肥大細胞在肥胖患者膝骨關節炎中的作用研究進展

劉高卿 金 柱 劉曉萌 汪利合

1.河南中醫藥大學骨傷學院，河南鄭州 450000；2.河南中醫藥大學第一臨床醫學院，河南鄭州 450000；3.河南中醫藥大學第一附屬醫院骨傷科，河南鄭州 450000

膝骨關節炎（knee osteoarthritis，KOA）是以關節軟骨磨損、軟骨下骨硬化及關節周圍軟組織炎癥為特征的慢性退行性疾病[1]。肥大細胞（mast cells，MCs）作為重要的免疫細胞，在組織微環境影響下完成其特異性的分化和成熟，目前在變態反應、固有免疫和獲得性免疫方面被廣泛研究。但事實上MCs 還能參與周圍組織多項病理生理過程。肥胖是KOA 的獨立危險因素之一，隨著社會進步及生活條件改善，肥胖人群不斷增加，使KOA 的患病人群及患病風險提高。研究顯示，肥胖患者KOA 發病率為12%～43%，且肥胖患者各個年齡層發病率都高于正常體重人群[2]。近年來，肥胖脂肪組織中MCs 的生理與病理作用引起了學界的廣泛關注。MCs 作為脂肪組織內部高度異質性細胞，在脂肪組織中大量存在，并參與脂肪的形成、代謝、生物學功能等。在病理學方面，有研究表明，肥胖導致的代謝因子改變會影響與骨關節炎（osteoarthritis，OA）病理學相關的炎癥因子的產生[3]。關節軟骨細胞、滑膜細胞也表達和響應相關聯的細胞因子。因此，肥胖、MCs 和KOA 三者之間可能具有特定的影響和聯系。本文結合國內外相關文獻，探討MCs 在肥胖患者KOA 中的作用，以期為肥胖患者KOA 的預防和臨床治療提供一種新的思路。

1 MCs 活化

MCs 來源于CD13+、CD34+、CD117+骨髓多能造血祖細胞，具有廣泛的組織分布，可在組織中存活長達數月。成熟的MCs 表達多種受體，如模式識別受體，包括Toll 樣受體（Toll-like receptors，TLR）和NOD 樣受體等；細胞因子受體，包括白細胞介素（interleukin，IL）-1、IL-33、γ 干擾素等；Fc 受體，包括FcεRⅠ和FcγRⅠ等，還表達趨化因子受體、神經肽受體等，這些受體在激活時會觸發各種信號通路[4]。受體與相應的配體結合可影響MCs 的發育、增殖與存活，誘導細胞活化。MCs 激活的主要途徑是免疫球蛋白E（immunoglobulin E，IgE）依賴性和非依賴性。雖然，IgE 依賴性信號傳導是MCs 激活的主要途徑，但也發現IgE非依賴性通路在各種炎癥性疾病的病理生理學中起著關鍵作用[5]。MCs 可通過以下機制影響OA：①釋放細胞因子和趨化因子吸引其他免疫細胞；②釋放可溶性介質和酶引起OA 疼痛。而這些機制離不開MCs 的活化。MCs 活化誘導預成型介質從其顆粒中釋放或從頭合成并釋放介質。預先合成介質包括組胺、類胰蛋白酶等；從頭合成并釋放介質包括脂質介質[前列腺素D2、細胞因子（IL-33、IL-6）、腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）等]、趨化因子如單核細胞趨化蛋白-1（monocyte chemotactic protein-1，MCP-1）等[4]。在沒有過敏反應典型的脫顆粒時，MCs可以通過選擇性釋放這些高活性的生物因子，在炎癥、組織損傷、炎性疼痛等病理生理學反應過程中發揮不同作用。正是通過這種差異性或選擇性的釋放，才能使MCs 參與多種細胞生理過程。

2 MCs 在肥胖組織中的作用及其相關介質對KOA的影響

2.1 肥胖誘發KOA 的炎性因素

傳統理論認為，肥胖可使膝關節承受的機械應力和摩擦增大，進而增加KOA 的患病風險及病情進展。近年來，越來越多的證據也表明肥胖所致的一些代謝性炎癥因子在誘發KOA 炎癥機制中有著重要貢獻。首先，在肥胖狀態下，由于脂肪組織肥大增生、纖維化、死亡及脂肪因子分泌異常，導致組織內的微環境顯著改變，脂肪細胞穩態失調，形成脂肪組織炎癥[6]。Kawai 等[7]指出肥大增生的脂肪細胞可以表達和分泌更多的炎癥細胞因子如IL-6、TNF-α 等；楊放等[8]通過酶聯免疫吸附試驗法檢測早期與晚期KOA 患者髕下脂肪組織，證明晚期患者IL-6、IL-8 及TNF-α 水平均高于早期患者。這些研究共同說明了脂肪組織在炎癥狀態下，可促進炎癥細胞因子分泌，加重KOA。其次，脂肪組織也合成和釋放脂肪細胞因子如瘦素、脂聯素、炎癥趨化因子等改變組織代謝[9]。Duan 等[10]通過研究22 例KOA 肥胖患者和10 例體重健康的KOA患者，發現瘦素的表達和體重指數呈正相關。血清瘦素水平與KOA 呈正相關，并可在軟骨細胞中通過誘導基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）1 和MMP13 表達并伴隨激活STAT、MAPK、PKB 和NF-κB 信號通路發揮其分解代謝功能。此外，有文獻指出肥胖相關的血脂異常如甘油三酯升高、高密度脂蛋白膽固醇降低、游離脂肪酸升高等也可通過促進滑膜炎癥等有害過程來介導OA 病理[11]。綜上，脂肪組織炎癥、脂肪組織自身合成與釋放相關因子、肥胖相關代謝異常在肥胖誘發KOA 的炎性因素中發揮重要作用。

2.2 MCs 在肥胖組織中的作用

MCs 的數量及活化和脂肪組織相互影響，他們共同產生大量的活性物質，且在KOA 發病過程中可進一步促使炎癥的發生與發展。Gurung 等[12]研究顯示，在代謝綜合征患者皮下脂肪組織中，單位面積內的MCs 數目是正常人群的4.5 倍，并且隨著MCs 數目的增加，MCs 活化程度也顯著升高。Takata 等[13]指出MCs數量的增加可能導致肥胖KOA 患者的滑膜堿性成纖維細胞生長因子表達升高，而其與KOA 的嚴重程度有關。此外，當脂肪過度堆積破壞脂肪組織正常的內分泌模式，導致脂肪因子分泌失衡后，脂肪組織中活化并脫顆粒的MCs 可釋放如IL-1β、IL-6、MCP-1 等大量促炎癥細胞因子和趨化因子到細胞外空間募集巨噬細胞、中性粒細胞等免疫細胞[14-15]。這些研究都說明了MCs 的數量在肥胖脂肪組織中增加，活化后可以促進脂肪組織炎癥。另外，脂肪組織纖維化微環境本身也會改變浸潤其中的MCs 的分泌模式，使其轉變為促炎表型，分泌出更多的IL-6、IL-1β、TNF-α 等促炎癥細胞因子。

2.3 MCs 相關介質對肥胖患者KOA 的影響

上述相關炎癥細胞因子在KOA 的病程進展中發揮著重要的作用。Huang 等[16]指出，IL-1β 可以誘導軟骨細胞氧化應激損傷和軟骨細胞衰老。徐偉等[17]通過體外實驗發現，IL-1β 可以導致軟骨表層細胞中活性氧增加，采用抗氧化劑處理可以明顯減少活性氧，緩解IL-1β 導致的軟骨表層細胞衰老。IL-6 是多功能炎癥細胞因子，除本身的促炎作用外，還可能作為MCs 的關鍵介質來調節機體脂質代謝，進而影響到肥胖患者KOA。Woodell-May 等[18]在文獻中指出，IL-6可能刺激MMPs 等膠原酶的表達，降解軟骨基質。TNF-α 可以通過誘導產生IL-6、MCP-1 等從而加重炎癥；可以上調MMPs 的表達，還可以通過影響體內糖代謝、脂代謝及脂肪細胞分化轉錄因子的表達，參與機體的脂肪代謝和機體能量平衡，對肥胖起負性調節的作用。MCP-1 是單核細胞募集進入KOA 炎癥部位的主要調節因子，可以吸引或增強其他炎癥因子或細胞的表達。在MCs 預先形成的介質中，類胰蛋白酶具有高度特異性，是診斷MCs 相關疾病及介導反應的生物標志物[4]。在脂肪組織纖維化過程中，活化后的MCs 一方面可通過分泌類胰蛋白酶進而激活MMPs，增加細胞外基質的周轉率，促進軟骨細胞凋亡和軟骨破壞；另一方面，脂肪組織的纖維化又會強化MCs 釋放促炎因子，進一步加重KOA 癥狀[19]。類胰蛋白酶是公認的蛋白酶激活受體2（protease-activated receptor-2，PAR-2）激活劑，而PAR-2 激活在關節炎癥中發揮著重要作用。Lü 等[20]提出PAR-2 通過調節炎癥因子、代謝因子等的產生和釋放，可參與OA 關節軟骨、軟骨下骨、滑膜的病理生理進展，以及疼痛的發生和傳遞。此外，類胰蛋白酶通過切割一些關鍵蛋白質，激活其他具有更廣泛特異性的蛋白酶及刺激細胞反應，進而在各種慢性炎癥和組織重塑的過程中起到驅動作用。

3 MCs 與肥胖患者KOA 相關信號通路探討

3.1 TLR 相關信號通路

TLR 是成熟MCs 表達的表面受體，目前研究較多的是TLR2 及TLR4。TLR4 可被廣泛發現且作為重要的信號通路轉導蛋白，對相關的病原進行識別、結合、轉導，從而釋放炎癥介質。TLR4/My D88/NF-κB 信號通路作為KOA 防治機制的通路，近年來逐漸被研究[21]。TLR4 通過其下游的MyD88 依賴性信號轉導通路，調控下行的各種炎癥因子（如IL-6），當炎癥因子進入細胞內，TLR4 介導MyD88 下行表達，進而磷酸化NF-κB，進一步激活炎癥因子（如IL-1β、IL-6、TNF-α和MMPs）的釋放，參與炎癥反應。Kalaitzoglou 等[22]研究表明，TLR4 通過識別損傷相關的分子模式介導肥胖誘導的代謝炎癥和軟骨分解代謝，并且隨著OA 關節的老化而增加。韋嵩等[23]通過分子生物學技術證明了TLR4 介導的信號傳導通路，抑制下游MyD88、NF-κB，阻斷炎癥細胞因子的分泌，減少軟骨破壞。以上研究共同表明，肥胖患者KOA 的軟骨損害與TLR4相關信號通路的異常激活有關。當配體與TLR2 受體結合后，經MyD88 依賴的信號通路進行傳導，最終導致MAPK、NF-κB 及AP-1 活化，調節基因表達，合成并釋放多種細胞因子。Shoukat 等[24]通過Sanger 測序檢測得出TLR-2 基因變異與肥胖發生顯著相關并構成風險。這也為未來的基因組研究和靶向治療提供方向。Xu 等[25]通過動物造模及體外試驗研究證明，通過抑制TLR2-4/MyD88/NF-κB 信號通路可調節關節軟骨細胞的炎癥損傷，緩解細胞凋亡。

3.2 神經生長因子（nerve growth factor，NGF）相關信號通路

NGF 是正常傷害感受器發育的重要生長因子，在炎癥條件下，NGF 表達上調。MCs 響應NGF 水平升高而產生，導致OA 關節中傷害性信號傳導增加。TrkA受體可由MCs 表達，他們被NGF 激活導致炎癥介質的上調和釋放，從而使關節傷害感受器敏感。有文獻指出，KOA 患者關節液和血液中NGF 與TrKA 的表達隨疾病進展而增加，提示NGF/TrKA 通路與KOA疼痛相關的病理變化有關[26]。NGF/TrKA 通路可促進神經末梢釋放致痛因子。Sousa-Valente 等[27]通過使用TrkA KI 小鼠模型體外研究結果表明，在OA 關節中，細胞外NGF 通過MCs 中的TrkA 受體激活起作用，并導致環氧化酶-2 的顯著上調和PGD 的產生。PGD 是MCs 釋放的主要前列腺素，可使感覺神經元敏感，促進從OA 關節到脊髓背角的有害信號傳導。此外，在軟骨方面，NGF/TrKA 通路可影響骨軟骨交界處的感覺神經密度，通過抑制TrKA 可以減少骨軟骨交界處的感覺神經密度[28]。NGF 還可通過增加硫酸黏多糖和MMPs 的釋放，增加軟骨內基質的降解，參與軟骨退變。這些機制可能會與力學因素及MCs 在脂肪組織生理病理的共同作用下對KOA 產生影響。

3.3 Mrgpr B2/X2 相關信號通路

Mas 相關的Mrgprs 是主要在感覺神經元上表達的GPCR 家族。Mrgprs 大量表達于神經系統的背根神經節上。Mrgpr B2/X2 在MCs 中高表達，與P 物質等配體結合后，受體與Gαq 相互作用活化磷脂酶C，產生甘油二酯，激活下游蛋白激酶，經Ras/Raf/MEK/MAPK 信號通路影響基因轉錄，最終導致MCs 迅速發生脫顆粒，釋放組胺等介質，并合成釋放前列腺素D2及細胞因子TNF-α 等[29]。Mrgpr X2 受體還可與Gαi作用，通過Mrgpr X2/Gαi 信號轉導誘導瞬變感受器TRPV4 通道開放，陽離子內流，從而使MCs 連續脫顆粒。在相關研究中發現，Mrgpr B2 介導炎癥機制和熱痛覺過敏，并作為必需受體在損傷部位募集先天免疫細胞，進而影響炎癥浸潤、增加外周傳入敏感性。Green 等[30]通過對小鼠術后痛模型和CFA 誘導的炎性痛模型的研究后提出假設：組織損傷后釋放的P 物質通過Mrgpr B2/X2 激活MCs，引起細胞因子和趨化因子的釋放及免疫細胞的募集，進而參與炎癥和疼痛。在病理反應領域，這種受體也參與慢性炎癥。綜上，肥胖作為一種慢性炎癥狀態，肥胖患者KOA 在組織損傷后產生的炎癥和疼痛可能與Mrgpr X2 相關。

4 小結與展望

MCs 在脂肪組織中參與重要的生理和病理過程，并與肥胖共同對KOA 的進程產生影響。目前，KOA的發病機制還未完全闡明，而成像技術的進步、鑒定新型生物標志物的不斷成熟及關節組織內細胞通路知識的增加等將會促進開發更好的治療KOA 策略。隨著肥胖患者KOA 發病率不斷提高，對肥胖、MCs 與KOA 三者之間研究的不斷深入，以及對MCs 相關介質差異釋放的日益重視，可能會導致對單個介質的特定調節進行更集中的研究，這些因素將加速“智能”藥物的開發。未來對肥胖患者KOA 研究需要進一步揭示MCs 在肥胖與KOA 生理病理學之間的作用，更深入地關注他們在KOA 進程中所發揮的作用，以提出更有效的、無副作用的治療方案和干預措施。