付博文 劉歡 武艷嬌 朱嘉文 黃文華

骨關節(jié)炎 ( osteoarthritis，OA ) 是導致關節(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動。但在關節(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致的 OA 在臨床上是一個很大的挑戰(zhàn)。盡管多種因素如遺傳、年齡、肥胖和既往關節(jié)損傷都有助于 OA 的發(fā)生[2]，但機械負荷仍被認為是 OA 發(fā)病的關鍵因素[3]。AC 對于機械負荷非常敏感，其結構在很大程度上是由力學環(huán)境決定的，OA 的破壞是力學異常的病理生理后果[4]。然而，除了過度的關節(jié)機械負荷對于 AC 的損傷外，人們常會忽略過低的關節(jié)使用亦會導致 AC 體積的大量丟失，這是此前首次在脊髓損傷患者中報道的臨床觀察得出的結論[5]。因此研究不同程度應力對于 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。筆者對不同程度機械負荷對 AC 形態(tài)和功能的影響進行了綜述，包括降低機械負荷會引起 AC 體積的丟失，即使恢復正?；顒雍筮@種損傷也可能只是部分可逆；適度機械負荷雖可增加 AC 的厚度或面積，但過度機械負荷又會對 AC 造成損傷；同時，本綜述還對不同機械負荷對 AC 影響的信號轉導機制進行了闡述，為 OA 的臨床治療方案的制訂提供參考。

一、AC 形態(tài)學

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

這些基質含有胞外液體和由透明質酸 ( hyaluronic acid，HA ) 與大約 100 個蛋白多糖 ( proteoglycan，PG ) 連接而成的 PG 聚集體[6]。其中 PG 聚集體又含有 3 個球狀結構域 ( G1-G3 )，除了 G2 的功能尚不明確外，G3 能夠與基質蛋白結合[6]，而 G1 能夠與連接穩(wěn)定的 HA 非共價結合。聚 PG 是 AC 中主要的 PG，由與糖胺聚糖 ( glycosaminoglycan，GAG ) 結合的核心蛋白 [ 主要為硫酸角質聚糖( 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，從而提供低順應性[8]和抗張強度。在關節(jié)機械負荷的作用下，聚 PG 被壓縮，并通過將壓力分散到關節(jié)表面的方式降低AC 上的壓力[9]。關節(jié)表面由滑膜細胞和軟骨細胞組成的HA 以及糖蛋白潤滑素形成涂層，從而大大減少了機械摩擦[10]，使 AC 能在骨骼間低摩擦且無縫地傳導應力。

二、AC 對機械負荷的高度敏感性

軟骨細胞感受機械負荷的多種機制已被確認。細胞機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胞一樣，軟骨細胞的初級纖毛也與機械轉導有關[13]，感受機械負荷的多種機制使得軟骨細胞對其具有高度敏感性，而機械負荷對軟骨細胞同樣具有典型的雙面作用，在生理負荷下，軟骨細胞的代謝和基質合成活性被上調[14]，而在異常機械負荷下，通過改變軟骨細胞中特定的信號通路來加速 AC 的退行性變[15]。施加在 AC 上的機械負荷的改變可歸因于各種因素，如肥胖[16]、解剖異?；蜿P節(jié)排列失調[17]、運動[18]以及膝關節(jié)結構的損傷[19]?？紤]到 AC 對于機械負荷的敏感性，因此探討不同程度的機械負荷對其作用機制的了解十分重要。

三、機械負荷對 AC 的影響

1. 降低機械負荷對 AC 的影響：研究表明，降低機械負荷對 AC 體積的丟失至關重要。截癱患者在減少關節(jié)負荷后 1 年，膝關節(jié) MRI 顯示 AC 厚度減少 9%～13%[20]，在踝關節(jié)骨折的患者中，患肢的部分或完全固定也會導致膝關節(jié) AC 厚度丟失[21]。在動物模型上這種現(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，即使再動員恢復了 AC 的生物力學性能，但軟骨剛度依然未達到正常水平[22]。由此可見，缺乏機械負荷會導致 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]。

導致 AC 失用性萎縮的可能因素是基質金屬蛋白酶 3( matrix metalloproteinase，MMP-3 )。已被證實的研究顯示，關節(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，這在關節(jié)的局部固定中也得以展現(xiàn)。而 ADAMTS-5 作為關節(jié)結構中重要的降解酶，對AC 退行性變起到了至關重要的作用[26]。在大鼠模型中，無負荷的被動運動可以預防這種由 ADAMTS-5 介導的AC 萎縮[25]。降低負荷過程中降解酶的增加可能是因為cAMP 反應元件結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，其抑制共激活因子 p3000 導致 MMP 的合成[27]。

在狗模型中，沒有負重的關節(jié)區(qū)域，活動并不能恢復關節(jié)的僵硬[1]。而目前的研究中，并沒有表明在人類中恢復關節(jié)動員后 AC 體積得以恢復，即使適度的運動已被證明對由于半月板損傷而有 OA 風險的個體 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關節(jié)失用性萎縮在恢復活動后，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，而預防和早期運動可能是最好的應對策略。

2. 適度機械負荷對 AC 的影響：多項研究證明，運動對于關節(jié) AC 健康有積極影響。一項對 18 名成年人的 MRI結果研究顯示，終生高度活躍的運動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，關節(jié) AC的厚度卻沒有得到提升。另外一些研究也支持這個結果，使用 MRI 研究 40～55 歲女性經(jīng)過 12 周的耐力訓練后，關節(jié) AC 的厚度和成分沒有變化[30]，而在 20～40 歲的女性中，這項實驗的結果顯示膝關節(jié) AC 的成分得到改善[31]。雖然關節(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 能夠承受更大的應力和負荷[9]。

不同于耐力訓練，力量似乎能給髕骨 AC 厚度帶來提升，一項針對 7 名舉重運動員的 MRI 研究結果顯示，舉重運動員的膝關節(jié)髕骨 AC 厚度顯著高于非運動員對照組[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荷及活動范圍的增加呈現(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)狀的囊膜超微結構，改變了每個到達 AC 的機械負荷，從而保護 AC及其細胞周圍微環(huán)境的穩(wěn)態(tài)[34]。當受到機械負荷時，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)部細胞信號轉導，另一方面通過與 Ⅱ 型膠原、Ⅵ 型膠原和纖維連接蛋白結合，將 AC 連接到 ECM[36]。IL-4 通過激活磷脂酶 C 和蛋白激酶 C 導致聚集素表達增加，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動后發(fā)現(xiàn) IL-10 表達增強，這被認為是運動對 OA 進展的一種抑制因素[37]。而在不同年齡的大鼠模型中，施加中等負荷后，潤滑素得到了增加，同時軟骨細胞凋亡得到了減少[38]。

綜上所述，在適當?shù)纳碡摵上拢珹C 的健康得到了積極的影響，不論是力量訓練對于髕骨軟骨厚度的提升趨勢，還是耐力訓練對于脛骨、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. 過度機械負荷對 AC 的影響：過度負荷對 AC 的損傷已被證實，最近一項對 964 名受試者的累計負荷研究顯示，體重超重 ( 既關節(jié)受到過度負荷 ) 者，脛骨內(nèi)側軟骨損傷較正常體重者顯著提升[39]。在狗的動物模型中，因跑動造成的超負荷導致 AC 中的 GAG 含量降低，同時膠原網(wǎng)絡組織的改變和軟骨下骨的重塑導致 AC 軟化[40]。AC的損傷程度取決于負荷強度，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，最后進展為宏觀的軟骨破壞[23]。生理范圍的應力區(qū)間在 1～3 MPa至 5～7 MPa，相當于輕中度負荷，不會發(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]。

由此可見超負荷會導致基質成分的釋放，纖維連接蛋白片段 ( fibronectin，F(xiàn)N-f ) 的出現(xiàn)表示 ECM 受損，修復過程為首先移除破碎的結構，然后鋪設新的結構[36]。FN-f 可同時激活整合素、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 并導致分解代謝[36]?；|分解產(chǎn)物，如 FN-f 與 TLR2 和 TLR4 的結合導致髓系分化因子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]，從而進一步上調 TLR[42]?；|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 和補體系統(tǒng)，導致相同的分解代謝作用[43]。此外，軟骨細胞的凋亡可能是過度機械負荷的結果。促炎癥介質環(huán)氧合酶 2 ( cyclooxygenase，Cox-2 ) 和誘導型一氧化氮合酶 ( NO Synthase，NOS ) 可分別導致前列腺素和 NO 增加，從而放大氧化應激和凋亡[44]。最后，人類細胞培養(yǎng)的過度負荷模型顯示其氧化應激增加，導致線粒體損傷和細胞凋亡，從而減少功能性 AC 的數(shù)量[45]。

四、小結

機械負荷對于 AC 的形狀，形態(tài)以及功能起到了至關重要的作用。本綜述總結了在低負荷、生理負荷以及過度負荷狀態(tài)下，AC 的形態(tài)學和分子層面的變化及其對于 AC功能的影響。年齡、過度運動和關節(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，因此通過科學運動以提供 AC 適當?shù)臋C械負荷似乎是保持 AC 健康的最佳方式。

目前，關節(jié)失用性萎縮的損傷是否為永久性這一領域的研究還鮮有報道，需要更進一步的研究來了解關節(jié)失用性萎縮恢復活動后 AC 的修復機制，為尋找新的治療方案提供理論基礎。