骨关节炎的发病机制及其药物治疗进展

许 颖，范凯健，王婷玉

0 引言

骨关节炎(Osteoarthritis，OA)是临床上最常见的一种慢性关节炎，随着年龄的增长患病率逐渐增加。OA影响了全球24 000万人的生活，严重威胁着人类的健康。据世界卫生组织统计，在全球60岁以上的老年人中，约9.6%的男性和18%的女性患OA，在发达国家中，25%的OA患者伴有残疾[1]。OA主要表现为关节疼痛、功能障碍，严重者可致畸。目前研究普遍认为，OA与遗传、老化、肥胖等有关。OA致病因素及发病机制复杂，针对OA的病因病理机制寻找防治该病的有效手段一直是研究者努力的方向。目前，OA的治疗方式包括有氧运动、减轻体重、药物和手术治疗，主要目的是减轻疼痛、减少僵硬和改善关节功能。本文对近年来OA的发病机制及治疗药物的新进展进行综述，为OA的发病机制研究及临床诊疗提供参考。

1 OA的发病机制

1.1 软骨细胞凋亡 软骨细胞是关节软骨中唯一的细胞，关节软骨的稳定依赖于软骨细胞，而软骨细胞又可以维持细胞外基质的平衡，因此，损害软骨细胞的功能和存活将会导致关节软骨的损害。软骨细胞负责胞外基质的合成和更新，维持基质的完整。软骨细胞凋亡是关节软骨退行性改变的病理因素之一[2]。细胞凋亡是细胞程序性死亡的类型之一，包括一系列形态学改变，如细胞核固缩、核裂解、质膜出泡。此外，还伴随一系列生化特征的改变，如线粒体外膜的通透化，caspase效应分子的激活，以及代谢酶的激活[3]。细胞凋亡是一种高度节制性的调节方式，参与细胞的发育、稳态、衰老和死亡的过程。细胞凋亡的失调将导致病理状态，如癌症和一些退行性疾病等。细胞凋亡的机制分为细胞内信号诱导的内源性或线粒体通路，以及由细胞外信号触发的外源性或死亡受体通路，包括死亡受体家族的激活。研究表明，死亡受体Fas或TNFR1、细胞因子、机械力学、理化等因素能够触发软骨细胞凋亡。凋亡信号启动后，通过许多蛋白、酶的参与激活多种信号传导途径，包括MAPKs、MEK/ERK、JNK、PI3K/AKT、JAKs/STAT1等信号通路[2]。p53能够诱导促凋亡因子Bax上调而引起细胞凋亡，异位表达的p53还能增强NO供体诱导的细胞死亡。细胞松弛素D介导肌动蛋白阻断NO诱导的软骨细胞去分化、凋亡、COX2及PEG2的产生，抑制下游信号NF-κB、p53、caspase-3的表达[4]。软骨细胞线粒体释放的细胞色素C和AIF，可以诱发细胞凋亡[5]。活性氧(Reactive oxygen species，ROS)和氧化压力与促进OA进程密切相关[6]。氧化压力能够干扰抗氧化系统的平衡，而ROS的产生可以通过氧化还原信号通路导致细胞凋亡和损伤。因此，细胞凋亡途径为研制OA治疗药物提供了潜在的靶点。此外，自噬和细胞凋亡之间的相互关系，以及miRNA在凋亡调控中的新发现等都将为OA的干预和治疗提供新的思路。软骨细胞凋亡是一个多细胞因子、多信号传导通路共同参与的复杂病理过程，其在OA发生发展中的作用仍然有待阐明。

1.2 基质蛋白酶 关节软骨是覆盖在关节内骨表面的一层软骨组织，主要由软骨细胞和细胞外基质(Extracellular matrix，ECM)组成。ECM主要由组织液、Ⅱ型胶原(Type Ⅱ collagen，CⅡ)和蛋白多糖组成。OA的发生主要是由软骨细胞凋亡和ECM降解引起，且二者密切相关。ECM在关节软骨生理病理变化中具有重要作用，参与调节软骨的合成和分解代谢平衡。

在OA中，软骨细胞等会产生多种导致关节软骨代谢平衡的细胞因子。这些细胞因子会影响软骨细胞的代谢平衡，促进蛋白水解酶的分泌，从而促进关节炎的进程。蛋白水解酶包括基质金属蛋白酶(Matrix metalloproteinases，MMPs)和蛋白聚糖酶(A disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs，ADAMTS)。MMPs是一类广泛存在于各种结缔组织中，在ECM的降解过程中起重要作用的蛋白酶超家族。在关节炎中，MMPs的表达增加与关节炎的进程有明显的相关性，通过抑制MMPs的表达可以减缓其发展。MMP-13是MMPs中最重要的一种，是靶向降解软骨的主要酶。临床研究显示，伴有关节软骨损伤的OA患者，软骨细胞会大量表达MMP-13[7]。动物实验表明，在MMP-13基因过表达的转基因小鼠体内，小鼠会自发产生OA样表型[8]。ADAMTS是另一种重要的降解酶。ADAMTS-4、ADAMTS-5是蛋白多糖降解的关键因子[9]。研究表明，在人和鼠的软骨细胞中，炎症因子TNF-α能够诱导ADAMTS-4和ADAMTS-5酶mRNA表达水平的增加，而ADAMTS-4和ADAMTS-5能够分别负责降解胶原和蛋白多糖[9]。Yang等[10]研究发现，IL-1β诱导的miR-34a上调会抑制Cyr61的表达，并通过ADAMTS-4来调节OA软骨细胞增殖。此外，有报道，小鼠ADAMTS-5 基因被敲除后，软骨细胞的破坏作用明显减轻[11]。因此，抑制ADAMTS可能会成为治疗OA的药物设计靶点[12]。

1.3 细胞因子 OA是由多种因素引起的，多种细胞因子在疾病的发生发展中起着重要的作用。软骨细胞在软骨内成骨化中受到多种关键的生长因子和转录因子的紧密调节，包括转化生长因子β (Transforming growth factor β，TGF-β)、成纤维细胞生长因子(Fibroblast growth factors，FGFs)等。TGF-β能抑制软骨细胞肥大和成熟，因此，TGF-β信号传导的丧失与软骨损伤有一定的相关性。Zhen等[13]的研究也为这一结论提供了新的证据，因此，可以针对TGF-β靶点来开发药物以预防和缓解疾病。此外，Shang等[14]发现，神经生长因子(Nerve growth factor，NGF)在OA患者关节部位发挥了重要作用。抑制NGF能够缓解OA和慢性腰背疼等引起的慢性疼痛。胰岛素样生长因子(Insulin-like nerve factors，IGFs)可以刺激软骨细胞产生基质蛋白、阻止软骨细胞凋亡，从而维持关节软骨稳态[15]。IGF-1与受体的结合受胞外IGF结合蛋白(IGFBPs)的调节，研究提示，对于OA患者的软骨修复，IGFBPs是一个潜在的治疗靶点。

炎性细胞因子主要包括TNF-α、白细胞介素(IL-1β、IL-6、IL-15、IL-17、IL-18)、淋巴因子等，在OA的发生和发展过程中发挥了重要作用。IL-1β是OA中最重要的促炎因子之一，其可以通过抑制软骨细胞的代谢活性、促进炎性介质及活性氧的产生而改变软骨细胞的代谢平衡[16]。IL-1β能够显著上调MMPs的表达，而MMPs能够影响OA患者软骨退化，加快软骨退变。IL-1β还能诱导炎性介质的产生，如NO和PGE2，导致相应的临床反应。因此，阻止IL-1β诱导产生MMPs及炎性介质可能是治疗OA潜在的策略[17]。TNF-α通过阻断软骨细胞中蛋白多糖、结合蛋白和Ⅱ型胶原的合成而起作用。此外，IL-1β和TNF-α可以通过c-Jun N末端激酶-p38丝裂原激活激酶-NF-κB信号通路促进软骨细胞肥大[18]。因此，IL-1β和TNF-α的抑制剂可能是一个比较可行的治疗OA的方法。现已证实IL-1受体拮抗剂(IL-1Ra)对OA的关节炎症和关节破坏有保护作用[19]。

1.4 适应性免疫 有报道，在OA患者滑膜组织中出现单核细胞浸润，并显示主要含有CD3+T细胞。研究还发现，T淋巴细胞在滑膜中会出现早期、中期和晚期的活化标记[20]。这些结果表明，在大多数OA患者中存在细胞介导的免疫应答。在一项前十字韧带横切诱导的OA小鼠实验中发现，CD4+T细胞在OA中表达突出，且这些细胞会促进MIP-1γ的表达，进而导致滑膜中巨噬细胞的浸润增加，从而增加MMP-9的表达[21]。除了T细胞，在OA滑膜中的细胞浸润还包括活化的B细胞及其他细胞类型。此外，在OA的动物模型中检测到了自身抗体。因此，体液免疫和细胞免疫在OA的发展中均具有重要的作用。

1.5 基因遗传性 OA是一种多因素疾病，具有很强的遗传成分，遗传概率为40%～65%，且与关节部位有关。与OA相关基因的鉴定将有助于揭示其发病机制，并为OA的基因靶向治疗提供方向。研究者对大量OA患者及正常人进行了相关基因的全基因组关联分析研究(Genome wide association study，GWAS)，结果显示，在OA患者中，有近80个基因发生突变或出现单核苷酸多态性(Single nucleotide polymorphism，SNPs)的改变。其中一些基因是重要的结构或是与ECM相关的因子，如Wnt通路中关键的信号分子Sfrp3，骨形态基因蛋白(Bone morphogenetic protein，BMP)通路中的Gdf5和TGF-β信号通路中的Smad3[22]。此外，在表观遗传学中发现，一些miRNA也调节软骨细胞中基因的表达。目前已发现的与OA相关的miRNA有miR-125、miR-127b、miR-21、miR-148a等，其可能是潜在的药物靶标[23]。因此，今后可以整合遗传学、基因组和表观遗传学来研究OA发病的具体信号通路和调节机制。

2 OA的治疗药物

2.1 抗炎镇痛药 2000年，欧洲风湿病防治联盟(European league against rheumatism，EULAR)在OA的治疗指南中，将对乙酰氨基酚和非甾体抗炎药作为OA的一线治疗药物。NSAID类药物具有镇痛和抗炎的作用。NSAIDs在关节滑液中具有较长的半衰期，使药物容易在髋关节处累积。在OA患者中，NSAIDs主要缓解患者症状，如疼痛、肿胀和僵硬等[24]。NSAIDs通过抑制环氧化酶(Cyclooxygenase，COX)-1、COX-2的活性发挥镇痛作用，该两种酶能够催化花生四烯酸转化成前列腺素H2 (Prostaglandin H2，PGH2)。PGH2作为分子前体能够转化成具有致痛作用的前列腺素如PGE1、PGE2、PGF2α，从而发挥一系列生理功能。此外，NSAIDS还能抑制白细胞的聚集，减少缓激肽形成和血小板凝集，进而发挥消炎镇痛的作用[25]。除了NSAIDS外，研究人员发现某些局麻药物也具有治疗OA的作用。Yao等[26]发现，在OA大鼠模型中，罗哌卡因除了具有镇痛和抗炎作用外，还能有效逆转关节软骨合成和分解代谢过程中的不平衡，其中钙调磷酸酶/NFAT1信号传导途径发挥了关键作用。

2.2 氨基葡萄糖和软骨素 氨基葡萄糖(Glucosamine，GL)和软骨素(Chondroitin，CH)作为营养补充剂已获得广泛应用，是两类潜在的软骨保护剂和OA治疗药物[27]。GL大量表达于关节软骨、关节液中，其作为一种天然氨基单糖衍生物，是软骨基质中合成蛋白聚糖必需的成分。GL参与透明质酸和聚氨基葡萄糖的合成，是健康关节软骨的组成成分，其能促进软骨基质胶原蛋白合成，刺激软骨细胞产生蛋白多糖，抑制MMPs的表达，维持软骨代谢平衡[28]。GL还影响炎性因子介导的炎症相关信号通路，减少关节滑液中IL-1的水平，抑制代谢酶的激活，通过清除自由基发挥抗氧化、抗炎作用，抑制受损关节软骨中基质金属蛋白酶和磷脂酶A2，减少损伤软骨细胞中超氧化物自由基的产生，减轻软骨损伤。CH硫酸盐是一种硫酸化的葡萄糖氨基葡聚糖，是关节软骨胞外基质重要的组成成分。CH的主要作用是产生一定的渗透压，便于基质的传播和产生胶原网络[29]。体内外研究结果表明，在OA发病早期，GL和CH能够抑制OA发病进程，此外，GL和CH还具有安全性高、起效快、不良反应少等特点。但关于二者是否能改善OA病情仍存在争议，2012年ACR指南与2014年OARSI认为二者对于缓解OA的症状不明显；而2014年ESCEO认为结晶型硫酸氨基葡萄糖对OA有效，可作为OA治疗的一线药物[27]。因此，根据最新版骨关节炎诊疗指南(2018版)，建议对有症状的OA患者可选择性使用。

2.3 糖皮质激素 糖皮质激素治疗OA具有双重作用[30]：一方面，糖皮质激素能够降低毛细血管通透性，减轻OA患者因炎性反应造成的病灶处充血、炎性细胞浸润及组织液渗出；通过抑制炎性因子(如IL-6、TNF、INF等)的释放，降低血管内皮细胞对白细胞的黏附；还能生成皮质素与脂调素等特异性蛋白，抑制磷脂酶A2活性，减少PGE2和白三烯的合成与释放，从而减缓炎症进程。另一方面，糖皮质激素能够抑制软骨细胞增殖、促进软骨细胞凋亡而导致关节损伤；影响软骨基质细胞新陈代谢，破坏软骨下骨生理环境；还能抑制关节内神经末梢的本体感觉和痛觉传导，导致关节在患病情况下继续负重，加重病情。

2.4 透明质酸(Hyaluronic acid，HA) HA是构成关节软骨和关节滑液的主要成分，其分布于细胞间质，具有润滑、可降解、生物相容性、黏性及抗炎等作用。研究表明，关节内注射HA可以减少软骨细胞凋亡并促进软骨细胞增殖；HA可以改变软骨下骨的密度和厚度，使关节顺应性增强，减缓软骨受到的冲击负荷；HA通过抑制IL1-β、IL-8、IL-6、PGE2和TNF-α等炎症因子的产生而发挥抗炎作用；HA通过作用于关节游离神经末梢，调控痛觉传感器的敏感性，减轻疼痛；促进软骨蛋白多糖的合成，抑制软骨退变[31]。虽然HA可以通过多种途径发挥保护OA的作用，但在临床上的作用还存在争议。因此，根据最新版骨关节炎诊疗指南(2018)，建议根据患者个体情况使用。

2.5 降钙素(Calcitonin) 降钙素是调节体内钙和磷酸盐平衡的激素，作为抗骨吸收剂，长期以来一直用于治疗骨质疏松症和高钙血症。Dong等[32]研究发现，降钙素基因相关的肽段可作为预测膝OA进展和诊断的一个生物标志物。随着研究的深入，Sondergarrd等[33]发现，降钙素对软骨细胞具有直接作用，研究证实其能抑制IL-1β诱导的关节软骨细胞p38信号通路的激活，从而抑制MMP-13的产生，进而减少MMP-13对Ⅱ型胶原的降解，改善OA患者软骨细胞的炎性反应，从而减缓软骨损伤。以上研究也提示了降钙素可能会成为延缓OA进程和缓解OA症状的一个潜在的治疗靶点。

3 OA的其他治疗方法

3.1 干细胞疗法 通过软骨生成细胞或软骨组织移植替换损伤的关节软骨是治疗OA的一条潜在途径。研究表明，诱导人类多能干细胞向软骨生成细胞分化具有可行性，干细胞疗法是治疗OA的新型疗法[34]。TGF-β与Wnt协同能够刺激成骨细胞和软骨细胞分化，Craft等[35]发现，在多功能干细胞(Pluripotent stem cells，PSCs)衍生的软骨祖细胞中激活TGF-β信号通路，能够促进软骨细胞发育，这种TGF-β处理的细胞能够在体外和免疫缺陷小鼠体内形成稳定的软骨组织。人类骨髓间质细胞(Marrow stromal cells，MSCs)具备造血和免疫调节功能，还包含小部分促进骨骼分化的干细胞。James等[36]从MSCs集落形成细胞(CD317+IL-7hi)鉴别出了可以进行组织、软骨及骨质再生的单一细胞，该研究或可帮助组织再生及修复，为后期开发安全、高效的治疗OA新型疗法带来帮助。

3.2 靶向治疗 靶向疗法是指在治疗的过程中有目的地针对某一特定目标或部位，使药物准确到达病变区域，从而减少药物用量及降低不良反应。应用的技术有单克隆抗体靶向治疗等。抑制NGF能够缓解OA和慢性腰背疼等引起的慢性疼痛，美国再生元公司研发出一种单抗药物Fasinumab，可通过靶向结合NGF蛋白，阻断其活性，从而减轻OA患者疼痛。Fasinumab与安慰剂相比具有显著疗效，临床上用于对当前镇痛疗法治疗不耐受且伴有髋关节或膝盖中重度骨关节炎患者[37]。

此外，还有其他潜在靶向治疗OA的疗法。如通过靶向抑制疼痛相关分子来减缓OA患者痛苦。GPCRs在所有细胞中参与了外周和中心疼痛通路的组成，是最具成药性的靶标；肉毒神经毒素A1和B1可以改变疼痛过程；对大麻素系统的调控也是治疗OA疼痛的重要研究内容。此外，一些炎性因子的释放能够促使神经敏感性增加，临床上某些炎性因子抑制剂也被用来靶向抑制OA引起的疼痛[38]。

3.3 基因疗法 基因疗法中，最关键的步骤是找到促进软骨恢复的过表达蛋白和基因，通过基因转染技术将基因或序列导入细胞中，取代或矫正缺陷基因，实现治疗遗传性疾病的目的。临床研究表明，基因疗法能够改变OA患者代谢和炎症的平衡，可能成为关节软骨和软骨修复潜在的治疗策略。基因疗法可以诱导治疗因子的过表达或抑制关节退行性病变相关基因的表达。基因疗法分为以下几个类型：生长因子，转录因子，抗炎因子，软骨细胞增殖、分化、成熟相关的信号蛋白，胞外基质蛋白和胞外基质蛋白受体[39]。韩国TissueGene公司研发了全球首个针对退行性关节炎的基因治疗药物Invossa，利用逆转录病毒载体在同种异体的软骨细胞中表达TGF-β1蛋白，将被基因工程改造和未被改造的软骨细胞混合后注入患者关节内，表达并释放TGF-β1来促进软骨细胞组织的修复和再生，且能降低疼痛及延缓关节恶化[40]。最近研究证实，一些miRNA能够调节软骨细胞分化，可用于基因治疗，但目前仅仅处于体外研究阶段。如MiR-23b和miR-140在间充质干细胞表达能够促进软骨细胞功能[41]。

4 展望

OA是一种由多种因素导致的关节疾病，发病机制复杂。目前OA治疗的重点在于缓解症状，而不是预防或治疗，临床上大多使用NSAIDs药物。除此之外，OA患者还可以选择关节置换手术，但由于价格不菲，并且伴随手术带来的风险，因此不是治疗的首选。关节软骨细胞对维持关节软骨的正常生理结构和功能起着关键的作用。最近的研究表明，关节软骨细胞稳态可以被多种因素破坏，包括异常机械负荷和老化等。此外，一些信号传导途径中的遗传改变也可以破坏关节软骨中合成和分解代谢平衡，并导致细胞外基质的降解。在大多数OA小鼠模型中，MMP-13和ADAMTS-5的表达都会上调，表明这些酶可以作为调节OA进展的潜在治疗靶标。综上，我们应该更深入地研究OA的致病机制，探究新型的治疗手段，特别是干细胞疗法、基因治疗等方法的引入，有望使今后对OA的治疗和预防更具针对性。