代謝性骨性關(guān)節(jié)炎分子機(jī)制研究進(jìn)展

李盛華 周明旺* 陳嫻 王金 陳威 柳海平

1. 甘肅省中醫(yī)院，甘肅 蘭州 730050 2. 甘肅中醫(yī)藥大學(xué)，甘肅 蘭州 730020

骨性關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis, OA)是肌肉骨骼系統(tǒng)常見的慢性疾病之一，其具有不同的病因?qū)W卻有相似的形態(tài)學(xué)、生物學(xué)和臨床表現(xiàn)。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為OA與衰老、創(chuàng)傷等因素有關(guān)，但越來越多的流行病學(xué)及生物學(xué)證據(jù)表明OA不是單純的與衰老或機(jī)械應(yīng)力相關(guān)的退行性疾病，而是由“代謝紊亂”和“炎性衰老”等多因素共同導(dǎo)致。因此OA被認(rèn)為是一種代謝性疾病，稱為“代謝性骨性關(guān)節(jié)炎”(metabolic OA)[1]。本文主要對(duì)近年來MetS影響OA發(fā)生發(fā)展的相關(guān)分子機(jī)制進(jìn)行綜述，旨在為OA的防治開辟新思路。

1 流行病學(xué)研究

美國(guó)一項(xiàng)調(diào)查顯示OA患者在調(diào)整年齡與體重指數(shù)后仍具有較高的代謝綜合征發(fā)生率[2]。日本ROAD調(diào)查顯示，糖耐量受損及高血壓在調(diào)整了其他混雜因素后與膝OA影像學(xué)進(jìn)展相關(guān)，且隨著代謝綜合征中組分的累積，膝OA的發(fā)生也隨之增加[3]。最近一項(xiàng)關(guān)于摩洛哥女性代謝綜合征及各組分與膝OA視覺疼痛評(píng)分、功能評(píng)分、影像學(xué)嚴(yán)重度的相關(guān)性研究表明，糖尿病、脂代謝異常、高血壓是影響膝OA癥狀的獨(dú)立因素[4]。但也有一些調(diào)查與上述結(jié)論存在分歧。如韓國(guó)一項(xiàng)調(diào)查認(rèn)為高血壓和腹型肥胖在調(diào)整體重或BMI相關(guān)因素后與膝OA無(wú)明顯相關(guān)性，胰島素抵抗與膝OA影像學(xué)風(fēng)險(xiǎn)不相關(guān)[5]。作者認(rèn)為代謝綜合征及其各組分與OA的相關(guān)性尚無(wú)統(tǒng)一定論的原因與各研究小組對(duì)兩種疾病診斷標(biāo)準(zhǔn)及研究的納入標(biāo)準(zhǔn)不一致有關(guān)，同時(shí)與代謝綜合征各組分導(dǎo)致OA發(fā)生發(fā)展的復(fù)雜機(jī)制也有一定關(guān)聯(lián)。

2 分子機(jī)制研究

代謝綜合征是一組以肥胖、高血糖(糖尿病或糖調(diào)節(jié)受損)、血脂異常[高甘油三酯和(或)低高密度脂蛋白膽固醇血癥]及高血壓等在個(gè)體聚集發(fā)病，嚴(yán)重影響健康的臨床癥候群。代謝綜合征中多種代謝失衡的病理過程及多條信號(hào)通路相互作用，直接或間接地對(duì)OA的病理進(jìn)程發(fā)揮重要作用。

2.1 肥胖

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為肥胖增加了承重關(guān)節(jié)的機(jī)械負(fù)荷，這些機(jī)械應(yīng)力刺激了關(guān)節(jié)內(nèi)機(jī)械感受器并激活相關(guān)力學(xué)信號(hào)通路(如整聯(lián)蛋白信號(hào)通路)，促使軟骨細(xì)胞分泌促炎因子及蛋白水解酶，引發(fā)關(guān)節(jié)內(nèi)的炎癥反應(yīng)和軟骨基質(zhì)的降解[6-8]。與此同時(shí)，力學(xué)刺激后的軟骨下骨成骨細(xì)胞也能分泌一些有害介質(zhì)對(duì)軟骨產(chǎn)生影響[9]。然而肥胖和超重使非負(fù)重關(guān)節(jié)如手指間關(guān)節(jié)發(fā)生OA的風(fēng)險(xiǎn)增加2倍[10]，表明生物力學(xué)的改變無(wú)法完全解釋肥胖導(dǎo)致OA的發(fā)病機(jī)制。一些研究發(fā)現(xiàn)[1]，衡量腹型肥胖的指標(biāo)如腰圍(waist circumference,WC)、腰臀比(waist to hip ratio,WHR)較體重指數(shù)能更好地預(yù)測(cè)OA的發(fā)生，腰圍與脂肪含量與膝關(guān)節(jié)軟骨的丟失及骨髓損傷關(guān)系更密切。腹型肥胖主要指脂肪組織在腹腔內(nèi)和腹腔臟器內(nèi)外的蓄積。國(guó)內(nèi)外多項(xiàng)研究顯示，腹腔內(nèi)脂肪組織并非只有儲(chǔ)能的作用，還具有活躍的內(nèi)分泌功能。它們通過分泌一系列脂肪細(xì)胞因子、炎癥因子，引起并加重系統(tǒng)和關(guān)節(jié)內(nèi)的炎癥。某些脂肪細(xì)胞因子還能促進(jìn)蛋白水解酶的產(chǎn)生，對(duì)軟骨造成損害[11]。

瘦素(leptin)、脂聯(lián)素(adiponectin)、內(nèi)酯素(visfatin)、抑制素(resistin)是目前與OA聯(lián)系較為緊密的幾種脂肪細(xì)胞因子，它們與OA滑膜炎癥、軟骨基質(zhì)的降解、軟骨下骨硬化、骨贅形成等病理過程密切相關(guān)[12]。其中，瘦素是被研究最深入最廣泛的脂肪細(xì)胞因子，它能增加關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)金屬蛋白酶及半胱氨酸蛋白酶的表達(dá)，促進(jìn)軟骨細(xì)胞分泌促炎因子(TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-8等)[11]。Yang等[13]最近研究發(fā)現(xiàn)瘦素通過Akt信號(hào)通路下調(diào)miR-93增加成骨細(xì)胞中OSM表達(dá)水平。OSM屬于IL-6家族，參與骨代謝及炎癥性疾病。Yaykasli等[14]研究發(fā)現(xiàn)在人軟骨細(xì)胞中瘦素通過MAPK和NF-κB信號(hào)通路使ADAMTS-4, ADAMTS-5, ADAMTS-9基因表達(dá)。此外，OA軟骨下骨成骨細(xì)胞中瘦素合成的增加能使堿性磷酸酶(ALP)、骨鈣素(OC)、I型膠原、TGF-β表達(dá)加強(qiáng)，影響成骨細(xì)胞的功能，導(dǎo)致骨贅的生成。其他脂肪細(xì)胞因子如脂聯(lián)素，能刺激軟骨和軟骨細(xì)胞產(chǎn)生NOS2、MCP-1、MMP-1、-3、-9、13以及IL-6、IL-8、PGE2、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)發(fā)揮強(qiáng)大的促炎作用。內(nèi)酯素除了能誘導(dǎo)淋巴細(xì)胞產(chǎn)生IL-1β、TNF-α、IL-6，還會(huì)降低維持軟骨細(xì)胞表型所需相關(guān)蛋白的表達(dá)，如人性別決定區(qū)Y框蛋白9(SOX9)、II型膠原蛋白。抑制素可使人軟骨細(xì)胞MMP-1、MMP-13、ADAMTS-4表達(dá)增多，刺激炎癥因子IL-6、TNF-α、PGE2等的產(chǎn)生[12]。此外，一些研究發(fā)現(xiàn)瘦素、脂聯(lián)素等對(duì)OA也可能是一種保護(hù)因素[11]。以上研究提示體內(nèi)脂肪細(xì)胞因子水平異常是其影響OA發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵，使脂肪細(xì)胞因子水平恢復(fù)正常是治療OA的潛在靶點(diǎn)。脂肪組織除分泌脂肪細(xì)胞因子外，還分泌一些前炎癥因子，如IL-1β、TNF-α、IL-6，其他促炎因子如IL-15、17、18，超敏C反應(yīng)蛋白及補(bǔ)體[15]，加重關(guān)節(jié)的炎癥反應(yīng)。

2.2 脂代謝紊亂

相關(guān)流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)高水平的血清膽固醇(CHO)和甘油三酯(TG)增加了膝關(guān)節(jié)軟骨下骨骨髓損傷的發(fā)生[16]，而高密度脂蛋白膽固醇水平是骨髓損傷的一個(gè)保護(hù)因素[17]。此外， OA患者血清apo A-I、apo B、HDL-C、LDL-C、TC、TG、Lp(a)水平高于類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者，但后者滑液中則有較高水平的apo A-I、apo B、TC、TG、Lp(a)。即關(guān)節(jié)炎患者血清與滑液中脂質(zhì)、脂蛋白水平與系統(tǒng)和局部炎癥水平以及滑膜血管的滲透性有關(guān)。研究者推測(cè)滑液中的脂質(zhì)及脂蛋白可能參與關(guān)節(jié)的炎癥過程[18]。TG也是動(dòng)脈硬化的危險(xiǎn)因素之一，動(dòng)脈硬化引起的軟骨下骨骨髓損傷也參與了OA的發(fā)生發(fā)展。

另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，在KOA軟骨中，膽固醇轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因表達(dá)下降，同時(shí)調(diào)節(jié)膽固醇排出的相關(guān)基因也表達(dá)減少，使軟骨細(xì)胞中脂質(zhì)沉積從而引起細(xì)胞毒性增加[19]。Vasheghani等[20]研究發(fā)現(xiàn)，脂代謝相關(guān)PPARγ/ mTOR 信號(hào)通路異常將對(duì)軟骨細(xì)胞自噬造成影響。PPARγ基因敲除的小鼠關(guān)節(jié)軟骨退變明顯、軟骨細(xì)胞凋亡、mTOR基因表達(dá)上調(diào)、自噬相關(guān)基因表達(dá)下調(diào)；減少mTOR基因表達(dá)后，自噬相關(guān)基因表達(dá)增加，炎癥和分解代謝因子表達(dá)減少；同時(shí)體外研究發(fā)現(xiàn)PPARγ、mTOR雙基因敲除小鼠其OA相關(guān)表型改變。最近Huang等[21，22]研究發(fā)現(xiàn)食用ω-3多不飽和脂肪酸(PUFAs)對(duì)關(guān)節(jié)軟骨的保護(hù)機(jī)制也與抑制mTORC1信號(hào)通路、增強(qiáng)軟骨細(xì)胞自噬有關(guān)。

此外，Kostopoulou等[23]發(fā)現(xiàn)固醇調(diào)控元件結(jié)合蛋白1784G>C基因多態(tài)性在希臘人群中與OA患者體重指數(shù)及影像學(xué)嚴(yán)重度有關(guān)。正常軟骨細(xì)胞在轉(zhuǎn)染SREBP-2 G/C質(zhì)粒后，IL-1β和MMP-13表達(dá)上調(diào)。OA軟骨細(xì)胞中，SREBP-2及其目的基因HMGCR、PI3K、ITGAV、TGF-β的mRNA及蛋白表達(dá)水平上調(diào)。TGF-β通過ITGAV和PI3K激活SREBP-2通路后，上調(diào)的SREBP-2與Smad3結(jié)合進(jìn)一步促進(jìn)軟骨細(xì)胞ACAN生成減少。最近他們[24]研究發(fā)現(xiàn)miR-33a及其宿主基因SREBP-2在OA軟骨細(xì)胞中表達(dá)顯著。miR-33a通過激活膽固醇合成信號(hào)通路TGF-β1/Akt/SREBP-2以及降低膽固醇逆轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因ABCA1和ApoA1 的表達(dá)，使軟骨MMP-13表達(dá)水平升高，抑制miR-33a可改善OA表型。

2.3 糖代謝紊亂

葡萄糖是軟骨細(xì)胞維持日常生理活動(dòng)主要能量來源。然而，過多的葡萄糖則以多種直接及間接方式影響軟骨細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)。正常情況下，軟骨細(xì)胞根據(jù)細(xì)胞外基質(zhì)的葡萄糖濃度，調(diào)節(jié)細(xì)胞膜上的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-1(GLUT-1)的表達(dá)，調(diào)整攝取葡萄糖的能力[25]。即使在高糖狀態(tài)下，正常軟骨細(xì)胞對(duì)GLUT-1的表達(dá)和葡萄糖的攝取仍保持在正常水平。然而OA軟骨細(xì)胞在同樣高葡萄糖濃度下，GLUT-1表達(dá)增多，從而增加了對(duì)葡萄糖的攝取。由于過量的葡萄糖在軟骨細(xì)胞內(nèi)堆積，導(dǎo)致大量的活性氧物質(zhì)[26]和基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP-1、MMP-13)[27]產(chǎn)生。

氧化應(yīng)激是組織因各種不良刺激引起氧化系統(tǒng)和抗氧化系統(tǒng)失衡并由此產(chǎn)生的損傷過程。OA關(guān)節(jié)組織及細(xì)胞，如軟骨細(xì)胞、滑膜成纖維細(xì)胞、脂肪細(xì)胞，在生物力學(xué)及生物化學(xué)刺激下都能產(chǎn)生大量的ROS和NO。ROS和NO通過參與多種炎癥通路，如NF-κB、HIF-1α或AP-1等，對(duì)關(guān)節(jié)造成損害[28]。最近研究發(fā)現(xiàn)滑膜成纖維細(xì)胞中的ROS通過活化TAK1激活下游MAPKs/NF-κB信號(hào)通路，促使滑膜成纖維細(xì)胞COX-2的表達(dá)和PGE2的產(chǎn)生[29]。除體內(nèi)高血糖，瘦素、脂聯(lián)素、載脂蛋白-2都能促使軟骨細(xì)胞及其他關(guān)節(jié)細(xì)胞產(chǎn)生大量的活性氮物質(zhì)(NO、iNOS)。

近年來，線粒體功能障礙在OA軟骨細(xì)胞中被發(fā)現(xiàn)。Kendra等發(fā)現(xiàn)軟骨細(xì)胞線粒體損傷后，由線粒體生成的ROS增多，促使軟骨細(xì)胞MMP-1、MMP-3蛋白表達(dá)增加。然而線粒體DNA損傷及功能障礙在OA病理過程中的重要作用尚未完全明確，還需進(jìn)一步研究[30]。因此，氧化應(yīng)激可能是聯(lián)系肥胖相關(guān)代謝性疾病與OA軟骨損傷的關(guān)鍵步驟，可能成為治療OA的有效途徑。

晚期糖基化終末產(chǎn)物(AGEs) 是生物系統(tǒng)內(nèi)碳水化合物和蛋白質(zhì)之間的非酶促反應(yīng)的產(chǎn)物，體內(nèi)高血糖以及高齡等因素可造成AGEs在組織中堆積。以往研究發(fā)現(xiàn)，AGEs的聚積，一方面使軟骨基質(zhì)生物力學(xué)性能降低，同時(shí)還能促進(jìn)軟骨細(xì)胞促炎介質(zhì)iNOS和COX2的釋放，導(dǎo)致分解代謝活性增加。此外，由于OA軟骨細(xì)胞有更高的AGE受體(RAGE)表達(dá)，激活的RAGE能夠介導(dǎo)軟骨細(xì)胞內(nèi)MAPK和NF-κB信號(hào)通路的活化，促進(jìn)軟骨基質(zhì)的分解代謝。其他相關(guān)研究還發(fā)現(xiàn)，激活RAGE能夠刺激滑膜細(xì)胞分泌更多的MMP-1，導(dǎo)致軟骨分解代謝增強(qiáng)[31]。Chen 等[32]最近研究發(fā)現(xiàn)人OA軟骨細(xì)胞在AGEs刺激后，MMP-13、IL-6、COX-2、HMGB1水平升高，II型膠原表達(dá)減少。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)AGEs通過RAGE與TLR4激活p38MAPK、JNK，使PPARγ水平下調(diào)，進(jìn)一步激活NF-κB信號(hào)通路，促進(jìn)軟骨細(xì)胞相關(guān)炎癥因子及基質(zhì)水解酶的產(chǎn)生。此外，Rasheed等[33]發(fā)現(xiàn)AGEs能促進(jìn)人軟骨細(xì)胞產(chǎn)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激并通過eIF2α, p38-MAPK和NF-κB 通路刺激COX-2的產(chǎn)生。

2.4 高血壓

血管壁增厚、血管內(nèi)皮細(xì)胞受損造成血管硬化和周圍血管阻力增高是導(dǎo)致高血壓的重要原因。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)高血壓與OA的發(fā)生具有獨(dú)立相關(guān)性，早期OA患者M(jìn)RI影像學(xué)顯示出骨髓缺血性損傷的表現(xiàn)。研究者認(rèn)為動(dòng)脈粥樣硬化導(dǎo)致的血流減少，減少了軟骨下骨營(yíng)養(yǎng)與氧的供應(yīng)，造成了軟骨下骨骨髓損傷，影響了軟骨下骨與軟骨的生物學(xué)交流[34]。此外，“炎性衰老”是一種隨年齡增長(zhǎng)機(jī)體出現(xiàn)的慢性低度炎癥狀態(tài)。炎性衰老與高血壓、動(dòng)脈粥樣硬化以及肥胖、II型糖尿病、代謝綜合征都有密切的聯(lián)系。近年來一些研究發(fā)現(xiàn)，OA患者與這些疾病具有相似的細(xì)胞環(huán)境，經(jīng)IL-1誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞其釋放的MMP-3的量與細(xì)胞衰老明顯相關(guān)，學(xué)者們認(rèn)為“炎性衰老”也參與了OA的病理進(jìn)程[35]。隨著衰老的進(jìn)展，活性氧物質(zhì)增多、細(xì)胞自噬能力下降，DNA損傷積累，由此介導(dǎo)多種炎癥因子的產(chǎn)生，促進(jìn)了OA關(guān)節(jié)軟骨退變及滑膜炎癥反應(yīng)。因此“炎性衰老”不但是高血壓與OA共同的發(fā)病機(jī)制，也是二者相互影響的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.5 微小RNA

最近越來越多的證據(jù)表明微小RNA能對(duì)某些炎癥因子，蛋白水解酶的表達(dá)進(jìn)行調(diào)控，因而在OA的發(fā)生發(fā)展中起到了重要作用。Iliopoulos等[36]通過檢測(cè)人關(guān)節(jié)軟骨中365種miRNA的表達(dá)發(fā)現(xiàn)，與正常軟骨相比，有16種miRNA出現(xiàn)水平差異，其中9種表達(dá)上調(diào)，7種表達(dá)下調(diào)。缺乏miR140的小鼠與野生型小鼠相比，更容易發(fā)展為嚴(yán)重的OA，相關(guān)研究表明miR140能抑制ADAMTS-5的表達(dá)。OA軟骨中miR149表達(dá)降低，與促炎因子如TNF-α、IL-1β、IL-6表達(dá)上調(diào)有關(guān)[37]。

3 總結(jié)與展望

隨著對(duì)代謝理論研究的不斷深入，針對(duì)OA發(fā)病機(jī)制的探索從最開始的創(chuàng)傷、衰老過渡到代謝紊亂和炎性衰老。各種與代謝紊亂、炎癥相關(guān)的細(xì)胞因子、信號(hào)通路在OA發(fā)病機(jī)制中的重要作用，為OA今后的治療提供了更多的切入點(diǎn)。由于OA致病因素的復(fù)雜性以及其與多種代謝性疾病在人群中的共病現(xiàn)象，加大了OA的治療難度，同時(shí)制約了部分患者OA治療方式的選擇。通過改變生活方式，減少體內(nèi)脂肪含量、口服相關(guān)降脂藥物等對(duì)這種共患病現(xiàn)象的防治起到了積極作用；與此同時(shí)，一些生物制劑和OA相關(guān)微小RNA模擬物也已處于臨床試驗(yàn)階段。因此，拓展經(jīng)典藥物適應(yīng)癥、根據(jù)相關(guān)發(fā)病機(jī)制研發(fā)不同靶點(diǎn)的新型藥物有望在不久的將來改變目前OA的防治現(xiàn)狀。