馬骨軟骨病發(fā)病機(jī)制和風(fēng)險因素

賈旭晨，毛明偉，宓君鵬，朱怡平，李 靖

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動物醫(yī)學(xué)院，北京 海淀 100193 ； 2.喀什昆侖牧業(yè)發(fā)展股份有限公司，新疆 喀什 844099 ； 3.澳大利亞悉尼大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院，澳大利亞 悉尼 NSW 2006)

骨軟骨病(Osteochondrosis，OC)是馬最常見的發(fā)育性骨科疾病，會對馬匹的運(yùn)動性能和健康狀態(tài)產(chǎn)生較大影響。OC和剝脫性骨軟骨炎(Ostechondrosis dissecans，OCD)通常被定義為馬駒骨骺生長板發(fā)育和關(guān)節(jié)軟骨骨化異常引起的發(fā)育性骨科疾病，可導(dǎo)致關(guān)節(jié)處出現(xiàn)骨軟骨碎片，生長軟骨處出現(xiàn)裂隙或軟骨下囊腫。發(fā)育異常的軟骨可出現(xiàn)增厚、塌陷等情況，隨后發(fā)展為軟骨瓣或從軟骨下骨分離出骨軟骨碎片，導(dǎo)致OCD。OC和OCD為骨軟骨病的不同階段：OC代表這種發(fā)育性疾病的最初過程，而OCD是最常繼發(fā)于OC的一種進(jìn)行性炎性反應(yīng)病變。早期的OC病變可能自愈，也可能繼續(xù)發(fā)展導(dǎo)致骨軟骨碎裂，最終表現(xiàn)為OCD特征性的剝離性病變，剝落的骨軟骨碎片也可進(jìn)一步引起嚴(yán)重的繼發(fā)性關(guān)節(jié)炎。從細(xì)胞發(fā)育過程來看，軟骨生長過程中由于多種因素造成細(xì)胞分化障礙，致使軟骨細(xì)胞滯留，導(dǎo)致軟骨增厚形成OC，進(jìn)而出現(xiàn)裂隙造成OCD[1]。病馬通常表現(xiàn)為運(yùn)動能力和耐力顯著下降、疼痛、跛行等癥狀。

骨軟骨病通常影響5～8月齡的幼齡馬[2]，隨著訓(xùn)練強(qiáng)度的增加，若沒有及時治療或手術(shù)干預(yù)，OC或OCD的發(fā)病率可能會在年輕馬中顯著升高。不同品種馬駒都會受此病影響，但以純種馬發(fā)病居多。荷蘭的一項報告調(diào)查了1 231匹健康荷蘭溫血馬，結(jié)果顯示該病的患病率高達(dá)44%[3]。OC或OCD最常影響的關(guān)節(jié)包括掌指關(guān)節(jié)/跖趾關(guān)節(jié)、跗關(guān)節(jié)和股脛關(guān)節(jié)。

馬骨軟骨病的相關(guān)研究在過去20年取得了較大進(jìn)展，目前認(rèn)為其病程發(fā)生受多種因素影響，相互間復(fù)雜交錯，其中飲食、生長速度、動力學(xué)創(chuàng)傷以及某些遺傳效應(yīng)等是主要風(fēng)險因素。目前，國內(nèi)關(guān)于馬骨軟骨病的研究仍相對較少。本文旨在對馬骨軟骨病進(jìn)行概述，總結(jié)其發(fā)病機(jī)制和風(fēng)險因素，重點整理介紹多種風(fēng)險因素的相關(guān)理論背景和最新研究成果等，以促進(jìn)對這一復(fù)雜疾病的理解，深化研究方向。

1 骨軟骨病的早期發(fā)病機(jī)制

近年來,馬骨軟骨病的研究重點主要集中于早期發(fā)病機(jī)制上，并進(jìn)一步探索其發(fā)病根源以及風(fēng)險因素等，為疾病預(yù)防和控制提供更多信息。從這些研究中形成了許多關(guān)于OC病因的理論，包括軟骨管的破壞、骨軟骨交界處的剪切力、軟骨內(nèi)成骨細(xì)胞的活動改變等。

馬駒出生后，關(guān)節(jié)軟骨(Articular cartilage)和下方的骨骺軟骨(Epiphyseal cartilage)形成的關(guān)節(jié)-骨骺(A-E)軟骨復(fù)合體在發(fā)育過程中會發(fā)生很大變化：骨骺軟骨會轉(zhuǎn)化為骨，而關(guān)節(jié)軟骨則沒有太大改變，使得兩者在組織學(xué)上表現(xiàn)較大差異。軟骨發(fā)育還受到多種信號通路的調(diào)節(jié)，包括Wnts、骨形態(tài)發(fā)生蛋白、維甲酸、成纖維細(xì)胞生長因子等信號分子。

由于A-E軟骨的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過滑液的擴(kuò)散極限，所以為發(fā)育中的軟骨提供血液非常重要[4,5]。在馬駒出生后的前6個月，軟骨管為血液提供了到達(dá)軟骨深層的管道。每個軟骨管包含一個小動脈和幾個小靜脈，這些軟骨管垂直或平行于骨化前沿，隨著骨化前沿向關(guān)節(jié)表面移動，軟骨管被軟骨化，并最終與周圍的軟骨一起轉(zhuǎn)化為骨。軟骨管和周圍血管沿著骨化前沿吻合，形成的這一結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定而易受損傷，其中骨化前沿最容易受到影響，這可能是OC發(fā)展的一個潛在誘因[6]。如前所述，血管在平行于骨化前沿的軟骨管和垂直于骨化前沿的軟骨管之間形成吻合，吻合失敗則可能形成軟骨壞死灶。另外在馬駒中，軟骨管破裂和血液供給不良也會導(dǎo)致繼發(fā)性軟骨壞死，進(jìn)而引起生長軟骨局灶性缺血性壞死[6]。

生物力學(xué)對OC的發(fā)展也有重要影響。關(guān)節(jié)內(nèi)某些特殊部位OC易感率增高常與該區(qū)域所受剪切應(yīng)力較大或沖擊力較高直接相關(guān)。軟骨與骨的交界面是生物力學(xué)的薄弱區(qū)域，此處骨小梁由于常常受到剪切力影響而產(chǎn)生形變，這對于4月齡及以下馬駒骨骼發(fā)育的影響尤為重要[7]。

關(guān)于OC病因的另一種理論認(rèn)為，在OC發(fā)生之前，軟骨基質(zhì)或細(xì)胞信號通路中的相關(guān)分子就已經(jīng)發(fā)生變化。生長因子和旁分泌因子的失調(diào)可能導(dǎo)致軟骨內(nèi)成骨延遲。另外，軟骨管周圍的OC軟骨細(xì)胞中Wnts信號通路發(fā)生改變可能影響軟骨細(xì)胞的分解代謝和抑制軟骨細(xì)胞成熟相關(guān)的通路，對OC的早期發(fā)病有重要作用[8]。Ihh/PTH-RP通路是另一個OC軟骨中發(fā)生變化的信號通路，其表達(dá)量增加也可能直接影響OC早期軟骨細(xì)胞分化和軟骨內(nèi)骨化的進(jìn)程[9]。

2 風(fēng)險因素

雖然OC的發(fā)病機(jī)制尚未完全明確，但研究普遍認(rèn)為OC是由多種因素引起的，風(fēng)險因素包括遺傳因素、生長速度、營養(yǎng)和生物力學(xué)等。

2.1 遺傳因素 馬骨軟骨病是一種多基因遺傳病，其遺傳背景十分復(fù)雜，同時受大量基因控制。目前已經(jīng)檢測到部分參與正常軟骨發(fā)育過程且在OC患馬中表達(dá)量發(fā)生變化的基因。研究顯示，在患有OCD病變的馬中，細(xì)胞外蛋白、細(xì)胞外基質(zhì)周轉(zhuǎn)蛋白和細(xì)胞信號因子[包括組織蛋白酶K、低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白4(LRP4)、整合素αV、骨橋蛋白、基膜聚糖(Lumican)、ATP6V0D2蛋白和胸腺素β4)編碼的基因出現(xiàn)顯著過量表達(dá)，導(dǎo)致軟骨下骨出現(xiàn)軟骨滯留。此外，在受損的軟骨中還檢測到編碼基質(zhì)金屬蛋白酶13(MMP13)和Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子(Runx2)的基因表達(dá)異常[10]。與健康馬駒的軟骨相比，患病馬駒的擾動樣激酶2(TLK2)基因和一個未知基因(CD465746.1)發(fā)生了改變，并且這些馬駒的父系和母系都患有OCD[11]。通過比較健康幼馬與患OC幼馬的基因表達(dá)發(fā)現(xiàn)，OC患馬的軟骨分化和軟骨內(nèi)骨化過程中涉及的多個基因表達(dá)量均發(fā)生顯著變化[12]。

遺傳效應(yīng)已被證明是導(dǎo)致OC發(fā)生的最主要因素，已經(jīng)找到很多與OC相關(guān)的遺傳位點，分子遺傳學(xué)研究也證實了這一點[13]。數(shù)量性狀基因座(Quantitative trait loci，QTL)指的是控制數(shù)量性狀的基因在基因組中的位置。通過微衛(wèi)星(Microsatellite)或單核苷酸多態(tài)性(Single nucleotide polymorphism,SNP)等進(jìn)行全基因組研究，已在OC患馬中發(fā)現(xiàn)了超過25個QTL[13,14]，其中部分QTL可影響軟骨性狀表達(dá)，因而可能與OC的發(fā)病有關(guān)。這些QTL在不同品種馬匹之間位點不一致，且馬匹的不同發(fā)病關(guān)節(jié)也具有不同的QTL。

不同品種馬匹的骨軟骨病患病率受遺傳因素影響的程度各不相同，這表明在不同品種馬匹之間存在疾病易感性的遺傳差異[15]。例如，在標(biāo)準(zhǔn)種馬(n=6)和瑞典種馬(n=13)中，子代骨軟骨病的發(fā)病率與某一特定種馬之間存在相關(guān)性[16]。另外，某些純種馬匹受OCD影響明顯高于其他品種馬匹，不同品種馬匹的OC患病率存在差異，表明骨軟骨病受遺傳因素的影響。最易患OCD的品種是純血馬，其次是標(biāo)準(zhǔn)馬和溫血馬[17]。最近研究發(fā)現(xiàn)，冷血品種馬匹也可患OCD，且其對該疾病的易感性較高[18]。

2.2 生長速度和營養(yǎng)攝入 通常具有大型骨骼結(jié)構(gòu)和快速生長率的動物的骨軟骨病發(fā)病率更高，因而OC在體型較大、生長迅速的個體或品種的馬中更為常見[19,20]。

在研究不同馬品種、地理位置和飲食的過程中注意到，所有馬的生長模式基本相似，生長速度最快的階段為出生后的3個月內(nèi)，該時期也是骨軟骨病最有可能發(fā)生的時期[21]。這一時期內(nèi)，馬的快速生長率與特定關(guān)節(jié)的各種易損傷階段重合，成為導(dǎo)致OC病變的一個重要因素[22]。但種馬的體型大小與后代的骨軟骨病發(fā)病率無關(guān)，這是因為馬駒體型大小主要受母馬影響[16]。若在母馬懷孕期間喂食高能量飼料，其產(chǎn)下的馬駒出生后更有可能發(fā)生OC。有報道顯示，控制幼齡馬駒的能量攝入量有利于減緩馬駒的生長速度，從而降低OCD的發(fā)病率[23]。這些都說明了生長速度對OC發(fā)病有重要影響。

從生理學(xué)角度考慮，高生長率可能會使軟骨內(nèi)骨化的生理過程承受過大的壓力，從而增加OC發(fā)病的風(fēng)險。同時，高能量飲食不僅會導(dǎo)致高生長率，也會導(dǎo)致高胰島素血癥。高能量特別是高碳水化合物的攝入會引起胰島素或甲狀腺激素分泌紊亂，導(dǎo)致軟骨管周圍軟骨細(xì)胞成熟緩慢、肥大細(xì)胞代謝障礙以及胰島素抗性，這些都增加了OC發(fā)病的風(fēng)險[24]。

與正常馬相比，患有OC的馬在飼喂精料日糧后血糖升高幅度更大，胰島素反應(yīng)也更劇烈。胰島素及其衍生物胰島素樣生長因子IGF-I、IGF-II的分泌失衡對軟骨內(nèi)骨化過程有直接影響，因而患OC馬駒的IGF-I活性明顯低于健康馬駒[24]。另外，胰島素還會降低甲狀腺激素T3和T4在循環(huán)中的含量，增加OC患病風(fēng)險，因為甲狀腺激素直接參與軟骨細(xì)胞分化和使血管進(jìn)入生長軟骨的過程。

微量元素和礦物質(zhì)失衡也會導(dǎo)致OCD。飲食中鈣攝入量過多會導(dǎo)致降鈣素升高，通過抑制破骨細(xì)胞的骨吸收活動，導(dǎo)致骨化癥(即硬化癥)，從而引發(fā)OCD[25]。有研究對高銅和低銅飲食進(jìn)行了對比分析，結(jié)果顯示，飼喂低銅飲食的馬駒骨軟骨病發(fā)病率顯著升高，說明缺銅會增加OCD的發(fā)病率，這些變化在頸椎中尤為明顯[26]。從機(jī)理上講，銅可能通過降低組織蛋白酶B和組織蛋白酶D的活性來發(fā)揮保護(hù)軟骨的作用。過量攝入鎘或鋅這2種銅拮抗劑，同樣會導(dǎo)致OC樣損傷。有流行病學(xué)數(shù)據(jù)顯示，在肯塔基州和俄亥俄州的種馬場，較高水平的發(fā)育性骨科疾病與低銅飲食有關(guān)，因此在懷孕的最后階段為母馬補(bǔ)充足夠的銅十分重要[27]。

2.3 生物力學(xué)負(fù)荷和創(chuàng)傷 對于小馬駒來說，幼年時期的運(yùn)動鍛煉對協(xié)調(diào)肌肉骨骼系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，適當(dāng)?shù)腻憻捒梢蕴嵘R駒對運(yùn)動損傷的抵抗力。馬駒的充足運(yùn)動對骨骼發(fā)育很重要，成長中的馬駒每天應(yīng)至少活動12 h，才能保證骨骼和關(guān)節(jié)的健康發(fā)育[28]。還有數(shù)據(jù)表明，即使在高能量飲食的情況下，運(yùn)動對骨骼也有“保護(hù)”作用。這項針對早期斷奶的幼齡溫血馬駒的研究顯示，與飼喂相同飲食但運(yùn)動有限的馬駒相比，適當(dāng)運(yùn)動的馬駒患骨軟骨病的概率顯著降低[29]。

但是，出生后的過度運(yùn)動會造成關(guān)節(jié)負(fù)荷異常，可能是導(dǎo)致OC發(fā)病的另一個重要因素，幼齡馬駒骨骼血管系統(tǒng)較為脆弱，過量運(yùn)動產(chǎn)生的剪切力會導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨承受過度壓力，造成軟骨基質(zhì)異常，出現(xiàn)裂縫，最終導(dǎo)致OCD的發(fā)生，軟骨病變形成。因此，關(guān)節(jié)負(fù)荷過重、關(guān)節(jié)負(fù)荷不均勻或關(guān)節(jié)受力不均勻，都是導(dǎo)致OC發(fā)生的風(fēng)險因素。影響關(guān)節(jié)生物力學(xué)負(fù)荷的因素主要包括馬駒的運(yùn)動方式、圍場的大小以及地形的粗糙度和構(gòu)型等。因此，需要根據(jù)馬駒的實際情況，調(diào)整其運(yùn)動時長、運(yùn)動場地和運(yùn)動計劃。

創(chuàng)傷一直被認(rèn)為是導(dǎo)致馬骨軟骨病的主要原因之一，因為所有容易發(fā)病的關(guān)節(jié)或部位往往均位于局部生物力學(xué)應(yīng)力區(qū)。生長中的骨骺遭受創(chuàng)傷或局部感染可能會改變受影響部位的血液供應(yīng)，從而導(dǎo)致生長軟骨局部缺血性壞死。嚴(yán)重創(chuàng)傷可直接導(dǎo)致碎片斷裂，較輕創(chuàng)傷可造成軟骨下骨壞死，間接導(dǎo)致軟骨碎片形成[30]。大多數(shù)骨軟骨病的臨床癥狀很可能是由某種類型的創(chuàng)傷引起的，這些創(chuàng)傷通常是輕微的，不足以對正常關(guān)節(jié)造成損傷。但反復(fù)的微創(chuàng)傷，例如肩關(guān)節(jié)中肱骨頭背尾側(cè)的撞擊，以及膝關(guān)節(jié)中股骨外側(cè)髁內(nèi)側(cè)與髁間隆起外側(cè)之間的過度接觸，都是引發(fā)病變的重要因素。

除了創(chuàng)傷因素外，血管病因?qū)W也幫助解釋了OC的發(fā)病機(jī)制。骨骺組織在成熟時血管會逐漸消失，而某些軟骨管的血管異常會導(dǎo)致缺血和局部軟骨壞死，這可能解釋了為什么骨軟骨病只發(fā)生在幼齡馬駒的骨骼生長期。因此缺血也是OC或OCD發(fā)展的一個危險因素，可能與A-E復(fù)合體早期OC的出現(xiàn)有關(guān)[31]。

3 總結(jié)

OC和OCD都是比較常見的發(fā)育性疾病，影響不同品種幼馬關(guān)節(jié)的軟骨和骨骼生長，發(fā)病率呈上升趨勢。OC的早期發(fā)病機(jī)制主要包括軟骨管的破壞、骨軟骨交界處的生物力學(xué)剪切、軟骨內(nèi)成骨的分子改變等，相關(guān)的風(fēng)險因素主要包括遺傳因素、管理因素、生物力學(xué)等。

OC病變有可能自行愈合或進(jìn)一步發(fā)展為OCD病變。早期OC的愈合最有可能發(fā)生在較年輕的馬駒身上，因為此時發(fā)育中軟骨的血液供應(yīng)能力最強(qiáng)。愈合需要殘留軟骨組織的軟骨內(nèi)骨化和關(guān)節(jié)軟骨與軟骨下骨界面間的適當(dāng)發(fā)育。在愈合階段限制運(yùn)動可能有助于防止早期OC的惡化。

盡管近年來對OC發(fā)病機(jī)制的研究逐漸深入，但還需要進(jìn)一步的研究來確定軟骨管血管壞死、缺血的原因以及軟骨Ⅱ型膠原結(jié)構(gòu)和代謝在OC中的作用。另外，關(guān)于OC或OCD發(fā)病過程中氧化應(yīng)激、胰島素抵抗、肥胖和代謝紊亂等機(jī)制尚不完全清楚，仍需進(jìn)一步的研究。