骨性关节炎的病因研究进展 |
| 时间：2007-06-23 01:12:45 来源：不详 作者：佚名 |
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关节骨性关节炎(Osteoarthrosis , OA) 又称为膝关节退行性关节炎，是一种常见的慢性关节炎，多见于老年人。流行病学调查显示55－64岁的人群中发病率达40％，随着世界老龄化人口的增加，其发病率也逐年上升。病变从膝关节软骨退行性改变开始逐步累及软骨下骨质、滑膜、关节囊等关节重要结构，其修复及代偿过程是一个慢性炎症过程。随着分子生物学、遗传学、免疫学的发展，发现遗传因素、性激素、细胞因子、自由基、自身免疫、骨内高压、金属蛋白酶、软骨细胞凋亡等在OA的发病过程中起着十分重要的作用。本文就目前认为OA的上述病因作出综述。 1.遗传因素 不同种族和不同人群骨性关节炎病率不同，其差异与职业和生活方式有关，但是遗传易感因素也与本病的发生有一定关系。OA病人的HLE－A1B8、HLE－B8检出率和单合子抗胰蛋白酶表型频率增加，对软骨主要成分胶原蛋白与遗传因素关系的研究也支持OA与遗传因素有关的发病学说。研究发现Ⅱ型胶原α1链上单一碱基的突变是OA的遗传学基础，其基因的结构异常可引起蛋白质结构的改变，进而导致关节软骨发育不良。临床上则表现为关节软骨过早退变破坏．继而发生骨质增生等原发性OA[1]。有关双胎和家族性的多方面研究证据已表明遗传因素起到了相当重要的作用，可能参与其中的基因包括维生素D受体(VDR)基因、Ⅱ型前胶原基因、雌激素受体基因、胰岛素样生长因子基因和多种细胞因子。骨赘的形成体现了骨代谢和骨重建的作用，并且在破骨细胞和造骨细胞上都发现了VDR受体，提示基因多态性最有可能与骨赘形成有关[2]。吴昊等[2]认为OA的发病机制更倾向于复杂的多基因调控的作用，任何一种基因对疾病的作用都不是单一的，在多种基因的联合作用中，每一种基因的作用可能是微弱的，但各个基因间的相互作用联合足以产生决定性的影响。基因环境因子的作用也不能忽视，如体重、职业、外伤等。如果存在一定基因变异的患者发生了环境因子的变化，或环境因子对基因产生了调整作用，也许是OA患者发病的另一个重要机制。 OA 的流行病学研究显示，本病是一种遗传性代谢异常引起的全身性改变的关节表现。女性显性遗传，老年女性显性发生率30％ ，男性隐性遗传，老年男性仅为3％左右。该病从20岁开始退变，50岁中有5％ 的人因膝痛就诊，55—65岁中有85％的人X线片不同程度退变，到55岁后女性退变进程比男性更严重，更广泛[3]。 2.细胞因子 软骨基质的正常结构和功能依赖于合成代谢和分解代谢的平衡，此平衡是通过细胞因子来调控的。根据细胞因子对代谢的调节作用特征，将其分为分解性细胞因子和合成性细胞因子，二者之间的平衡维持着软骨基质合成代谢和分解代谢的平衡，二者之间的平衡失衡是骨性关节炎软骨基质的降解和破坏的基本原因。此外还有继发滑膜炎症的参与及软骨细胞凋亡过度，最终使关节软骨失去完整性。现已知在上述各个环节中均有细胞因子的参与，主要起促进分解代谢与OA病变进展的有IL－1、TNF、IL－6等，促进合成代谢及抑制OA进展的有IGF (胰岛素样生长因子)、TGF (转化生长因了)等。 2.1 白介素－1 (Interleukin－1, IL－1) IL－1来源于巨噬细胞、纤维细胞、软骨细胞、滑膜细胞和破骨细胞等，分为IL－1α和IL－1β两种，其生物活性相似， 主要为：刺激软骨细胞和滑膜产生MMPs等蛋白酶，促进软骨基质的降解；刺激软骨细胞和滑膜产生N0，诱导关节软骨细胞的凋亡； 促进软骨细胞和滑膜细胞产生PGE2参与炎症反应；促进成骨细胞样细胞的增殖和骨吸收，参与骨质增生和软骨下骨囊形变的形成；介导软骨细胞分化，调节软骨细胞表型变成成纤维细胞表型；抑制蛋白多糖的合成；抑制软骨细胞的增殖。IL－1β是一种促进发炎反应的细胞素，是造成关节软骨破坏的主要物质之一，实验结果显示，IL－1β会导致分解因子如蛋白聚糖－1、蛋白聚糖－2和MMP－3基因表现量的增加，而使合成因子如蛋白聚糖和Ⅱ型胶原表现量下降。IL－1β主要依靠NF－kappaB的机制来作用于软骨，Mendes AF[4]等在对牛关节软骨细胞的研究中发现软骨细胞在IL－1的单独处理下，可以诱导NF－kappaB的活性和iNOS的表达，促进软骨细胞的凋亡。 IL－1β还被发现可以增加MMP－3的表达，同时使蛋白多糖的浓度也随之降低[5]。IL－1有两个常见的受体（IL－1RI、IL－1RII），IL－1通过与靶细胞上的受体结合而发挥作用，OA软骨细胞表面的受体数量是正常细胞表面的2倍，使OA的软骨和滑膜细胞对IL－1具有高度的敏感性。潘海乐定量检测OA模型动物血清、关节液中IL－1水平变化，结果实验组动物血液、关节液中IL－1水平显著升高，与正常对照组比较有明显差异。表明IL－1升高与OA病变程度平行，二者呈高度正相关[6]。 2.2 肿瘤坏死因子(Tumor neerosis factor, TNF) TNF分为TNF－α和TNF－β两种，生物活性几乎相同。TNF－α与IL－1只有3％的同源性，生物活性比IL－1低100倍，二者作用于不同的受体，但表现出许多相似的生物学特性[7]。TNF－α可激活多型核细胞，刺激滑膜细胞的PGE2产生，增加骨、软骨的破坏。邓廉夫等[8]通过对TNF－α的研究指出， TNF－α以促滑膜成纤维细胞样细胞增殖作用为主，并因其增强滑膜细胞RNA的表达功能，而使滑膜组织纤维性变及滑液中细胞因子水平异常升高，从而改变关节的力学特征和软骨细胞的生活微环境，而成为参与OA关节软骨退变。Schlaak JF等[9]发现，OA 病人的滑液内存在着高浓度的TNF－α，OA滑膜细胞培养液内也有高浓度的TNF－α出现， 而正常滑膜细胞培养液内未能检出TNF－α．Shimei[10]用免疫组化方法检测软骨组织，OA软骨TNF－α为阳性反应，而正常软骨则为阴性， 说明TNF－α可能是OA 发病过程中的重要一环。现已查明，TNF－α可以刺激滑膜与软骨细胞合成胶原酶与PGE2 (前列腺素E2)，刺激软骨细胞合成金属蛋白酶与丝氨酸蛋白酶，进而产生软骨细胞外基质的降解[11]。Webb[12]发现，在OA 软骨组织培养液内加入TNF－α后，l4天时可见到培养液内糖胺糖的浓度即有明显的升高，这说明软骨的破坏与分解加快了，而在正常软骨组织培养液内加入TNF－α， 糖胺糖的浓度仅有微弱的上升。这表明，OA软骨与正常软骨对TNF－α促分解代谢的反应是不同的。不仅如此，TNF－α对软骨细胞的合成代谢亦有影响，Nakamura[13]发现，在兔关节软骨细胞培养液内加入TNF－α24、48小时，培养液内骨连结素(Osteonctin)的浓度即明显下降。因此，TNF－α从促进软骨分解与降低软骨细胞合成两个方面对OA 的病程产生作用。此外，TNF－α还可刺激软骨细胞合成IL－6，与IL－8，产生进步的炎症反虑。 2.3 转化生长因子－β(Transforming growth factor，TGF－β) TGF－β是一大类多功能细胞因子，广泛参与软骨细胞的增殖分化过程，对胶原的合成具有双重调节作用。当细胞分裂活跃，S期细胞比例较高时，TGF－β刺激增殖；相反，当细胞分裂缓慢，G1期细胞比例高时，TGF－β则抑制增殖[14]。Morales等[15]在体外关节软骨培养时发现，TGF－β能增加软骨细胞合成蛋白聚糖PG，抑制其降解，并维持ECM中PG浓度的相对稳定。另外，有学者认为TGF－β对原代培养的兔关节软骨细胞抑制胶原合成的作用机制是：TGF－β激活蛋白激酶系统传递信号到胞内，使Ⅱ型胶原基因第一内含子的增强子与核蛋白结合，抑制Ⅱ型胶原基因的转录启动[16]。 2.4 胰岛素样生长因子(Insulin－like growthfactor, IGF) IGF－1在OA的发生过程中对软骨细胞蛋白多糖的合成起着关键的调节作用，是软骨合成的介质，可以增加蛋白多糖的合成，减少软骨的降解[17]。OA病理表现中关节软骨表面粗糙不平，软骨基质的原纤维性变，软骨细胞肿胀、崩解、增生，导致这些表现的基本原因之一就是异常增加的胰岛素样生长因子结合蛋白(Insulinlike growth factor binding protein, IGFBP)阻碍了IGF－1和受体之间的结合，从而使OA软骨细胞对IGF－1不敏感，OA软骨细胞利用羟脯氨酸合成PG的能力下降，且OA骨赘形成与血清IGF－1水平呈正相关。Mathieu[18]研究发现在规则的有细胞的新陈代谢中， IGF通过增加IL－1的对抗性的受体来阻碍IL－1对软骨细胞的分解作用，这种调控对维持细胞外基质的内环境稳定性是相当重要的。实验证实了，硫酸软骨素盐ACS4－ACS6可以中和其降解能力。Malemud[19]在对生长因子IGF－1的研究中发现，它的结合蛋白和TGF促成了合成代谢的通路包括补充了细胞外基质蛋白的合成，分解代谢的通路被细胞因子IL－1和TNF－a所控制。 2.5 白细胞介素－6(Interleukin-6, IL-6) IL－6又称B细胞分化因子[20]，其作用与B细胞功能相关联，正常人滑膜免疫组化测不出IL－6，但在OA滑膜衬里细胞及浸润的单核巨噬细胞中可检测其存在。IL－6可激活B细胞和T细胞，通过其自分泌形式作用于软骨细胞，促进软骨细胞的增殖。Venn等[21]在OA动物模型中发现，早期OA的软骨蛋白聚糖合成能力增高与滑液中IL－6水平的增高相关，认为在OA早期可以通过自分泌或旁分泌的机制引起IL－6水平增高，而在晚期这种机制逐渐丧失，引起IL－6水平的降低。有人在关节液中观察到，OA滑液中的IL－6水平含量随病程的发展有逐渐降低的趋势，认为可能是IL－6维持MMPs和TIMP平衡的能力减弱而不能抑制软骨基质退变的结果[22]。骨关节炎患者血清中IL－6水平在OA中期达到高峰，晚期下降，并且在早中期较正常人明显升高。 3. 自由基 自由基是含有1个或多个未配对的电子、具有很强反应活性的基团，其可对氨基酸、多肽和蛋白质进行化学修饰，改变其结构和功能，增加其对蛋白水解酶的敏感性，促进其降解，使细胞膜发生脂质过氧化，成为许多疾病发生的基础。自由基对关节软骨的损伤作用，已开始为人们所重视。自由基作用于胶原蛋白的氨基酸、脂链等，改变了胶原蛋白的一级结构，破坏其二级和三级结构；直接与透明质酸反应，攻击其中结合多糖的化学键，使透明质酸发生解聚和降解[23] 。自由基通过对细胞生物膜、蛋白质和核酸等的损伤，可引起软骨细胞的形态、生长状态和功能改变．促进软骨细胞的凋亡，抑制蛋白多糖的合成，使胶原的分泌由Ⅱ型转变为I型[23]。由此说明，生物自由基不仅可破坏软骨基质，而且损伤软骨细胞，从而加速关节软骨的损伤与退变，可能在OA的发病中也起着较重要的作用。 NO是一种高反应性细胞毒性自由基，是一种内嗜脂性和有高反应性的气体性传递及调节介质。在细胞因子(CK)IL－1、TNF－A、INF等的作用下，可激活诱导型NO合成酶(iNOS)，从而在OA的滑膜和关节软骨中生成大量NO。生成的NO主要有信息传导功能和细胞毒性因子功能。对软骨细胞产生的毒害作用，包括对胶原和蛋白聚糖合成的抑制及对依赖性整合素B1对细胞外基质粘附的抑制[24]。Studer-R通过将(iNOS)基因转入软骨细胞的方法，发现软骨细胞产生的大量NO能抑制软骨基质蛋白聚糖的合成，促进软骨基质中蛋白聚糖和胶原蛋白降解，肯定了内生NO具有抑制软骨基质合成的能力[25]。Grubowsky研究证实，滑膜成纤维细胞及骨母细胞需加入两种或两种以上刺激因子才能刺激(iNOS)产生大量NO，而软骨母细胞只需一种细胞因子的刺激就可以产生大量的NO，说明软骨母细胞更易产生大量的NO而导致自身组织损伤[26]。在OA的病程中骨的改变是显著的，滑膜中高含量的NO引起滑膜组织损伤和血管扩张，但少量的NO可改善滑膜的血液循环，增加滑膜组织的抗病能力，加快损伤滑膜的修复。在骨代谢过程中高浓度的NO抑制骨吸收，低浓度的NO刺激骨吸收，NO对骨吸收的双相作用，在很大程度上受CK的调节。NO还可能作为骨对机械应力适应的生理性调节剂[27]，骨的机械负荷增加时可引起NO快速短暂的释放，OA病人血清及滑液中的NO水平高于正常人，关节软骨浅层的软骨细胞较深层的软骨细胞能产生更多的NO。 4. 骨内高压学说 1983年carsen首次提出骨内高压概念。以后的研究表明近关节骨髓微循环障碍，骨内静脉回流受阻，关节内压升高，血流量减少，氧耗量增加，引起酶释放，降解了关节软骨，但血流动力学代谢改变是否只是OA发病过程某阶段伴随的病理现象，加之对于骨内血流动力学研究方法颇多，各有其局限性，故有待进一步研究证实。张子峰等[28]通过结扎股静脉后切断同侧腓肠肌的手术方法，造成兔膝关节周围骨内高压模型，结果表明在失去了肌肉舒缩功能后，肌力特别是腓肠肌力量减弱在OA发病中有重要作用。马建兵等[29]选用40只健康雄性家兔，采用Halth造模法，切断兔膝关节前后交叉韧带及内侧副韧带，切除内侧半月板，有正常外翻10°变为内翻，关节最大压力有正常的外侧胫骨平台转移到内侧胫骨平台与股骨内髁关节承担，关节负重面减少局部关节软骨所承受的压应力相对增加，结果表明骨内压的增高是导致OA发生的病理学基础。 5. 自身免疫反应 近年来关节软骨损伤退变中的自身免疫反应现象日益为人们所关注。有些学者根据病人关节反复肿胀、滑膜炎表现等症状推测OA的发生可能与关节软骨的自身免疫反应下降。实验证明，OA患者关节液中IgA、IgM 和IgC的含量下降且有补体沉着，因而降低了对炎症的反应能力，且关节易于感染，形成难以治愈的滑膜炎。但也有学者认为是自身免疫反应增强的结果，在胚胎和出生后的个体发育过程中，软骨组织大多处于与机体自身免疫监视系统相隔离的状态，一旦软骨受到某种损伤，软骨成分就被暴露出来，引起抗自体软骨成份的自身免疫反应，产生的抗胶原抗体可抑制软骨细胞DNA、硫酸多糖和胶原的合成，进一步加重软骨的退变，使更多的软骨成份暴露出来，再次激发自身免疫反应，抗胶原抗体是关节软骨退变的始因或结果。近年来的研究表明OA的滑膜中常有炎性细胞浸润，T淋巴细胞在浸润中的作用逐渐被认识[30]。浸润聚集的T淋巴细胞可以激活CD69、CD25、CD38、CD43、CD45和组织相容性白细胞抗原(HLA)classⅡ，进而产生抗原抗体反应，促进软骨细胞的破坏[31] 。 6. 基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase, MMPs) MMPs是一类广泛存在于结缔组织中的结构相似、酶活性依赖于Zn2＋ 的蛋白酶超家族，已发现有20种，组成MMPs家族。MMPs按其被发现的顺序可分为MMP1～MMP20，按其作用底物的不同又可分为五类： 胶原酶(MMP－1，8，13)、明胶酶(MMP－2，9)、基质溶解素(MMP－3，10，l1)、膜型(MMP－14～17)及其他MMPS(MMP－4～7，12，19，20)。MMPs的主要生物活性是降解ECM 中的各种基质蛋白，此外激活的MMPs还可切除MMPs酶原的前肽使其激活而产生瀑布式放大效应。胶原酶主要作用于I、Ⅱ、Ⅲ型胶原，明胶酶主要以明胶、Ⅳ 和V型胶原、弹性纤维等为作用底物，基质溶解素能降解基质中的蛋白多糖、弹性纤维、层粘连蛋白等多种基质蛋白，膜型MMPs可通过激活其他的MMPs而发挥作用，其他MMPs则以弹性纤维、蛋白聚糖、I型胶原及明胶等为作用底物。 MMPs在体内受到多个层面的严格调控，其中组织源性基质金属蛋白酶抑制剂(TIMPs)是组织局部MMPs活性最重要的调节因素，通过与MMPs按1：1的比例发生不可逆的结合而使MMPs失活，从而调节局部MMPs的生物活性，MMPs与TIMPs之间的关系失衡，是OA软骨降解的重要机制[32]。OA患者的关节液中MMPs要明显高于TIMPs，由于二者间的相对平衡被破坏而促进了软骨的降解，进而导致骨性关节炎的发生。新近的研究显示骨性关节炎时IL－1可使MMPs的基因表达上调[33]。研究表明，OA关节软骨破坏的严重程度与中性蛋白酶和胶原酶的含量与活性呈正相关[34]。 7. 细胞凋亡 凋亡(APO)是指多细胞生物体有核细胞在基因控制下、依赖ATP供能、遵循自身程序而发生的自然死亡过程，又称程序性死亡(PCD)，以清除无功能的细胞、受损害的细胞、衰老细胞或对自身有害的细胞，从而确定某一特定部位细胞数量不超过生理需要量，维持机体内环境稳定。APO是保证机体发育成熟和维持正常生理功能所必需的一种生理现象，许多正常组织均存在APO，但是APO不足或亢进则会引相关疾病。在关节软骨中也存在软骨细胞的APO，其在OA中的作用也引起人们的重视。在正常关节软骨细胞APO 的发生率很低，为0％ ～5％ ，而在OA关节软骨细胞APO 的发生明显增高。此说明软骨细胞APO参与OA的发生与发展。关于软骨细胞APO比例的研究结果存在较大差异，从正常软骨标本中的 0％～10％，到OA 患者标本中的22％ ～51％ [35,36]。正常软骨细胞的APO主要位于表层，而OA患除表层的数量明显增加外，移行层和辐射层均存在细胞 APO，这些区域是iNOS和NO表达最高的区域，也是蛋白多糖丢失最多的区域。。程序化死亡基因5 (PDCD5)是北京大学人类疾病基因研究中心发现的凋亡相关基因， 在细胞凋亡中发挥着重要作用[37,38]。研究发现PDCD5在OA关节软骨细胞中表达明显上调，可能参与OA软骨细胞的凋亡过程， 在OA的发病中发挥作用。由此说明， 软骨细胞凋亡异常是OA的重要原因之一，是OA发病机制中的重要环节之一。 彭丹等[39,340]成功地复制了骨关节炎的动物模型, ,通过对兔膝关节制动时间的动态观察发现,制动后1周即有软骨细胞凋亡的发生,且凋亡主要发生在表层软骨细胞,2周后凋亡呈进展趋势,4周时出现大量中层和表层软骨细胞凋亡,6周达高峰,此改变与光镜下软骨细胞发生退行性变的病理变化相符。由NO诱导和Fas介导OA关节软骨细胞异常凋亡,使软骨细胞数量减少,软骨修复功能下降,当成簇的软骨细胞凋亡脱落后,形成碎片进入滑液,可刺激滑膜,引起滑膜炎,同时释放炎症介质和自由基等刺激原,进一步诱导软骨细胞发生凋亡,甚至坏死,如此周而复始,形成恶性循环,最终关节完整性破坏。 OA是多因素导致的疾病，很难用某一因素来解释发病机理，随着实验技术的不断发展，我们总有着不断的新发现，如Morko等[41]发现组织蛋白酶K能够消化软骨基质成分。Denise等[42]发现IL－8Rs（CXCR2）和生长相关癌基因α（growth－related oncogene , GRO ）能够通过P38和TG2信号通路诱导软骨金属蛋白酶抑制剂的表达，导致软骨组织的增生肥大,并提示CXCR2 和 TG2可能是抑制OA中关节软骨增生肥大的干扰靶点。这些新的发现为将来的OA彻底治愈奠定了坚实的基础。
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