郭 磊 牛嘯博

骨關節(jié)炎(osteoarthritis,OA)是關節(jié)炎中最常見的類型,也是我國最常見的老年慢性退行性疾病之一,研究報告指出,在我國60歲以上的人口中關節(jié)炎發(fā)生率高達44.68%[1]。隨著我國人口老齡化的增加,骨性關節(jié)炎發(fā)生率逐年增長。其主要的臨床特征是引起關節(jié)的疼痛及活動受限。典型的病理改變是由多因素引發(fā)的以關節(jié)軟骨(articular cartilage, AC)的退行性改變和軟骨下骨(subchondral bone, SCB)的異常重塑。伴隨病情的演變,還伴有骨贅的形成、滑膜的增生以及關節(jié)間隙進行性的狹窄,最終導致患者關節(jié)畸形甚至殘疾,因此OA也是中老年人關節(jié)畸形和殘疾最重要的原因之一[2]。因此本文分析關節(jié)軟骨與軟骨下骨在病變過程中的演變機制及潛在關聯(lián),以期探尋OA新的防治思路。

一、關節(jié)軟骨的改變及其機制

1.炎性細胞因子的影響:正常的關節(jié)軟骨主要由Ⅱ型膠原、透明質酸、富含蛋白多糖的細胞外基質(extracellular matrix, ECM)以及軟骨細胞有序排列構成,其穩(wěn)態(tài)的維持主要靠ECM和各類膠原蛋白的動態(tài)調節(jié)來維持,但在異常的應力作用或損傷機制下,AC內出現異常的信號交流及細胞表型的改變,這個過程中,軟骨細胞和免疫細胞產生許多炎性介質,如腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor, TNF)-α和白細胞介素(interleukin, IL)-1β和IL-6等,這些炎性細胞因子盡管不是引起軟骨退變的成因,但是其聯(lián)級放大效應卻加劇了軟骨的破壞[3,4]。研究表明,IL-1和TNF-α可激活絲裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinases,MAPK)和核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)信號通路促使軟骨細胞中的前列腺素E2(PGE2)、一氧化氮(NO)、基質金屬蛋白酶家族(matrix metalloproteinase,MMP)和解聚蛋白樣金屬蛋白酶(A disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs, ADAMTs)等因子過表達,這些因子對軟骨的損傷均有促進作用[5～7]。其中MMP家族可以降解ECM的所有成分,特別是MMP13除了降解Ⅱ型膠原外,還能降解蛋白多糖分子聚集素,從而在ECM中起到雙重破壞作用[8]。

2.肥胖:肥胖無疑是OA發(fā)病的一個重要的危險因素,脂肪組織生理學的最新進展為理解肥胖和骨關節(jié)炎之間的關系提供了新的見解,肥胖不僅與OA患病率增高呈正相關,而且在OA發(fā)展中扮演著重要的角色。研究表明,肥胖本身是一種低度炎癥性疾病,脂肪組織是細胞因子、趨化因子和稱為脂肪因子(如瘦素、脂聯(lián)素、抵抗素)等代謝活性介質的主要來源,而這些脂肪細胞因子具有促炎和分解代謝的特性。他們還是幾種促炎性細胞因子(如IL-1β、IL-6和TNF-α等)的重要來源,因此可以推斷脂肪組織通過介導炎性反應誘導分解代謝過程而對AC造成損傷[9]。值得一提的是,在傳統(tǒng)觀念中肥胖一直被認為會導致負重關節(jié)(如膝、髖)的OA,因為肥胖會增加關節(jié)所承受的機械應力。這個概念似乎合乎邏輯,因為OA患者在減肥后感覺癥狀會明顯緩解。然而,據Joseph等[10]對2271例OA患者對照研究后發(fā)現體重的增加和減輕與AC的退變及生化成分的改變并無相關性。

3.缺氧:由于AC沒有毛細血管神經網絡,所以正常軟骨微環(huán)境是處于低氧狀態(tài)。當關節(jié)內氧需求超過供應量時,缺氧誘導因子(hypoxia inducible factor, HIF)-2α的表達上調[11]。HIF-2α是軟骨破壞的分解代謝調節(jié)劑,HIF-2α不僅使基質降解酶和炎性介質的表達上調,并且通過一種獨特的基因表達程序促進軟骨細胞變性肥大。肥大軟骨細胞體積較大,增殖較少,基質生成、礦化和重塑模式也與正常軟骨細胞不同。它們還表達較高水平的MMP13、X型膠原和血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF),以及較低水平的Ⅱ型膠原。且VEGF表達增加能夠促進血管生成和軟骨內骨形成,從而加快了軟骨侵蝕使關節(jié)內的氧氣濃度的進一步降低,二者形成一個惡性循環(huán),加速軟骨的退行性病變,進而促進OA[12]。HIF-1α與HIF-2α的作用截然相反,HIF-1α不僅在早期軟骨細胞分化中起一定的作用,還通過抑制HIF-2α介導的NF-κB信號通路減少MMP13等分解代謝因子的表達從而起到保護關節(jié)軟骨的作用[13]。

二、軟骨下骨的改變及其機制

1.微損傷:人體的關節(jié)在面對不同的機械應力時,SCB通過不斷調整自身的微觀結構適應其機械載荷,從而實現應力傳導。在自我調節(jié)的過程中導致的骨顯微結構的改變稱為骨的微損傷。伴隨微損傷的積累,鈣化軟骨中微裂隙大量生成,逐漸蔓延并侵入AC,同時纖維血管會隨著微裂隙進入軟骨區(qū)域,增加了SCB與AC間的異常交流途徑,加速軟骨的退變,而軟骨的退變又進一步加重SCB的異常負載,誘導異常骨重塑,形成惡性循環(huán)[14]。

Malekipour等[15]利用Micro-CT對賽馬最易累積微損傷的第3掌骨研究后發(fā)現,受損SCB局部區(qū)域的骨剛度降低,骨剛度降低的區(qū)域的承載應力降低,而相鄰區(qū)域正常骨以及關節(jié)表面的應力增加。由于骨對其載荷環(huán)境高度敏感,SCB損傷局部載荷變化抑制了SCB的正常重塑從而導致隨后的OA。且局部受損區(qū)域的骨體積分數較正常區(qū)域顯著增加,這一變化與后期的關節(jié)僵硬關系密切。

2.軟骨下骨骨髓病變:骨髓水腫(bone marrow edema-like lesions, BMLs)基于OA患者SCB的異常重建,對于OA患者SCB骨髓在MRIT2加權像上的非囊性、邊界不清的高信號區(qū)表現。其發(fā)病機制尚不明確,但BMLs在關節(jié)疼痛和軟骨退變起到促進作用,這一觀點已得到廣泛認可,且研究表明,這一病理早于軟骨損傷,可以作為早期OA的診斷依據之一[16]。

研究表明,BMLs一般出現在應力增加的區(qū)域,例如膝關節(jié)排列不良的區(qū)域,在這些區(qū)域內,發(fā)現了典型的組織病理學變化(脂肪壞死、局部骨髓纖維化和骨小梁微骨折),且病變大小與關節(jié)疼痛顯著相關,這表明BMLs也是引發(fā)OA疼痛的成因之一[17]。

研究表明,BMLs區(qū)的SCB與非BMLs區(qū)比較出現了異常的骨重塑,BMLs區(qū)域內的骨細胞數量和小動脈密度增加,血管出現特征性改變,特別是壁厚和壁腔比增加,這表明血管增生對BMLs的發(fā)展有貢獻,且與非BMLs區(qū)比較,BMLs區(qū)域軟骨下骨板增厚,骨小梁體積增大,骨小梁增多,以板狀為主[18]。Bowes等[16]通過對88例患有BMLs的OA患者的研究發(fā)現,約2/3患者的軟骨侵蝕發(fā)生在BMLs的淺表區(qū)域,這表明BMLs對軟骨丟失起到促進作用,這一發(fā)現有助于在早期OA預測局部軟骨丟失情況。

3.軟骨下囊腫(subchondral bone cysts, SBCs):SBCs也是OA典型的病理改變之一。2006年Carrino等[19]對32例OA患者的隨訪研究發(fā)現,92%的軟骨下囊腫起源于BMLs的信號區(qū)域,且SBCs的病變區(qū)域的大小隨著BMLs發(fā)展而發(fā)生改變,這提示二者間可能存在密切的聯(lián)系。Cerma等[20]對1283例OA患者的前瞻性臨床研究表明二者在空間和時間上具有顯著的相關性,推測二者可能為同一病理過程中的不同階段,并提出猜想BMLs可能為“軟骨下骨囊腫前病變”。

Weber等[21]在先前理論的基礎上結合近期研究結論,提出SBCs發(fā)病機制可能是在異常或高頻的機械應力作用下,SCB不斷累積微損傷,激活自身免疫反應,在淋巴細胞的浸潤下,骨橋蛋白、轉化生長因子(transforming growth factor,TGF)-β以及骨形態(tài)發(fā)生蛋白等骨代謝相關因子被激活,啟動SCB的異常重建,在此期間形成了BMLs,隨著病程的發(fā)展,未被吸收者形成了SBCs,直至終末期軟骨下硬化,在此過程中,被覆關節(jié)軟骨逐漸變薄,磨損增加。研究表明受損SCB區(qū)域內SBCs的直徑與被覆軟骨量呈顯著負相關,與毗鄰的SCB所受的異常應力呈正相關,同時骨內應力的增加會導致局部骨質破壞和隨后的SBCs擴張[22]。這一現象與Weber等[21]得出的結論一致。雖然現在對于其成因仍有爭議,但為揭示OA進展的重要性不可忽視,其作用機制仍有待于進一步研究。

4.軟骨下骨異常重塑: SCB的異常重塑無疑是OA進展中的重要組成部分?，F有研究認為在關節(jié)異常載荷的影響下,關節(jié)的應力傳導分布不均導致AC內環(huán)境的紊亂以及SCB的組織架構的改變,促進成骨細胞與破骨細胞的異常激活,導致骨的動態(tài)平衡被破壞,形成SCB的異常重塑,且這一過程的發(fā)生先于AC退變,這一觀點已在現有文獻中得到廣泛認可。

在早期OA中,應力分布的變化導致SCB重塑平衡發(fā)生變化,主要體現在4個過程:骨轉換減少、SCB的厚度減少、鈣化軟骨增厚和骨小梁變薄,直至晚期SCB出現明顯骨體積和密度的增加,骨質增生硬化,骨髓腔隙減小,骨贅和游離體形成[23]。研究表明,盡管晚期硬化的SCB的骨密度增加,但其SCB中碳酸鹽磷灰石與羥基磷灰石的比值升高,提示骨基質礦化不足。另外,晚期SCB膠原合成增加,但沉積的膠原減少,膠原比明顯降低,進一步影響了骨的礦化過程,促進了SCB的異常重塑[24]。

Zuo等[25]在晚期OA患者硬化性骨小梁中發(fā)現,病變區(qū)域的低骨轉換使硬化區(qū)礦物晶體的異常聚集,形成無序的膠原纖維和礦物晶體排列,導致骨骼結構骨脆性顯著增加,骨骼承受變形的能力降低。同時纖維與晶體的非平行排列改變了正常的載荷傳遞,關節(jié)表面能量吸收減少而傳導增加,使骨小梁微損傷不斷累積,導致SCB硬化增加。

三、骨-軟骨單元

隨著對OA認識的不斷加深,越來越多的研究表明OA是一種波及全關節(jié)的疾病,AC與SCB二者作為一個相互影響、相互作用的復合骨功能單元,參與了OA的發(fā)展進程,而不是僅由于軟骨退變導致的。正常成人的關節(jié)是一種復雜的結構,AC可以緩沖關節(jié)所承受的機械應力,減少運動過程中的滑動摩擦,但SCB同樣重要——AC的內環(huán)境穩(wěn)定和完整性依賴于與SCB的生化和生物力學相互作用。骨-軟骨單元(osteochondral unit,BCU)在結構上可分為軟骨層、鈣化層和軟骨下骨,軟骨下骨又可分為表層的軟骨下骨板以及緊鄰的松質骨,其中軟骨層與鈣化層之間有一明顯的組織學邊界為潮線,起到連接二者的作用。

作為軟組織到硬組織的過渡區(qū),骨軟骨界面易發(fā)生“微損傷”和“神經-血管化”,累積的微損傷激活骨重塑過程。研究表明,經微損傷嵌入骨基質中的轉化生長因子(transforming growth factor,TGF)-β,在OA早期破骨細胞介導的重塑過程中被釋放,且TGF-β信號增強伴隨著SCB的灌注異常、血管生成增強和骨髓水腫等病理改變。在此過程中,SCB孔隙率增高,這有助于血管和神經從SCB侵蝕到AC。

Taheri等[26]研究發(fā)現,在OA患者的軟骨鈣化層中分布有來自于SCB的微通道,可以聯(lián)通軟骨與骨髓,并且在AC最厚的區(qū)域,微通道的局部密度通常最高。這表明在OA進展過程中,AC與SCB存在異常的信號交流。研究發(fā)現來自OA患者SCB的成骨細胞可以誘導健康AC細胞形成促分解代謝表型,使MMP家族成員表達上調,特別是MMP3和MMP13的表達增加,ADAMTs產生減少,加速了ECM的降解[27]。

Yan等[28]通過建立動物實驗模型發(fā)現,SCB局部受損后,削弱了SCB吸收、分散和傳遞來自AC傳導的載荷的能力。另外在受損SCB區(qū)域,其血管網絡遭到破壞,降低了向軟骨深層提供營養(yǎng)的能力。受損區(qū)域被覆軟骨出現顯著退化。而與之對應的骨水泥填充組在一定程度上對AC起到了支持作用,緩沖了其作用力,雖然AC仍然發(fā)生了退變,但其退變程度明顯低于骨缺損組。這表明在OA進展過程中軟骨損傷與骨重塑是偶合的,當SCB 出現微結構的改變,同樣會造成額外的軟骨損傷。

另一方面,OA患者的關節(jié)軟骨細胞也影響SCB的重塑,Prasadam等[27]將正常軟骨細胞與OA患者的軟骨細胞做對照,分別與軟骨下骨細胞混合培養(yǎng)后發(fā)現,OA患者的軟骨細胞可顯著激活細胞外信號調節(jié)蛋白激酶 1/2 (tracellular signal-regulated kinase1/2, ERK1/2)的MAPK信號通路,使軟骨下骨成骨細胞的表型發(fā)生變化,導致成骨標志物如堿性磷酸酶、骨橋蛋白、骨鈣素表達顯著上調,而正常軟骨細胞的條件培養(yǎng)液則不影響ERK1/2磷酸化,且能夠產生延遲成骨細胞分化的因子。這表明正常軟骨細胞對軟骨下骨成骨細胞分化的抑制性調節(jié)可能是調節(jié)SCB重塑的因素之一,而這一機制的失調可導致骨代謝增加,導致SCB結構的改變和隨后的骨硬化,這是OA的一個顯著特征。但目前關于骨與軟骨的相互作用機制尚不明確,相關文獻報道較少,仍需要開展進一步的研究予以論證。

四、展 望

綜上所述,軟骨與軟骨下骨在OA的發(fā)展過程中并不是作為兩個獨立因素介導,而是建立在二者應力學、解剖學以及生物學的共同影響下,雙向相互作用發(fā)生改變,骨-軟骨界面的異常應力分布會使上覆的軟骨退化,軟骨損傷反過來會影響軟骨下骨的重塑。過往的研究已證實單純的軟骨修復或是軟骨下骨重建并不能對延緩OA有明顯的作用,甚至還促進了的OA的全面發(fā)展,而對于骨與軟骨組成的骨軟骨單元整體,在OA的發(fā)生、發(fā)展中產生的作用被嚴重低估,如軟骨下骨異常重塑對軟骨細胞基質降解之間的相關性,軟骨細胞變性對軟骨下骨微結構的影響及機制等尚缺乏客觀的實驗依據,國內外對此也鮮有報道。隨著OA患者數量的增多以及患者的年輕化,對于OA治療的需求不僅僅停留于晚期的關節(jié)置換,但遺憾的是,目前的非手術治療只能暫時緩解癥狀,而手術治療面臨太多復雜的困難和局限性。但可預見的是,未來的變革性研究需要多學科共同開發(fā)具有更高臨床療效的治療策略,筆者認為關于如何阻斷或影響AC與SCB的異常信號交流途徑,維持骨軟骨單元的完整性,必將會為骨關節(jié)炎延緩和治療思路上提供新的方向。