透明質(zhì)酸治療膝骨關(guān)節(jié)炎相關(guān)機(jī)制的研究進(jìn)展*

楊俊龍 王艷娉 張 源 張小梅△

（1昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院疼痛科，昆明650032；2昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨科，昆明650032）

透明質(zhì)酸治療膝骨關(guān)節(jié)炎相關(guān)機(jī)制的研究進(jìn)展*

楊俊龍1王艷娉1張 源△2張小梅△1

（1昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院疼痛科，昆明650032；2昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨科，昆明650032）

透明質(zhì)酸 (hyaluronic acid, HA) 是構(gòu)成關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)和滑液的主要成分。關(guān)節(jié)內(nèi)透明質(zhì)酸注射(intra-articular hyaluronic acid, IA-HA)在緩解骨關(guān)節(jié)炎疼痛、改善關(guān)節(jié)功能方面應(yīng)用廣泛。軟骨保護(hù)是IA-HA治療膝骨關(guān)節(jié)炎的最常見(jiàn)機(jī)制，其他機(jī)制包括促蛋白多糖和糖胺聚糖的合成、抗炎作用、改善軟骨下骨和機(jī)械性能，以及鎮(zhèn)痛作用。HA-CD44結(jié)合是研究中最頻繁提到的生物學(xué)機(jī)制，高分子量透明質(zhì)酸比低分子量透明質(zhì)酸更有優(yōu)勢(shì)。HA可通過(guò)眾多機(jī)制改善關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和功能，這為IA-HA治療膝骨關(guān)節(jié)炎的臨床應(yīng)用提供了理論依據(jù)，并提示未來(lái)的研究在關(guān)注IA-HA緩解疼痛的機(jī)制的同時(shí)，也應(yīng)關(guān)注其對(duì)膝骨關(guān)節(jié)炎的修飾作用。本綜述總結(jié)了近年來(lái)HA對(duì)膝骨關(guān)節(jié)炎的作用機(jī)制，希望為進(jìn)一步研究提供參考。

透明質(zhì)酸；膝骨關(guān)節(jié)炎；CD44；透明質(zhì)酸合成酶

骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis, OA)是一種以關(guān)節(jié)軟骨退變和繼發(fā)性骨質(zhì)增生為特征的慢性進(jìn)行性關(guān)節(jié)疾病，是最常見(jiàn)的老年退行性骨關(guān)節(jié)病。通常以關(guān)節(jié)疼痛、軟骨退變和功能障礙為主要表現(xiàn)，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。世界衛(wèi)生組織將OA與心血管疾病和癌癥列為三大嚴(yán)重影響健康的疾病。我國(guó)OA中膝OA的發(fā)生率最高，60歲以上的老年人發(fā)病率為60.1%，明顯高于60歲及以下的中老年人的發(fā)病率39.9%[1]。由于膝OA主要是退行性病變，隨著我國(guó)老齡化問(wèn)題日益突出，OA的發(fā)病率還會(huì)逐年增高。另外，膝OA還會(huì)導(dǎo)致患者工作能力下降，甚至被迫提前退休，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成負(fù)面影響。OA已成為導(dǎo)致50歲以上人群功能殘疾、造成經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響的主要疾病之一。膝OA的臨床治療主要包括緩解疼痛、減緩關(guān)節(jié)功能退化和改善患者生活質(zhì)量。盡管治療方法眾多，但由于OA的發(fā)病機(jī)制尚未完全闡明，目前仍未找到特效的根治手段。在藥物治療中，非甾體抗炎藥和關(guān)節(jié)內(nèi)注射糖皮質(zhì)激素最為常用，但都有其固有的局限性，如非甾體抗炎藥治療OA常伴發(fā)胃腸道反應(yīng)和心血管事件等嚴(yán)重不良反應(yīng)，而關(guān)節(jié)內(nèi)注射糖皮質(zhì)激素通常只能提供一個(gè)短暫的緩解期。

透明質(zhì)酸 (hyaluronic acid, HA) 是一種分布于細(xì)胞間質(zhì)中的粘多糖，具有粘彈性、潤(rùn)滑性、生物相容性、可降解性及抗炎活性。關(guān)節(jié)內(nèi)透明質(zhì)酸注射(intra-articular hyaluronic acid, IA-HA)在緩解OA疼痛、改善關(guān)節(jié)功能方面應(yīng)用廣泛。然而，目前尚未找到HA治療膝OA的確切靶點(diǎn)，更令人不解的是，理論上外源性HA只能在關(guān)節(jié)腔內(nèi)存留數(shù)天，但I(xiàn)AHA的臨床療效卻能持續(xù)6個(gè)月甚至更長(zhǎng)時(shí)間[2]，提示HA除能改善關(guān)節(jié)液的機(jī)械性能外，還可能通過(guò)其他多種機(jī)制緩解OA。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外圍繞IA-HA治療膝OA的相關(guān)機(jī)制進(jìn)行了廣泛的研究，本文對(duì)其相關(guān)機(jī)制的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，提示我們?cè)陉P(guān)注IA-HA緩解疼痛的機(jī)制的同時(shí)，也應(yīng)關(guān)注其對(duì)膝OA的修飾作用，有利于進(jìn)一步尋找抑制病情發(fā)生的作用靶點(diǎn)，為膝OA早期預(yù)防和治療提供新思路。

一、軟骨保護(hù)

IA-HA已被證明可以減少軟骨細(xì)胞凋亡，同時(shí)增加軟骨細(xì)胞增殖[3]。HA通過(guò)結(jié)合CD44而產(chǎn)生軟骨保護(hù)作用，HA-CD44結(jié)合后，可抑制白細(xì)胞介素-1β(interleukin -1β, IL-1β)的表達(dá)，導(dǎo)致基質(zhì)金屬蛋白酶-1 (matrix metalloproteinase-1, MMP-1)、MMP-2、MMP-3、MMP-9和 MMP-13的 合 成 減少。多種MMP被抑制后，降低了關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)分解代謝酶的活性。最近一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，HA可抑制MMP-13的表達(dá)，且在IV級(jí)膝OA比II級(jí)膝OA中的抑制作用更明顯，說(shuō)明在重度膝OA時(shí)HA能更有效地阻止關(guān)節(jié)軟骨組織的降解[4]。對(duì)HA-CD44相互作用的研究發(fā)現(xiàn)，不同分子量的HA與CD44受體結(jié)合的親和力不同，高分子量透明質(zhì)酸(high molecular weight hyaluronic acid, HMWHA)比低分子量透明質(zhì)酸(low molecular weight hyaluronic acid,LMWHA)有更高的親和力，因此能更有效地抑制MMP的產(chǎn)生，這也從另一角度提示了HMWHA與CD44結(jié)合在膝OA治療中的核心作用。但與之矛盾的是，Huang等人的研究則認(rèn)為HMWHA可能有良好的抗炎作用，而LMWHA的軟骨保護(hù)作用更強(qiáng)，原因是LMWHA也能產(chǎn)生良好的基質(zhì)金屬蛋白酶抑制作用，并能更有效地上調(diào)抗代謝酶[5]。

HA-CD44結(jié)合后，使去整合素金屬蛋白酶(a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs, ADAMTS)的表達(dá)降低，軟骨細(xì)胞凋亡減少。同時(shí)，ADAMTS家族還參與了重要滑液成分（包括蛋白多糖，多能聚糖，和短小蛋白多糖）的裂解，這為IA-HA提供了另一種軟骨保護(hù)的依據(jù)[6]。一氧化氮等活性氧通過(guò)增加軟骨細(xì)胞凋亡導(dǎo)致軟骨退變，IA-HA可抑制滑膜內(nèi)一氧化氮的合成，減少IL-1β介導(dǎo)的氧化應(yīng)激，延緩軟骨退變。HA-CD44結(jié)合發(fā)揮軟骨保護(hù)的另一機(jī)制是減少前列腺素E2(prostaglandin E2, PGE2)的合成，并增加熱休克蛋白-70的表達(dá)[7]，從而抑制軟骨細(xì)胞凋亡。值得一提的是，HMWHA對(duì)PGE2的抑制作用比LMWHA更強(qiáng)，因而具有更好的軟骨保護(hù)作用。

HA還能與透明質(zhì)酸介導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)性受體(receptor for hyaluronan mediated motility, RHAMM)結(jié)合，促進(jìn)傷口愈合、促遷移和侵襲、調(diào)節(jié)細(xì)胞對(duì)生長(zhǎng)因子的反應(yīng)，并在成纖維細(xì)胞的遷移和運(yùn)動(dòng)中發(fā)揮作用[8]。因此，HA-RHAMM結(jié)合可能參與了OA潛在的疾病修飾作用。

二、改善軟骨下骨

在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，關(guān)節(jié)軟骨和軟骨下骨共同參與應(yīng)力傳導(dǎo)，軟骨下骨為關(guān)節(jié)軟骨提供力學(xué)支撐，通過(guò)骨重塑來(lái)適應(yīng)不斷變化的力學(xué)環(huán)境。軟骨下骨在OA時(shí)的改變包括軟骨下骨皮質(zhì)增厚、軟骨下骨小梁質(zhì)量降低、關(guān)節(jié)邊緣骨贅和骨囊腫形成以及潮線的擴(kuò)張。OA早期活躍的骨重塑，可導(dǎo)致軟骨下骨發(fā)生硬化，使關(guān)節(jié)軟骨受到的應(yīng)力負(fù)荷增加，加速關(guān)節(jié)軟骨的退變。軟骨下骨對(duì)過(guò)度力學(xué)負(fù)荷的應(yīng)答，改變了關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特性，促進(jìn)了OA的發(fā)展。Wang等[9]通過(guò)計(jì)算機(jī)斷層掃描對(duì)豚鼠OA模型進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)軟骨下骨超微結(jié)構(gòu)的改變要先于軟骨退變的出現(xiàn)，這可能進(jìn)一步損害關(guān)節(jié)軟骨，從而從影像學(xué)角度提出軟骨下骨改變是OA的始發(fā)因素。軟骨下骨的各種病理變化都會(huì)影響OA的發(fā)生和發(fā)展，是治療OA的潛在靶標(biāo)。已有多項(xiàng)研究討論了IAHA療法在軟骨下骨中的作用。在OA的關(guān)節(jié)內(nèi)，軟骨下骨中的成骨細(xì)胞和關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞通過(guò)MAPK和ERK1/2信號(hào)通路，介導(dǎo)ADAMTS-4/5和MMP-1，MMP-2，MMP-3，MMP-8，MMP-9和MMP-13的表達(dá)和調(diào)控[10]。HA-CD44結(jié)合可抑制MMP-6和IL-6的表達(dá)，從而對(duì)軟骨下骨發(fā)揮作用，這種作用潛在地阻止了異常骨組織的代謝。HA通過(guò)結(jié)合CD44作用于MMP，特別是MMP-13，抑制MMP13的表達(dá)被認(rèn)為是HA對(duì)軟骨下骨發(fā)揮作用的一個(gè)關(guān)鍵因素。另外，HA可有效地改變骨小梁的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致軟骨下骨的密度和厚度改變，使軟骨下骨的順應(yīng)性增強(qiáng)，最終減少在沖擊負(fù)荷時(shí)軟骨受到的應(yīng)力。IA-HA治療時(shí)觀察到尿中的II型膠原C端肽(C-terminal telopeptides of type II collagen, CTX-II)升高，提示IA-HA治療刺激了軟骨/骨交界處的II型膠原循環(huán)[11]。最終，HA抑制了膝OA早期軟骨下骨的改變。

三、抗炎作用

膝OA疼痛與炎癥密切相關(guān)。研究顯示，膝OA進(jìn)展過(guò)程中，多種炎癥因子在疼痛的產(chǎn)生中發(fā)揮了巨大的作用。多項(xiàng)研究證實(shí)IA-HA治療具有抗炎作用，IL-1β是促炎因子，同時(shí)也是HA發(fā)揮抗炎作用的關(guān)鍵因子。HA-CD44結(jié)合后，抑制IL-1β的產(chǎn)生而發(fā)揮抗炎作用。此外，IL-1β被抑制后，多種MMP下調(diào)，這也有助于HA發(fā)揮抗炎。HA-CD44結(jié)合還可進(jìn)一步抑制炎癥因子IL-8、IL-6、PGE2和腫瘤壞死因子 -α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)，產(chǎn)生IA-HA治療的抗炎作用[12]。分子量與抗炎作用也有直接的相關(guān)性，HA的降解產(chǎn)物多為L(zhǎng)MW HA，這些LMW HA可調(diào)控CD44和Toll樣受體（Toll-Like Receptors, TLR）， 增 加 NF-κB (nuclear factor κB,NF-κB)、IL-1β、TNF-α、IL-6和IL-33等炎癥介質(zhì)的產(chǎn)生，介導(dǎo)炎癥反應(yīng)[13]。然而，HMW HA則與TLR2和TLR4結(jié)合，抑制多種炎癥介質(zhì)，包括TNF-α、IL-1-β、 IL-17、 MMP-13和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(inducible nitrogen oxide synthase, iNOS)[14]。此外，HMW HA對(duì)PGE2和IL-6的抑制作用也更強(qiáng)，而IL-6是一種可被NF-κB調(diào)控的促炎癥細(xì)胞因子，HA與細(xì)胞間黏附分子-1 (intercellular adhesion molecule-1, ICAM-1)結(jié)合后下調(diào)了NF-κB，減少IL-6的產(chǎn)生[12]。

四、鎮(zhèn)痛作用

大部分的外源性HA只能在關(guān)節(jié)腔內(nèi)存留數(shù)天，但其鎮(zhèn)痛作用卻能持續(xù)6個(gè)月，甚至更長(zhǎng)時(shí)間[2]，提示IA-HA具有疾病修飾的特性，而不僅僅是通過(guò)恢復(fù)關(guān)節(jié)液的粘彈性發(fā)揮作用。有多個(gè)研究闡述了IA-HA治療的鎮(zhèn)痛作用。單次HA注射后，小鼠OA模型的疼痛相關(guān)行為顯著減少[15]。膝OA疼痛是始發(fā)于游離神經(jīng)末梢的傷害性疼痛狀態(tài)[16]，HA通過(guò)與關(guān)節(jié)內(nèi)游離神經(jīng)末梢的相互作用，調(diào)控關(guān)節(jié)內(nèi)致敏性痛覺(jué)感受器的敏感性，減輕疼痛反應(yīng)。研究表明，HA的鎮(zhèn)痛作用發(fā)生在激活的機(jī)械敏感性牽張離子通道，HA與其結(jié)合后，通道的活性顯著減弱。HMWHA降低牽張離子通道機(jī)械敏感性的作用更強(qiáng)，可有效地阻斷疼痛反應(yīng)，而LMWHA阻斷這種疼痛反應(yīng)的作用較弱，故HMWHA與疼痛有密切相關(guān)性[17]。此外，膝OA疼痛的原因之一是膝關(guān)節(jié)局部的慢性炎癥和感覺(jué)神經(jīng)損傷，滑膜和軟骨下骨產(chǎn)生的炎癥因子TNF-α是介導(dǎo)膝OA產(chǎn)生疼痛的重要因素[18]。如前所述[14]，IA-HA可抑制TNF-α，進(jìn)而產(chǎn)生鎮(zhèn)痛作用。最近的一項(xiàng)研究表明，HA對(duì)關(guān)節(jié)傳入神經(jīng)（背根神經(jīng)節(jié)）的調(diào)節(jié)可能是HA在體內(nèi)的存留時(shí)間與臨床療效持續(xù)時(shí)間存在差異的根本機(jī)制之一[2]。

五、促進(jìn)蛋白多糖和糖胺聚糖合成

大量研究報(bào)道了IA-HA可增加蛋白多糖和糖胺聚糖(glycosaminoglycan, GAG)的合成。軟骨蛋白多糖是關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)主要的蛋白多糖，在OA的病程中，軟骨內(nèi)蛋白多糖和GAG的合成下降。IAHA治療可促進(jìn)軟骨蛋白多糖合成，并抑制其降解，延緩OA的進(jìn)展[19]。IA-HA治療可將新合成的蛋白多糖動(dòng)員到軟骨細(xì)胞基質(zhì)外，潛在地抑制了軟骨退變。在海藻酸鈣凝膠模型中，外源性HA促進(jìn)新合成的蛋白多糖從細(xì)胞質(zhì)移動(dòng)到遠(yuǎn)處的基質(zhì)中，提示IA-HA治療可強(qiáng)化軟骨間的基質(zhì)，緩解OA病情[20]。HA改變軟骨蛋白多糖含量的生物學(xué)信號(hào)通路是通過(guò)CD44與ICAM-1結(jié)合而產(chǎn)生的[19]。另一項(xiàng)研究表明，HMWHA還可刺激胰島素樣生長(zhǎng)因子-1 (insulin-like growth factor -1, IGF-1)信號(hào)通路，比LMWHA更能促進(jìn)蛋白多糖的合成[21]。此外，IA-HA治療不僅可增加內(nèi)源性糖胺聚糖的合成，而且還可增加內(nèi)源性HA的合成，補(bǔ)充滑液中的HA[22]。

六、機(jī)械性保護(hù)

許多研究描述了HA治療膝OA的機(jī)械性保護(hù)作用。HA的粘彈性可潤(rùn)滑關(guān)節(jié)囊，減少摩擦，防止關(guān)節(jié)退變。HA通過(guò)吸收關(guān)節(jié)囊內(nèi)的壓力和震動(dòng)而保護(hù)關(guān)節(jié)囊，而這種壓力可引起關(guān)節(jié)軟骨的退變[23]。膝OA時(shí)關(guān)節(jié)腔內(nèi)的摩擦力大于健康的膝關(guān)節(jié)，HA可通過(guò)提高關(guān)節(jié)潤(rùn)滑來(lái)減弱這種摩擦力。隨著OA病程的發(fā)展，膝關(guān)節(jié)內(nèi)源性HA的濃度和分子量均減小，導(dǎo)致關(guān)節(jié)液的機(jī)械性能下降[17]。HMWHA由于具有良好的粘彈性，已被證明其具有更強(qiáng)的減小摩擦的作用，這種關(guān)節(jié)內(nèi)摩擦的減小，從機(jī)械力學(xué)降解的角度提供了軟骨保護(hù)的療效[24]。值得注意的是，在細(xì)胞生物力學(xué)傳導(dǎo)過(guò)程中，細(xì)胞骨架扮演著中心角色，OA時(shí)軟骨細(xì)胞骨架發(fā)生顯著變化，這將改變軟骨細(xì)胞的機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及力學(xué)特性，進(jìn)而加重骨關(guān)節(jié)炎。Bourguignon的研究證實(shí)，軟骨細(xì)胞表面的HA受體CD44，可與多種膜相關(guān)細(xì)胞骨架蛋白（如錨蛋白）相互作用，激活細(xì)胞骨架介導(dǎo)的多種細(xì)胞活動(dòng)，如粘附、增殖、遷徙等[25]。另外，HA能降低關(guān)節(jié)液中IL-1β的水平，而IL-1β可抑制軟骨細(xì)胞骨架相關(guān)基因（如FHL2，Tubb，Vim等）的表達(dá)。

七、展望

IA-HA可介導(dǎo)多條通路發(fā)揮不同的作用，延緩OA的病程。軟骨保護(hù)是最常被報(bào)道的作用，而HA-CD44結(jié)合是最常見(jiàn)的發(fā)揮作用的核心。同時(shí)，HA還可促進(jìn)蛋白多糖和糖胺聚糖合成、抗炎、鎮(zhèn)痛、改善軟骨下骨和生物力學(xué)性能。目前，我們推測(cè)IA-HA治療膝OA的臨床獲益不是單一特異機(jī)制作用的結(jié)果，而是由幾種機(jī)制共同作用而成。通過(guò)這些研究，可以進(jìn)一步完善我們對(duì)IA-HA治療膝OA作用機(jī)制的理解，以及認(rèn)識(shí)不同分子量的HA在治療膝OA中的適用性。雖然，這些機(jī)制的臨床價(jià)值并沒(méi)有完全被認(rèn)可，AAOS（美國(guó)骨科醫(yī)師學(xué)會(huì)）膝骨關(guān)節(jié)炎循證醫(yī)學(xué)指南2013年指出：對(duì)于有癥狀的膝OA，強(qiáng)烈不建議HA粘彈性補(bǔ)充療法，但一直存在爭(zhēng)議，反對(duì)者指出該指南只選用了1966年至2012年5月中的218篇文獻(xiàn)，采用的是最小臨床意義變化值，這就意味著只參考了有臨床差異的文獻(xiàn)，大量的、有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異的文獻(xiàn)被排除，并且該指南沒(méi)有進(jìn)行有害性分析。AAOS（美國(guó)骨科醫(yī)師學(xué)會(huì)）膝節(jié)炎手術(shù)治療循證臨床實(shí)踐指南2016年指出：中等強(qiáng)度的證據(jù)表明膝OA慢性疼痛患者即使行全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)（total knee arthroplasty，TKA），術(shù)后癥狀改善也不明顯；而IA-HA能顯著降低患者疼痛，大量臨床研究證實(shí)，若TKA后加以HA輔助治療，術(shù)后患者自覺(jué)癥狀將明顯改善?？傊鶕?jù)具體情況對(duì)膝OA進(jìn)行個(gè)體化IA-HA治療或許是不錯(cuò)的方案。未來(lái)的研究不僅要關(guān)注IAHA治療緩解疼痛的機(jī)制，也應(yīng)關(guān)注這種治療方式對(duì)膝OA的疾病修飾作用。另外，透明質(zhì)酸合成酶(Hyaluronan synthase, HAS)是一種在內(nèi)源性HA合成過(guò)程中發(fā)揮重要作用的關(guān)鍵酶，HAS表達(dá)狀況的好與壞，將直接對(duì)體內(nèi)透明質(zhì)酸的合成產(chǎn)生決定性的影響。若能在膝OA早期調(diào)控關(guān)節(jié)內(nèi)HAS的表達(dá)，使其恒定合成內(nèi)源性HA，可能大大降低關(guān)節(jié)內(nèi)反復(fù)注射HA帶來(lái)的痛苦及風(fēng)險(xiǎn)。因此，HAS表達(dá)及調(diào)控的研究或許將為延緩軟骨細(xì)胞退變和膝OA的早期防治提供新思路。

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10.3969/j.issn.1006-9852.2017.06.011

國(guó)家自然科學(xué)基金（81560366）

△通訊作者 張?jiān)矗簔hhyya@163.com；張小梅：xm6408@hotmail.com