早期骨关节炎中慢性滑膜炎的发生机制研究进展

黄志，郭卫兵，王小虎，杨朝晖

(山西医科大学第二医院骨科，山西 太原　030001)



综述

早期骨关节炎中慢性滑膜炎的发生机制研究进展

黄志，郭卫兵，王小虎，杨朝晖*

(山西医科大学第二医院骨科，山西 太原030001)

骨关节炎(Osteoarthritis，OA)是中老年人最常见的一种慢性进行性关节疾病，以关节疼痛及功能障碍为主要表现，主要累及膝、髋和脊柱关节。OA是致残率最高的单发疾病之一[1]，在中国乃至全球的发病率都很高。OA确切的病因和发病机制目前仍不清楚，治疗上用药物仅能缓解症状，晚期多需行关节置换手术。

多种因素与OA的发生有关，如增龄、肥胖、劳损、创伤、关节畸形、基因易感性等，OA可以看作是多种原因所致关节损伤的最终共同通路。在这最终通路中，关节常先出现慢性和轻度的滑膜炎，继而发生关节软骨退行性变，关节边缘和软骨下骨反应性增生，即出现OA典型的影像学改变。虽然并非所有的OA发病都与滑膜炎有关，但慢性滑膜炎的产生，可能是促进OA进行性发展的关键环节[2-3]。

1　早期OA中普遍存在慢性滑膜炎

关节滑膜是包绕在关节软骨周围的一层膜性组织，正常时仅两三层细胞厚，没有炎性细胞。炎症过程启动时，滑膜衬里层细胞显著增生，并出现炎性细胞浸润，主要是巨噬细胞，还有少量T细胞、B细胞、肥大细胞和自然杀伤细胞[4]。关节腔镜和组织学检查证实滑膜是OA中发生炎性改变的主要部位，尽管不是唯一受炎症累及的关节组织。

研究发现，OA关节的炎性病理改变出现在影像学改变之前。Ayral等[5]通过关节镜发现早在可见的关节软骨退行性变之前，炎症改变已经出现，而且炎症与OA病程发展、软骨缺失程度呈正相关。在已经出现影像学改变的OA关节中，40%左右患者有明显滑膜炎，与无明显滑膜炎的患者相比，前者疼痛更加显著，功能评分更低[6]。临床前期研究也发现，抗炎治疗(例如使用非甾体类药物)能够有效减少关节破坏，保存细胞外基质和缓解疼痛[7-8]。

2　慢性滑膜炎的起因和发展

OA可分原发性和继发性两种类型，原发性OA与高龄、性别、肥胖、职业性过度使用等因素有关，继发性OA常发生于创伤、关节畸形和内分泌代谢紊乱之后。这些急性或慢性诱因都能改变关节的生物力学稳定性，造成局部软骨受损。目前认为几乎所有OA都源于关节力学稳定性破坏[9]。软骨降解产物进入滑膜液，引发机体固有免疫，成为引起滑膜炎的初始因素。随后坏死细胞释放胞内蛋白质，关节腔内无机盐(尤其是钙盐)结晶沉积，毛细血管通透性增加，血管内血浆蛋白漏出，继而局部炎性细胞浸润，补体激活，同时滑膜细胞、软骨细胞和脂肪垫也释放多种炎性介质，最终产生滑膜炎。一方面，免疫和炎症反应通过刺激软骨基质合成参与关节软骨的修复；另一方面，如果反应过度则造成软骨进一步受损，陷入“关节损伤─炎症─进一步损伤”的恶性循环之中，关节软骨逐渐变薄、纤维化，软骨下骨出现骨重塑。下面分别叙述诱发滑膜炎的内源性刺激物的来源，以及引起免疫和炎症反应的细胞分子机制。

2.1细胞外基质细胞外基质由软骨细胞产生和分泌，主要包括蛋白聚糖和Ⅱ型胶原纤维，赋予关节抗压和抗牵拉性能，炎症时普遍出现细胞外基质降解，降解产物包括纤维连接蛋白、细胞粘合素C、透明质酸等。参与固有免疫的细胞(如巨噬细胞)膜上表达多种受体，可以识别多种内源性信号分子。Toll样受体(Toll-like receptors，TLRs)是其中研究较多的一类受体，已发现TLR2可识别纤维连接蛋白[10]，TLR4识别细胞粘合素C[11]。固有免疫激活的结果是引起炎症反应，Homandberg等[12]发现纤维连接蛋白片段可促进产生肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor α，TNFα)、白细胞介素-1 β(Interleukin-1β，IL-1β)、基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMP)1和3，这些炎性介质进一步破坏软骨和细胞外基质，产生更多降解产物。

2.2细胞内蛋白细胞坏死破裂后，胞内蛋白释出，激活免疫系统。与OA有关的胞内蛋白包括高迁移率蛋白-1[13]和S100蛋白家族(S100A8和S100A9)[14]。离体实验进一步发现这些蛋白激活TLR4，上调MMP 1、3、9和13和IL-6的表达，前者促进软骨分解，后者促进炎症产生，同时下调细胞外基质成分(蛋白聚糖和Ⅱ型胶原纤维)；相反，OA模型小鼠中，敲除S100A9基因可减弱OA的严重程度[14]。

2.3血浆蛋白炎症局部毛细血管通透性增加，血管内血浆蛋白漏出，也可作为内源性刺激物。蛋白质组学分析发现，OA滑膜液中血浆蛋白种类和量明显增加，其中纤维蛋白原、Gc-球蛋白、α1-微球蛋白和α2-微球蛋白有致炎效应，可通过TLR4激活巨噬细胞，产生TNFα、IL-6、IL-1β和血管源性内皮生长因子[15-16]，提示炎症或损伤导致的继发性血浆渗出会进一步加剧关节内炎症和软骨破坏。

2.4无机物结晶沉积OA患者关节软骨和滑膜液中常出现钙盐晶体沉积，主要是碱性磷酸钙和二水焦磷酸钙结晶，可能是软骨下成骨和破骨细胞钙代谢紊乱所致。Rosenthal等[17]的研究发现，严重OA关节中，几乎所有关节软骨都显示钙盐沉积。这些钙盐可以和TLRs和Nod样受体(Nodlike receptors，NLRs)结合，引起炎症因子的释放，如激活巨噬细胞的炎症小体，释放前炎性因子IL-1β和IL-18[18-19]。除钙盐晶体外，尿酸也参与OA的炎症发展和软骨降解。Denoble等[20]发现滑膜液中尿酸水平和OA的严重程度密切相关，单钠尿酸盐可通过结合炎症小体或TLR4引起IL-1β释放增加[19]。临床实验显示，秋水仙碱治疗可明显缓解OA引起的关节疼痛，间接证实尿酸盐可促进OA滑膜炎的发生[21]。

3　基因易感性与慢性滑膜炎的产生

病因学研究表明，基因易感性被认为是个体产生OA最重要的内源性因素，OA易感性中50%以上由遗传因素决定，尤其是发生在髋关节和手关节的OA。多种基因共同参与OA的发生发展，相互作用，这些基因编码的蛋白产物调节软骨和骨细胞的增殖分化、炎症进程、痛觉感受以及关节的破坏[22]。如前所述，由于细胞外基质降解、软骨破环和继发的滑膜炎是早期OA的病理改变机制，这里主要叙述与此相关的基因易感性类型。

3.1微小RNA(microRNA，miRNA)miRNA是一种具有调节发育时相功能的非编码单链RNA，在转录水平调节下游靶基因的表达。软骨内多种miRNA参与OA中的炎症反应和软骨稳态的维持。miRNA-140是OA发生的关键miRNA之一，它特异性表达在软骨细胞中，OA中表达下调，直接调节MMP-13、ADAMST5、Aggrecan等基因的表达[23]。miR-27a、miR-27b和miR-127-5p也在OA关节软骨中表达下调，参与调节MMP-13等基因的表达[23-24]。OA软骨中miR-21表达上调，通过促进MMP表达以及抑制生长和分化因子5使软骨细胞破坏加强、增殖抑制[25]，成为治疗OA的新靶点。

3.2DNA甲基化DNA甲基化是核酸的修饰途径之一，能引起DNA构象、稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达。MMP-13和诱导型一氧化氮合酶(induced nitricoxide synthase，iNOS)是OA中介导软骨破坏和炎症反应的重要蛋白。MMP-13启动子-104位点是否甲基化影响到转录因子CREB与启动子的结合[26]。iNOS基因增强子-5853和-5842 bp的CpG甲基化抑制转录因子核因子-κB(nuclear factor kappa B，NF-κB)与增强子的结合[27]，而NF-kB是介导炎性反应的重要转录因子。

3.3单核苷酸多态性单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphisms，SNPs)主要是指在基因组水平上由单个核苷酸的变异所引起的DNA序列多态性，目前研究侧重于参与骨和软骨的发育及修复的基因。在滑膜炎的发生中，Ⅱ型脱碘酶基因和核受体共激活子3(nuclear receptor coactivator 3，NCOA3)基因尤其引人注意。这是因为：a)OA中Ⅱ型脱碘酶rs225014等位基因表达增加，导致促进软骨降解的酶(MMP-13和ADAMTS5)表达增加[28]；b)NCOA3基因的编码产物参与多种脂溶性受体的激活，如甾体类激素、甲状腺激素和前列腺素类。Rushton等[29]发现OA患者关节的脂肪垫和滑膜细胞的NCOA3表达减少。

4　参与OA的炎性介质

关节组织中许多类型的细胞表达结合上述内源性刺激物的受体，包括滑膜巨噬细胞、成纤维样滑膜细胞、软骨细胞等，其中主要是巨噬细胞。内源性刺激物促进这些细胞释放多种炎性介质，包括细胞因子、化学因子、脂肪细胞因子(adipokines)、神经肽等。这些炎性因子一方面加强关节软骨的分解代谢，抑制细胞外基质的合成，软骨逐渐被破坏；另一方面，炎性因子降低Aδ和C类脊髓感觉传入纤维的痛觉敏感阈值，引起关节痛(OA的主要症状之一)。

4.1细胞因子多种细胞因子参与OA的发生发展。Sohn报道OA患者血清和滑膜液中白细胞介素IL-6、IL-8均有升高[16]；Scanzello等[30]发现，早期膝关节OA滑膜液中IL-15明显升高，且IL-15的浓度与滑膜细胞膜上CD8+的细胞毒性T细胞数目呈正相关，也与滑膜液中MMP1、MMP3和IL-6的水平呈正比。IL-1β和TNFα的作用是近年的研究热点，它们通过转录因子NF-κB和激活蛋白-1(activator protein-1，AP-1，诱导IL-1β和TNFα的自分泌，还上调其他炎症和促软骨降解因子的表达，包括多种MMPs、一氧化氮和前列环素E2[31]。

4.2脂肪因子脂肪细胞可以释放一系列致炎因子。Conde[32]在离体研究中发现脂肪因子leptin，adiponectin，visfatin和resistin可以诱导炎性因子表达，并促进软骨降解。膝关节OA患者脂肪垫内巨噬细胞、淋巴细胞和颗粒细胞明显增多，关节内脂肪垫成为释放脂肪因子的主要来源[33]。体外培养的脂肪垫可释放大量leptin和adiponectin ENREF-24，以及血管内皮生长因子、TNFα和IL-6等炎症介质[34]。病因学研究已揭示肥胖是诱发OA的高危因素之一，上述脂肪因子的作用可以部分解释其机制。

4.3神经肽透明软骨本身没有神经支配，但滑膜、软骨下骨和骨膜有丰富的传入神经支配，其中Aδ类纤维传递锐痛觉，无髓鞘的C类纤维传递钝痛觉。OA关节的脂肪垫中有密集的C类纤维分布，后者含有神经炎性介质，如P物质，不仅介导痛觉感受的产生，还可以直接作用于多种免疫细胞产生前炎性因子IL-1β和TNFα，或作用于血管内皮细胞，增加血管壁通透性和血浆的滤出[35]。

OA患者关节滑膜液中可检测出多种炎性因子。研究发现，其中一些炎性因子的浓度与患者症状和关节的破坏程度呈正相关，因此可以作为OA早期诊断的参考依据，以及监测抗炎治疗是否有效。例如，膝关节OA患者滑膜液中IL-6、IL-8、IL-17、巨噬细胞抑制蛋白-1与关节影像学评分高度相关[36-38]。髋关节OA患者滑膜液也有类似变化，例如IL-6明显升高，与关节功能的损伤程度相关，而TNFα的增加与关节疼痛密切相关[39]。

综上所述，慢性滑膜炎是关节生物力学稳定性破坏和机体继发产生固有免疫反应的结果，可能是促进OA进行性发展的关键环节。鉴于OA关节的炎性病理改变出现在影像学改变之前，在此窗口期采用基于基因易感性的靶向抗炎治疗可能可以有效阻止OA的发展。另外，OA关节的炎性病变程度也可以作为早期诊断的参考依据和治疗是否有效的指标。

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1008-5572(2016)05-0428-04

2015年山西高等学校科技创新项目(20151108)；*本文通讯作者：杨朝晖

R684.3文献标识码：A

2015-09-15

黄志(1981- )，男，主治医师，山西医科大学第二医院骨科，030001。