生物學(xué)標(biāo)志物在骨關(guān)節(jié)炎診斷中的應(yīng)用進(jìn)展

楊傳俊，孫 紅，鄧 進(jìn)

(1.貴州醫(yī)科大學(xué)，貴陽 550004； 2.貴州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院 a.骨科，b.急診科，貴陽550004)

骨關(guān)節(jié)炎是一種好發(fā)于中老年的骨與關(guān)節(jié)疾病，其主要病理特征是關(guān)節(jié)軟骨的退行性改變、關(guān)節(jié)軟骨破壞、骨贅形成及周圍骨質(zhì)增生，女性多于男性[1]，多發(fā)生于膝、髖等負(fù)重關(guān)節(jié)，尤以膝骨關(guān)節(jié)炎最多見[2]，臨床上主要表現(xiàn)為陣發(fā)性/持續(xù)性關(guān)節(jié)疼痛、關(guān)節(jié)畸形及功能障礙。目前對于骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機制尚不完全清楚，一般認(rèn)為與衰老、性別、肥胖、創(chuàng)傷、遺傳易感性等危險因素有關(guān)。骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病的核心是軟骨基質(zhì)的破壞、降解引起的關(guān)節(jié)軟骨退變，因此在生物體液(如血液、尿液和關(guān)節(jié)液等)中含有大量的骨與軟骨代謝產(chǎn)物，這些代謝產(chǎn)物可以提供與組織代謝有關(guān)的生物學(xué)信息[3]。

患者體液中含有大量的骨、軟骨代謝產(chǎn)物，這是生物學(xué)標(biāo)志物的來源。近年來，隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，關(guān)于生物學(xué)標(biāo)志物與骨關(guān)節(jié)炎相關(guān)性的研究一直備受關(guān)注，國內(nèi)外專家迫切希望尋找一種潛在生物學(xué)標(biāo)志物來實現(xiàn)骨關(guān)節(jié)炎的早發(fā)現(xiàn)、早診斷，為骨關(guān)節(jié)炎的治療提供理論依據(jù)和參考。目前已報道的與骨關(guān)節(jié)炎相關(guān)的生物學(xué)標(biāo)志物可分為膠原蛋白及降解產(chǎn)物相關(guān)標(biāo)志物、非膠原蛋白類相關(guān)標(biāo)志物、細(xì)胞因子類相關(guān)標(biāo)志物等幾大類。現(xiàn)就與骨關(guān)節(jié)炎相關(guān)的幾種常見生物學(xué)標(biāo)志物的研究進(jìn)行綜述。

1 膠原蛋白及降解產(chǎn)物相關(guān)標(biāo)志物

1.1Ⅱ型膠原降解產(chǎn)物 Ⅱ型膠原是關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)的主要膠原成分，占總膠原量的90%～95%，研究發(fā)現(xiàn)其變化與骨關(guān)節(jié)炎有密切關(guān)系[4-6]。當(dāng)軟骨發(fā)生破壞時，Ⅱ型膠原在蛋白酶的作用下裂解產(chǎn)生Ⅱ型膠原羧基端端肽(C-telopeptide of collagen type Ⅱ,CTX-Ⅱ)，CTX-Ⅱ等降解產(chǎn)物被釋放到血清和尿液中。大量研究表明，CTX-Ⅱ的水平可反映軟骨破壞程度，與骨關(guān)節(jié)炎的進(jìn)展存在相關(guān)性[7-8]。Sharif等[9]在為期5年的隨訪研究中發(fā)現(xiàn)，膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的進(jìn)展與Ⅱ型膠原代謝的生物學(xué)標(biāo)志物的全身水平改變相關(guān)。同時數(shù)據(jù)還表明，聯(lián)合測定血清ⅡA型膠原蛋白的N-前肽和尿CTX-Ⅱ可有助于確定膝骨關(guān)節(jié)炎的疾病進(jìn)展風(fēng)險。Kala?等[10]對125例膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎患者尿液中的CTX-Ⅱ進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)骨關(guān)節(jié)炎患者尿液中CTX-Ⅱ水平明顯高于正常對照組。Huang等[11]研究發(fā)現(xiàn)，骨關(guān)節(jié)炎患者的尿液CTX-Ⅱ水平高于正常對照組，亞組分析顯示尿液CTX-Ⅱ水平隨骨關(guān)節(jié)炎嚴(yán)重程度的增加而升高。多項研究表明，CTX-Ⅱ?qū)⑹且粋€很有前景的診斷骨關(guān)節(jié)炎的生物學(xué)標(biāo)志物[12-13]。

1.2Ⅹ型膠原 Ⅹ型膠原是一種短鏈的非纖維性膠原，由3條相同的α1鏈組成三聚體，Ⅹ型膠原可以形成柵格狀結(jié)構(gòu)，參與軟骨內(nèi)骨化，與Ⅱ型膠原結(jié)合，從而加速軟骨的降解，影響關(guān)節(jié)軟骨的結(jié)構(gòu)和強度[14]。Ⅹ型膠原在肥大的軟骨細(xì)胞中表達(dá)明顯增加，是軟骨細(xì)胞肥大變性的特異性標(biāo)志物之一。Girkontaite等[15]通過單克隆抗體對成人骨關(guān)節(jié)炎軟骨中Ⅹ型膠原的表達(dá)進(jìn)行免疫定位，發(fā)現(xiàn)在軟骨切片深層的肥大軟骨細(xì)胞簇被染色。也有證據(jù)表明，骨關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)軟骨中Ⅹ型膠原基因水平表達(dá)明顯升高，Ⅹ型膠原與骨關(guān)節(jié)炎存在明顯相關(guān)性，提示Ⅹ型膠原有作為診斷骨關(guān)節(jié)炎特異生物學(xué)標(biāo)志物的潛力[16-18]。He等[19]通過對271例骨關(guān)節(jié)炎患者的血清進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，Ⅹ型膠原蛋白水平與骨關(guān)節(jié)炎患者影像學(xué)Kellgren-Lawrence(K-L)分級之間存在相關(guān)性，血清中Ⅹ型膠原蛋白水平的增加可能作為局部軟骨細(xì)胞肥大和分化的標(biāo)志物，并且可能有助于描述骨關(guān)節(jié)炎疾病的進(jìn)展。

2 非膠原蛋白類相關(guān)標(biāo)志物

2.1軟骨寡聚基質(zhì)蛋白(cartilage oligomeric matrix protein，COMP) COMP是一種主要由軟骨細(xì)胞和滑膜細(xì)胞分泌的糖蛋白，具有明顯的組織特異性，屬于血小板反應(yīng)蛋白家族。其是目前被廣泛研究的骨關(guān)節(jié)炎生物學(xué)標(biāo)志物之一，Gheita等[20]研究發(fā)現(xiàn)，骨關(guān)節(jié)炎患者血清/滑液中COMP水平升高，并且血清/滑液中的COMP水平可反映骨關(guān)節(jié)炎患者關(guān)節(jié)損傷的過程，提示COMP可能成為評估早期關(guān)節(jié)破壞的標(biāo)志物。Salminen等[21]通過骨關(guān)節(jié)炎動物模型研究表明，在關(guān)節(jié)軟骨發(fā)生退變時COMP 信使RNA表達(dá)上調(diào)，COMP蛋白質(zhì)重新分布，并提出在骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)展期內(nèi)可將血清COMP水平作為軟骨代謝變化的標(biāo)志物。Sharif等[22]對骨關(guān)節(jié)炎患者進(jìn)行了長期血清COMP水平檢測，發(fā)現(xiàn)血清COMP水平與骨關(guān)節(jié)炎病情進(jìn)展有密切聯(lián)系。研究表明，血清COMP水平不僅與早期骨關(guān)節(jié)炎有關(guān)，還與骨關(guān)節(jié)炎的進(jìn)展有密切聯(lián)系，并且已被證明是膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎軟骨退變的預(yù)后生物學(xué)標(biāo)志物[23]。

2.2基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs) 骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生的關(guān)鍵是軟骨細(xì)胞合成和分解代謝之間動態(tài)平衡被打破，從而影響軟骨細(xì)胞的表達(dá)，促進(jìn)MMPs分泌，導(dǎo)致細(xì)胞外基質(zhì)大量降解，造成軟骨破壞。MMPs在細(xì)胞外基質(zhì)降解過程中起重要作用，目前已發(fā)現(xiàn)的MMPs有20余種，如MMP-1、MMP-2、MMP-3、MMP-12、MMP-13等。Kaspiris等[24]通過免疫組織化學(xué)法檢測骨關(guān)節(jié)炎中MMP-12的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)MMP-12在骨關(guān)節(jié)炎患者的軟骨及軟骨下表達(dá)，而在正常對照組中無表達(dá)，且在骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)展期MMP-12表達(dá)增加，表明MMP-12可能在骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病、發(fā)展中起作用。Hulejová等[25]研究發(fā)現(xiàn)，骨關(guān)節(jié)炎患者血清MMP-3、MMP-9水平明顯高于正常對照組，并且血管化軟骨下區(qū)細(xì)胞因子和MMPs的合成增加，導(dǎo)致鄰近軟骨退化降解，促進(jìn)骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生、發(fā)展。Pengas等[26]研究發(fā)現(xiàn),骨關(guān)節(jié)炎患者血液、關(guān)節(jié)液中MMP-3水平明顯增加，并且與膝關(guān)節(jié)影像學(xué)分級呈正相關(guān)。血清中MMPs(尤其是MMP-3)可作為一個潛在預(yù)測膝骨關(guān)節(jié)炎的生物學(xué)標(biāo)志物。

2.3印度刺猬蛋白(Indian hedgehog，Ihh) Ihh屬于Hedgehog信號通路蛋白家族，主要在生長板發(fā)育過程中合成并在前肥大軟骨細(xì)胞中表達(dá)，具有調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞肥大和軟骨內(nèi)骨化的作用[27]。Wei等[28]研究發(fā)現(xiàn)，Ihh在骨關(guān)節(jié)炎軟骨中的表達(dá)較正常對照組增加2.6倍，在骨關(guān)節(jié)炎滑液中的表達(dá)增加37%，并且Ihh的表達(dá)增加與骨關(guān)節(jié)炎的嚴(yán)重程度和軟骨細(xì)胞肥大標(biāo)志物(Ⅹ型膠原、MMP-13)的表達(dá)有關(guān)，提出Ihh可能是預(yù)防骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)展的潛在治療靶點。Zhou等[29]研究發(fā)現(xiàn)Ihh在人骨關(guān)節(jié)炎軟骨中表達(dá)上調(diào)，并且這種上調(diào)與骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)展和軟骨細(xì)胞形態(tài)變化相關(guān)。進(jìn)一步在小鼠中的遺傳研究發(fā)現(xiàn)，軟骨細(xì)胞中Ihh的條件性缺失減弱了骨關(guān)節(jié)炎的進(jìn)展，表明阻斷Ihh信號轉(zhuǎn)導(dǎo)可能作為預(yù)防或延遲軟骨退化的治療方法。Zhang等[30]研究發(fā)現(xiàn)，早期軟骨損傷組關(guān)節(jié)液中Ihh水平明顯高于對照組，但在嚴(yán)重?fù)p傷的軟骨組中Ihh水平無明顯差異，與骨關(guān)節(jié)炎疾病的進(jìn)展無明顯相關(guān)性，因此Ihh可作為一種預(yù)測早期關(guān)節(jié)軟骨損傷的新生物學(xué)標(biāo)志物。

2.4核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3(nucleotide binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3) 目前有越來越多的證據(jù)支持骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生與炎癥有關(guān)，NLRP3炎性小體作為機體固有免疫的重要組分與機體多種免疫性疾病、關(guān)節(jié)炎性疾病的發(fā)生有關(guān)[31]，通過NLRP3炎性小體介導(dǎo)產(chǎn)生的白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-1β、腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α，TNF-α)、MMP-3可促進(jìn)軟骨退變和滑膜炎癥發(fā)生[32]。Clavijo-Cornejo等[33]通過對60例膝骨關(guān)節(jié)炎患者進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，膝骨關(guān)節(jié)炎患者滑膜中NLRP3蛋白表達(dá)與正常對照組相比增加了5.4倍，NLRP3表達(dá)增加可能導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨的炎癥狀態(tài)和降解，進(jìn)一步導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生。Jin等[34]研究發(fā)現(xiàn)，NLRP3炎性小體介導(dǎo)尿酸鹽晶體在體內(nèi)外的病理作用，提示炎性細(xì)胞在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病中起關(guān)鍵作用，NLRP3炎性小體可能作為治療骨關(guān)節(jié)炎的一個潛在靶點。同時也有證據(jù)表明[35]，NLRP3免疫球蛋白通過激活Toll樣受體和核因子κB信號通路導(dǎo)致軟骨降解和滑膜失活，進(jìn)一步導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎疾病的發(fā)生，因此NLRP3也可作為預(yù)防和治療骨關(guān)節(jié)炎的一個潛在靶點。

2.5人軟骨糖蛋白39(YKL-40) YKL-40是由人關(guān)節(jié)滑膜細(xì)胞、軟骨細(xì)胞分泌的一種糖蛋白，在炎癥和組織重塑中起重要作用，Johansen等[36]通過對49例炎性退行性關(guān)節(jié)病的患者(其中骨關(guān)節(jié)炎患者7例)血清中YKL-40表達(dá)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，與正常成人相比，骨關(guān)節(jié)炎患者血清中YKL-40水平顯著升高，但炎性關(guān)節(jié)病患者和骨關(guān)節(jié)炎患者血清中YKL-40蛋白表達(dá)比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義。V??n?nen等[37]通過對100例骨關(guān)節(jié)炎患者研究發(fā)現(xiàn)，YKL-40是由骨關(guān)節(jié)炎軟骨產(chǎn)生的，并且滑液中YKL-40明顯高于血漿中的YKL-40[(1 027.9±78.3) ng/mL比(67.2±4.5) ng/mL](P<0.05)，YKL-40作為一種與炎癥和軟骨破壞介質(zhì)相關(guān)的軟骨衍生因子，參與骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生。Takahashi等[38]通過對71例絕經(jīng)后女性膝骨關(guān)節(jié)炎患者血清中YKL-40水平與膝影像學(xué)分級之間的關(guān)系進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)有癥狀的骨關(guān)節(jié)炎患者血清YKL-40較無癥狀者水平增高更顯著，血清中YKL-40的水平與膝骨關(guān)節(jié)炎影像學(xué)K-L分級嚴(yán)重程度呈正相關(guān)。

2.6熱激蛋白(heat shock protein，HSP)70 HSP是由一系列分子量不同的蛋白質(zhì)分子組成的家族，包括HSP60、HSP70、HSP90、HSP110等，其中HSP70是HSP家族中的重要一員，研究發(fā)現(xiàn)它可促進(jìn)軟骨基質(zhì)代謝，對軟骨細(xì)胞有保護(hù)作用，抑制軟骨細(xì)胞凋亡，作為預(yù)防、治療骨關(guān)節(jié)炎的一個新靶點[39]。Terauchi等[40]研究發(fā)現(xiàn)，HSP70可通過阻斷胱天蛋白酶3、誘導(dǎo)型一氧化氮合酶來防止一氧化氮誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞凋亡，從而延緩骨關(guān)節(jié)炎的進(jìn)展，它是治療骨關(guān)節(jié)炎的潛在關(guān)鍵點。Ngarmukos等[41]對72例膝骨關(guān)節(jié)炎患者進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎患者關(guān)節(jié)液中HSP70表達(dá)明顯高于健康志愿者，且關(guān)節(jié)液中HSP70水平與膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的影像學(xué)嚴(yán)重程度呈正相關(guān)(r=0.658，P<0.001)，表明HSP70可作為預(yù)測膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎嚴(yán)重程度的潛在生物學(xué)標(biāo)志物。

3 細(xì)胞因子類相關(guān)標(biāo)志物

3.1炎性細(xì)胞因子 多項研究表明[35,42-43]，骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生、發(fā)展與多種炎性細(xì)胞因子之間密切相關(guān)，多種炎性細(xì)胞因子之間相互作用、相互影響導(dǎo)致軟骨退變加快。與骨關(guān)節(jié)炎相關(guān)的炎性細(xì)胞因子主要有IL、TNF、一氧化氮、環(huán)加氧酶2、前列腺素E、血管內(nèi)皮生長因子等，其中IL-1是研究最多的與關(guān)節(jié)退變和降解相關(guān)的細(xì)胞因子，在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病機制中扮演重要角色。Wang等[44]研究發(fā)現(xiàn)，肥胖的骨關(guān)節(jié)炎患者滑液、滑膜、軟骨下骨和軟骨中IL-1、TNF-α和IL-6水平升高，并且IL-1、TNF-α和IL-6還可誘導(dǎo)其他細(xì)胞因子、MMPs和前列腺素的產(chǎn)生，抑制蛋白多糖和Ⅱ型膠原的合成，從而在骨關(guān)節(jié)炎軟骨基質(zhì)降解和骨吸收中起關(guān)鍵作用，IL-1、TNF-α和IL-6被認(rèn)為是治療肥胖相關(guān)性骨關(guān)節(jié)炎的潛在治療策略的組成部分。Lawrence等[45]研究表明，在創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎早期階段IL-1和TNF-α表達(dá)升高，并且IL-1和TNF-α相互作用引起軟骨破壞導(dǎo)致膝骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生。Park等[46]發(fā)現(xiàn)IL-1β及TNF-α上調(diào)可誘導(dǎo)MMPs的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)軟骨細(xì)胞外基質(zhì)降解、軟骨細(xì)胞破壞。Nixon等[47]通過一種輔助病毒依賴型腺病毒載體介導(dǎo)IL-1受體拮抗劑基因表達(dá)治療動物骨關(guān)節(jié)炎研究發(fā)現(xiàn)，輔助病毒依賴型腺病毒載體介導(dǎo)的IL-1受體拮抗劑基因表達(dá)具有疾病調(diào)節(jié)作用，此基因治療方法可以有效治療骨關(guān)節(jié)炎。

3.2脂肪細(xì)胞因子 目前隨著對脂肪細(xì)胞因子研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)脂肪細(xì)胞因子不僅與肥胖、糖尿病、心血管疾病及肝臟疾病等的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)，同時也在機體免疫反應(yīng)、炎癥反應(yīng)以及骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病中發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用[48-49]。Chemerin是近年來發(fā)現(xiàn)的一種新的脂肪細(xì)胞因子，這種脂肪因子通過增加蛋白激酶B/細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)蛋白激酶的磷酸化誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞的代謝和增殖變化，從而介導(dǎo)骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生或加重骨關(guān)節(jié)炎的癥狀[50]。Berg等[51]研究發(fā)現(xiàn)，chemerin受刺激后可進(jìn)一步擴(kuò)增炎癥信號，導(dǎo)致炎性因子和MMPs的釋放。Ma等[52]對30例骨關(guān)節(jié)炎患者和30例其他膝關(guān)節(jié)疾病患者(非骨關(guān)節(jié)炎組)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)骨關(guān)節(jié)炎組血清、關(guān)節(jié)液、滑膜中chemerin水平高于非骨關(guān)節(jié)炎組，骨關(guān)節(jié)炎患者的關(guān)節(jié)液和滑膜中chemerin表達(dá)與關(guān)節(jié)鏡下關(guān)節(jié)軟骨損傷分級(Outerbridge分級)呈正相關(guān)，表明chemerin可能作為軟骨代謝的重要調(diào)控因子，參與并在骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生、發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用。

4 問題與展望

目前針對骨關(guān)節(jié)炎的臨床診斷較為常用的診斷方法為X線、CT、磁共振成像及關(guān)節(jié)鏡等檢查，但由于骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病病因、機制復(fù)雜多樣，導(dǎo)致臨床上診斷手段雖然多樣，但缺乏敏感性和特異性。因此，尋找一種可靠的檢測手段來預(yù)測、診斷早期骨關(guān)節(jié)炎和監(jiān)測疾病的進(jìn)展仍是一個難題和挑戰(zhàn)。

隨著目前分子生物學(xué)、代謝組學(xué)研究的不斷深入，通過識別檢測關(guān)節(jié)軟骨代謝產(chǎn)生的特異性生物學(xué)標(biāo)志物與骨關(guān)節(jié)炎相關(guān)性的研究受到越來越多的關(guān)注和重視。近年來，雖然已經(jīng)探索了許多來自滑膜、關(guān)節(jié)液、血清和尿液等體液的生物學(xué)標(biāo)志物，但由于這些生物學(xué)標(biāo)志物都存在敏感性、特異性及臨床可行性等問題，目前仍沒有可靠的生物學(xué)標(biāo)志物用于預(yù)測、早期診斷骨關(guān)節(jié)炎及鑒別骨關(guān)節(jié)炎的不同發(fā)病階段。因此，探尋一種或多種生物學(xué)標(biāo)志物，甚至多種生物學(xué)標(biāo)志物聯(lián)合用于骨關(guān)節(jié)炎的早期有效診斷仍是廣大醫(yī)務(wù)工作者、科研工作者亟待解決的問題。