透明质酸对膝关节骨性关节炎相关细胞因子及生物标志物的影响*

廖瑛，张兴，周君，曾亚华，成果，王甜甜，邓程远，黎洲

（南华大学附属第一医院 1.康复科，2.骨科，湖南 衡阳 421001）

骨性关节炎（Osteoarthritis, OA）是一种由不同病因引起的综合征最终聚集在同一致病途径上，产生软骨、软骨下骨和滑膜的特征性变化[1]，其已成为世界范围内日益严重的健康问题。OA好发于膝、髋及手等关节，其中以膝关节受累最为常见。关节腔注射透明质酸（hyaluronic acid, HA）在缓解膝关节 OA 疼痛、改善关节功能方面应用广泛。软骨保护是HA治疗膝关节OA的最常见机制，本文将阐述HA治疗膝关节OA的相关细胞因子及生物标志物的研究进展，为膝关节OA的治疗和预防提供新思路。

1 HA治疗膝关节OA的相关细胞因子变化

1.1 白细胞介素

白细胞介素（Interleukin, IL）是一种低分子多肽，作为一种重要的先天免疫调节剂，参与免疫、炎症、造血、致癌及生育等多种生物学活动。在人体中软骨细胞、滑膜及成骨细胞上都存在各类IL受体，与其他组织一样存在免疫应答反应。随着对IL研究和OA发病机制认识的不断深入，笔者发现OA发病跟IL家族相关因子的表达关系密切，可作为OA的疗效判断及预后评价指标之一。

1.1.1 白细胞介素 1（Interleukin-1,IL-1） IL-1 是与天然免疫和炎症密切相关的大细胞因子家族。随着国内外OA的深入研究，IL-1发病机制和病理变化过程逐渐被人们所认识。近年来，已有证据表明白细胞介素1β（Interleukin-1β, IL-1β）在膝关节OA关节软骨基质退行性病变和软骨破坏中起重要作用，是膝OA临床疗效的判断标准之一[2]。张蕾等[3]研究结果显示，经过关节腔注射HA治疗后，膝关节OA患者IL-1β含量降低且关节活动功能得到改善，进一步提示IL-1β水平变化可作为HA治疗膝关节OA疗效判断的辅助指标之一。YANG等[4]探讨HA对膝关节OA患者滑液IL-1β的影响并分析其临床机制时，将40例膝关节OA患者随机分为HA治疗组和生理盐水注射组，予以1次/周，共5周的关节腔等量注射治疗；另外，还选取20例健康志愿者作为正常对照组，不做任何处理。分别收集3组治疗前、治疗后5周的膝关节滑液，检测3组膝关节滑液中IL-1β含量，结果表明：膝关节OA患者关节滑液中IL-1β含量高于正常人，HA组可降低滑膜关节IL-1β含量，同时HA治疗组治疗后膝关节OA严重程度指数评分降低。研究提示IL-1β含量变化可能是HA治疗膝关节OA的疗效判断及预后评价的重要指标之一[4]。

1.1.2 白细胞介素 6（Interleukin-6, IL-6） IL-6 被认为可促进2型辅助性T细胞免疫反应，在多细胞生物体细胞间的通讯中起重要作用。其参与调节复杂的细胞过程，如增殖、分化，并在炎症和免疫反应中起关键作用。GREGORY等[5]在对膝关节OA患者不同发展时期血清中IL-6水平的测定时发现，IL-6与膝关节OA严重程度呈正相关，结果提示膝关节OA的发生或加重极有可能与IL-6水平变化有不可分割的关联。临床研究表明，关节腔注射HA可改善膝关节OA患者关节腔内环境，减少炎症介质的产生，减轻膝关节OA患者炎症症状，延缓病程进行性加重，其机制可能与IL-6含量降低有着密切关系[6]。韦卓等[7]探讨对关节腔注射HA治疗兔膝关节OA软骨退行性病变模型时，发现HA可能通过抑制炎症因子NO-iNOS而发挥抵抗炎症反应，保护关节软骨作用，其作用机制与抑制IL-6等促炎因子的高表达有着密切关系。

1.1.3 白细胞介素 17（Interleukin-17,IL-17） IL-17是一类炎症细胞因子成员，主要是由CD4+、CD45RO+记忆T细胞分泌的一种促炎细胞因子。有国外学者在探讨某些炎症介质和软骨降解分子作为大鼠OA模型关节损伤的可能标志物时，发现IL-17在大鼠膝关节OA模型中明显升高，提示IL-17是OA关节中主要的促炎细胞因子，其表达水平与滑膜炎症、软骨退变的表现呈正相关[8]。白玉明等[9]通过对56例膝关节OA患者每周行关节腔注射HA后，分别在第1次前和每间隔4周注射前及治疗后留取静脉血及患侧膝关节滑液，检测其留取液的IL-17含量，发现治疗后8周IL-17的浓度较治疗前降低，同时缓解膝关节疼痛症状。结果表明，膝关节OA患者关节腔注射HA后可缓解膝关节疼痛症状，其机制可能与改善机体内环境病理过程发生或发展有关，尤其与体内IL-17含量变化有一定关联，IL-17可作为一种膝关节OA疗效评估的细胞炎症因子。

1.2 肿瘤坏死因子

肿瘤坏死因子 α（tumor necrosis factor-α, TNF-α）是OA发病过程中的重要介导因子，也是炎症反应的重要调节因子，对滑膜炎的发生和软骨基质的破坏起重要作用。OA患者血清和关节液中的TNF-α含量随病情恶化而升高，提示TNF-α水平对反映OA的严重程度有一定意义[10]。许鹏等[11]发现轻、中度膝关节OA患者关节腔注射HA治疗时，关节功能、炎症症状好转，其机制可能是使TNF-α等炎症介质含量降低而实现的。张丽娜等[12]动物实验发现在兔膝关节OA模型中，膝关节腔注射HA能降低关节滑液中TNF-α含量，减轻滑膜炎症介质对软骨组织的损伤，加速软骨细胞的新陈代谢，对软骨的重建及修复有促进作用。

1.3 基质金属蛋白酶

基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases,MMPs）是主要的蛋白酶家族，负责切割细胞外基质（extracellular matrix, ECM）蛋白质组和与 ECM 无关的蛋白质，产生生物活性分子。人体关节软骨基质的破坏是由多种MMPs引起的。QIU等[13]研究证实，MMPs在膝关节OA软骨和滑膜中明显增加，尤其在软骨破坏中的作用越来越明显，同时发现在实验性兔膝关节OA关节腔注射HA可抑制早期滑膜基质金属蛋白酶3（matrix metalloproteinase-3, MMP-3）的表达，其可能是关节腔注射HA对创伤性膝关节OA早期治疗作用的机制之一。HAN等[14]在采用兔膝关节OA模型实验研究时，发现兔膝关节OA早期MMP-3在软骨和滑膜mRNA中过度表达，可能是致使软骨降解因素之一。与此同时，关节腔注射HA可以抑制兔膝关节OA模型产生MMP-3，总蛋白多糖合成水平升高，抑制软骨分解，加速软骨合成代谢，这对阻止早期膝关节OA的发生、发展具有重要意义[14]。另一方面，基质金属蛋白酶 9（matrix metalloproteinase-9, MMP-9）是一种降解胶原蛋白和弹性蛋白的IV型胶原酶，SHIMIZU等[15]研究发现，膝关节OA患者关节腔注射HA可降低MMP-9的浓度，增加关节软骨中HA含量，降低蛋白酶含量，从而抑制关节软骨的分解代谢，延缓膝关节OA的发展。麻圣达等[16]将68例膝关节OA患者随机分为HA组和对照组，治疗后HA组关节液中MMP-3、MMP-9含量较对照组下降，且关节功能疗效评估优于对照组，结果提示，关节腔注射HA能有效防止膝关节OA软骨组织分解代谢，阻碍关节软骨进行性退变，其与减少关节液中MMP-3、MMP-9含量有着紧密的联系。李彦林等[17]研究发现，膝关节OA患者关节腔内注射HA可能通过干扰关节液中基质细胞衍生因子 1（stromal cell derived factor-1, SDF-1）与软骨细胞表面的CXCR4受体结合，阻断细胞外信号调节酶（Erk）及相关激酶（p38MAP kinase）的信号通路，从而抑制软骨细胞释放MMP-3、MMP-9及MMP-13，阻止软骨基质降解酶与软骨的接触，防止软骨基质进一步破坏。

1.4 骨桥骨蛋白

骨桥骨蛋白（Osteopontin, OPN）是一种磷酸化糖蛋白，在骨组织中广泛存在，可由软骨细胞和滑膜细胞等多种细胞分泌。研究发现，OA患者软骨细胞中OPN mRNA的表达量较正常软骨增加[18]。此外，OPN在滑液、血浆和关节软骨中的表达与进展性关节损伤有关，可作为判断OA病情和病情进展的一个生物因子[19]。张德清等[20]发现，膝关节OA病情越重，关节液中OPN含量越高，当膝关节OA患者关节腔注射HA后，膝关节OA关节液中OPN含量降低，且OPN含量越低，关节功能及疼痛改善越明显，说明关节液中OPN含量变化可及时反映膝关节OA患者病情的发展和疗效。孔晖[21]研究发现，关节腔内注射HA治疗膝关节OA是安全有效的，其作用机制与降低膝关节液中OPN含量有密切关系。

2 相关生物标志物的变化

2.1 生物标志物

随着分子生物学的发展，不断发现新的关节软骨破坏标志物，OA的生物标志物被限定为来源于关节组织的大分子物质，即可让OA患者关节液或血液等体液中特异性生物标志物和蛋白酶等作为诊断OA的辅助指标。其不仅对OA的诊断有指导意义，而且是骨关节炎类药物的临床疗效和安全评估指标之一。

2.2 Ⅱ型胶原C-端肽

Ⅱ型胶原蛋白由三段螺旋链状交替构成。当OA患者发生病变时，在各类蛋白酶的降解下，Ⅱ型胶原最先裂解生成Ⅱ型胶原C-端肽（C-terminal telopeptides of type II collagen, CTX- Ⅱ ），CTX- Ⅱ 在MMPs等的降解下，三螺旋结构分裂，以小肽成分存在于体液中，可同时在血液、滑液和尿液中测到生物标志物。CHRISTGAU等[22]首先描述一种将尿CTX-Ⅱ作为软骨退化指标的免疫测定法，这项研究表明OA患者尿CTX-Ⅱ增加，因此CTX-Ⅱ可被认为是监测膝关节OA发生或进展的生物标志物。CONROZIER等[23]对51例单侧症状性膝关节OA患者每周注射HA，连续注射3个月后，检测到膝关节OA患者尿CTX-Ⅱ水平与基线相比下降，Ⅱ型胶原降解速度减慢，从而起到对软骨的保护作用。

2.3 软骨寡聚基质蛋白

软骨寡聚基质蛋白（cartilage oligomeric matrix protein, COMP）是软骨的原始分子标志物，是一种非胶原糖蛋白。其能激活补体系统，与其他蛋白质相互作用，维持软骨完整性，调节软骨细胞功能和细胞死亡。ANDERSSON等[24]称COMP是监测软骨损伤和预后情况的重要因子，也是确定是疗效的可靠因素。有研究者发现，COMP浓度的增加反映OA持续发展的过程，是一个比放射性变化更加敏感的测量工具[25]。GIARRATANA等[26]对72例膝关节OA患者每周关节腔注射HA时发现，在最初注射前第1、6和26周COMP的浓度与膝关节OA症状呈负相关，结果表明COMP含量的变化是评价关节腔注射HA治疗膝关节OA的重要指标之一。

2.4 硫酸软骨素

硫酸软骨素（chondroitin sulfate, CS）是一种天然的糖胺聚糖，广泛存在于软骨和细胞外基质中，其中4- 硫酸软骨素（chondroitin 4-sulfate, C4S）和 6- 硫酸软骨素（chondroitin 6-sulfate, C6S）是关节软骨中CS的主要组成成分。关节软骨变性和破坏会引起CS释放进入滑液，继发性导致滑液的黏度降低，使软骨进一步破坏。杜国辉等[27]对兔膝关节OA模型关节腔注射HA后，发现可减少兔关节滑液中C4S、C6S含量，从而调节软骨蛋白聚糖的降解及合成，对维持关节软骨正常的新陈代谢起重要作用。KUSAYAMA等[28]对73例膝关节OA患者进行5周（1次/周）内关节腔注射HA治疗，并对55例（55膝）进行分析；分别于第1和5次注射前测定C4S、C6S含量，结果显示注射后C4S、C6S浓度降低。研究表明，关节腔注射HA可调节关节内CS的水平，其中C4S、C6S含量降低可能对关节软骨和滑膜有保护作用[28]。

2.5 HA

HA是一种由D-葡萄糖醛酸与N-乙酰-氨基葡萄糖反复交替组成的大型糖胺多糖，存在于滑膜液和许多其他细胞外基质中，是软骨基质成分之一，在关节软骨的柔韧性和弹性，以及维持滑膜液的粘弹性和润滑性方面着重要作用。其也可以在关节软骨表面形成一层保护膜，防止软骨降解或变性。JIAO等[29]在对膝关节镜或全膝关节置换患者进行软骨损伤评分时，发现血清中HA可用于预测膝关节早期软骨损伤。而在临床上，当将高分子HA注入关节腔后，可以在痛觉感受器表面形成覆盖，即能刺激滑膜内HA的合成，又能介导软骨细胞的增殖功能。WIIG等[30]通过兔膝关节前交叉韧带离断复制膝关节OA后，行关节腔注射HA，发现软骨面组织修复，胶原合成增加，炎症发生减少，受软骨病变抑制。GUIDOLIN等[31]研究认为，在关节腔内注射HA可重建表面软骨细胞，改善软骨细胞密度和代谢，从而达到治疗膝关节OA的目的。综上所述，笔者发现关节腔注射HA可以使其在膝关节OA患者关节腔内保持稳定，其不仅可以防止软骨的损伤和变性，而且可促进软骨组织修复，减轻炎症反应，从而阻止膝关节OA的发病进程。

2.6 Ⅱ型胶原-1

Ⅱ 型 胶 原 -1（type II collagen-1, Coll2-1） 是Ⅱ型胶原在胶原酶和明胶酶B共同解聚后形成的松弛螺旋暴露新表位的代谢物，属于二型胶原的衍生物。DEBERG等[32]在测定OA患者的血清或滑液中Coll2-1浓度时，发现其浓度高于年龄匹配的正常人，进一步阐述其在诊断、预后、疾病负担及监测疗效方面有潜在的应用价值。HENROTIN等[33]通过膝关节OA患者关节腔注射HA治疗后软骨标记物的敏感性分析显示，HA治疗组患者血清Coll2-1水平降幅高于对照组，研究发现关节腔内注射HA可以显著降低软骨分解代谢产物—Coll2-1，表明其对软骨退化有一定好处，并且在临床试验中可用于评估膝关节OA单个关节内治疗。特别在重症膝关节OA患者中，关节腔注射HA可使血Coll2-1、硝基化Coll2-1水平明显下降，从而抑制Ⅱ型胶原降解，改善关节炎症表现，这反映血清中Coll2-1水平似乎是治疗反应的预测因子[34]。

3 展望

虽然迄今膝关节OA发病原因仍不明确，但已有大量证据显示膝关节OA的发生与体重、性别、年龄、外伤及遗传等密切相关；而就膝关节OA患者个体而言，其发生可能跟关节局部生物力学异常改变有关，如关节创伤、关节紊乱、半月板损伤、韧带损伤及肌肉无力等因素有关。同时，膝关节OA的发展也伴随着滑膜炎症的产生、软骨损伤和骨赘的形成等病理过程呈进行性的病变。

HA是一种天然存在关节中，具有流体动力学特征的糖胺多糖类物质。而关节腔注射HA治疗膝关节OA的有效性及安全性已得到普遍认同，其可刺激内生性HA进一步分泌，也可覆盖和保护关节内组织，钝化疼痛感受器，抑制炎症因子释放及蛋白多糖物质从软骨基质中游离，间接或直接抑制软骨变性。在膝关节OA的病理过程中，笔者不仅可以发现多种细胞因子及生物标志物与膝关节OA的发生、发展存在密切联系，而且当关节腔注射HA时，其含量变化似乎是治疗反应的一个预测因素。本文说明生物标志物及相关细胞因子不但在诊断膝关节OA方面有重要意义，同时也对关节腔注射HA的预后和疗效评估有重要指导意义。膝关节OA作为一种晚期致残率较高的疾病，其治疗应该是个体化、综合性的多种学科结合方式。就当前而言，HA关节腔注射治疗膝关节OA仍是非手术治疗的重要组成部分，这对于进一步研究HA治疗膝关节OA的疗效提供了可靠的科学依据。

综上所述，笔者发现膝关节OA的发展可能不仅与关节过度负重导致生物力学改变有关，而且与多种细胞因子和生物标志物协同参与相互作用的病理过程也有着重要的关系。