透明质酸治疗膝骨关节炎相关机制的研究进展*

杨俊龙 王艳娉 张 源 张小梅△

（1昆明医科大学第一附属医院疼痛科，昆明650032；2昆明医科大学第一附属医院骨科，昆明650032）

透明质酸治疗膝骨关节炎相关机制的研究进展*

杨俊龙1王艳娉1张 源△2张小梅△1

（1昆明医科大学第一附属医院疼痛科，昆明650032；2昆明医科大学第一附属医院骨科，昆明650032）

透明质酸 (hyaluronic acid, HA) 是构成关节软骨基质和滑液的主要成分。关节内透明质酸注射(intra-articular hyaluronic acid, IA-HA)在缓解骨关节炎疼痛、改善关节功能方面应用广泛。软骨保护是IA-HA治疗膝骨关节炎的最常见机制，其他机制包括促蛋白多糖和糖胺聚糖的合成、抗炎作用、改善软骨下骨和机械性能，以及镇痛作用。HA-CD44结合是研究中最频繁提到的生物学机制，高分子量透明质酸比低分子量透明质酸更有优势。HA可通过众多机制改善关节结构和功能，这为IA-HA治疗膝骨关节炎的临床应用提供了理论依据，并提示未来的研究在关注IA-HA缓解疼痛的机制的同时，也应关注其对膝骨关节炎的修饰作用。本综述总结了近年来HA对膝骨关节炎的作用机制，希望为进一步研究提供参考。

透明质酸；膝骨关节炎；CD44；透明质酸合成酶

骨关节炎(osteoarthritis, OA)是一种以关节软骨退变和继发性骨质增生为特征的慢性进行性关节疾病，是最常见的老年退行性骨关节病。通常以关节疼痛、软骨退变和功能障碍为主要表现，严重影响患者的生活质量。世界卫生组织将OA与心血管疾病和癌症列为三大严重影响健康的疾病。我国OA中膝OA的发生率最高，60岁以上的老年人发病率为60.1%，明显高于60岁及以下的中老年人的发病率39.9%[1]。由于膝OA主要是退行性病变，随着我国老龄化问题日益突出，OA的发病率还会逐年增高。另外，膝OA还会导致患者工作能力下降，甚至被迫提前退休，对社会经济造成负面影响。OA已成为导致50岁以上人群功能残疾、造成经济损失和社会影响的主要疾病之一。膝OA的临床治疗主要包括缓解疼痛、减缓关节功能退化和改善患者生活质量。尽管治疗方法众多，但由于OA的发病机制尚未完全阐明，目前仍未找到特效的根治手段。在药物治疗中，非甾体抗炎药和关节内注射糖皮质激素最为常用，但都有其固有的局限性，如非甾体抗炎药治疗OA常伴发胃肠道反应和心血管事件等严重不良反应，而关节内注射糖皮质激素通常只能提供一个短暂的缓解期。

透明质酸 (hyaluronic acid, HA) 是一种分布于细胞间质中的粘多糖，具有粘弹性、润滑性、生物相容性、可降解性及抗炎活性。关节内透明质酸注射(intra-articular hyaluronic acid, IA-HA)在缓解OA疼痛、改善关节功能方面应用广泛。然而，目前尚未找到HA治疗膝OA的确切靶点，更令人不解的是，理论上外源性HA只能在关节腔内存留数天，但IAHA的临床疗效却能持续6个月甚至更长时间[2]，提示HA除能改善关节液的机械性能外，还可能通过其他多种机制缓解OA。近年来，国内外围绕IA-HA治疗膝OA的相关机制进行了广泛的研究，本文对其相关机制的研究进展进行了总结，提示我们在关注IA-HA缓解疼痛的机制的同时，也应关注其对膝OA的修饰作用，有利于进一步寻找抑制病情发生的作用靶点，为膝OA早期预防和治疗提供新思路。

一、软骨保护

IA-HA已被证明可以减少软骨细胞凋亡，同时增加软骨细胞增殖[3]。HA通过结合CD44而产生软骨保护作用，HA-CD44结合后，可抑制白细胞介素-1β(interleukin -1β, IL-1β)的表达，导致基质金属蛋白酶-1 (matrix metalloproteinase-1, MMP-1)、MMP-2、MMP-3、MMP-9和 MMP-13的 合 成 减少。多种MMP被抑制后，降低了关节软骨内分解代谢酶的活性。最近一项研究发现，HA可抑制MMP-13的表达，且在IV级膝OA比II级膝OA中的抑制作用更明显，说明在重度膝OA时HA能更有效地阻止关节软骨组织的降解[4]。对HA-CD44相互作用的研究发现，不同分子量的HA与CD44受体结合的亲和力不同，高分子量透明质酸(high molecular weight hyaluronic acid, HMWHA)比低分子量透明质酸(low molecular weight hyaluronic acid,LMWHA)有更高的亲和力，因此能更有效地抑制MMP的产生，这也从另一角度提示了HMWHA与CD44结合在膝OA治疗中的核心作用。但与之矛盾的是，Huang等人的研究则认为HMWHA可能有良好的抗炎作用，而LMWHA的软骨保护作用更强，原因是LMWHA也能产生良好的基质金属蛋白酶抑制作用，并能更有效地上调抗代谢酶[5]。

HA-CD44结合后，使去整合素金属蛋白酶(a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs, ADAMTS)的表达降低，软骨细胞凋亡减少。同时，ADAMTS家族还参与了重要滑液成分（包括蛋白多糖，多能聚糖，和短小蛋白多糖）的裂解，这为IA-HA提供了另一种软骨保护的依据[6]。一氧化氮等活性氧通过增加软骨细胞凋亡导致软骨退变，IA-HA可抑制滑膜内一氧化氮的合成，减少IL-1β介导的氧化应激，延缓软骨退变。HA-CD44结合发挥软骨保护的另一机制是减少前列腺素E2(prostaglandin E2, PGE2)的合成，并增加热休克蛋白-70的表达[7]，从而抑制软骨细胞凋亡。值得一提的是，HMWHA对PGE2的抑制作用比LMWHA更强，因而具有更好的软骨保护作用。

HA还能与透明质酸介导的运动性受体(receptor for hyaluronan mediated motility, RHAMM)结合，促进伤口愈合、促迁移和侵袭、调节细胞对生长因子的反应，并在成纤维细胞的迁移和运动中发挥作用[8]。因此，HA-RHAMM结合可能参与了OA潜在的疾病修饰作用。

二、改善软骨下骨

在关节运动过程中，关节软骨和软骨下骨共同参与应力传导，软骨下骨为关节软骨提供力学支撑，通过骨重塑来适应不断变化的力学环境。软骨下骨在OA时的改变包括软骨下骨皮质增厚、软骨下骨小梁质量降低、关节边缘骨赘和骨囊肿形成以及潮线的扩张。OA早期活跃的骨重塑，可导致软骨下骨发生硬化，使关节软骨受到的应力负荷增加，加速关节软骨的退变。软骨下骨对过度力学负荷的应答，改变了关节的生物力学特性，促进了OA的发展。Wang等[9]通过计算机断层扫描对豚鼠OA模型进行研究，发现软骨下骨超微结构的改变要先于软骨退变的出现，这可能进一步损害关节软骨，从而从影像学角度提出软骨下骨改变是OA的始发因素。软骨下骨的各种病理变化都会影响OA的发生和发展，是治疗OA的潜在靶标。已有多项研究讨论了IAHA疗法在软骨下骨中的作用。在OA的关节内，软骨下骨中的成骨细胞和关节软骨细胞通过MAPK和ERK1/2信号通路，介导ADAMTS-4/5和MMP-1，MMP-2，MMP-3，MMP-8，MMP-9和MMP-13的表达和调控[10]。HA-CD44结合可抑制MMP-6和IL-6的表达，从而对软骨下骨发挥作用，这种作用潜在地阻止了异常骨组织的代谢。HA通过结合CD44作用于MMP，特别是MMP-13，抑制MMP13的表达被认为是HA对软骨下骨发挥作用的一个关键因素。另外，HA可有效地改变骨小梁的结构，导致软骨下骨的密度和厚度改变，使软骨下骨的顺应性增强，最终减少在冲击负荷时软骨受到的应力。IA-HA治疗时观察到尿中的II型胶原C端肽(C-terminal telopeptides of type II collagen, CTX-II)升高，提示IA-HA治疗刺激了软骨/骨交界处的II型胶原循环[11]。最终，HA抑制了膝OA早期软骨下骨的改变。

三、抗炎作用

膝OA疼痛与炎症密切相关。研究显示，膝OA进展过程中，多种炎症因子在疼痛的产生中发挥了巨大的作用。多项研究证实IA-HA治疗具有抗炎作用，IL-1β是促炎因子，同时也是HA发挥抗炎作用的关键因子。HA-CD44结合后，抑制IL-1β的产生而发挥抗炎作用。此外，IL-1β被抑制后，多种MMP下调，这也有助于HA发挥抗炎。HA-CD44结合还可进一步抑制炎症因子IL-8、IL-6、PGE2和肿瘤坏死因子 -α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)，产生IA-HA治疗的抗炎作用[12]。分子量与抗炎作用也有直接的相关性，HA的降解产物多为LMW HA，这些LMW HA可调控CD44和Toll样受体（Toll-Like Receptors, TLR）， 增 加 NF-κB (nuclear factor κB,NF-κB)、IL-1β、TNF-α、IL-6和IL-33等炎症介质的产生，介导炎症反应[13]。然而，HMW HA则与TLR2和TLR4结合，抑制多种炎症介质，包括TNF-α、IL-1-β、 IL-17、 MMP-13和诱导型一氧化氮合酶(inducible nitrogen oxide synthase, iNOS)[14]。此外，HMW HA对PGE2和IL-6的抑制作用也更强，而IL-6是一种可被NF-κB调控的促炎症细胞因子，HA与细胞间黏附分子-1 (intercellular adhesion molecule-1, ICAM-1)结合后下调了NF-κB，减少IL-6的产生[12]。

四、镇痛作用

大部分的外源性HA只能在关节腔内存留数天，但其镇痛作用却能持续6个月，甚至更长时间[2]，提示IA-HA具有疾病修饰的特性，而不仅仅是通过恢复关节液的粘弹性发挥作用。有多个研究阐述了IA-HA治疗的镇痛作用。单次HA注射后，小鼠OA模型的疼痛相关行为显著减少[15]。膝OA疼痛是始发于游离神经末梢的伤害性疼痛状态[16]，HA通过与关节内游离神经末梢的相互作用，调控关节内致敏性痛觉感受器的敏感性，减轻疼痛反应。研究表明，HA的镇痛作用发生在激活的机械敏感性牵张离子通道，HA与其结合后，通道的活性显著减弱。HMWHA降低牵张离子通道机械敏感性的作用更强，可有效地阻断疼痛反应，而LMWHA阻断这种疼痛反应的作用较弱，故HMWHA与疼痛有密切相关性[17]。此外，膝OA疼痛的原因之一是膝关节局部的慢性炎症和感觉神经损伤，滑膜和软骨下骨产生的炎症因子TNF-α是介导膝OA产生疼痛的重要因素[18]。如前所述[14]，IA-HA可抑制TNF-α，进而产生镇痛作用。最近的一项研究表明，HA对关节传入神经（背根神经节）的调节可能是HA在体内的存留时间与临床疗效持续时间存在差异的根本机制之一[2]。

五、促进蛋白多糖和糖胺聚糖合成

大量研究报道了IA-HA可增加蛋白多糖和糖胺聚糖(glycosaminoglycan, GAG)的合成。软骨蛋白多糖是关节软骨内主要的蛋白多糖，在OA的病程中，软骨内蛋白多糖和GAG的合成下降。IAHA治疗可促进软骨蛋白多糖合成，并抑制其降解，延缓OA的进展[19]。IA-HA治疗可将新合成的蛋白多糖动员到软骨细胞基质外，潜在地抑制了软骨退变。在海藻酸钙凝胶模型中，外源性HA促进新合成的蛋白多糖从细胞质移动到远处的基质中，提示IA-HA治疗可强化软骨间的基质，缓解OA病情[20]。HA改变软骨蛋白多糖含量的生物学信号通路是通过CD44与ICAM-1结合而产生的[19]。另一项研究表明，HMWHA还可刺激胰岛素样生长因子-1 (insulin-like growth factor -1, IGF-1)信号通路，比LMWHA更能促进蛋白多糖的合成[21]。此外，IA-HA治疗不仅可增加内源性糖胺聚糖的合成，而且还可增加内源性HA的合成，补充滑液中的HA[22]。

六、机械性保护

许多研究描述了HA治疗膝OA的机械性保护作用。HA的粘弹性可润滑关节囊，减少摩擦，防止关节退变。HA通过吸收关节囊内的压力和震动而保护关节囊，而这种压力可引起关节软骨的退变[23]。膝OA时关节腔内的摩擦力大于健康的膝关节，HA可通过提高关节润滑来减弱这种摩擦力。随着OA病程的发展，膝关节内源性HA的浓度和分子量均减小，导致关节液的机械性能下降[17]。HMWHA由于具有良好的粘弹性，已被证明其具有更强的减小摩擦的作用，这种关节内摩擦的减小，从机械力学降解的角度提供了软骨保护的疗效[24]。值得注意的是，在细胞生物力学传导过程中，细胞骨架扮演着中心角色，OA时软骨细胞骨架发生显著变化，这将改变软骨细胞的机械信号转导及力学特性，进而加重骨关节炎。Bourguignon的研究证实，软骨细胞表面的HA受体CD44，可与多种膜相关细胞骨架蛋白（如锚蛋白）相互作用，激活细胞骨架介导的多种细胞活动，如粘附、增殖、迁徙等[25]。另外，HA能降低关节液中IL-1β的水平，而IL-1β可抑制软骨细胞骨架相关基因（如FHL2，Tubb，Vim等）的表达。

七、展望

IA-HA可介导多条通路发挥不同的作用，延缓OA的病程。软骨保护是最常被报道的作用，而HA-CD44结合是最常见的发挥作用的核心。同时，HA还可促进蛋白多糖和糖胺聚糖合成、抗炎、镇痛、改善软骨下骨和生物力学性能。目前，我们推测IA-HA治疗膝OA的临床获益不是单一特异机制作用的结果，而是由几种机制共同作用而成。通过这些研究，可以进一步完善我们对IA-HA治疗膝OA作用机制的理解，以及认识不同分子量的HA在治疗膝OA中的适用性。虽然，这些机制的临床价值并没有完全被认可，AAOS（美国骨科医师学会）膝骨关节炎循证医学指南2013年指出：对于有症状的膝OA，强烈不建议HA粘弹性补充疗法，但一直存在争议，反对者指出该指南只选用了1966年至2012年5月中的218篇文献，采用的是最小临床意义变化值，这就意味着只参考了有临床差异的文献，大量的、有统计学差异的文献被排除，并且该指南没有进行有害性分析。AAOS（美国骨科医师学会）膝节炎手术治疗循证临床实践指南2016年指出：中等强度的证据表明膝OA慢性疼痛患者即使行全膝关节置换术（total knee arthroplasty，TKA），术后症状改善也不明显；而IA-HA能显著降低患者疼痛，大量临床研究证实，若TKA后加以HA辅助治疗，术后患者自觉症状将明显改善。总之，根据具体情况对膝OA进行个体化IA-HA治疗或许是不错的方案。未来的研究不仅要关注IAHA治疗缓解疼痛的机制，也应关注这种治疗方式对膝OA的疾病修饰作用。另外，透明质酸合成酶(Hyaluronan synthase, HAS)是一种在内源性HA合成过程中发挥重要作用的关键酶，HAS表达状况的好与坏，将直接对体内透明质酸的合成产生决定性的影响。若能在膝OA早期调控关节内HAS的表达，使其恒定合成内源性HA，可能大大降低关节内反复注射HA带来的痛苦及风险。因此，HAS表达及调控的研究或许将为延缓软骨细胞退变和膝OA的早期防治提供新思路。

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10.3969/j.issn.1006-9852.2017.06.011

国家自然科学基金（81560366）

△通讯作者 张源：zhhyya@163.com；张小梅：xm6408@hotmail.com