機(jī)械負(fù)荷對關(guān)節(jié)軟骨形態(tài)學(xué)及信號通路影響的研究進(jìn)展

付博文 劉歡 武艷嬌 朱嘉文 黃文華

骨關(guān)節(jié)炎 ( osteoarthritis，OA ) 是導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨 ( articular cartilage，AC ) 退化、疼痛、身體殘疾的一種慢性疾病[1]。AC 覆蓋在骨表面，幾乎可以無摩擦地運(yùn)動(dòng)。但在關(guān)節(jié)腔中，AC 容易受到退行性變以及急性損傷的影響，并且由于 AC 愈合潛力非常差，因此由 AC 退行性變或急性損傷導(dǎo)致的 OA 在臨床上是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。盡管多種因素如遺傳、年齡、肥胖和既往關(guān)節(jié)損傷都有助于 OA 的發(fā)生[2]，但機(jī)械負(fù)荷仍被認(rèn)為是 OA 發(fā)病的關(guān)鍵因素[3]。AC 對于機(jī)械負(fù)荷非常敏感，其結(jié)構(gòu)在很大程度上是由力學(xué)環(huán)境決定的，OA 的破壞是力學(xué)異常的病理生理后果[4]。然而，除了過度的關(guān)節(jié)機(jī)械負(fù)荷對于 AC 的損傷外，人們常會(huì)忽略過低的關(guān)節(jié)使用亦會(huì)導(dǎo)致 AC 體積的大量丟失，這是此前首次在脊髓損傷患者中報(bào)道的臨床觀察得出的結(jié)論[5]。因此研究不同程度應(yīng)力對于 AC 形態(tài)及功能的影響對于完善OA 的臨床治療方案意義重大。筆者對不同程度機(jī)械負(fù)荷對 AC 形態(tài)和功能的影響進(jìn)行了綜述，包括降低機(jī)械負(fù)荷會(huì)引起 AC 體積的丟失，即使恢復(fù)正?；顒?dòng)后這種損傷也可能只是部分可逆；適度機(jī)械負(fù)荷雖可增加 AC 的厚度或面積，但過度機(jī)械負(fù)荷又會(huì)對 AC 造成損傷；同時(shí)，本綜述還對不同機(jī)械負(fù)荷對 AC 影響的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制進(jìn)行了闡述，為 OA 的臨床治療方案的制訂提供參考。

一、AC 形態(tài)學(xué)

AC 由被細(xì)胞外基質(zhì) ( extracellular matrix，ECM ) 包圍的軟骨細(xì)胞組成，而 ECM 又被細(xì)分為緊鄰軟骨細(xì)胞的細(xì)胞周圍基質(zhì) ( pericellular matrix，PCM )，較遠(yuǎn)的地域基質(zhì)以及地域間基質(zhì)[6]。ECM 包含一個(gè)纖維網(wǎng)格，由膠原和非膠原基質(zhì)成分組成并嵌入在凝膠狀基質(zhì)中。

這些基質(zhì)含有胞外液體和由透明質(zhì)酸 ( hyaluronic acid，HA ) 與大約 100 個(gè)蛋白多糖 ( proteoglycan，PG ) 連接而成的 PG 聚集體[6]。其中 PG 聚集體又含有 3 個(gè)球狀結(jié)構(gòu)域 ( G1-G3 )，除了 G2 的功能尚不明確外，G3 能夠與基質(zhì)蛋白結(jié)合[6]，而 G1 能夠與連接穩(wěn)定的 HA 非共價(jià)結(jié)合。聚 PG 是 AC 中主要的 PG，由與糖胺聚糖 ( glycosaminoglycan，GAG ) 結(jié)合的核心蛋白 [ 主要為硫酸角質(zhì)聚糖( keratinan sulfate，KS ) 和硫酸軟骨素 ( chondroitin sulfate，CS ) ] 和低聚糖鏈組成[7]。GAG 主要功能為吸附水和陽離子，導(dǎo)致腫脹，并通過酶交聯(lián)被纖維網(wǎng)格抵消，從而提供低順應(yīng)性[8]和抗張強(qiáng)度。在關(guān)節(jié)機(jī)械負(fù)荷的作用下，聚 PG 被壓縮，并通過將壓力分散到關(guān)節(jié)表面的方式降低AC 上的壓力[9]。關(guān)節(jié)表面由滑膜細(xì)胞和軟骨細(xì)胞組成的HA 以及糖蛋白潤滑素形成涂層，從而大大減少了機(jī)械摩擦[10]，使 AC 能在骨骼間低摩擦且無縫地傳導(dǎo)應(yīng)力。

二、AC 對機(jī)械負(fù)荷的高度敏感性

軟骨細(xì)胞感受機(jī)械負(fù)荷的多種機(jī)制已被確認(rèn)。細(xì)胞機(jī)械傳感器包括表面整合素，拉伸敏感離子通道和陽離子敏感離子通道[11-12]。與許多其它類型的細(xì)胞一樣，軟骨細(xì)胞的初級纖毛也與機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)[13]，感受機(jī)械負(fù)荷的多種機(jī)制使得軟骨細(xì)胞對其具有高度敏感性，而機(jī)械負(fù)荷對軟骨細(xì)胞同樣具有典型的雙面作用，在生理負(fù)荷下，軟骨細(xì)胞的代謝和基質(zhì)合成活性被上調(diào)[14]，而在異常機(jī)械負(fù)荷下，通過改變軟骨細(xì)胞中特定的信號通路來加速 AC 的退行性變[15]。施加在 AC 上的機(jī)械負(fù)荷的改變可歸因于各種因素，如肥胖[16]、解剖異?；蜿P(guān)節(jié)排列失調(diào)[17]、運(yùn)動(dòng)[18]以及膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的損傷[19]?？紤]到 AC 對于機(jī)械負(fù)荷的敏感性，因此探討不同程度的機(jī)械負(fù)荷對其作用機(jī)制的了解十分重要。

三、機(jī)械負(fù)荷對 AC 的影響

1. 降低機(jī)械負(fù)荷對 AC 的影響：研究表明，降低機(jī)械負(fù)荷對 AC 體積的丟失至關(guān)重要。截癱患者在減少關(guān)節(jié)負(fù)荷后 1 年，膝關(guān)節(jié) MRI 顯示 AC 厚度減少 9%～13%[20]，在踝關(guān)節(jié)骨折的患者中，患肢的部分或完全固定也會(huì)導(dǎo)致膝關(guān)節(jié) AC 厚度丟失[21]。在動(dòng)物模型上這種現(xiàn)象得到更多闡述，狗的膝 AC 在固定后 11 周 GAG 含量降低，AC 顯著軟化，即使再動(dòng)員恢復(fù)了 AC 的生物力學(xué)性能，但軟骨剛度依然未達(dá)到正常水平[22]。由此可見，缺乏機(jī)械負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致 AC 軟化、變薄，并且由于膠原損傷在薄軟骨中發(fā)生更早[23]，AC 因此更容易受到損傷。此外，有研究表明，與緊張狀態(tài)下相比，松弛狀態(tài)下的軟骨膠原更容易降解[24]。

導(dǎo)致 AC 失用性萎縮的可能因素是基質(zhì)金屬蛋白酶 3( matrix metalloproteinase，MMP-3 )。已被證實(shí)的研究顯示，關(guān)節(jié)局部固定可以產(chǎn)生更多的 MMP-1 和 MMP-3[25]，其中 MMP-3 是增加聚蛋白多糖酶 5 ( Aggrecanase，ADAMTS-5 ) 所必需的，這在關(guān)節(jié)的局部固定中也得以展現(xiàn)。而 ADAMTS-5 作為關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中重要的降解酶，對AC 退行性變起到了至關(guān)重要的作用[26]。在大鼠模型中，無負(fù)荷的被動(dòng)運(yùn)動(dòng)可以預(yù)防這種由 ADAMTS-5 介導(dǎo)的AC 萎縮[25]。降低負(fù)荷過程中降解酶的增加可能是因?yàn)閏AMP 反應(yīng)元件結(jié)合蛋白與人源全長重組蛋白 ( Cbp / P300 interacting transactivator with rich carboxy-terminal domain 2，CITED2 ) 相互作用的反式激活因子缺乏表達(dá)，其抑制共激活因子 p3000 導(dǎo)致 MMP 的合成[27]。

在狗模型中，沒有負(fù)重的關(guān)節(jié)區(qū)域，活動(dòng)并不能恢復(fù)關(guān)節(jié)的僵硬[1]。而目前的研究中，并沒有表明在人類中恢復(fù)關(guān)節(jié)動(dòng)員后 AC 體積得以恢復(fù)，即使適度的運(yùn)動(dòng)已被證明對由于半月板損傷而有 OA 風(fēng)險(xiǎn)的個(gè)體 AC 的 GAG 含量的增加有積極的影響[28]。因此，雖然還沒有研究證實(shí)關(guān)節(jié)失用性萎縮在恢復(fù)活動(dòng)后，其損傷是否是永久性的，但AC 的失用性萎縮似乎是部分可逆的，而預(yù)防和早期運(yùn)動(dòng)可能是最好的應(yīng)對策略。

2. 適度機(jī)械負(fù)荷對 AC 的影響：多項(xiàng)研究證明，運(yùn)動(dòng)對于關(guān)節(jié) AC 健康有積極影響。一項(xiàng)對 18 名成年人的 MRI結(jié)果研究顯示，終生高度活躍的運(yùn)動(dòng)員和正常人對照組相比，脛骨和髕骨軟骨表面積增加[29]，有趣的是，關(guān)節(jié) AC的厚度卻沒有得到提升。另外一些研究也支持這個(gè)結(jié)果，使用 MRI 研究 40～55 歲女性經(jīng)過 12 周的耐力訓(xùn)練后，關(guān)節(jié) AC 的厚度和成分沒有變化[30]，而在 20～40 歲的女性中，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示膝關(guān)節(jié) AC 的成分得到改善[31]。雖然關(guān)節(jié) AC 在厚度上沒有發(fā)現(xiàn)明顯提升，但由于表面積和體積的擴(kuò)大，并且鍛煉也可以使 AC 保持在最佳厚度，從而保持其形變能力，因此 AC 能夠承受更大的應(yīng)力和負(fù)荷[9]。

不同于耐力訓(xùn)練，力量似乎能給髕骨 AC 厚度帶來提升，一項(xiàng)針對 7 名舉重運(yùn)動(dòng)員的 MRI 研究結(jié)果顯示，舉重運(yùn)動(dòng)員的膝關(guān)節(jié)髕骨 AC 厚度顯著高于非運(yùn)動(dòng)員對照組[32]，而股骨和脛骨軟骨厚度沒有明顯提升，其原因可能是髕骨軟骨隨著負(fù)荷及活動(dòng)范圍的增加呈現(xiàn)出“劑量依賴性”形變，而股骨和脛骨軟骨卻沒有這樣的形變能力[33]。

軟骨中含有 Ⅵ 型膠原和 PG，兩者形成網(wǎng)狀的囊膜超微結(jié)構(gòu)，改變了每個(gè)到達(dá) AC 的機(jī)械負(fù)荷，從而保護(hù) AC及其細(xì)胞周圍微環(huán)境的穩(wěn)態(tài)[34]。當(dāng)受到機(jī)械負(fù)荷時(shí)，人AC 由于拉伸激活的離子通道和整合素的激活釋放了白介素 4 ( interleukin4，IL-4 )，并允許 IL-4 以自分泌和旁分泌的形式工作[35]。整合素屬于跨膜蛋白，一方面能夠激活內(nèi)部細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，另一方面通過與 Ⅱ 型膠原、Ⅵ 型膠原和纖維連接蛋白結(jié)合，將 AC 連接到 ECM[36]。IL-4 通過激活磷脂酶 C 和蛋白激酶 C 導(dǎo)致聚集素表達(dá)增加，MMP-3減少，此外 IL-4 和 IL-10 的相互作用還具有抗炎效果，其通過抑制核因子 κB ( nuclear factor，NF-κB ) 的入核，下調(diào)IL-1 和腫瘤壞死因子 α ( tumor necrosis factor，TNF-α ) 的水平[37]。在 OA 患者中施加單次抗阻力運(yùn)動(dòng)后發(fā)現(xiàn) IL-10 表達(dá)增強(qiáng)，這被認(rèn)為是運(yùn)動(dòng)對 OA 進(jìn)展的一種抑制因素[37]。而在不同年齡的大鼠模型中，施加中等負(fù)荷后，潤滑素得到了增加，同時(shí)軟骨細(xì)胞凋亡得到了減少[38]。

綜上所述，在適當(dāng)?shù)纳碡?fù)荷下，AC 的健康得到了積極的影響，不論是力量訓(xùn)練對于髕骨軟骨厚度的提升趨勢，還是耐力訓(xùn)練對于脛骨、股骨軟骨面積的提升趨勢。此外，似乎年輕人相比于年長者更能從這種鍛煉中獲益。

3. 過度機(jī)械負(fù)荷對 AC 的影響：過度負(fù)荷對 AC 的損傷已被證實(shí)，最近一項(xiàng)對 964 名受試者的累計(jì)負(fù)荷研究顯示，體重超重 ( 既關(guān)節(jié)受到過度負(fù)荷 ) 者，脛骨內(nèi)側(cè)軟骨損傷較正常體重者顯著提升[39]。在狗的動(dòng)物模型中，因跑動(dòng)造成的超負(fù)荷導(dǎo)致 AC 中的 GAG 含量降低，同時(shí)膠原網(wǎng)絡(luò)組織的改變和軟骨下骨的重塑導(dǎo)致 AC 軟化[40]。AC的損傷程度取決于負(fù)荷強(qiáng)度，最早發(fā)生的損傷是軟化而沒有膠原丟失，隨后是膠原丟失而沒有軟骨破壞，最后進(jìn)展為宏觀的軟骨破壞[23]。生理范圍的應(yīng)力區(qū)間在 1～3 MPa至 5～7 MPa，相當(dāng)于輕中度負(fù)荷，不會(huì)發(fā)生軟化和損傷[40]。軟化發(fā)生在 9～15 MPa，其特征是 PG 和膠原組織的丟失[40]。

由此可見超負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致基質(zhì)成分的釋放，纖維連接蛋白片段 ( fibronectin，F(xiàn)N-f ) 的出現(xiàn)表示 ECM 受損，修復(fù)過程為首先移除破碎的結(jié)構(gòu)，然后鋪設(shè)新的結(jié)構(gòu)[36]。FN-f 可同時(shí)激活整合素、Toll 樣受體 ( Toll-like Receptors，TLR ) 2 和 4。整合素受體 α5β1 與 PKCδ 結(jié)合后可激活所有 3 種絲裂原活化蛋白激酶 ( mitogen activated protein kinase，MAPK )，即 ERK1 / 2，c-jun 氨基末端激酶和p38α，最終產(chǎn)生 NF-kB 并導(dǎo)致分解代謝[36]?；|(zhì)分解產(chǎn)物，如 FN-f 與 TLR2 和 TLR4 的結(jié)合導(dǎo)致髓系分化因子88 ( myeloid differentiation factor，MyD88 ) 同樣依賴于 3 種MAPK 的激活，隨后增加 NF-kB 和由此產(chǎn)生的 MMP[41]，從而進(jìn)一步上調(diào) TLR[42]?；|(zhì)分解產(chǎn)物來自纖維蛋白聚糖、膠原或軟骨低聚蛋白，可以激活整合素以及 TLR 和補(bǔ)體系統(tǒng)，導(dǎo)致相同的分解代謝作用[43]。此外，軟骨細(xì)胞的凋亡可能是過度機(jī)械負(fù)荷的結(jié)果。促炎癥介質(zhì)環(huán)氧合酶 2 ( cyclooxygenase，Cox-2 ) 和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶 ( NO Synthase，NOS ) 可分別導(dǎo)致前列腺素和 NO 增加，從而放大氧化應(yīng)激和凋亡[44]。最后，人類細(xì)胞培養(yǎng)的過度負(fù)荷模型顯示其氧化應(yīng)激增加，導(dǎo)致線粒體損傷和細(xì)胞凋亡，從而減少功能性 AC 的數(shù)量[45]。

四、小結(jié)

機(jī)械負(fù)荷對于 AC 的形狀，形態(tài)以及功能起到了至關(guān)重要的作用。本綜述總結(jié)了在低負(fù)荷、生理負(fù)荷以及過度負(fù)荷狀態(tài)下，AC 的形態(tài)學(xué)和分子層面的變化及其對于 AC功能的影響。年齡、過度運(yùn)動(dòng)和關(guān)節(jié)失用是造成 AC 膠原破壞的主要因素，由于其缺乏再生能力，因此這種不可逆的損傷是導(dǎo)致 OA 發(fā)病最主要的因素。年齡增長是不可逆的，因此通過科學(xué)運(yùn)動(dòng)以提供 AC 適當(dāng)?shù)臋C(jī)械負(fù)荷似乎是保持 AC 健康的最佳方式。

目前，關(guān)節(jié)失用性萎縮的損傷是否為永久性這一領(lǐng)域的研究還鮮有報(bào)道，需要更進(jìn)一步的研究來了解關(guān)節(jié)失用性萎縮恢復(fù)活動(dòng)后 AC 的修復(fù)機(jī)制，為尋找新的治療方案提供理論基礎(chǔ)。