寒冷環境對骨關節炎發病及損傷影響的研究進展

胡一帆,翟孝庭,徐鑫宇,姜 華

骨關節炎(osteoarthritis,OA)作為一種慢性關節疾病,其特征包括關節軟骨的退行性變和繼發的骨質增生,全世界約15%的人口受其影響[1]。雖然遺傳、代謝和機械等因素被認為是該病的發病因素,但OA的發病機制尚未完全闡明,臨床上也缺乏有效的非手術治療方法來逆轉疾病進展。因此,預防OA的發生及針對病因采取早期干預措施顯得尤為重要。我國北方地區的寒冷季節相對較長,在寒冷環境下,機體會受到冷應激影響,導致關節相關的骨骼肌形態結構和代謝發生改變,同時引起關節軟骨結構的改變,在骨關節病發生發展過程中產生一定影響,甚至進一步發生冷損傷。本文對近年來寒冷環境對OA發病的影響及關節相關結構的變化進行綜述,以期為寒冷環境下OA發病的研究提供理論依據及防治思路。

1 寒冷環境下骨關節炎發病情況

寒冷環境指最冷月的平均溫度為-10 ℃～0 ℃。寒冷作為一種常見的環境應激因素,對各種類型的OA如膝關節、肘關節和指關節等,均會造成一定影響[2,3]。人類關節腔基本溫度是32 ℃,且在24 ℃～38 ℃起伏,這為低溫環境直接作用于關節內細胞增殖提供理論依據[4]。流行病學研究表明,寒冷環境是與OA病情進展密切相關的環境因素,33%～66%的OA患者認為寒冷環境與其病情進展密切相關[5]。在北歐等長期寒冷地區有1/3人群存在與寒冷相關的關節和肌肉疼痛癥狀[6]。寒冷環境與OA患者的疼痛程度相關,冬季關節疼痛強度明顯高于全年平均關節疼痛強度[7,8],包括低溫在內的環境因素改變與OA患者的疼痛及腫脹程度加重相關,且女性患者(62%)較男性患者(37%)更為顯著[9]。另一項研究評估了OA患者關節疼痛與天氣變量之間的關聯,結果顯示OA患者關節疼痛程度與天氣(包括溫度、濕度和大氣壓力)變化相關,其中與溫度變化呈中度相關[10]。有研究通過分析美國50個城市連續五年的相對在線搜索量,以及溫度、相對濕度、氣壓和降水等當地天氣數據,評估這些氣象變量對疼痛搜索相對量的偶然影響,結果顯示溫度下降時關節肌肉骨骼疼痛癥狀的在線搜索量增加[11]。

然而這一觀點仍存在一定爭議。在一項為期一個月的研究中,使用VAS模擬量表將骨關節炎患者癥狀的嚴重程度與日常天氣條件的變化進行比較,與大多數患者的反饋不同,結果顯示外部天氣條件不會影響OA患者的癥狀[12]。另有研究針對345名參與者進行了一項基于網絡的病例交叉研究,發現包括溫度在內的天氣因素的變化并非膝關節OA患者疼痛加重的風險因素[13]。雖然寒冷環境對OA的影響目前尚未有定論,但大量流行病學結果顯示,寒冷作為OA的潛在誘因之一,與OA的發生發展有關,會在一定程度上損傷關節。

2 寒冷環境對骨關節損傷的影響

2.1 骨骼肌的產熱機制 哺乳動物骨骼肌產熱方式主要分為顫抖性產熱(shiveringthermogenes,ST)和非顫抖性產熱(nonshivering thermogenesis,NST)[14]。這兩種產熱方式都是在肌肉收縮時,通過線粒體產生大量熱量以維持其正常功能活動。肌細胞的幾種產熱方式都和肌細胞中多種酶類有一定關系。首先是線粒體內部,在三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)的合成過程中,因為有一部分質子總是在線粒體內膜上運動,不為ATP合成酶所逸出;另一方面,酶促反應的過程,甚至在ATP的水解過程中,當釋放的能量超過反應所需的能量時,就會出現熱,例如鈉鉀泵、肌球蛋白ATP酶和肌漿網內的鈣泵(sarco/endoplasmic reticulum Ca2+-ATpase,SERCA)相結合,肌肉收縮時利用ATP來產生熱量。

SERCA共有7種異構體表達于哺乳動物組織,其中SERCA1a(主要在酵解型纖維中)和SERCA2a(主要在氧化性纖維中)被認為參與了骨骼肌的產熱過程[15]。對神經肌肉代謝的研究主要集中在SERCA1a方面,但SERCA2a也可以通過ATP水解來調節產熱[16],激活SERCA會使肌肉代謝率比靜息狀態提高25%,從而增加肌肉產熱,并提高寒冷條件下的基礎代謝率[17]。

雖然上述產熱途徑發生的階段不同,但它們在寒冷條件下都會被激活,使人體能夠通過各種新陳代謝過程保持體溫和提供能量。暴露于寒冷環境3周的大鼠比目魚肌中線粒體的總數增加了37%,導致通過合成ATP產生的熱量顯著增加[18]。在暴露于寒冷的仔豬體內骨骼肌中鈉泵和鉀泵的活性顯著增加,這種調節可能是由于相關酶的表達水平的增加所導致的[19]。反之,SERCA在寒冷環境中由固體脂質納米粒(solid lipid nanoparticles,SLN)所生成的熱效應是瞬間的[20]。Guarnieri等[21]發現,胞外Ca2+內流促進單個細胞產熱,但抑制SERCA活動,抑制產熱上升。除了肌原纖維的萎縮之外,在SERCA中ATP水解明顯是肌肉中寒冷反應能瞬時上調的一種機理。

2.2 對骨關節結構和代謝的影響 寒冷環境下哺乳動物機體調控代謝途徑,以提高產熱能力,最重要的2個產熱部位是棕色脂肪組織(brown adipose tissue,BAT)和骨骼肌[22],用脂肪酸將葡萄糖等能量底物轉化為熱量,用于維持自身體溫,骨骼肌的產熱與線粒體代謝密切相關。此外,在維持正常運動時,肌肉也需要消耗大量能量以提供熱量。研究表明,寒冷環境可增加全身氧氣和食物消耗量,導致肌肉組織形態改變,增強氧化代謝能力[23]。另外低溫也使肌肉細胞中游離鈣的濃度降低,從而降低細胞膜穩定性,影響細胞器的功能和蛋白質的合成,溫度越低,肌肉彈性越弱。研究表明,小鼠和倉鼠的脛骨前肌暴露于4 ℃,肌纖維橫截面積明顯減小[24]。小鼠處于16 ℃的輕微寒冷和4 ℃的嚴重寒冷環境,肌纖維橫截面積分別減小13.38%和18.66%[25]。這表明隨著溫度的下降,肌原性改變加劇。另外,低溫刺激可提高肌肉的磷酸化水平,促進骨骼肌的糖原儲存和脂肪分解。體內骨骼肌的耗氧量和線粒體酶活性隨著對逐漸降溫的適應而明顯增加[26];在大鼠暴露于4 ℃條件下7天后,比目魚肌肌漿網Ca2+-ATPase基因表達和肌脂蛋白含量顯著增加,鈉泵和鉀泵活性也顯著增加[27],這表明低寒冷環境可促進骨骼肌的能量代謝。

研究發現,寒冷刺激后小鼠趾間關節組織水腫,炎癥細胞浸潤,滑膜增生,組織勻漿液檢測顯示小鼠踝關節組織勻漿液中C反應蛋白水平升高[28],提示寒冷環境會導致OA加重。另有研究發現,寒冷環境暴露的大鼠膝關節間隙顯著狹窄,關節軟骨面坍塌,關節周圍有骨贅形成;骨痂表面凹凸不平,有少量破骨細胞浸潤;膝關節軟骨細胞在寒冷的環境中排列混亂,小血管入侵關節軟骨層,表層及深層軟骨細胞發生壞死,關節液中IL-1β、TNF-α、MMP-13等凋亡蛋白的表達顯著增加[29]。寒冷環境對軟骨細胞外基質的降解也有促進作用,對膝骨關節軟骨細胞RNA、乳酸及蛋白聚糖合成有抑制作用,這種抑制作用會隨溫度升高而減弱[30, 31]。長時間寒冷刺激(>7天)也可抑制軟骨細胞生長和增殖,促進軟骨細胞死亡[32,33],說明寒冷環境會破壞軟骨組織。

冷應激可通過溫度敏感性離子通道增加關節內血流量,并影響OA大鼠的疼痛敏感性[34]。溫度敏感性離子通道又稱瞬時感受器電位離子通道(transient receptor potential,TRP),可被各種溫度激活,通過調節細胞內和細胞外Ca2+的平衡影響神經元電流和細胞增殖,導致組織炎癥和細胞凋亡等現象[35]。TRPA1和TRPM8在TRP家族中是唯二能夠對冷刺激產生反應的溫度敏感離子通道。在10 ℃至17 ℃的溫度范圍內,TRPA1可被激活[36],而TRPM8的啟動溫度則是8 ℃至28 ℃[37]。這表明溫度敏感離子通道介導的Ca2+流入可能是低溫誘導OA的機制之一。

2.3 對骨骼肌肌纖維類型的影響 根據肌纖維的線粒體代謝、氧化酶/磷酸化酶含量,將骨骼肌肌纖維分為三類,即Ⅰ型(慢縮氧化型)、ⅡA型(快縮氧化酵解型)和ⅡB型(快縮酵解型)。快肌中以MyHC IIB型肌球蛋白為主,通過糖酵解供能,收縮力強但易疲勞;而慢肌中以MyHC I型肌球蛋白為主,通過有氧代謝供能,具有較好的耐力和抗疲勞能力[38]。Ⅰ型肌纖維興奮閾值低于Ⅱ型,能量代謝較強,這對骨骼肌震顫的產熱可能有重要影響。研究發現,暴露于寒冷及熱中性環境的仔豬骨骼肌中MyHC1基因的表達上調,MyHCIIx基因表達減少,說明寒冷導致骨骼肌肌纖維向氧化型肌纖維的轉化[39]。另有研究表明,寒冷導致大鼠比目魚肌肌球蛋白水平增加,說明富含Ⅰ型纖維的骨骼肌具有解除肌球蛋白介導的鈣泵的功能,能夠適應嚴寒的天氣[27]。文獻[40]研究發現,急性(24 h)或長期(8 d)暴露于4 ℃的寒冷環境,雛雞骨骼肌重量和慢肌纖維與快肌纖維特異性肌鈣蛋白Ⅰ的表達比例明顯增加,乳酸脫氫酶活性明顯下降,生長抑制因子的表達明顯低于對照組,冷暴露結束后,PGC-1 mRNA表達量明顯增加,對照組上述基因表達的改變迅速恢復。這表明當冷暴露造成細胞損傷后,也許會有快速修復的過程,但肌纖維的種類和酶活性的變化在寒冷環境暴露結束后24 h內仍沒有恢復,能否恢復及是否需要更長時間才能恢復仍待進一步研究

2.4 對骨骼肌內線粒體結構和功能的影響 線粒體是體內主要營養物質被最終氧化并釋放能量的場所,其主要功能是合成ATP,為多種生理活動提供能量[41]。咀嚼肌作為骨骼肌,富含線粒體,其中各類型肌肉纖維數量差別較大,Ⅰ型肌纖維因有氧代謝旺盛,線粒體含量多。骨骼肌富含線粒體,各類型肌肉纖維數量差別較大,Ⅰ型肌纖維因有氧代謝旺盛,線粒體含量多。線粒體呼吸功能完善的組織中含有豐富的PGC-1α共激活因子,例如棕色脂肪組織、心臟與骨骼肌,并受到訓練、絕食、寒冷等生理刺激的高度誘導[42]。寒冷環境下,隨著細胞對能量需要量的增大,骨骼肌線粒體的數量顯著增加,線粒體內有氧代謝有關酶的活性也急劇升高,且骨骼肌內的線粒體發生顯著的重構:肌纖維間線粒體增加,線粒體內嵴密度出現了明顯的重塑與升高[43]。針對以上變化,神經肌肉活動和局部循環代謝發生改變,在氧化代謝時產生大量自由基致肌肉組織破壞,而肌肉及關節運動功能障礙等損傷亦從可逆發展到不可逆。

2.5 對骨骼肌抗氧化能力的影響 寒冷環境會破壞機體的抗氧化系統,降低超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)、過氧化氫酶(catalase,CAT)等抗氧化酶的活性,使自由基集聚。當機體受到外界刺激時,體內活性氧含量急劇升高,使組織細胞發生氧化損傷。同時低溫也可通過提高氧自由基的生成來損害細胞。這些因素都會造成機體內氧化還原平衡失調,引發一系列疾病。自由基的過度積累致使細胞膜結構和組織完整性遭到破壞,嚴重威脅機體健康[44]。研究發現,斷奶仔豬長期暴露于寒冷環境后,骨骼肌檸檬酸合酶及3-羥基酰基-CoA脫氫酶活性性明顯增強[39]。GSH-Px、CAT和SOD1在寒冷的環境暴露的第1天表達降低,第7天表達水平上升到高于常溫環境下水平,并在之后的2周內保持了很高的水平[45]。短期暴露在寒冷中,體內積累過多氧自由基,對機體產生損害,然而隨著時間的推移,體內抗氧化系統漸漸回復平衡并對寒冷產生適應性,長期處于低溫環境下,機體氧化還原能力增強,同時清除氧自由基的酶活性也隨之提高。這表明,機體對于長期寒冷導致的氧自由基增多具有積極補償作用。

總之,寒冷環境使機體產生冷應激,使骨骼肌肌纖維類型及橫截面積、組織代謝、線粒體結構及抗氧化能力等發生異常,骨骼肌的改變影響軟骨周圍環境,可能間接影響軟骨細胞相關功能表達,同時寒冷直接抑制關節軟骨增殖,引起關節結構改變,可能在OA的發生、發展過程中產生一定影響,其可能的機制包括凋亡、線粒體自噬及促炎因子分泌增加等,仍需進一步研究驗證。