP并非免疫性疾病，但在兩者病程中炎性因子參與了骨吸收和軟骨降解。研究發現，核轉錄因子NF-κB(nuclear transcription factor-κB，NF-κB)因能刺激各種促炎細胞因子的產生(如TNF-α、IL-6等)而與OP和OA的發病及疾病進展相關[9]，在KOA病程，促炎因子TNF-α能通過NF-κB信號促進炎癥介質向膝關節滑膜、軟骨等組織釋放，引發膝關節軟骨退變、破壞及降解基質，部分炎性因子(如IL-6)能加強炎性因子間的協同作用，對滑膜炎癥的發生發展起到促進作用，誘導基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)和聚蛋白多糖酶-4/5(Aggrecanase-4/5，ADAMts4/5)的釋放而降解軟骨[10]，促進軟骨細胞外基質(extracellular matrix，ECM)降解，導致膝關節軟骨結構破壞；同時TNF-α與IL-6還可通過誘導NF-κB受體活化子配體(receptor activator of NF-κB ligand，RANKL)的表達以促進骨髓破骨細胞的生成，從而抑制骨形成并增強骨吸收[11]，在卵巢切除(OVX)小鼠模型中抑制NF-κB可預防骨質疏松性骨量丟失[12]，給予OP大鼠補充乳鐵蛋白后能抑制TNF-α與IL-6引起的骨量丟失[13]。Nur Adeelah等[14]在膝骨性關節炎-骨質疏松模型大鼠中發現NF-κβ、NF-α、IL-6表達均升高，可見上述證據都支持KOA與OP呈正相關。

炎癥在KOA合并OP病程中的參與作用和調節機制較復雜，涉及到機體免疫機制、炎性細胞因子等，這些因素之間相互作用、相互影響，各作用平衡可維持正常的關節軟骨和軟骨下骨代謝，若失衡則將引起關節軟骨和軟骨下骨代謝異常。

2 生物力學在KOA并OP調節中的作用

適當的應力對膝關節軟骨內環境的穩定、力學適應性、軟骨下骨微結構穩定均有益處。機械過負荷導致的KOA是KOA表型中的一種亞型也稱生物力學型KOA。生物力學失衡是引起KOA軟骨病理變化的最初因素[15]，其在KOA進展中起到了瀑布效應[16]。膝關節應力失衡導致軟骨下骨的轉換和吸收異常，在KOA早期軟骨下骨的病變先于軟骨退變，機體在自我調節、適應這種應力改變以穩定膝關節、保護關節軟骨的同時繼發性地引起軟骨受力異常，因此也損壞了軟骨；此外，應力失衡引起關節腔壓強變化可引起軟骨下骨吸收造成局部發生骨質疏松[17]?！跋リP節不均勻沉降”理論認為，KOA患者因膝關節內外側所受的應力不同，使脛骨平臺內側易發生骨質疏松性微骨折而出現沉降現象，為生物力學失衡在KOA合并OP中的作用提供了理論基礎[18-19]。

生物力學在KOA與OP的發病及病程進展中起到了主要的作用，一方面，KOA與OP都是與年齡增長相關的骨與關節退行性疾病，增齡引起膝關節軟骨下骨發生骨質疏松，這種軟骨下骨質疏松因受膝關節生物力學、應力等的影響是非均勻的[20]，進而導致關節軟骨受力不均，出現不同程度的軟骨下骨的骨小梁破壞、微循環損傷，引起關節面塌陷，骨質及膝關節穩定性等發生不可逆性損害，應力失衡后引起關節軟骨的磨損、破壞，又可進一步累及軟骨下骨[21-22]，導致KOA的發生；另一方面，膝關節關節腔及其內外的化學、物理平衡破壞后，膝關節力學失穩、應力失衡而導致KOA的發生，同時隨著年齡、免疫、內分泌等原因引起的性激素分泌不足、免疫系統活化，導致鈣、磷、維生素D等物質的吸收與轉化能力降低，這些因素導致了軟骨下骨OP的發生，使得骨骼在骨的組織結構、骨的靜力、動力等生物力學上的性能下降[23]。Liu等[24]觀察了OP的骨組織病理微結構，結果發現除骨皮質變薄外，骨面及軟骨面也在形態學和完整性方面發生了局部缺損、粗糙等變化，可見骨性關節炎往往與骨質疏松合并發病。

3 激素與骨代謝在KOA并OP中的調節作用

激素能夠直接或間接的調節骨與軟骨代謝，在KOA合并OP的進展中，甲狀旁腺素(parathyroid hormone，PTH)、雌激素(estrogen)、降鈣素(calcitonin，CT)等激素在抑制軟骨退變、調節骨代謝(主要是骨的合成和吸收平衡)等方面具有重要作用，可以改善膝關節炎癥環境、防止骨量減少而延緩疾病的進展[25]。

3.1 甲狀旁腺素

PTH對KOA的作用，一方面是抑制關節軟骨細胞的終末分化、防止軟骨損傷而延緩KOA的病程[26]，另一方面，其抑制滑膜細胞分泌IL-6等促炎因子，以減輕滑膜炎癥引起的軟骨基質降解，從而延緩或保護了軟骨退變[27]。PTH的主要靶器官是骨、腎和小腸，其能促進破骨細胞(osteoclast，OC)活性加速骨吸收，也能促進1,25(OH)2D3的合成以加強腸鈣吸收、促進骨對鈣的重吸收，以防止骨量減少[28]，小劑量或間斷性升高的PTH能促進骨形成，而持續高濃度的PTH能促進骨吸收[29]，研究發現由原發性甲狀旁腺功能亢進癥、甲狀旁腺腫瘤等原因引起的PTH分泌過多會造成骨吸收而可能發生OP[30]；PTH也是調節關節透明軟骨生長的重要因子之一[31]，在KOA的軟骨病理變化過程中PTH可通過調節PTH/PTHrP1型受體(type1 PTH/PTHrP receptor，PTH1R)、激活絲裂原活化蛋白激酶(mitogenactivated protein kinase，MAPK)等多條途徑調節軟骨細胞分化，抑制軟骨細胞肥大分化而凋亡，而調節軟骨和骨代謝[32]。在KOA合并OP病程中PTH可防止軟骨退變和軟骨下骨退化，誘導軟骨再生或軟骨細胞增殖，有利于局灶性骨與軟骨缺損進行修復；還可作用于軟骨下骨前列腺素E2(prostaglandin E2，PGE2)以改善軟骨下骨質量，保持膝關節穩定以減輕膝關節軟骨損傷[33]。

3.2 雌激素

婦女絕經后隨著雌激素(estrogen，ER)的減少，KOA等骨性關節炎和OP的發病率明顯升高，說明雌激素對骨關節的作用是明顯的[34]，雌激素受體(estrogen receptors，ERs)也廣泛存在于關節組織中[35]，研究發現，芳香化酶基因和雌激素受體基因參與調節雌激素的分泌，兩種基因的突變與下肢肥大性骨關節炎的嚴重程度相關[36]。雌激素及相關藥物對絕經后早期KOA或OP性骨性關節炎患者具有治療作用，可直接作用軟骨下骨，也可直接和/或間接作用于關節軟骨、滑膜和肌肉等關節周圍組織。此外，研究發現雌激素、選擇性雌激素受體調節劑(selective estrogen receptor modulators，SERMs)能降低骨轉換[37]，以防治軟骨下骨微結構的破壞、維持骨密度及力學性能，進而增強了軟骨下骨的骨強度，避免因軟骨下骨的改變引起的對膝關節軟骨和軟骨下骨結構的損傷與破壞，從而減少骨質疏松性骨關節炎的發生。

3.3 降鈣素

降鈣素能抑制破骨細胞的分化和活性，以減少鈣鹽從骨釋放、促進骨鹽在骨的沉積，其還可減輕關節炎癥而保護關節軟骨[38]。在KOA合并OP中降鈣素的調節作用主要表現在以下幾方面，第一，保護軟骨下骨，KOA早期其可抑制軟骨下骨中破骨細胞活性，減少骨吸收而保持軟骨下骨的強度，以防止因軟骨下骨塌陷、硬化造成的膝關節不穩定或不平衡而導致的關節軟骨的磨損、破壞，進而延緩了KOA的病程[39]；第二，保護膝關節軟骨，其與受體結合后作用于軟骨細胞而在關節軟骨中分泌足量的蛋白多糖和Ⅱ型膠原以保護關節軟骨，其還可促進軟骨下骨組織分泌足量的蛋白多糖以修復受損的關節軟骨，起到保護關節軟骨的作用[40]；第三，抑制關節炎癥，其能抑制膝關節滑膜等組織中白細胞介素1β(IL-1β)、基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMPs)的合成與分泌，以減輕膝關節炎癥反應；其能促進膝關節軟骨細胞中轉化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)的合成[41]，減少軟骨細胞凋亡、吸收和軟骨退變[42]。

參與調節KOA合并OP病理變化的還有糖皮質激素、生長激素、甲狀腺素、瘦素等[43-44]，這些激素之間及激素與機體之間相互作用、相互協調共同作用于膝關節軟骨、調節骨代謝和骨轉換。

4 遺傳對KOA并OP的作用

遺傳機制為生物體生命過程提供了表觀遺傳學修飾等在內的各種藍圖[45]；表觀遺傳機制參與機體對環境的適應和對復雜疾病發病的調控[46]，研究[47]顯示，表觀遺傳機制(DNA甲基化、組蛋白尾部翻譯后修飾、非編碼RNA等)參與了軟骨、骨細胞分化和機械轉導，在KOA、OP等骨與關節疾病患者中已發現了各種表觀遺傳異常，但是它們的實際致病作用仍然不清楚[48]。在KOA合并OP過程中表觀遺傳學強調遺傳和環境因素之間復雜的相互作用是該病的決定因素，此外他們還影響疾病的預后[49]。

Matlock等[50]應用DNA甲基化分析了KOA患者關節軟骨和軟骨下骨，結果發現了多個差異甲基化的胞嘧啶-磷酸-鳥嘌呤位點(cytosine phosphate guanine site，CpG)、諸多的差異基因在關節軟骨及軟骨下骨的相同區域共表達，在鑒定的7 361個CPG中有轉化生長因子β-3(TGFβ-3)、活化T-細胞核因子1(NFATC1)、組蛋白去乙?；?HDAC4)、同源盒基因A7 (HOXA7)等約2 800個基因在軟骨和軟骨下骨中同時存在。G蛋白偶聯受體(G protein-coupled receptors，GPCRs)參與骨與軟骨發育和重塑、炎癥和免疫反應等多種生物學過程，是最豐富的跨膜蛋白家族，其中鈣敏感受體基因(CaSR)、γ-氨基丁酸B型受體1(Gababr1)、G蛋白耦聯受體C家族6組A(Gprc6A)、Tas1r3、代謝型型谷氨酸受體1(Grm1)等部分基因及其信號通路作用軟骨與骨穩態，是調節骨關節發育和重建的必要物質，這些GPCRs的破壞或突變會導致KOA合并OP等人類骨骼疾病的發生、發展[51-52]。陳桐瑩等[53]利用生物信息學方法分析了OP與KOA的關系，結果顯示有miR-3202、miR-4687-3p、miR-4508、miR-320b四個差異的miR在OP與KOA中有交集，篩選出了參與調控OP與KOA的十個核心基因，即VEGFA、ESR1、CCND1、PRKACA、GSK3β、H2AFX、SHH、EGR1、DNMT3A、DNMT3B。

圖1 KOA合并OP的調節機制示意圖Fig.1 Schematic diagram of the regulatory mechanism of KOA incorporation of OP

此外，長正五聚蛋白PTX3(the long pentraxin PTX3)[54]、雌激素受體α(ERα)基因的多態性[55]等遺傳及表觀遺傳機制在KOA合并OP的發病、病理過程中發揮了重要的調節作用。

5 蛋白在KOA并OP中的調節作用

蛋白質是構成生命、參與生命活動的重要物質，在組成關節的結構骨、軟骨、韌帶、神經、血管、肌肉中都存在多種功能各異的蛋白質，它們參與骨關節功能運動、提供能量、物質代謝、細胞增殖與分化、應激反應、炎癥、凋亡和免疫防御，各種功能間相互協調共同維持關節的功能。

KOA與OP在臨床中常存在共病的現象，其具有復雜多樣的調控機制。時剛等[56]制備了新西蘭大白兔KOA并OP模型，運用蛋白組iTRAQ技術定量定性分析了各組膝關節軟骨蛋白組學，篩選出了KOA與OP共病組中差異明顯，且與骨骼、肌肉、周圍神經等組織系統和炎癥、凝血、免疫等功能系統相關的8個蛋白，即α-2-HS糖蛋白、M型肌酸激酶、纖維蛋白原(β、γ鏈)、血清白蛋白、維生素D結合蛋白、asporin蛋白、髓鞘PO蛋白，這些蛋白可能是KOA并OP的基礎物質。絲裂原活化蛋白激酶(mitogen2activated protein kinases，MAPKs)參與調節成骨、軟骨代謝、脂肪代謝、能量轉化等機體多種生物學過程，MAPK磷酸酶(MKPs)是MAPK信號傳導的負調節因子，并使細胞外信號調節激酶(ERK)、p38和c-Jun N-末端激酶(JNK)三種MAPK去磷酸化，MKP-1是MKPs家族成員中對上述三種MAPK調節作用最明顯的一個，其在KOA病程中作用主要是抑制關節炎癥；MKP-1在軟骨中的表達，降低了p38的磷酸化，同時抑制軟骨細胞中環氧化酶-2(cyclooxygenase-2，COX-2)、基質金屬蛋白-3(MMP-3)、IL-6和PGE2的產生[57]；在KOA的治療中其能協同非甾體抗炎藥(NSAIDs)、類固醇藥物、金制劑、透明質酸類藥物的治療作用，在抑制關節炎癥、軟骨退變等病理過程中發揮療效[58]；在OP病程中，MKP-1可通過RANKL信號通路誘導破骨細胞分化促進骨吸收，其能夠使p38和JNK蛋白去磷酸化以保持骨量[59]，MKP-1基因敲除后小鼠成骨細胞分化和礦化功能被抑制，導致小鼠骨量減少，說明表明MKP-1通過成骨細胞和破骨細胞的共同調節以維持骨量[60]。此外還有基質金屬蛋白酶(MMP)、Sirtuins、FOxOs[61]、Sclerostin、β連環蛋白(β-catenin)、Dickkopf 1蛋白(DKK-1)、Ⅰ和Ⅱ型膠原羧基端交聯肽(CTX-I/Ⅱ)[62]等多種蛋白通過多種途徑參與了KOA并OP的調控。

6 小結與展望

KOA與OP在臨床中常存在重疊、合并的情況，有著復雜的聯系，并且OP會促進KOA的疾病進展、KOA也可能加劇OP的發生，兩者在發病機制、病理變化、調節機制、臨床治療等諸多方面存在著共同點。KOA合并OP患者病程中涉及到炎癥、生物力學、激素與骨代謝、遺傳、蛋白等多種途徑和作用的調節，這些因素之間相互發生作用，通過復雜的機制在KOA合并OP的進程中發揮重要的作用，以維持骨代謝平衡、減輕炎癥、保護關節軟骨、穩定膝關節，進而延緩膝關節的退變；針對不同的機制，已有對應的藥物研發并在臨床上使用，但是目前仍然沒有可以阻止KOA并OP病情進展的藥物。

KOA合并OP的早期，膝關節軟骨下骨發生骨質疏松，引起軟骨下骨微骨折，關節面塌陷導致膝關節生物力學失衡、應力發生改變而使軟骨受力不均勻，加速了對關節軟骨的磨損；引起軟骨下骨微骨折引起局部循環破壞，使局部骨和軟骨失去營養；激活了炎癥、骨代謝、軟骨代謝等多種機制，造成軟骨損害、骨代謝失衡、繼發性骨贅生成，最終引起膝關節功能障礙。但是KOA合并OP的調節機制仍有待進一步研究，隨著研究的不斷深入，闡明KOA合并OP病理過程中各種調節機制的生物學特性、生物學過程、變化規律、內在聯系，將為KOA并OP防治提供新的思路和理論依據。