骨關節炎病理變化過程的研究進展

鄭梅梅，江自鮮，鄭儉彬，王 葳，王 濤，李秀芳*，王文靜*

（1. 云南中醫藥大學，云南省南藥可持續利用研究重點實驗室，云南 昆明 650500；2. 昆明市中醫醫院骨傷科，云南 昆明 650011）

骨關節炎（osteoarthritis，OA）一般指在人體關節及其周圍組織發生的炎性疾病，主要表現為關節軟骨的退行性病變、軟骨下骨硬化、骨贅形成、軟骨血管生成等，病情進一步惡化會引起關節軟骨退變、缺損，以至整個關節面的破損[1]，是全球范圍內常見的退行性疾病。2017 年的統計數據顯示，全球OA 患者約3.03億人[2]，50 歲以上的患病率約為37%，75 歲以上的發病率約為80%。OA 的致殘率較高，影響患者的生活質量，給家庭和社會帶來巨大負擔。OA 患者確診后往往會因鍛煉減少加重心腦血管疾病患病風險[3]，因此，OA 已成為世界第4 大致殘疾病[4]，并被稱成為“不死的癌癥”，但與糖尿病、心血管疾病等一些慢性病相比，人們對該病的重視程度遠遠不夠。

目前對OA 的病理機制尚未完全解析，隨著研究的深入，越來越多的證據表明，OA 是一個動態發展過程，其病理生理改變并不僅局限于軟骨細胞，還包括位于關節組織微環境中所有組成的變化，是骨關節組織微環境復雜病理反應的結果，因此，對OA 的治療從單一環節的干預措施無法達到阻止疾病進一步發展的目標。目前研究普遍認為，炎癥、軟骨退行性病變、軟骨下骨微環境變化等為其主要病理改變，但對OA 發展的早期和中、晚期特征性的病理變化過程還存在一定的爭議，大部分研究認為，骨關節炎早期的主要病理變化為軟骨損傷、軟骨下骨重塑和軟骨下骨生成，而在骨關節炎中、晚期主要是軟骨下骨硬化和骨贅生成，以及不斷加重的疼痛及整個關節的炎癥。

1 OA 早期主要病理變化

1.1 軟骨損傷 健康的關節面被透明軟骨覆蓋，其表面光滑，在關節活動時起“緩沖墊”的作用來保護關節。軟骨細胞被主要由水、Ⅱ型膠原和糖蛋白組成的細胞外基質包裹，Ⅱ型膠原蛋白可提供拉伸強度，維持關節軟骨的形態，蛋白聚糖在很大程度上決定了壓縮剛度[5]，通過控制水的吸收和排出來平衡關節軟骨內外的壓力[6]。關節液是骨關節的重要組成部分，提供營養給軟骨細胞，還可減輕關節間的磨損和破壞[7]，高分子 量（high molecular weight, HMW） 透 明 質 酸（hyaluronic acid，HA）是關節液中黏彈性的主要貢獻者，若滑液中HA 減少會引起滑液黏度降低，加重關節軟骨間的摩擦，導致軟骨磨損，骨關節炎惡化[8]。

年輕人中的OA 患者大多由外部機械力刺激導致關節損傷引起，稱創傷性骨關節炎，過度的機械應力刺激可導致軟骨細胞發生炎癥反應甚至凋亡[9]，釋放的炎癥信號又可作OA 的一種致病前饋機制，增加細胞中機械敏感離子通道Piezo1 的機械轉導的敏感性[10]。老年人中的OA 患者一般是退行性改變引起的[11]，造成關節衰老的原因與氧化應激失衡導致骨量減少有關[12-13]。氧化應激失衡，軟骨細胞線粒體功能障礙，軟骨細胞凋亡，甚至發生關節軟骨下骨化[14]。臨床針對氧化應激的病理過程的治療方法是通過向關節腔內注射玻璃酸鈉等抗氧化應激損傷類藥物，達到緩解骨關節炎的癥狀的作用[15]。

軟骨細胞是維持軟骨基質產生和重塑的動態平衡，該平衡被打破就容易引起OA[16]。蛋白水解酶的過度活化是導致關節軟骨基質成分過度降解的重要原因[17]，其中基質金屬蛋白酶家族（MMPs）是調節細胞基質組成的主要酶，可通過降解細胞外基質成分而參與代謝過程。MMP-9 對于基質膠原纖維降解具有重要作用，研究表明血清及關節液中的MMP-9 與OA病情嚴重程度相關性較高，這些指標用于評估OA 患者的病情嚴重程度[18]。MMP-13 對Ⅱ型膠原蛋白的活性最高，是軟骨中膠原降解的關鍵介質[19-21]，在正常的成人組織表達受到限制，但在OA 患者的關節和關節軟骨中高表達，選擇性抑制MMP-13 降低軟骨損傷有望成為治療靶標[22-23]。在MMPs 中，解聚蛋白樣金屬蛋白酶（ADAMTS）可以水解蛋白多糖以降解關節軟骨。ADAMTS5 可不斷進行重塑，當細胞退化或受損時，ADAMTS5 表達增加，導致合成和降解不平衡，ADAMTS5 可作為評價軟骨細胞功能的關鍵指標[24-25]。

活性氧（reactive oxygen specise，ROS）水平不斷上升是軟骨損傷的另一重要原因。伴隨著衰老，過量的ROS 抑制軟骨基質的合成并誘導軟骨基質的崩解，推動OA 的發展過程[26]。例如通過PI3K/Akt 通路引起軟骨細胞的凋亡[27]，或通過促進NF-κB 信號傳導，影響軟骨基質的重塑、軟骨細胞凋亡、滑膜炎性反應，間接刺激軟骨細胞分化的下游調節因子[28]。ROS也可阻礙骨髓間充質干細胞（marrow stem cells,MSCs）向成骨細胞分化，減弱細胞的增殖能力，延長靜息期，導致成骨細胞生成減少，骨形成水平低下[29]。因此，提高機體抗氧化水平、減少ROS 生成，是治療OA 的有效策略之一。

1.2 微裂紋及骨異常重塑 軟骨與軟骨下骨組成了一個功能性的骨單位，起到減震及分散壓力的作用。軟骨下骨和軟骨由鈣化軟骨相連，鈣化軟骨和軟骨的放射層交界處有一條明顯的分界線，稱為潮線[30-31]。軟骨下骨板可為關節軟骨提供堅硬的力學支撐和營養支持，同時軟骨下骨不斷進行重塑去適應周圍微環境的變化，可影響軟骨代謝[32]。盡管大量相關證據表明軟骨下骨和軟骨協同降解，但因果關系很難確定，因為分析往往是在有終末期疾病的組織中進行的，或者在骨和軟骨都受到影響的模型中進行的[22]。以往OA 的研究主要在關節軟骨退變方面，OA 的臨床前研究和臨床治療結果的差異表明，僅以關節軟骨為靶點并不足以阻止OA 的進展[9]。

微裂紋是骨應變引起的一種生理過程，最早由Frost 于1960 年首次提出，常因機械力過度而發生的一種骨生理反應，經常發生在鈣化軟骨和軟骨下骨，為軟骨-骨之間提供信息途徑[33-34]。微裂紋現象可能意味著承擔機械壓力過度，也可能是機體為防止骨破壞繼續發生的保護機制，通過壓力分散的方式保護關節軟骨免受損傷，同時骨微裂紋還可促進骨重塑[35]。臨床數據顯示微裂紋和年齡密切相關，骨小梁和皮質骨中的骨細胞密度與微裂紋數量和老化負相關，在有骨髓病變的OA 患者中，軟骨下骨板和軟骨下小梁處的微裂紋密度增加，表明微裂紋可能通過骨重塑參與維持軟骨的完整性[36-37]。

研究表明，正常的力學刺激下，軟骨下骨發生的骨重塑是有序的，即骨形成發生在骨吸收的地方，維持骨穩態[38]。OA 早期，骨重塑率相對于正常骨骼的速度高達20 倍[39]。研究表明骨重塑主要由TGF-β 介導，TGF-β 可將骨髓間充質干細胞（bone mesenchy mal stem cells，BMSCs）誘導至骨吸收表面分化為成骨細胞，填充骨的吸收達到骨重塑，維持動態平衡[[40-41]。Tang 等[42]通過體內外模型證明了TGF-β 可誘導BMSCs 的遷移聚集，導致異常骨重塑，進一步說明調節TGF-β1 活性可能是骨重塑疾病的有效治療手段。Yusup 等[43]通過臨床檢測40 名OA 患者的滑膜組織發現，TGF-β 的水平和OA 患者的軟骨下骨損傷程度呈正相關，說明抑制TGF-β 的水平可能減少異常的骨重塑。

2 OA 中、晚期主要病理變化

2.1 軟骨下骨血管新生伴隨神經侵入軟骨 健康的關節軟骨中沒有血管和神經，隨OA 病變的發展，軟骨下骨微環境中血管內皮生長因子等可使部分微孔的破骨細胞活力旺盛，微孔的大小及數量增加，為新生的血管入侵軟骨提供了通道[44-45]。新生血管的形成被認為是高營養軟骨細胞表達血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）刺激的，血管的侵入通過改變軟骨細胞中低氧環境影響其合成分解；并且細胞因子和炎性因子可經通道進入軟骨干擾軟骨代謝，加快其損傷[46-48]。Su 等人通過研究發現，對小鼠進行骨關節炎造模后，在關節軟骨還未退變時，破骨前體細胞分泌過量的血小板衍生生長因子-BB（platelet derived growth factor-BB, PDGFBB），進而激活PDGF-BB/PDGFR-β 信號通路加速軟骨下骨血管生成，促進OA 的發生[39]。有研究[49]在兔OA 模型中觀察到，軟骨下骨的血管生成在OA 早期至進展期達到峰值，在OA 晚期降至正常水平，但也有研究認為血管生成增加是OA 后期骨贅形成的潛在貢獻者[50]。

疼痛是OA 患者最常見的問題，也是就醫的主要原因。血管生成和感覺神經生長往往相伴而行，并在血管生成的晚期沿著新生血管生長[48]。通過定位新神經纖維和血管的位置顯示，神經生長的方向受鄰近血管的調控，血管內皮細胞還可以產生許多神經生長的調節因子[31]。在OA 動物模型中，采用血管生成抑制劑治療可降低疼痛，盡管血管生長抑制的機制或靶點對這種鎮痛活性貢獻尚不清楚，但抑制血管生成或許能夠通過減輕炎癥，減少軟骨和半月板的神經支配，減輕OA 患者的疼痛[51]。

VEGF 作用于多種細胞類型，刺激血管生成，提高血管通透性和引起血管舒張等。臨床研究報道，阻斷VEGF 抑制血管生成可明顯緩解OA 患者的疼痛和癥狀[52]。關節局部應用抗VEGF 或抗血管生成藥物的方法已試用于OA 的治療，在臨床上具有很高的應用價值[53]。H-型血管是1 種與骨形成密切相關的毛細血管亞型，可與多種骨骼細胞相互作用實現血管新生與骨形成的耦聯。有研究表明關節軟骨細胞雷帕霉素靶蛋白mTORC1 活性在小鼠的生長發育期可促進軟骨下骨H-型血管新生，加速自發性OA 的發生發展[54]。Huang 等人通過實驗發現趨化因子9（Cxcl9）是骨髓微環境中成骨細胞分泌的血管抑制因子，成骨細胞產生的Cxcl9 可抑制VEGF 進而抑制血管生成[55]。Dodd 等人系統地檢測了mTORC1 介導的血管生成的作用，發現阻斷mTORC1 信號傳導的機制，可能通過部分抑制缺氧誘導因子（HIFs）和VEGFs 來實現抑制血管生成[56]。

2.2 軟骨下骨硬化及骨贅形成 隨著年齡增加等原因導致肌力下降，關節周圍韌帶松弛致使力學結構不穩[57]，軟骨下骨吸收應力和緩沖震蕩的作用減弱，關節失去正常形態，軟骨下骨改變，進一步導致骨小梁上新骨沉積、骨小梁受壓和骨小梁斷裂形成愈合組織，進而形成軟骨下骨硬化。OA 中，骨贅通常發生在關節皮質骨的外部，起源于骨膜[58]。骨贅的發育是由多種因素觸發的，如機械因素、生長因子和細胞因子刺激骨膜、間充質干細胞增殖[59]。同時，骨贅的形成可觸發自身修復機制，抑制軟骨退變過程[60]。在研究OA的動物實驗中，對骨贅進行評分，是評價OA 嚴重程度的重要指標[61]。

骨硬化蛋白（sclerostin，SOST）是一種骨形成的負調控因子，在調節骨重建過程中起重要作用。研究表明OA 患者血漿的SOST 的水平低于正常水平，其水平還可反映關節軟骨損傷的嚴重程度，有助于病情診斷[62]。為確定SOST 水平的升高是否對OA 起保護作用，Chang 采用在敲除SOST 基因小鼠進行實驗，結果表明SOST 在關節損傷后作為一種保護分子，防止軟骨降解[63]。使用SOST 基因敲除小鼠OA 模型，通過測定OA 評分和基質蛋白表達，結果顯示SOST 通過抑制軟骨細胞中Wnt 經典和非經典JNK 通路，在維持軟骨完整性上發揮了重要作用[64]。

骨形態發生蛋白（bone morphogenetic protein,BMP）又稱骨形成蛋白，是具有類似結構的高度保守的功能蛋白，可促進間充質細胞定向分化為成骨細胞。BMP2（BMP 的一種亞型）的高水平表達是骨贅形成嚴重惡化的原因，BMP2 誘導的骨贅主要分布在生長板與關節間隙交界處[59,65-66]。李軍偉研究發現在骨贅發生早期的間充質細胞內存在BMP2 mRNA 的陽性表達，提示BMP2 對早期骨贅的發生有誘導作用[67]。

牛磺酸是一類與骨贅形成密切相關的代謝產物，在OA 的軟骨中，牛磺酸參與調節軟骨細胞的細胞體積以響應滲透壓的下降，牛磺酸能促進成骨細胞增殖，抑制破骨細胞的生成，促進間充質干細胞向成骨細胞分化[68]。骨贅軟骨中牛磺酸的升高意味著退變的軟骨組織可能仍然具有自我修復能力，可用來防止軟骨的快速破壞，但同時，牛磺酸的升高也促進軟骨內骨化[60]。

3 討論

目前對OA 的病理機制尚未完全解析，隨著研究的深入，越來越多的證據表明，OA 是一個動態發展過程，其病理生理改變并不僅僅局限于軟骨細胞，還包括了位于關節組織微環境中所有組成的變化，是骨關節組織微環境復雜病理反應的結果，因此對OA 的治療從單一環節的干預措施無法達到阻止疾病進一步發展的目標。目前尚無公認有效的OA 治療方案，只能靠藥物或手術方法緩解其臨床癥狀。本文通過查閱文獻總結了近些年影響OA 發生發展的一些影響因素、OA 中的一些生物標志物等，探索OA 在疾病發展不同時期的病理變化，希望可以為OA 的研究提供借鑒。盡管現在關于OA 的研究眾多，但至今還未完全闡明OA 確切的發病機制，還未找到有效的治療藥物，仍需要更深入的研究，以便為臨床治療提供新思路。