夏干清綜述 周龐虎審校

骨關(guān)節(jié)炎是全球最為常見的關(guān)節(jié)疾病，而軟骨的退行性改變、軟骨下骨組織的改變及滑膜炎性反應(yīng)都在疾病發(fā)生發(fā)展中起到關(guān)鍵作用。追溯其病因，包括外力、體質(zhì)量等機械因素和衰老等其他生物性因素都參與其中[1]。這些因素最終導致了關(guān)節(jié)軟骨細胞死亡，軟骨軟化缺失及骨贅形成，引發(fā)關(guān)節(jié)疼痛不適和患肢的活動受限，進而嚴重影響生活質(zhì)量，且?guī)砹溯^大的家庭及社會負擔。

氧化應(yīng)激是一種因機體代謝產(chǎn)生的活性氧(reactive oxygen species,ROS)與相應(yīng)抗氧化劑防御機制之間的不平衡并且偏向于氧化劑增多而產(chǎn)生的現(xiàn)象，氧化應(yīng)激是衰老的主要特征之一，能夠廣泛影響組織器官的正常功能[2]。此過程與機體內(nèi)包括神經(jīng)系統(tǒng)疾病、心血管系統(tǒng)疾病等病理過程密切相關(guān)。因軟骨組織缺乏血供，軟骨細胞曾經(jīng)被認為生活在厭氧環(huán)境中。然而有文獻指出實際上氧氣可以擴散到關(guān)節(jié)軟骨之中，其淺表和中部區(qū)域并不缺氧，這意味著氧化應(yīng)激能夠在關(guān)節(jié)軟骨中產(chǎn)生影響[3-4]。正常情況下，ROS主要通過還原型輔酶Ⅱ(NADPH)氧化酶在關(guān)節(jié)軟骨細胞中低水平產(chǎn)生，并且能夠調(diào)節(jié)軟骨細胞凋亡、基因表達、細胞內(nèi)基質(zhì)合成和分解，以及細胞因子的產(chǎn)生，是維持軟骨穩(wěn)態(tài)的細胞內(nèi)信號傳導的重要角色。已有證據(jù)表明，骨關(guān)節(jié)炎軟骨比正常軟骨具有更多的ROS誘導的DNA損傷。此外，骨關(guān)節(jié)炎患者的抗氧化酶也有明顯減少?？梢哉J為，氧化應(yīng)激參與并在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病中起到重要作用。

1 氧化應(yīng)激在骨關(guān)節(jié)炎中的作用

1.1 衰老及異常機械應(yīng)力因素誘發(fā)氧化應(yīng)激 骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生通常分為兩類，一類以年輕人為主要對象，主要由曾經(jīng)的關(guān)節(jié)損傷引起，稱為創(chuàng)傷后骨關(guān)節(jié)炎；而另一類則以中老年人為主要對象，與年齡因素息息相關(guān)[5]。在衰老的過程中，關(guān)節(jié)也相應(yīng)發(fā)生一系列變化[6]。肌肉組織減少或體質(zhì)量增加，骨細胞的減少及骨密度減低等因素改變了關(guān)節(jié)負荷和機械應(yīng)力，從而影響了關(guān)節(jié)的正常功能，并引發(fā)關(guān)節(jié)炎性反應(yīng)和氧化應(yīng)激過程的產(chǎn)生。Koike等[7]通過切除內(nèi)側(cè)半月板建立小鼠骨關(guān)節(jié)炎模型，證明了在骨關(guān)節(jié)炎軟骨中改變的機械應(yīng)力可以在關(guān)節(jié)軟骨中產(chǎn)生異常水平的ROS，且抗氧化物超氧化物歧化酶2(superoxide dismutase-2, SOD2)下調(diào)，動態(tài)機械負荷可能是通過TRPV-4這類機械應(yīng)力傳感通道信號傳導調(diào)節(jié)軟骨細胞的線粒體內(nèi)超氧化物的平衡，從而維持關(guān)節(jié)軟骨細胞的穩(wěn)態(tài)，由此可說明骨關(guān)節(jié)炎患者的ROS異常水平與其關(guān)節(jié)軟骨機械應(yīng)力的改變有關(guān)。需要注意的是，在骨關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)內(nèi)的氧化應(yīng)激發(fā)展過程中，NADPH氧化酶復(fù)合物也扮演著重要角色。NADPH氧化酶復(fù)合物廣泛存在于多種細胞，能夠通過質(zhì)膜傳遞電子產(chǎn)生ROS，從而參與到清除病原微生物等生理活動中。已有研究闡述了ROS和NADPH氧化酶復(fù)合物之間的聯(lián)系，發(fā)生骨關(guān)節(jié)炎的關(guān)節(jié)中存在氧化應(yīng)激過程，且關(guān)節(jié)中大量的ROS是由NADPH氧化酶復(fù)合物產(chǎn)生[8-10]。在整個氧化應(yīng)激過程中，細胞內(nèi)的線粒體既是產(chǎn)生ROS的主要位點，又是這些分子的主要靶點。另外，極光激酶A(Aurora A)的泛素化能夠降低SOD2的表達并導致線粒體功能障礙[11]，從而參與骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生。ROS能夠引起線粒體呼吸鏈抑制，ATP水平降低及mt-DNA的突變。而衰老過程中mt-DNA的突變和損失頻率明顯增高[10, 12]，這導致了功能受損的呼吸鏈亞基合成，并進一步導致線粒體呼吸鏈功能障礙和ROS的增加，形成惡性循環(huán)[13]。過量的ROS和抗氧化能力之間的失衡，最終導致了氧化應(yīng)激[14-15]。過量的ROS還與DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，破壞其正常結(jié)構(gòu)，損害功能并對細胞產(chǎn)生一定的毒性。

1.2 過量ROS導致關(guān)節(jié)軟骨細胞的減少 ROS包括羥自由基(OH-)、過氧化氫(H2O2)、超氧陰離子(O2-)、一氧化氮(NO)和次氯酸鹽離子(OCl-)。在氧化應(yīng)激的過程中，ROS通過不同的通路導致軟骨細胞的死亡或是生長抑制，從而參與到骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展過程之中。有研究通過在兔關(guān)節(jié)軟骨使用Withaferin A(WFA)證實細胞內(nèi)ROS可通過PI3K/Akt和JNK通路引起軟骨細胞的凋亡[16]。另外，ROS還通過NF-κB信號傳導影響軟骨基質(zhì)的重塑、軟骨細胞凋亡、滑膜炎性反應(yīng)，并對下游軟骨細胞分化的下游調(diào)節(jié)因子具有間接的刺激作用[17-18]。Vincent等[19]研究證實次黃嘌呤—黃嘌呤氧化酶(hypoxanthine-xanthine oxidase, HX-XO)系統(tǒng)產(chǎn)生的H2O2可以抑制關(guān)節(jié)軟骨細胞的生長。一項研究使用氧化劑SIN-1誘導軟骨細胞死亡后測定氧化型谷胱甘肽(GSSG)和還原型谷胱甘肽(GSH)，證實隨著衰老而增加的氧化應(yīng)激使軟骨細胞通過谷胱甘肽抗氧化劑系統(tǒng)的失調(diào)，而更容易受到氧化劑介導的細胞死亡的影響[20-21]。氧化應(yīng)激不僅能夠?qū)е萝浌羌毎牡蛲?，抑制其生長，甚至可以加速細胞衰老，這一過程可能與影響軟骨細胞的端粒酶活性相關(guān)[22-23]。

1.3 氧化應(yīng)激影響關(guān)節(jié)滑膜及關(guān)節(jié)軟骨下骨組織 在關(guān)節(jié)滑膜中，氧化應(yīng)激過程同樣廣泛存在。骨關(guān)節(jié)炎患者關(guān)節(jié)內(nèi)的炎性反應(yīng)及微環(huán)境改變可導致滑膜缺氧。在這種情況下，滑膜細胞適應(yīng)缺氧環(huán)境產(chǎn)生能量并將其細胞代謝從相對靜止的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨却x活躍的狀態(tài)，而這種代謝轉(zhuǎn)變導致代謝中間產(chǎn)物的積累，可能增加ROS的產(chǎn)生，導致氧化損傷和炎性反應(yīng)[24-25]。氧化應(yīng)激過程中產(chǎn)生的過量NO可以通過調(diào)節(jié)線粒體功能，增加p-53的表達及控制細胞周期的蛋白質(zhì)來降低骨關(guān)節(jié)炎滑膜細胞的存活并誘導其死亡[26-28]。另外，在綿羊半月板切除的骨關(guān)節(jié)炎模型中，用NO供體化合物治療會增加軟骨下硬化，提示NO與軟骨下骨硬化有著一定聯(lián)系[29-30]。這些觀察結(jié)果表明，氧化應(yīng)激產(chǎn)物NO可能是骨關(guān)節(jié)炎中導致軟骨下骨硬化的重要介質(zhì)。

綜上所述，包括外部機械應(yīng)力或衰老等因素直接或間接參與了氧化應(yīng)激的產(chǎn)生。氧化應(yīng)激則通過誘導軟骨細胞、滑膜細胞死亡，增加軟骨下骨硬化等方式促成了骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展。

2 抗氧化應(yīng)激藥物治療

在正常人體關(guān)節(jié)組織中，軟骨細胞能夠表達多種抗氧化劑，包括CAT、SOD和GPX。這些抗氧化劑水平的降低和過氧化物水平的增加會導致健康的關(guān)節(jié)軟骨穩(wěn)態(tài)喪失，從而隨著年齡增長關(guān)節(jié)軟骨發(fā)生病理性改變，并最終促進骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展。而針對此機制，現(xiàn)在已經(jīng)有相關(guān)文獻及報道提出將天然或人工合成抗氧化藥物用于針對骨關(guān)節(jié)炎的治療。

2.1 透明質(zhì)酸(hyaluronan,HA) HA是由2個雙糖單位D-葡萄糖醛酸及N-乙酰葡糖胺組成的大型多糖類。因為HA具有明顯的潤滑作用，是滑膜液的主要成分之一，長期被用于骨關(guān)節(jié)炎的臨床治療之中，以此緩解骨關(guān)節(jié)炎患者關(guān)節(jié)疼痛。在一項研究中，研究者在膝關(guān)節(jié)炎患者病變關(guān)節(jié)內(nèi)注射HA，從而證實HA減少了關(guān)節(jié)滑膜液中脂質(zhì)的過氧化[31]。此外，有報道稱研究者使用Bio-press系統(tǒng)對牛的軟骨組織施加一定的機械壓力，隨后測定蛋白聚糖(proteoglycan，PG)和ROS水平，證實機械壓力抑制了PG的合成并增強了ROS。而后在外部使用HA，逆轉(zhuǎn)了應(yīng)力抑制PG的合成，減弱了ROS的合成[32]。這些數(shù)據(jù)表明HA作為抗氧化劑發(fā)揮了一定的抗氧化應(yīng)激過程作用[33-34]。

2.2 維生素 維生素C和維生素E分別為水溶性和脂溶性的維生素，都具有一定的抗氧化能力。為了驗證這2種抗氧化劑是否能夠抑制骨關(guān)節(jié)炎患者中的氧化應(yīng)激過程，Canter等[35]對維生素A、C、E和硒治療骨關(guān)節(jié)炎進行了系統(tǒng)評價，沒有明顯證據(jù)證明維生素A、C、E或用硒聯(lián)合治療任何類型的關(guān)節(jié)炎是有效的。D'adamo等[36]報道使用精氨酸(SPD)來進行骨關(guān)節(jié)炎中抗氧化治療的策略。在評估了經(jīng)SPD預(yù)處理后的骨關(guān)節(jié)炎軟骨細胞死亡程度、氧化DNA損傷和Caspase-3活化的程度后，證實SPD能夠通過對Caspase-3和NF-κB產(chǎn)生影響來阻止氧化應(yīng)激對軟骨的破壞作用，且SPD治療可增強軟骨細胞的增殖。

2.3 自由基清除劑 自由基清除劑可以特異性針對骨關(guān)節(jié)炎患者的氧化應(yīng)激過程，在機體正常代謝過程中及保護細胞和組織免受氧化損傷中具有重要作用。水溶性富勒烯(C60)和重組超氧化物歧化酶(SOD)均能有效地抑制氧化應(yīng)激。C60可使所有循環(huán)的氧衍生自由基失活，從而抑制氧化應(yīng)激誘導的基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP-1、MMP-3、MMP-13)產(chǎn)生，并阻止下調(diào)人類軟骨細胞中基質(zhì)的產(chǎn)生、凋亡和過早衰老。在手術(shù)誘發(fā)的兔骨關(guān)節(jié)炎模型中，其保護作用被得到證實[37-38]。SOD是一種金屬蛋白酶，它能夠?qū)⒊趸镒杂苫缁癁檫^氧化氫和分子氧，從而減輕氧化應(yīng)激過程大量ROS帶來的影響。然而，在治療中使用天然SOD有一定局限性，即由于它們的大分子限制了其細胞通透性，體內(nèi)循環(huán)半衰期頗為有限。如今，一些模擬SOD的低分子化合物能夠克服這些缺點。已有文獻報道SOD模擬化合物MnL4的治療可防止由氧化應(yīng)激引起的組織變性改變，這給SOD類化合物能夠克服天然SOD的缺點，并給治療骨關(guān)節(jié)炎帶來新的前景[39-40]。NF-E2相關(guān)因子2(Nrf-2)是一種調(diào)節(jié)抗氧化防御系統(tǒng)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，通過控制位于其靶基因啟動子區(qū)域的抗氧化劑響應(yīng)元件(antioxidant response element, ARE)激活其下游基因表達抗氧化酶類。最近一項研究表明，組蛋白脫乙?；敢种苿?histone deacetylase inhibitor，HDACI)可通過激活Nrf-2阻止氧化應(yīng)激從而在骨關(guān)節(jié)炎中發(fā)揮保護作用[41]。

2.4 褪黑素 褪黑素及其代謝產(chǎn)物被視為廣譜抗氧化劑和自由基清除劑。實驗表明褪黑素可抑制JNK和p38-MAPK的磷酸化，激活SIRT-1從而抑制軟骨細胞死亡。在線粒體中，褪黑素還能夠保護線粒體DNA免受ROS引起的氧化損傷。因而有研究認為褪黑素有望對骨關(guān)節(jié)炎的病情發(fā)展產(chǎn)生一定的緩解作用[42]。然而，關(guān)于褪黑素治療骨關(guān)節(jié)炎的臨床證據(jù)尚不充足，期待進一步驗證。

2.5 中醫(yī)藥 傳統(tǒng)中藥在對抗衰老等方面累積了豐富的經(jīng)驗。近來不少研究發(fā)現(xiàn)，某些具有抗衰老功能的中藥中的多肽類具有良好的抗氧化活性。獨活寄生湯具有祛風濕、止痹痛、益肝腎、補氣血之功效，是治療膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的經(jīng)典藥方，有研究通過臨床對照試驗，驗證了獨活寄生湯可通過參與NLRP3/NF-κB信號通路在骨關(guān)節(jié)炎中發(fā)揮抗氧化作用[43]。另外，一項應(yīng)用化瘀除濕通痹方治療腎虛血瘀型膝骨關(guān)節(jié)炎的臨床試驗中，觀察組MDA、SOD水平均顯著優(yōu)于對照組，這表明化瘀除濕通痹方在抑制氧化應(yīng)激反應(yīng)上發(fā)揮了顯著作用，而其具體機制仍待進一步探究[44]。

2.6 其他 當前天然成分的衍生藥物快速發(fā)展，可以作為輔助OA的治療方案。某些多酚類物質(zhì)同樣具有一定的抗氧化能力并且能夠給骨關(guān)節(jié)炎治療提供一定的思路。白藜蘆醇是一種沉默信息調(diào)節(jié)因子2相關(guān)酶1(silent information regulation 2 homolog-1, SIRT-1)激活劑，可以保護軟骨細胞，抑制骨關(guān)節(jié)炎的病情發(fā)展[45]。白藜蘆醇能夠以劑量依賴的方式增加SIRT-1蛋白的表達，通過激活SIRT-1的方式保護軟骨細胞免受IL-1β刺激，從而避免了NO誘導的人軟骨細胞凋亡。SIRT-1的上調(diào)還可以通過增加Bcl-2并降低Bax、MMP-1和MMP-13的表達，通過抑制p38、JNK和ERK的磷酸化來抑制骨關(guān)節(jié)炎軟骨細胞凋亡和細胞內(nèi)基質(zhì)降解[46]。然而，關(guān)于白藜蘆醇或其他SIRT-1激活劑的臨床研究仍然較少，其治療效果需要在臨床試驗中進行進一步研究和驗證。此外，有研究顯示，槲皮素在大鼠骨關(guān)節(jié)炎模型中通過消除軟骨退變和減少膝關(guān)節(jié)軟骨細胞凋亡起到保護作用， 其可能通過SIRT-1/AMPK信號通路減輕氧化應(yīng)激過程，是一種有前途的骨關(guān)節(jié)炎治療方法[47]。翠雀花素(delphinidin)能夠抑制ROS引起的細胞凋亡，通過顯著抑制如c-Caspase-3和c-PARP等凋亡信號，同時上調(diào)抗凋亡標記Bcl-XL和抗氧化相關(guān)的NF-κB和Nrf2通路實現(xiàn)對關(guān)節(jié)軟骨的抗氧化應(yīng)激保護和抗細胞自噬能力[48]。

3 小結(jié)與展望

綜上，骨關(guān)節(jié)炎的形成發(fā)展與氧化應(yīng)激有著密不可分的關(guān)系。機械應(yīng)力、年齡增長等因素可以通過氧化應(yīng)激的過程參與到骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展之中。氧化應(yīng)激產(chǎn)生的失衡超氧化物不僅導致軟骨細胞線粒體功能障礙，更能夠促進軟骨細胞凋亡，滑膜細胞死亡乃至關(guān)節(jié)軟骨下骨化。目前有針對骨關(guān)節(jié)炎中氧化應(yīng)激過程的藥物，亦有能發(fā)揮抗氧化能力的輔助藥物，其所展現(xiàn)的能力不容忽視，可能將給骨關(guān)節(jié)炎的非手術(shù)治療方向帶來廣闊的前景。