胡瓊潔綜述 周建林審校

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血管內(nèi)皮生長因子在骨關(guān)節(jié)炎軟骨鈣化層重構(gòu)中的作用*

胡瓊潔1綜述 周建林2，#審校

骨關(guān)節(jié)炎(OA)是一種以關(guān)節(jié)軟骨退變、滑膜炎、軟骨下骨改變及骨贅形成為病變基礎(chǔ)的疾病。研究發(fā)現(xiàn)血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)參與了OA的發(fā)生發(fā)展過程, 尤其是參與軟骨鈣化層重構(gòu)；血清VEGF水平與關(guān)節(jié)炎嚴重程度密切相關(guān)。本文對此研究進展作一綜述。

骨關(guān)節(jié)炎；血管內(nèi)皮生長因子；鈣化層

骨關(guān)節(jié)炎(Osteoarthritis, OA)是一種以關(guān)節(jié)軟骨退變、滑膜炎、軟骨下骨改變及骨贅形成為病變基礎(chǔ)的疾病，主要表現(xiàn)為關(guān)節(jié)疼痛及活動受限，常危害中老年人身心健康。隨著社會人口老齡化，OA的發(fā)生率逐年增加，但其發(fā)病原因目前不太清楚。不斷探討OA發(fā)病機制，從而更有效地防治OA，成為學(xué)界重要課題?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，軟骨鈣化層在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生發(fā)展中起到一定作用，血清血管內(nèi)皮生長因子(Vascular Endothelial Growth Factor，VEGF)水平與關(guān)節(jié)炎嚴重程度密切相關(guān)，表明VEGF可能參與了軟骨鈣化層重構(gòu)，為深入探討骨關(guān)節(jié)炎機制提供了新的路徑和策略，具有重要的科學(xué)意義和社會價值。

1 OA的軟骨鈣化層變化

正常關(guān)節(jié)軟骨和軟骨下骨共同承載與分散來自重力及運動的負荷，OA則是正常關(guān)節(jié)承受不正常壓力或不正常關(guān)節(jié)承受正常壓力后發(fā)生軟骨及軟骨下骨病變。既往研究認為，關(guān)節(jié)軟骨和軟骨下骨相互獨立[1]；然而近年研究發(fā)現(xiàn)OA軟骨與骨之間可能相互影響[2]，非鈣化層軟骨細胞和骨細胞存在“對話”[3,4]，其中OA軟骨下骨的新生血管穿過鈣化層，侵入非鈣化層軟骨，實現(xiàn)了“骨-軟骨對話”，具有新的研究意義，但其機制仍不明確[5]。

正常膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)軟骨鈣化層厚度從幾微米至300多微米不等，結(jié)構(gòu)緊密，內(nèi)含少量肥大軟骨細胞；鈣化層是骨與軟骨之間的界面結(jié)構(gòu)，與非鈣化層以潮線(關(guān)節(jié)軟骨發(fā)育成熟的一個重要標(biāo)志)狀緊密連接，通常為一條波浪狀結(jié)構(gòu)，含有扁平狀和垂直狀膠原。當(dāng)軟骨退變或發(fā)生骨性關(guān)節(jié)炎時，鈣化層的礦化緣向未鈣化軟骨區(qū)推進，非鈣化層變薄，出現(xiàn)“潮線漂移”[6，7]。既往有研究認為致密鈣化層結(jié)構(gòu)是骨軟骨交通的障礙，阻止了小分子有機物質(zhì)在骨-軟骨之間流通，象隔離帶一樣將骨-軟骨分割成兩個獨立的環(huán)境[1]，形成“骨-軟骨對話”的主要障礙。近年來越來越多的研究證實，鈣化層并非是完全不可逾越的屏障，骨-軟骨之間存在某些“對話”[2]，Arkill 等[8]發(fā)現(xiàn)小分子示蹤劑熒光素Na和玫瑰紅B可以從上下兩側(cè)自由通過成年馬掌指關(guān)節(jié)軟骨鈣化層；Guévremont 等[9]首次發(fā)現(xiàn)OA患者成骨細胞來源的人類生長因子(HGF)可能以旁分泌方式通過鈣化層進入非鈣化軟骨深層；Pan等[10]報道骨-軟骨界面通透性與OA嚴重程度呈正相關(guān)；Gupta等[11]認為早期鈣化層不均一、礦化程度增加、鈣化層增寬、潮線向軟骨淺層推進、軟骨變薄，使得非鈣軟骨層鈣化，出現(xiàn)“潮線漂移”；而且鈣化層Ⅹ型膠原表達下降、微裂隙形成、硬化區(qū)成骨細胞抑制軟骨細胞蛋白聚糖表達、誘導(dǎo)基質(zhì)金屬蛋白酶-3(MMP-3)和MMP-13表達，加速軟骨降解，最終引起鈣化層細胞的組成及三維空間結(jié)構(gòu)變化和細胞通透性增加，新生血管侵入鈣化層[12]，促進“骨-軟骨會話”。

2 關(guān)節(jié)軟骨抗血管特性

正常人關(guān)節(jié)軟骨中無血管，關(guān)節(jié)軟骨具有抗血管生成特性，如抗血管生成因子-1(Thrombospondin-1,TSP-1)、肌鈣蛋白I(Troponin I，TnI)、軟骨調(diào)節(jié)因子-I(Chondromodulin-I，ChM-I)等。TSP-1主要在軟骨的移行區(qū)和深層表達，能夠抑制內(nèi)皮細胞增殖、誘導(dǎo)其凋亡，并阻止VEGF與VEGF受體2(VEGFR2)結(jié)合[13,14]；TnI能夠抑制管腔樣結(jié)構(gòu)形成； ChM-I在防止軟骨血管生成中同樣發(fā)揮重要作用，在OA軟骨鈣化區(qū)及軟骨下骨區(qū)ChM-I表達下降有利于血管侵入。然而，在OA的關(guān)節(jié)軟骨中，軟骨細胞集聚，并有血管從軟骨下骨向軟骨侵入，突破潮線侵入鈣化層。

3 VEGF在OA鈣化層中的作用

最近，許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)軟骨中新生血管出現(xiàn)，即VEGF參與了OA的發(fā)生發(fā)展過程[15,16], 而且血清VEGF水平與OA嚴重程度密切正相關(guān)[17]。我們前期的實驗研究[18]也發(fā)現(xiàn)，OA關(guān)節(jié)軟骨中VEGF 及VEGFR-2 mRNA表達較正常軟骨明顯升高，有利于血管生成；VEGF通過其受體特異性作用于血管內(nèi)皮細胞，促進血管內(nèi)皮細胞增生，使新生血管形成，并穿越鈣化層侵入表層。還有研究表明，VEGF能明顯提高血管通透性，加速OA炎癥的形成和發(fā)展；VEGF參與關(guān)節(jié)軟骨結(jié)構(gòu)的重塑[19]，促進軟骨細胞表達一氧化氮(NO)、白細胞介素-1β(IL-1β)和白細胞介素-6(IL-6), 腫瘤壞死因子-α(TNF-α)及MMPs，抑制MMP組織抑制因子(TIMPs)合成[20]。本文作者前期實驗發(fā)現(xiàn)，VEGF可抑制關(guān)節(jié)炎軟骨細胞Ⅱ型膠原和蛋白聚糖的表達[21]，加速軟骨降解，破壞軟骨完整性，減弱抗血管特性，為血管的侵入創(chuàng)造條件。關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射VEGF能加速軟骨鈣化及骨硬化，導(dǎo)致OA[22]，而靜脈注射VEGF單克隆抗體可以明顯抑制新生血管的生成，促進軟骨缺損的修復(fù)及新生軟骨與周邊軟骨的嵌合[23]。Nagai等[24]發(fā)現(xiàn)軟骨缺損修復(fù)組織中有大量血管組織侵入，導(dǎo)致修復(fù)軟骨的生物力學(xué)性能較差，而機體一旦獲得抗血管特性的骨髓干細胞，則具有良好的修復(fù)軟骨性能，使軟骨具有較好的完整性，能夠抵抗機械壓力和炎性因子的侵入。在此過程中，鈣化層肥大軟骨細胞發(fā)揮著指揮者的作用，主動調(diào)節(jié)軟骨內(nèi)成骨過程，通過改變周圍基質(zhì)的性質(zhì)與成分，指導(dǎo)軟骨內(nèi)成骨的礦化；通過表達印度刺猬因子(Indian Hedgehog，IHH)，誘導(dǎo)毗鄰的軟骨膜細胞分化為成骨細胞，形成骨領(lǐng)；通過表達VEGF，誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細胞的侵入[25]。由此可見，VEGF在關(guān)節(jié)軟骨鈣化層重構(gòu)、新生血管形成及侵入過程中發(fā)揮了重要作用，但是其具體機制需要進一步探討。

4 VEGF表達的調(diào)控

對于VEGF表達升高的調(diào)控機制，既往研究認為其主要受缺氧誘導(dǎo)因子-1α(Hypoxia-Inducible Factor 1α,HIF-1α)調(diào)節(jié)，HIF-1α可在早期分化的軟骨細胞表達，誘導(dǎo)軟骨細胞再生、基質(zhì)合成及細胞存活等。這種觀點與VEGF的作用機制大相徑庭。我們復(fù)習(xí)文獻后認為，VEGF至少不完全受HIF-1α調(diào)控。最近研究發(fā)現(xiàn)，缺氧誘導(dǎo)因子-2α(Hypoxia-Inducible Factor-2α,HIF-2α)在人及大鼠OA軟骨中表達明顯升高。HIF-2α由EPAS1基因編碼，主要在鈣化層高分化的肥大軟骨細胞表達，誘導(dǎo)軟骨細胞凋亡[26]；上調(diào)VEGF表達，可致軟骨基質(zhì)降解，促進新生血管形成并侵入軟骨[27,28]。

HIF-2α可能成為治療OA的靶標(biāo)[29]，關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射Ad-EPAS1可以促進膝關(guān)節(jié)OA的發(fā)生，誘導(dǎo)MMPs、帶有血小板凝血酶敏感蛋白樣模體的解整鏈蛋白金屬蛋白酶-4(ADAMTS-4)、豬前列腺素G/H合酶2(PTGS2)等代謝因素表達升高；相反，EPAS1缺陷大鼠可以抵抗OA的發(fā)展[30]。研究證實炎性因子及機械壓力都可以引起核轉(zhuǎn)錄因子-κB(NF-κB)表達。NF-κB作為HIF-2α的上游信號，可以誘導(dǎo)HIF-2α表達。即NF-κB/ HIF-2α/VEGF信號通路參與了軟骨退變[29]。由此推斷VEGF可能通過NF-κB/HIF-2α信號通路參與鈣化層軟骨的重構(gòu)和新生血管形成，而且可以設(shè)想相對分子量較HGF小的VEGF有可能自由通過鈣化層，引起鈣化層重構(gòu)，出現(xiàn)“潮線漂移”，為新生血管的侵入鋪平道路，促進“骨-軟骨對話”。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)HIF-2α和VEGF的表達與OA的嚴重程度成正相關(guān)[31]。

5 結(jié)語

OA的發(fā)生是一個非常復(fù)雜的過程，“骨-軟骨對話”機制仍不明確，可能與鈣化層重構(gòu)、“潮線漂移”有關(guān)；NF-κB/HIF-2α/VEGF信號通路可能調(diào)控鈣化層軟骨基質(zhì)的轉(zhuǎn)換，引起鈣化層重構(gòu)，潮線前移，通透性增加，為血管侵入做好準備。NF-κB/HIF-2α信號通路介導(dǎo)的VEGF對內(nèi)皮細胞增殖、遷移、新生血管的形成及穿越、鈣化層侵入非鈣化層軟骨發(fā)揮主要作用，可能是“骨-軟骨對話”機制之一。

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本文作者簡介：

胡瓊潔(1982-)，女，漢族，博士，主治醫(yī)師，研究方向：骨關(guān)節(jié)炎的放射診斷

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The Role of Vascular Endothelial Growth Factor in Reconstruction of Cartilage Calcification of Osteoarthritis

HU Qiong-jie1, ZHOU jian-lin2,#

1Department of Radiology, Tongji Hospital of Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430030, China；2Department of Orthopedics, Renmin Hospital of Wuhan University, Wuhan 430060, China;#

Osteoarthritis (OA) is a disease characterized by articular cartilage degeneration, synovitis, subchondral bone changes and osteophyte formation lesions. The study found that the presence of neovascularization and vascular endothelial growth factor (VEGF) in articular cartilage was involved in the development of osteoarthritis. The level of serum VEGF was closely related to the severity of arthritis, and cartilage calcification.

Osteoarthritis；Vascular endothelial grouth factor；Cartilage calcification

國家自然科學(xué)基金(81301592)

1華中科技大學(xué)同濟醫(yī)學(xué)院附屬同濟醫(yī)院放射科， 武漢 430030；2武漢大學(xué)人民醫(yī)院骨科，武漢 430060；#

，E-mail:zhoujianlin2005@sina.com

本文2017-01-18收到，2017-03-20修回

R684.3

A

1005-1740(2017)02-0067-04