血管内皮生长因子在骨关节炎中的研究进展

刘秀丽(综述)，滕蔚然，金立伦(审校)

(上海交通大学医学院附属新华医院骨伤科，上海 200092)

骨关节炎又称退行性骨关节病，是一种可引起关节疼痛并致残的慢性、进展性关节病，其主要特点是血管生成、滑膜炎、基质降解、软骨下骨硬化和骨赘形成[1]。骨关节炎是引起的全球肌肉骨骼障碍性疾病的首要原因[2]。据估计，全球约有15%的人患有关节疾病，而在这些人群中，欧洲有超过39万、美国有超过20万的人是骨关节炎患者，到2020年这些数字有可能会翻倍[3]。骨关节炎的病因和发病机制非常复杂，至今尚未完全阐明。

血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)在新生血管形成中发挥着重要作用。VEGF通过旁分泌机制促进内皮细胞分裂增殖，诱导新生血管形成；通过诱导某些酶的高表达，增加微血管通透性，为新生血管形成创造条件。近来研究结果显示，VEGF在骨关节炎软骨细胞中表达增加，在骨关节炎软骨退变过程中发挥着重要作用[4-5]。VEGF现已成为研究骨关节疾病发病机制的一个热点。

1 VEGF基因定位、分子结构及功能

1.1VEGF基因定位与分子结构 人类VEGF是相对分子质量为(46～48)×103的同型二聚体，其基因定位于染色体6p21.3上，因信使RNA剪接方式不同可产生五种不同形式的蛋白分子：VEGF121、VEGF145、VEGF165、VEGF189及VEGF206，其中VEGF165是最主要的作用因子[6-7]。人类VEGF家族包括五个分泌型同型二聚体糖蛋白：VEGF-A、VEGF-B、VEGF-C、VEGF-D和胎盘生长因子，通常所说的“血管内皮生长因子”即指VEGF-A[8]。

1.2VEGF的功能 VEGF是针对内皮细胞特异性最高、促血管生长作用最强的有丝分裂原，它直接刺激内皮细胞的存活、增殖、分化及迁移，并在内皮依赖性血管舒张及血管渗透性中起关键作用[8]。VEGF与内皮细胞表面具有高亲和力的酪氨酸激酶受体结合后，诱导黏附分子表达，并释放细胞因子和趋化因子，引起血管基膜降解，使得内皮细胞更易进入周围组织而促进新生血管生成[9]。

VEGF的主要作用是促进血管生成。决定VEGF生物学功能的受体除了在血管内皮细胞表达外，还在其他细胞组织中表达。研究发现，VEGF参与了骨关节炎的发生、发展过程[10-11]。Ludin等[1]向健康小鼠的关节腔内注入外源性VEGF数周后，观察到滑膜增厚，关节软骨钙化增多，骨硬化及软骨退化，证明VEGF在骨关节炎的起始和发展中起重要作用。此外，VEGF还参与软骨细胞的增殖、凋亡及代谢，引起金属基质蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMPs)降解，导致关节软骨破坏，是骨关节炎进展过程中最主要的破坏因子之一[10,12]。

2 VEGF在骨关节炎发病机制中的作用

2.1VEGF在血管生成中的作用 血管生成是指从已有的毛细血管发展形成新的血管，主要步骤包括：血管基膜降解，血管内皮细胞激活、增殖、迁移，重建形成新的血管和血管网。血管生成是一个涉及多种细胞的多种分子的复杂过程。成人的软骨是一种无血管组织[13-14]，而软骨的血管生成现象在骨关节炎的进展中普遍存在。

在整个骨关节炎的病理过程中，VEGF起促进血管生成和增加血管通透性的作用，它是骨关节炎发展过程中滑膜细胞增殖、血管新生、滑膜炎形成的重要炎性递质[15]。一方面，VEGF通过激活内皮细胞，使小血管基膜、内皮基质在蛋白酶的作用下被降解；另一方面，通过促进血管内皮细胞增殖、分化及迁移，促进滑膜中血管新生，增加血管的通透性[16]。

在骨关节炎患者中，滑膜的增生、浸润以及后来出现的软骨和骨破坏均依赖于滑膜内血管的生成；骨关节炎血管生成不仅可导致炎症，更重要的是通过新生血管转运炎性因子致使炎性反应得以持续[17-18]；形成的血管翳可自关节软骨边线处滑膜逐渐向软骨面伸延，被覆于关节软骨面上，阻断软骨和滑液接触，影响软骨的营养供应，导致软骨降解和骨质破坏[19-20]。另外，血管新生还可能直接刺激破骨细胞前体及破骨细胞而致关节破坏[21]。

2.2VEGF在滑膜炎中的作用 骨关节炎是以关节软骨退变、软骨下骨改变及继发性滑膜炎为特征的慢性关节疾病[9]，其本质是关节软骨与骨破坏和修复相互交替的复杂过程，同时也存在滑膜的继发性炎症。在行骨关节炎关节镜手术时，50%以上患者的关节腔有滑膜增生及炎性改变[22]。在白细胞介素1和肿瘤坏死因子等促炎性因子的刺激下，骨关节炎滑膜的成纤维细胞产生炎性因子和血管生成因子，这些炎性因子和血管生成因子可促进骨关节炎性反应的发生和血管生成[23]。

VEGF促进血管新生的同时也伴随着炎症的发生，新生血管为滑膜提供了更多的营养物质及氧气，从而促进滑膜组织的增生和肥厚。新生血管中释放的炎性介质也促进了滑膜组织炎症的发生，在滑膜炎的慢性持续性过程起重要作用。

Lambert等[24]研究证明，在滑膜组织的炎性区域，VEGF的表达明显增多。Hoff等[25]为了观察不同滑液环境对原代软骨细胞的影响，将正常的原代软骨细胞培养在全身无炎性反应的骨关节炎和类风湿关节炎患者的滑液中，结果发现，两种滑液培养的软骨细胞的VEGF的表达均增高，且骨关节炎滑液中VEGF的表达更高。为了研究塞来昔布、双氯芬酸、布洛芬等非甾体消炎药对有症状的骨关节炎患者滑液中细胞因子的影响，Gallelli等[26]研究发现，非甾体消炎药能明显降低骨关节炎患者滑液中VEGF的表达水平。

2.3VEGF对骨关节炎软骨细胞的影响 骨关节炎典型的病理学表现为严重的局灶性软骨侵蚀、缺失，甚至达软骨下骨质。软骨细胞在骨关节炎的发生、发展中起着至关重要的作用。越来越多的关于骨关节炎的基础研究都将热点集中于如何调控软骨细胞的代谢、抑制细胞外基质的丢失、阻止软骨细胞的凋亡及延缓关节软骨进行性退变上。

在骨关节炎晚期，VEGF在软骨细胞中的表达增加[4,27]。Yamairi等[28]通过动物模型发现，在体内，遭受不同形式压力刺激的再生软骨细胞产生了VEGF，产生的VEGF反过来又刺激骨关节炎软骨细胞产生MMPs以及其他蛋白水解酶破坏关节软骨，证明了VEGF参与关节软骨的破坏和修复过程。此外，VEGF还能影响软骨细胞的增殖、迁移、凋亡和代谢[13]。

软骨细胞的生存环境发生变化，导致软骨细胞发生变性及凋亡，进而引起关节软骨退变，关节软骨变得粗糙，失去弹性，局部软化，甚至出现裂隙、脱落，关节边缘骨质增生，侵犯软骨下骨、滑膜等组织，从而导致骨关节炎的发生及进一步发展[29]。

2.4VEGF在基质降解中的作用 血管生成的第一步是血管基膜降解，MMPs能够降解细胞外基质的各种蛋白酶，在基质降解中起重要作用，其在退行性关节疾病中也发挥着重要作用。金属蛋白酶组织抑制剂(tissue inhibitor of metalloproteinase，TIMPs)是MMPs的抑制剂，其能够抑制MMPs的活性。在正常条件下，MMPs与TIMPs处于平衡之中，但在骨关节炎的进展中，TIMPs与MMPs之间的平衡被打破，导致软骨外基质降解[30]。

VEGF不仅是一种血管生成因子，也是基质代谢的调节因子，在骨关节炎的病理过程中发挥着重要作用[31]。VEGF刺激骨关节炎软骨细胞产生MMP-1和MMP-3，却并不改变TIMPs的水平。骨关节炎患者关节滑液中VEGF与MMP-13的表达水平具有明显相关性[32]。VEGF作为血管生成过程中MMPs的指示器，直接诱导软骨细胞中MMPs的表达[13,32]。

MMP-13大量表达后，软骨基质中的Ⅱ型胶原蛋白被大量分解，导致软骨基质被破坏和降解，软骨细胞直接暴露于炎性介质中，软骨细胞发生变性和死亡，从而引起骨关节炎的一系列临床症状[33-34]。

2.5VEGF在骨赘形成和软骨下骨硬化中的作用 骨赘形成是骨关节炎的病理特点之一，其形成高度依赖于VEGF[35]。VEGF诱导血管形成，血管形成导致软骨损害，进而启动骨赘形成和关节软骨的钙化[1]。研究表明，软骨细胞产生的VEGF与骨赘形成密切相关，且参与了骨赘的形成过程[4]。

Ludin等[1]将VEGF注入小鼠关节腔8周后即观察到骨赘形成。Yamairi等[28]发现，VEGF与骨关节炎中软骨细胞的增生、肥大，软骨膜的迁移及骨赘的形成、发展有关，VEGF的染色强度可作为这些病理变化的客观评价指标。

软骨下硬化也是骨关节炎的病理特点之一。Ludin等[1]将VEGF注入造模成功的骨关节炎的小鼠关节腔内，第3周即可观察到严重的软骨下硬化现象，推测VEGF是通过改变软骨下骨组织的代谢及促进血管修复因子的释放而影响组织钙化的。

2.6其他 VEGF是目前发现的唯一一种与骨关节炎影像学分级密切相关的介质[36]。研究表明，由软骨下骨破骨细胞分泌的VEGF可诱导血管生成，这一过程同时也导致了关节结构的破坏和疼痛症状的产生[37]。

3 VEGF可通过PI3K/Akt信号通路促进骨关节炎进展

磷脂酰肌醇3-激酶(phos-phatidylinositol-3-kinases,PI3K)介导的通路是细胞内重要的信号转导通路，蛋白激酶B(protein kinase B，PKB又称Akt)处于该信号通路的中心位置，并起着关键的作用。PI3K/Akt信号通路参与调节细胞的增殖、分化、代谢及凋亡等一系列生理活动。PI3K/Akt信号通路广泛地存在于滑膜组织中，与滑膜细胞的分化、凋亡、黏附、血管形成及基质降解等有关[38-39]。VEGF与受体结合后通过PI3K/Akt信号通路促进血管生成[26]。PI3K与上皮钙黏素、β联蛋白和VEGF受体2形成复合物，经由PBK/Akt通路参与VEGF介导的内皮信号传递，其一方面作用于VEGF的上游，调节VEGF的表达；另一方面又参与VEGF的下游活动，调节VEGF诱导的内皮细胞生存、迁移和分化[40]。活化的Akt通过多种途径上调骨关节炎软骨细胞中的低氧诱导因子的表达，上调的低氧诱导因子与DNA上的激素反应元件相结合后，增强VEGF基因的转录，从而促进VEGF的表达，VEGF与其受体结合后促进血管生成、骨赘形成及基质降解[4]。

4 小 结

VEGF在骨关节炎的发生、发展中起着重要作用，参与了骨关节炎的诸多病理过程：血管生成、滑膜炎、基质降解、软骨下骨硬化及骨赘形成。在骨关节炎病理过程中，血管生成为滑膜细胞的增殖提供了营养及氧分，为其向深层侵蚀提供可能；增殖的滑膜细胞分泌细胞因子及蛋白，促进滑膜炎的同时也促进血管生成；血管的生成、骨赘的形成以及关节软骨的钙化致使关节软骨损坏，破坏的关节软骨又反过来诱导MMPs、细胞因子、趋化因子等产生，进而促进基质降解、血管生成及滑膜炎。VEGF参与骨关节炎的病理变化，推动骨关节炎的发生、发展。

[1] Ludin A,Sela JJ,Schroeder A,etal.Injection of vascular endothelial growth factor into knee joints induces osteoarthritis in mice[J].Osteoarthritis Cartilage,2013,21(3):491-497.

[2] Pitsillides AA,Beier F.Cartilage biology in osteoarthritis-lessons from developmental biology[J].Nat Rev Rheumatol,2011,7(11):654-663.

[3] Flanigan DC,Harris JD,Trinh TQ,etal.Prevalence of chondral defects in athletes′ knees:a systematic review[J].Med Sci Sports Exerc,2010,42(10):1795-1801.

[4] Tibesku CO,Daniilidis K,Skwara A,etal.Expression of vascular endothelial growth factor on chondrocytes increases with osteoarthritis.All animal experimental investigation[J].Open Orthop J,2011,5:177-180.

[5] Walsh DA,McWilliams DF,Turley MJ,etal.Angiogenesis and nerve growth factor at the osteochondral junction in rheumatoid arthritis and osteoarthritis[J].Rheumatology(Oxford),2010,49(10):1852-1861.

[6] Vincenti V,Cassano C,Rocchi M,etal.Assignment of the vascular endothelial growth factor gene to human chromosome 6p21.3[J].Circulation,1996,93(8):1493-1495.

[7] Houck KA,Ferrara N,Winer J,etal.The vascular endothelial growth factor family:identification of a fourth molecular species and characterization of alternative splicing of RNA[J].Mol Endocrinol,1991,5(12):1806-1814.

[8] Advani A.Vascular endothelial growth factor and the kidney:something of the marvellous[J].Curr Opin Nephrol Hypertens,2014,23(1):87-92.

[9] Lin YM,Huang YL,Fong YC,etal.Hepatocyte growth factor increases vascular endothelial growth factor-A production in human synovial fibroblasts through c-Met receptor pathway[J].PLoS One,2012,7(11):e50924.

[10] Kubo S,Cooper GM,Matsumoto T,etal.Blocking vascular endothelial growth factor with soluble Flt-1 improves the chondrogenic potential of mouse skeletal muscle-derived stem cells[J].Arthritis Rheum,2009,60(1):155-165.

[11] Murata M,Yudoh K,Masuko K.The potential role of vascular endothelial growth factor(VEGF) in cartilage:how the angiogenic factor could be involved in the pathogenesis of osteoarthritis?[J].Osteoarthritis Cartilage,2008,16(3):279-286.

[12] Matsumoto T,Cooper GM,Gharaibeh B,etal.Cartilage repair in a rat model of osteoarthritis through intraarticular transplantation of muscle-derived stem cells expressing bone morphogenetic protein 4 and soluble Flt-1[J].Arthritis Rheum,2009,60(5):1390-1405.

[13] Okubo M,Kimura T,Fujita Y,etal.Semaphorin 3A is expressed in human osteoarthritic cartilage and antagonizes vascular endothelial growth factor 165-promoted chondrocyte migration:an implication for chondrocyte cloning[J].Arthritis Rheum,2011,63(10):3000-3009.

[14] Murphy CL.HIF-2alpha-a mediator of osteoarthritis?[J].Cell Res,2010,20(9):977-979.

[15] 鲁静,侯平,张宁,等.关节炎小鼠关节组织提取物对内皮细胞增殖影响及VEGF的关系[J].中国免疫学杂志,2002,16(6):383-385.

[16] 姜志胜,唐朝枢.血管新生及其意义[J].中国动脉硬化杂志,2000,8(2):178-181.

[17] Smith JO,Oreffo RO,Clarke NM,etal.Changes in the antiangiogenic properties of articular cartilage in osteoarthritis[J].J Orthop Sci,2003,8(6):849-857.

[18] Pfander D,Swoboda B,Cramer T.The role of HIF-1alpha in maintaining cartilage homeostasis and during the pathogenesis of osteoarthritis[J].Arthritis Res Ther,2006,8(1):104.

[19] Rudolph EH,Woods JM.Chemokine expression and regulation of angiogenesis in rheumatoid arthritis[J].Curr P harm Des,2005,11(5):613-631.

[20] Ishikawa H,Ohno O,Saura R,etal.Cytokine enhancement of monocyte/synovial cell attachment to the surface of cartilage:a possible trigger of pannus formation in arthritis[J].Rheumatol Int,1991,11(1):312-316.

[21] Pap T,Distler O.Linking angiogenesis to bone destruction in arthritis[J].Arthritis Rheum,2005,52(5):1346-1348.

[22] Rollín R,Marco F,Jover JA,etal.Early lymphocyte activation in the synovial microenvironment in patients with osteoarthritis:comparison with rheumatoid arthritis patients and healthy controls[J].Rheumatol Int,2008,28(8):757-764.

[23] Shen PC,Wu CL,Jou IM,etal.T helper cells promote disease progression of osteoarthritis by inducing macrophage inflammatory protein-1γ[J].Osteoarthritis Cartilage,2011,19(6):728-736.

[24] Lambert C,Mathy-Hartert M,Dubuc JE,etal.Characterization of synovial angiogenesis in osteoarthritis patients and its modulation by chondroitin sulfate[J].Arthritis Res Ther,2012,14(2):R58.

[25] Hoff P,Buttgereit F,Burmester GR,etal.Osteoarthritis synovial fluid activates pro-inflammatory cytokines in primary human chondrocytes[J].Int Orthop,2013,37(1):145-151.

[26] Gallelli L,Galasso O,Falcone D,etal.The effects of nonsteroidal anti-inflammatory drugs on clinical outcomes,synovial fluid cytokine concentration and signal transduction pathways in knee osteoarthritis.A randomized open label trial[J].Osteoarthritis Cartilage,2013,21(9):1400-1408.

[27] Zhou JL,Liu SQ,Qiu B,etal.Effects of hyaluronan on vascular endothelial growth factor and receptor-2 expression in a rabbit osteoarthritis model[J].J Orthop Sci,2009,14(3):313-319.

[28] Yamairi F,Utsumi H,Ono Y,etal.Expression of vascular endothelial growth factor(VEGF) associated with histopathologicalchanges in rodent models of osteoarthritis[J].J Toxicol Pathol,2011,24(2):137-142.

[29] Chen XY,Hao YR,Wang Z,etal.The effect of vascular endothelial growth factor on aggrecan and type II collagen expression in rat articular chondrocytes[J].Rheumatol Int,2012,32(11):3359-3364.

[30] Wang YL,Li XJ,Qin RF,etal.Matrix metalloproteinase and its inhibitor in temporomandibular joint osteoarthrosis after indirect trauma in young goats[J].Br J Oral Maxillofac Surg,2008,46(3):192-197.

[31] Fransès RE,McWilliams DF,Mapp PI,etal.Osteochondral angiogenesis and increased protease inhibitor expression in OA[J].Osteoarthritis Cartilage,2010,18(4):563-571.

[32] Kim KS,Choi HM,Lee YA,etal.Expression levels and association of gelatinases MMP-2 and MMP-9 and collagenases MMP-1 and MMP-13 with VEGF in synovial fluid of patients with arthritis[J].Rheumatol Int,2011,31(4):543-547.

[33] Shlopov BV,Lie WR,Mainardi CL,etal.Osteoarthritic lesions:involvement of three different collagenases[J].Arthritis Rheum,1997,40(11):2065-2074.

[34] Vincenti MP,Brinckerhoff CE.Transcriptional regulation of collagenase(MMP-1,MMP-13) genes in arthritis:integration of complex signaling pathways for the recruitment of gene-specific transcription factors[J].Arthritis Res,2002,4(3):157-164.

[35] Gerber HP,Vu TH,Ryan AM,etal.VEGF couples hypertrophic cartilage remodeling,ossification and angiogenesis during endochondral bone formation[J].Nat Med,1999,5(6):623-628.

[36] Rübenhagen R,Schüttrumpf JP,Stürmer KM,etal.Interleukin-7 levels in synovial fluid increase with age and MMP-1 levels decrease with progression of osteoarthritis[J].Acta Orthopaedica,2012,83(1):59-64.

[37] Neve A,Cantatore FP,Corrado A,etal.In vitro and in vivo angiogenic activity of osteoarthritic and osteoporotic osteoblasts is modulated by VEGF and vitamin D3 treatment[J].Regul Pept,2013,184:81-84.

[38] Harris SJ,Foster JG,Ward SG.PI3K isoformsas drug targetsin inflammatory diseases:lessons from Phanlla eologieal and genetie strategies[J].Curr Opin Investig Drugs,2009,10(11):1151-1162.

[39] Marone R,Cmiljanovic V,Giese B,etal.Targeting Phos-Phoinositide-3-kinase:moving towards therapy[J].Bioehim Bio Phys Aeta,2008,84(l):159-185.

[40] Kureishi Y,Luo Z,Shiojima I,etal.The HMG-CoA reductase inhibitor simvastatin activates the protein kinase Akt and promotes angiogenesis in normocholesterolemic animals[J].Nat Med,2000,6(9):1004-1010.