骨關節炎發病機制及藥物調控新進展

韓明睿，劉倩倩，孫 洋

(南京大學生命科學學院生物技術與藥學系，醫藥生物技術國家重點實驗室，江蘇 南京 210023)

骨關節炎(osteoarthritis，OA)是一種復雜的慢性疾病，是老年人致殘的主要原因，其病變涉及關節軟骨、軟骨下骨、滑膜和關節周圍肌肉的結構改變，主要表現為骨摩擦、晨僵、疼痛和關節運動障礙等[1]。隨著全球人口老齡化和肥胖加劇，OA對人類的影響逐年加重。在中國，1990年約有26.1萬人患OA，這一數字在2017年上升到61.2萬人，其年齡標準化患病率為3.1%，其發病率女性高于男性[2]。世界衛生組織預測，我國將成為世界OA患病人數最多的國家。因此，探究OA的分子發病機制，研究治療OA的藥物一直是世界骨科領域研究的焦點問題。本文將對近年關于OA發病機制的研究及藥物調控的進展進行概述。

1 參與OA發病的主要細胞

目前，關于骨關節炎發病機制的相關研究認為主要與軟骨代謝穩態失衡，軟骨下骨硬化和滑膜炎癥密切相關，涉及巨噬細胞、T細胞、軟骨細胞、骨骼干細胞、破骨細胞等多種細胞，如Fig 1所示。

Fig 1 The main pathogenic cells and pathways involved in OA

關節軟骨是一種特殊類型的透明組織，覆蓋在關節的骨骼表面，有利于關節表面的滑動，并改善運動過程中的摩擦。關節軟骨由軟骨下骨滋養，具有抗壓力的作用。軟骨細胞是軟骨中唯一存在的細胞類型，嵌入在主要由膠原組成的無定型細胞外基質中[3]。關節軟骨由于其結構較為單一導致其自然修復能力較差。OA的明顯特點之一就是關節軟骨的丟失。

軟骨下骨重構、骨贅形成是OA的重要特征。關節軟骨和軟骨下骨在一個功能單元中協同工作[4]。在OA中可以觀察到破骨細胞變化導致的軟骨下骨硬化和伴隨著新生血管形成。軟骨下骨血管生成增加，血管侵入無血管軟骨，是OA的早期診斷特征[5]。

在正常生理條件下，滑膜是由巨噬細胞和成纖維細胞表型特征的薄層細胞組成，這些細胞與結締組織形成復雜結構，在OA的發生發展中發揮重要作用，其主要功能是在關節中產生和保留滑液。在OA患者中，通常會觀測到以滑膜炎為特征的炎癥癥狀，巨噬細胞和淋巴細胞浸潤，多種細胞共同作用，并產生滑膜增生、新血管生成和纖維化等癥狀，一般認為其與疼痛和關節功能障礙相關[6]。

骨骼中的每種組織類型的產生和維持都離不開干細胞的精準調節。其中在骨生物學領域，研究最多的是造血干細胞，但骨骼組織中還存在另一類干細胞，能夠分化產生如骨、軟骨等。最初人們只能在培養基中分離出骨骼間充質干細胞，直至2015年Murphy MP等[7]通過譜系追蹤和克隆分析等手段，找到了骨骼干細胞(skeletal stem cell，SSCs)，關節軟骨中存在的SSC與OA的發生發展密切相關。

2 骨關節炎的發病機制

2.1 OA發病機制之一—軟骨細胞相關的改變軟骨丟失的直接原因是軟骨細胞的合成代謝和分解代謝的失衡，而失衡是由多種因素引起的。而其根本原因包括衰老、創傷、肥胖、生物力學、生物節律改變等，這些原因引起的軟骨細胞的肥大或凋亡、代謝障礙、細胞衰老等破壞軟骨穩態，引發OA[8]。其中生物節律對軟骨的代謝穩態造成影響是由于軟骨細胞中的自主生物鐘，這可能與軟骨生物學和病理學的關鍵方面有關。因此，晝夜節律紊亂可能會損害組織穩態并增加對關節損傷或疾病的易感性[9]。

2.1.1軟骨細胞肥大化和凋亡 軟骨細胞的凋亡和肥大是軟骨內骨形成過程中的自然發生的過程。健康成熟的軟骨細胞在有絲分裂后保持靜止狀態，并通過一些機制抵抗增殖和肥大。然而，在OA患者的軟骨中，可以在退行性軟骨細胞中觀察到肥大分化以及細胞凋亡和鈣化[10]。

軟骨細胞肥大以Runt相關轉錄因子2和人基質金屬蛋白酶-13(matrix metallopeptidase 13，MMP13)的高表達為主要特征，其同時具有透明軟骨標志物，如蛋白聚糖、Ⅱ型膠原蛋白和SRY-Box轉錄因子9等減少的特點[10]。盡管在骨骼的生長和發育過程中需要軟骨細胞向肥大方向演變，但在OA病理狀態下，軟骨細胞的肥大是疾病進程中的不利因素。甲狀旁腺激素相關蛋白能夠通過抑制軟骨細胞肥大來調節軟骨內成骨[11]。

一些研究表明，在OA的早期發展過程中，軟骨細胞的線粒體功能紊亂，會導致過量的活性氧(reactive oxygen species，ROS)產生。ROS不僅誘導氧化損傷[12]，還通過激活磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B，Akt)和Caspase途徑誘導軟骨細胞凋亡[13]。大部分的研究也證明抑制軟骨凋亡可以防止OA的發生[14]。

2.1.2軟骨細胞代謝障礙 在OA中，會出現低度炎癥，而異常的軟骨細胞代謝是對炎癥微環境變化的一種反應。在OA條件下，軟骨細胞經歷代謝途徑轉變，傾向于通過從一種代謝途徑轉移到另一種代謝途徑來適應微環境變化，例如從氧化磷酸化到糖酵解[15]。通過調節葡萄糖轉運蛋白(glucose transporters，GLUT1)的表達，正常軟骨細胞可以適應細胞外葡萄糖濃度的變化，而GLUT1的過表達會增加葡萄糖攝取和產生過量晚期糖基化終末產物，最終降解軟骨[16]。

此外，脂質代謝調節也參與了OA發病。通過靶向脂質組學揭示了骨關節滑液中存在炎癥消退標志物，包含n-3多不飽和脂肪酸的氧化產物[17]。此外，膽固醇代謝也被認為和OA調節相關，其中膽固醇-25-羥化酶-細胞色素P450家族7亞家族B成員1-視黃酸相關的孤兒受體α軸是OA發病機制的關鍵分解代謝調節劑[18]。我們之前的研究中發現，尿苷代謝也與OA的發生發展密切相關，關節積液中尿苷含量降低會加速軟骨代謝失衡，包括軟骨合成代謝減少，分解代謝增加[19]。

2.1.3軟骨細胞的衰老 由衰老細胞產生衰老相關分泌表型(senescence-associated secretory phenotype，SASP)即粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子、白細胞介素1(interleukin-1，IL-1)、白細胞介素6(interleukin-6，IL-6)、白細胞介素7(interleukin-7，IL-7)、白細胞介素8(interleukin-8，IL-8)、單核細胞趨化蛋白-1、單核細胞趨化蛋白-2、人基質金屬蛋白酶1(matrix metallopeptidase1，MMP1)、MMP3、MMP10、MMP13、TIMP-2等，已在OA相關組織中發現。衰老細胞分泌的SASP可以改變組織微環境并損害干細胞或祖細胞誘導的組織再生，并導致鄰近細胞的衰老，最終誘發OA，包括疼痛、活動能力受損以及形態和組織學變化等癥狀[20]。衰老細胞在關節軟骨和滑膜中聚集，選擇性清除這些細胞可以減緩創傷后OA的發展，減輕疼痛，促進軟骨合成[21]。

2.1.4骨骼干細胞的耗竭 Murphy MP等[7]通過Rainbow報告基因小鼠評估了不同年齡小鼠骨關節表面克隆性骨骼生成的變化，發現隨著年齡的增長，SSC數量減少，SSC活性的改變造成了OA隨著年齡變化發病率升高。而通過駐留SSC的特異性激活可以促進關節軟骨再生。

2.2 OA發病機制之二——軟骨下骨重塑異常的軟骨下骨血管生成與成骨相結合可能導致軟骨下骨髓病變的發展、軟骨下骨板厚度增加和最終的軟骨損傷。軟骨下骨中升高的血小板衍生生長因子會刺激血管生成，有助于OA的發展[22]。另外軟骨下骨中升高的環氧酶2(cyclooxygenase 2，COX2)表達誘導OA相關的關節軟骨退變。通過抑制COX2的表達可能抑制關節炎患者的關節破壞[23]。

近年來，越來越多的證據證明，破骨細胞啟動軟骨下骨重塑，深入了解破骨細胞在軟骨下骨重塑中的作用將有助于發現可能的分子靶點和開發OA治療的新策略。核因子κ B受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor-κ B ligand，RANKL)能夠誘導單核細胞/巨噬細胞譜系細胞分化為破骨細胞，RANKL/RANK相互作用激活了一系列下游信號通路。軟骨中的RANKL將破骨細胞募集到軟骨下板處，釋放MMP和組織蛋白酶K(cathepsin K，CTSK)，從而導致局灶性軟骨下骨和透明軟骨的退化以及鈣化軟骨微裂紋的形成[24]。

2.3 OA發病機制之三——滑膜免疫細胞參與

2.3.1滑膜中的巨噬細胞 巨噬細胞是滑膜最豐富的免疫細胞之一，其在維持健康滑膜組織的穩態中發揮重要作用。活化的巨噬細胞存在于大多數(76%)的OA患者的膝蓋中，其數量與OA嚴重程度及OA關節癥狀相關聯，例如膝關節疼痛、關節間隙變窄和骨贅[25]。在OA發展過程中，滑膜中的巨噬細胞失去其穩定狀態，以多種不同的方式被激活[26]。一種方法是激活巨噬細胞表面識別受體，進而啟動細胞內包括核因子NF-κB、雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)、c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)、PI3K/Akt通路等信號通路[27]，導致細胞因子和趨化因子分泌。抑制NF-κB信號通路可以將巨噬細胞的極化表型從經典活化的巨噬細胞(classically activated macrophage，M1)亞型轉變為替代性活化的巨噬細胞(alternatively activated macrophage，M2)亞型，對OA起到有效的治療作用。另一種方法是通過炎癥小體介導的途徑，細胞質中形成核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3(NOD-like receptor protein 3，NLRP3)炎癥小體，從而產生炎癥反應[26]。

其中巨噬細胞通過分泌各種介質調節關節炎癥的研究比較廣泛。M1巨噬細胞被干擾素-γ(interferon-γ，IFN-γ)、脂多糖、或腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α，TNF-α)激活，分泌大量促炎因子，如IL-1β、IL-6、IL-12、TNF-α、IFN-γ和其他組織損害信號[26]。這些物質在典型的關節炎癥和軟骨基質破壞中發揮重要作用。這些因子由滑膜產生，并通過滑液擴散到軟骨中，導致軟骨細胞的凋亡增加，進一步加重了OA的疾病進程。同時，在近期的研究中，許多新型蛋白參與巨噬細胞調控OA滑膜炎癥，例如在OA患者的滑膜組織中的巨噬細胞中發現M1極化的巨噬細胞部分大量積累，部分原因是人類新血小板反應素2的分泌[28]。隨著對巨噬細胞的研究的進一步深入，關于巨噬細胞的觀點一直在發生改變，巨噬細胞極化可以跨越傳統公認的二元狀態(即促炎M1型與抗炎M2型)，并且可能涵蓋廣泛的表型，M1與M2的簡單定義可能無法準確描述細胞的復雜性以及它們的功能。同時，科研人員也對巨噬細胞的新功能有一定程度的探索，其中Culemann等[29]通過使用命運映射方法結合三維光片熒光顯微鏡和單細胞RNA測序，對健康和OA關節內巨噬細胞亞群的組成、起源和分化進行全面的時空分析后發現，C-X3-C基序趨化因子受體1(C-X3-C Motif Chemokine Receptor 1+，CX3CR1+)巨噬細胞形成致密的物理屏障，將關節腔與周圍的滑膜隔開，從而控制炎癥的發生以保護關節內結構。全面了解不同的巨噬細胞群在OA發病和進展中的作用，使巨噬細胞調節的方法成為增強軟骨修復，預防或治療OA的新的治療策略。

巨噬細胞也會通過與其他免疫細胞的相互作用來發揮功能。中性粒細胞群和巨噬細胞群在OA發病機制和惡化中的協同作用，會加重OA疾病進展[30]。

2.3.2滑膜中的T細胞 與健康滑膜相比，OA滑膜具有豐富的T細胞群。在OA滑膜中，T細胞的數量僅次于巨噬細胞，可能占炎癥細胞的20%～25%。相較于白細胞分化抗原8陽性T細胞，白細胞分化抗原4陽性T細胞在滑膜內相對富集。多項研究發現，OA發病過程中T細胞的變化，其中Th1細胞、Th9細胞、Th17細胞、Tfh細胞和細胞毒細胞在OA患者外周血中的數量高于健康對照。輔助性T細胞在OA患者外周血中的數量低于健康對照，Th22細胞目前在OA中的確切作用尚未確定[31]。多種因素參與到T細胞對OA疾病進程的影響中，包括細胞外刺激，如外來抗原，細胞內信號，如mTOR復合物1[32]和細胞代謝，氨基酸代謝[33]，操縱這些因素可能改變OA的疾病進程。

2.3.3滑膜中的其他細胞 滑膜纖維化(synovial fibrosis，SF)通常出現在OA的后期，目前的觀點認為滑膜炎癥驅動了纖維化的發展。大量證據表明，SF是導致關節僵硬、滑膜增生和功能受限的最重要原因之一，是中重度OA的常見癥狀。成纖維細胞樣滑膜細胞是滑膜纖維化的主要效應細胞。由多種不同信號激活的成纖維細胞在這一過程中發揮核心作用，包括衰老、缺氧、細胞外基質變化等因素[34]。

此外，在關節中，脂肪細胞和免疫細胞之間的串擾維持關節組織穩態，導致穩態失衡也是OA的重要誘因。脂肪細胞可以產生促炎細胞因子(TNF-α、IL-6和IL-1β)和脂肪因子(瘦素和脂聯素)來調節調節軟骨中的炎癥免疫反應[35]。

總的來說，骨關節炎發病機制主要涉及軟骨、軟骨下骨、滑膜等部位，軟骨細胞、破骨細胞、巨噬細胞、T細胞等細胞。如Fig 2所示，在OA軟骨細胞中，肥大軟骨細胞增多，產生SASP的衰老軟骨細胞增多以及SSC的耗竭都是導致OA的重要原因。軟骨下骨中異常的血管生成和RANKL誘導破骨細胞產生的軟骨下骨重塑都是OA的重要特征。在滑膜中，NF-κB、mTOR、JNK、PI3K/Akt刺激產生的巨噬細胞從M2亞型轉變為M1亞型，產生IL-1β、IL-6、IL-12、TNF-α、IFN-γ和其他組織損害信號，在軟骨損傷中發揮重要作用。CX3CR1+巨噬細胞形成致密的物理屏障的丟失也是OA發生的原因之一。滑膜中的T細胞、脂肪細胞等也在維持關節組織穩態中發揮重要作用。

Fig 2 The molecular mechanism of OA

3 OA的靶向藥物

在全球范圍內，OA的患病率逐年增加，造成了巨大的社會經濟負擔，然而很遺憾的是目前骨關節炎的治療手段十分有限。目前還沒有改變OA進程的藥物，在治療策略中，廣泛采用塞來昔布等非甾體抗炎藥等僅用于消炎鎮痛，并且存在腸胃道副作用和心血管疾病風險。晚期患者則只能通過關節置換術、膝蓋截骨術等手術療法。人工置換的關節雖然部分恢復關節功能，但是費用昂貴，并且存在一定的風險，如感染風險、下肢深靜脈血栓形成、肺栓塞、假體周圍骨折等。若能夠通過藥物治療方法解決OA問題而避免手術方案，將為OA患者帶來巨大福音。近年來，有關OA的新型治療方案備受關注。OA的藥物治療應旨在減輕疾病負擔(癥狀效應)，以及通過減緩或停止潛在組織損傷的生物學過程(結構效應)來改變疾病的進程。目前國際指南推薦的治療OA的藥物治療僅僅是對癥治療，對于根本性的治療OA還沒有更好的藥物方案。對于能夠改變OA疾病進程的藥物研究，是全球骨科科學家和藥物學家研究的重中之重。迄今為止，進入臨床實驗階段的OA藥物如Tab 1所示。目前關于OA的藥物研究主要分為以下三種思路[36]。

3.1 靶向軟骨破壞或促進OA軟骨修復的藥物軟骨損傷是公認的OA藥物的主要治療目標。第一種策略是抑制基質降解酶表達來抑制軟骨損傷。然而，遺憾的是，MMP抑制劑(例如PG116800)用于OA患者中，出現了肌肉骨骼不良的癥狀，這可能與MMP抑制劑可能會干擾軟骨外的基質蛋白周轉相關[37]。目前認為聚集蛋白聚糖酶抑制可能是比靶向膠原酶更安全的選擇。自1999年被發現以來，蛋白聚糖酶，特別是ADAMTS-5，已被廣泛研究作為改善疾病的OA藥物開發的靶點[38]。GLPG1972/S201086是作為ADAMTS-5的小分子抑制劑，已被證明對OA小鼠和大鼠模型中的軟骨具有保護作用，已經進行臨床Ⅱ期試驗[36]。近年來，越來越多的OA新型療法被發現。例如，研究發現利用藥物手段清除衰老的軟骨細胞，以避免衰老的細胞積累，對改善OA癥狀具有顯著效果[39]。具體來說UBX0101能夠減少OA的前交叉韌帶重建手術模型中的軟骨損傷和關節疼痛，并刺激了人類OA軟骨外植體中的軟骨形成，通過促進軟骨基質的合成也可以用于逆轉OA進程[21]。Sprifermin通過激活成纖維細胞生長因子3(fibroblast growth factor3，FGF3)，參與健康和受損軟骨的軟骨形成、軟骨細胞增殖和軟骨修復，同時刺激軟骨基質產生[40]。此外，Wnt通路在OA疾病中發揮了復雜的作用。例如幾種Wnt蛋白，如Wnt8a，可以激活軟骨分解代謝，并且Wnt信號通路抑制劑lorecivivint，被認為具有促進軟骨再生的作用，目前在進行臨床Ⅲ期試驗[41]，而其他蛋白，如Wnt16具有軟骨保護作用。

3.2 靶向OA軟骨下骨重建的藥物臨床前的研究結果表明，在OA早期階段，破骨細胞介導的骨吸收增強，骨密度短暫降低，但疾病后期會出現骨細胞活性減弱而出現軟骨下骨硬化[42]。靶向軟骨下骨破骨細胞的治療手段可以緩解患者最關心的疼痛癥狀，因為它們可以通過產生軸突導向因子-1來調節感覺神經支配[43]，故靶向軟骨下骨的藥物能夠有效減輕癥狀。CTSK是一種主要由破骨細胞和滑膜細胞產生的蛋白酶，能夠切割Ⅱ型膠原蛋白，是OA中的一個治療靶點。口服CTSK抑制劑MIV-711可以限制膝關節OA的軟骨損傷和軟骨下骨重構[44]。

3.3 靶向OA滑膜炎癥的藥物滑膜組織中出現炎癥是OA疾病的重要指標，多種因素產生的促炎因子最終導致滑膜炎的產生，并引發疼痛。糖皮質激素是世界上應用最廣泛的抗炎藥物，全身或關節內注射的皮質類固醇可在短期內改善OA癥狀，尤其是在疾病發作的情況下，但皮質類固醇注射對膝關節疼痛和功能只有短期影響，長期效果不佳[45]。

另外針對促炎因子的抗體也是一種治療思路，尤其是抗IL-1β和抗TNF-α，已在進行了研究，但并未改善患者的癥狀，需要進一步研究證實[46]。除了IL-1β和TNF-α，其他細胞因子也被研究作為OA的潛在治療靶點，例如IL-6。血清中IL-6的濃度升高與OA的發病率，并且隨著時間的增加，會伴隨軟骨損傷[47]。其中Tocilizumab是IL-6的中和抗體，被認為可以改善手部OA的癥狀，已經開始進行臨床III期試驗。C-C基序趨化因子配體17(C-C motif chemokine ligand 17，CCL17)是單核細胞和巨噬細胞中生物效應的重要介質[48]，目前正在OA患者中研究抗CCL17抗體的作用。其藥物GSK3858279正在進行臨床Ⅱ期試驗。

Tab 1 Main emerging therapies being investigated in OA clinical trials

隨著研究的深入，關于OA病理生理學的概念仍在演變，從被視為軟骨局限到影響整個關節的多因素疾病，涉及關節軟骨、軟骨下骨、韌帶、滑膜和關節周圍肌肉的結構改變。局部和全身因素之間的復雜關系調節其臨床和結構表現，導致最終關節的破壞。藥物治療主要與緩解癥狀有關，雖然一些新的治療干預措施的有效性和安全性被證實，但是目前還沒有得到管理機構批準的治療疾病的藥物(即除了減緩或阻止疾病進展之外，還能減輕癥狀的治療)。在過去的幾十年里，在基礎和臨床研究方面的大量投入獲得了與OA發展和進展相關的危險因素的重要線索。這些OA病理生理學的新發現使人們能夠更好地了解疾病過程，并確定潛在的治療靶點。未來，從機制和結構的角度了解OA疾病的最新進展將有助于開發更有效的治療措施。