軟骨下骨病變在骨關節炎發病進程中的作用

韋 冰 李學飛 吳連國

骨關節炎是一種常見的慢性、退行性骨病之一，在全世界范圍內骨關節炎患者高達5 億人次，并呈逐年上升趨勢[1]。骨關節炎的病理變化復雜，包括滑膜炎癥、增生、關節軟骨損傷、生物力學失衡、軟骨下骨塌陷、硬化以及骨贅形成[2]。雖然骨關節炎長期以來被認為是一種滑膜和關節軟骨相關的原發性疾病，但軟骨下骨的穩態和重塑對骨關節炎發生、發展的貢獻逐漸引起研究人員的興趣[3]。顯微成像技術的發展揭示了軟骨下骨在骨關節炎早期骨丟失，骨小梁退化到骨關節炎晚期骨小梁硬化，軟骨下骨骨囊腫、微骨折，并最終導致軟骨破壞的這一動態過程[4]。了解軟骨下骨在骨關節炎發生發展過程中的病理機制，為早期防治骨關節炎提供新的思路。

1 軟骨下骨結構和功能

膝關節解剖呈現從關節面到骨骼的淺、中、深的層狀結構，由淺入深粗略的分為關節軟骨、鈣化軟骨和軟骨下骨。軟骨下骨位于鈣化軟骨下方，由淺入深又分為軟骨下皮質骨和軟骨下骨小梁[5]。軟骨下皮質骨是一層薄薄的皮質骨板，它表面具有一定的通透性，使軟骨下骨小梁中的血管、神經到達鈣化軟骨。軟骨下皮質骨的功能主要是為關節軟骨提供支撐作用以及連接軟骨下骨小梁與鈣化軟骨的通道[6]。雖然作為支撐作用，但其硬度較低于四肢長干骨的皮質骨[3]。軟骨下骨小梁位于軟骨下皮質骨板以下，其空隙率較高，代謝旺盛，里面具有豐富的神經、血管和骨髓[7]。軟骨下骨小梁的功能主要為吸收負荷和營養軟骨等。正常關節中的關節軟骨、鈣化軟骨、軟骨下皮質骨和軟骨下骨小梁共同構成了一個關節的“減震裝置”，在關節運動期間負責支撐和吸收載荷作用。該“減震裝置”能夠動態適應施加在關節上的機械壓力，但是關節軟骨和軟骨下骨的適應力差異較大，對于機械損傷，軟骨下骨能通過骨重塑快速地由新骨替代破損骨而建立一個穩定的生理狀態，關節軟骨卻不能較快地更新[8]。

2 骨關節炎中軟骨下骨的病理改變

在骨關節炎中關節軟骨與軟骨下骨病理改變的先后一直備受爭議。但二者在組織形態和病理改變中密切相關[9]。直到1984 年，Radin 教授以膝骨關節炎兔子為模型，通過骨掃描和生物標記技術觀測骨關節炎早期關節軟骨和軟骨下骨的組織學、組織形態學變化，發現早期的軟骨下骨變化先于關節軟骨出現病理改變。在骨關節炎的不同階段，軟骨下骨的病理改變各不相同，主要包括軟骨下骨微骨折，軟骨下骨骨水腫，骨囊腫形成以及軟骨下骨硬化等病理特征。在骨關節炎早期，主要病理變化為骨重塑主導的軟骨下骨小梁的改變。以家兔構建骨關節炎模型發現在骨關節炎早期隨著巨噬細胞浸潤和破骨細胞的過度活化，軟骨下骨小梁數量變少，結構出現明顯改變，具體表現為骨小梁間距變大，空隙變多，在橫截面觀察骨小梁出現更多的間距和受損的網絡，說明早期骨小梁發生了明顯的骨折，此時的軟骨下皮質骨板變得更薄，空隙率增加更明顯，礦物質/基質比逐漸增加。使用掃描電鏡發現軟骨下皮質骨的膠原纖維表面粗糙，排列稀疏，間隙明顯擴大[10-11]。早期的關節軟骨形態結構改變不顯著，僅表現為蛋白多糖，尤其是硫酸化糖胺聚糖含量的逐漸降低，但是早期骨關節炎關節軟骨中白介素-1β（IL-1β）和金屬蛋白酶-13（MMP-13）水平明顯升高[11-12]。雖然尚未完全了解骨關節炎早期軟骨下骨病理改變潛在機制，但與以成骨細胞介導的骨形成和以破骨細胞介導的骨吸收之間的失衡、軟骨下毛細血管異常增加、軟骨與軟骨下骨串擾增強密切相關[3，13]。在骨關節炎晚期階段，主要病理變化以軟骨下骨硬化為主。微觀結構以軟骨下骨小梁變厚，間距變小，由原來的棒狀骨小梁轉變為板狀骨小梁[14]。骨髓水腫被認為是在MR 中評估骨關節炎嚴重程度及預后的結構化指標[15]。隨著骨體積分數的增加，軟骨下皮質骨以下區域則逐漸出現骨髓水腫樣改變。骨關節炎后期，骨髓水腫容易進展為軟骨下骨囊腫。軟骨下骨囊腫的出現原因目前認為可能與失衡的骨重塑和骨礦化增高有關。一項3D 模擬發現軟骨下骨多發性囊腫通過增加骨應力效應和外周囊腫擴張趨勢進一步惡化病情，增加膝關節置換風險[16]。此外，對膝關節置換后的標本進行研究發現晚期骨關節炎成骨細胞、破骨細胞、骨細胞中MMP-1 的表達有助于骨關節的病理組織重塑和軟骨改變，與軟骨下骨囊腫的形成密切相關。軟骨下骨的一系列改變將加重關節軟骨的破損。此外，盡管軟骨下骨“硬化”，但這種“硬化”是一種假象，本質為快速的骨重塑：膠原比降低導致了軟骨下骨的礦化不足，剛度下降，當承載機械負荷時軟骨下骨更容易破壞。

3 軟骨下骨相關通路

自從外科手術成功構建小鼠骨關節炎模型以來，對骨關節炎的病理機制研究更加透徹，如炎癥反應、氧化應激、免疫、自噬、生物力學失衡、衰老、表觀遺傳等機制[17-19]，涉及主要分子和通路包括Notch 通路，NF-κB 通路，TGFβ 信號通路，Wnt/β-Catenin 信號通路以及MAPK 信號通路等[20-24]。在這里我們主要探討兩個多功能信號通路OPG/RANKL/RANK 通路和SDF-1/CXCR4 通路，以便闡明軟骨下骨病變對骨關節炎發生發展的作用。

3.1 OPG/RANKL/RANK 信號通路與骨關節炎 骨保護素（OPG）/核因子kappa-B 配體的受體激活劑（RANKL）/NF-κB 受體激活劑（RANK）是腫瘤壞死因子（TNF）和TNF 受體超家族成員，與免疫、骨穩態、炎癥、癌癥等密切相關[25-26]。OPG 首先從小鼠骨髓基質細胞中發現，是一種二聚體形式的誘餌蛋白，目前認為其主要由成骨細胞、B 細胞分泌。在骨重塑過程中OPG 可以競爭性得與RANKL 結合，減少破骨細胞前體的成熟、分化，減少骨量丟失[27]。RANKL 是由成骨細胞譜系細胞產生的一種Ⅱ型膜蛋白，在骨重塑過程中RANKL 促進骨髓中破骨細胞提前的增值和全身循環的數量，另一方面，RANKL 促進破骨細胞提前在發炎的骨關節附近堆積，RANKL 與其受體RANK 結合導致骨關節軟骨下骨破骨細胞前體分化為成骨破骨細胞，導致軟骨下骨骨量丟失。RANK是位于破骨細胞前體或成熟破骨細胞表面的Ⅰ型跨膜蛋白，當RANKL 與RANK 結合成為RANKLRANK 復合體后將激活破骨細胞內部一系列因子，發揮成熟破骨細胞骨吸收的作用[28]。

腫瘤壞死因子受體相關因子（TRAF）家族是OPG/RANKL/RANK 信號通路下游重要因子，與軟骨下骨病理改變引起的骨關節炎關系密切[29]。當RANKL 激活RANK 時破骨細胞內的TRAF 即被募集。TRAF6 是響應RANK 的關鍵信號因子，已經證明在破骨細胞內TRAF6 可激活有絲分裂原活化蛋白激酶（MAPK）p38/JNK[30]，Akt/PKB 以及響應RANK信號的典型NF-κB 通路。TRAF6 與MAPK 激 酶TAK1 的蛋白TAB2 構成TRAF6-TAB2-TAK1 三聯體，進而激活MAPKs 誘導骨量減少和軟骨破損。此外，TRAF6 增強c-Src 的激酶活性，導致下游信號分子（如c-Cbl）酪氨酸磷酸化，導致Akt/PKB 激活。長期以來，NF-kB 被認為是炎癥信號通路，參與骨關節炎發病的關鍵信號因子[31]。

總之，OPG/RANKL/RANK 信號通路在骨關節炎的病理過程中通過多種途徑調節軟骨下骨的骨重塑，減少骨量丟失，對早期骨關節炎發生發展具有重要作用。

3.2 Wnt/β-Catenin 信號通路與骨關節炎 Wnt/β-Catenin 信號在骨關節炎進展過程中具有相反的雙重作用。適當水平的β-Catenin 對于軟骨穩態至關重要。對β-Catenin 信號的抑制或過度表達會擾亂軟骨細胞表型，促進軟骨細胞凋亡和軟骨破壞。此外，人類骨關節炎軟骨中Wnt 信號激動劑的表達增加可能通過上調MMP 和聚集蛋白聚糖酶來加速軟骨降解。除了調節軟骨細胞存活，Wnt/β-catenin 信號通路通過調節成骨細胞和破骨細胞功能來參與骨骼發育和體內平衡。研究表明，適當的機械負荷可通過激活Wnt/β-catenin 信號傳導促進骨形成并增加軟骨下骨厚度和骨小梁積分數。此外，抑制破骨細胞生成和破骨細胞活性可調節軟骨下骨重建并改善異常的骨微觀結構[20]。由此可以得出結論，Wnt/β-Catenin 信號的調節是軟骨和骨代謝中的關鍵通路。

Wnt/β-catenin 通路中的關鍵調節因子-分泌蛋白-1（WISP1）。WISP1 通過作用于多個層面的病變來調節骨關節炎的發生和進展，具體如下：（1）加速MMP 和蛋白多糖的釋放，隨后導致軟骨基質的破壞；（2）通過誘導破壞軟骨的Smad1/5/8 信號通路促進軟骨細胞向肥大表型的轉變；（3）通過調節成骨和破骨細胞功能來刺激軟骨下骨硬化和骨贅形成。這說明Wnt/β-catenin 信號通路與軟骨下骨的骨代謝平衡密切相關。

4 小結與展望

骨關節炎是一種由多因素綜合導致的慢性退行性疾病，對其發病機制的研究包括了滑膜、軟骨和軟骨下骨不同的解剖層面。目前研究主要認為軟骨下骨首先發生骨代謝失衡，骨量減少，骨小梁破壞進而導致關節軟骨以及滑膜的病理改變。異常的機械微環境導致非耦合軟骨下骨重塑過程中的高骨轉換，并促進軟骨下骨板的孔隙率、微裂紋和血管生成，增加各種細胞因子的交換。這種生化分子串擾加速骨關節炎的發生和發展，其具體機制復雜，涉及多個信號通路，包括Wnt/β-catenin、RANK/RANKL/OPG 和TGF-β/Smad、MAPK 等信號通路。這有助于我們更好地了解骨關節炎的病理生理學并改進臨床上現有的骨關節炎治療方案。特別值得說明的是，軟骨下骨的微環境是骨關節炎發展的主要調節因子。因此，今后的研究應關注軟骨下骨微環境中病理性細胞相互作用促使軟骨下骨破壞及加速骨關節炎性疼痛，以及借此進一步開發治療軟骨下骨微環境靶向的新藥。