高胆固醇与骨关节炎的研究进展

韩广弢，李皓桓，蔡伟松，张宇标

高脂肪摄入和缺乏运动会导致许多健康问题，最终会导致高血压、肥胖、血脂异常、高胆固醇血症和胰岛素抵抗综合征或代谢性疾病的患病率不断上升，而代谢性疾病又会促使糖尿病、心血管疾病和动脉粥样硬化等疾病的发病。据报道，这些疾病的发生可能使骨关节炎（osteoarthritis，OA）的患病风险增加［1］。更重要的是，这些危险因素可能相互作用，促使OA恶化。虽然大多数OA是因为肥胖、高血压、高胆固醇血症等基础疾病而产生，但是高胆固醇如何影响OA发病尚不明确，本文将对其进行综述。

1 高胆固醇是诱发OA的危险因素

人体中胆固醇可以通过两种途径来产生，一是细胞通过生物合成途径合成，二是通过饮食摄取。胆固醇是细胞膜的重要组成成分，并影响许多信号分子，包括Ras、Hedgehog、Rho等。据报道，正常人滑液中胆固醇含量比血浆中含量要低［2］。然而，炎症性关节病患者的滑液中胆固醇和胆固醇晶体含量高于正常人的滑液。通常认为，胆固醇会对炎症性关节病的产生起促进作用。

受脂肪代谢的影响，超重者容易发生高胆固醇血症。但是关于高胆固醇水平是否影响OA的发生还存在争议。关于OA与血清胆固醇水平之间的关系，流行病学研究得出了不同的结论。部分研究表明高胆固醇血症会促进OA的发展［3-6］，而有研究则发现高胆固醇血症会抑制OA的发展［7］。

当胆固醇流入超过胆固醇流出时，就会造成胆固醇蓄积。最近的一项研究发现，与正常人相比，OA软骨组织中载脂蛋白1和三磷酸腺苷结合盒转运体A1（ABCA1）等胆固醇转运基因的mRNA表达水平显著降低。此外，在OA软骨中，两种肝脏亚型X受体（LXR）的表达水平降低，特别是LXRα和LXRβ mRNA表达水平也明显降低［8］。并且，软骨中上调的固醇调节元件结合蛋白2（SREBP-2）对OA的发病起着关键作用［9-11］。蛋白质组学分析进一步支持了这一观点，这些蛋白质在OA软骨中的表达与正常软骨存在差异［12-13］。推断这些基因的低表达可能会对OA的产生有促进作用。

最近，GIERMAN等［14］通过对小鼠和兔子进行实验研究高胆固醇和OA之间的联系，其认为高胆固醇的小鼠和兔子更容易软骨退化，从而促使OA发病。随着进一步研究，其还指出，载脂蛋白E敲除的小鼠和兔子更易受高胆固醇的影响［15］，这为高胆固醇参与OA提供了直接证据。其研究指出虽然这些小鼠和兔子更容易患OA，但其产生可以被他汀类药物抑制。为了更好地研究高胆固醇对OA的影响，其使用了阿托伐他汀对患OA的小鼠和兔子进行治疗，治疗后OA症状显著改善。所以作者提出是高胆固醇而不是过度机械负荷促进OA发病。高胆固醇血症的特点之一是低密度脂蛋白（LDL）水平升高。LDL是一类非均质脂蛋白颗粒，核内含有三酰甘油和胆固醇酯，核外由亲水的磷脂壳、游离胆固醇和载脂蛋白（Apo）构成。最近DE MUNTER等［16-17］提出，高LDL可使软骨下骨形成骨赘导致OA产生。并且高LDL的小鼠炎性反应更重，说明高LDL可促进滑膜炎的产生。TIKU等［18］研究也报道了软骨细胞LDL蓄积与软骨基质降解之间的关系，其使用ApoE敲除小鼠和饮食诱导的高胆固醇血症大鼠来探讨高胆固醇血症对OA的影响。两种模型均表现出软骨降解，骨赘形成，软骨下骨结构改变的OA样症状。与对照组比较，高胆固醇饮食的动物术后更容易发生膝关节不稳。这些结果共同强调了高胆固醇在OA发病机制中的重要性［19］。尽管上述研究已经证明了高胆固醇和OA之间重要而复杂的相互作用，但是这种相互作用背后的机制仍然不清楚。为了更好地理解这种联系，需要进一步研究以解决潜在的分子机制。

2 高胆固醇损伤软骨的过程

虽然不清楚高胆固醇如何损伤软骨，但是高胆固醇可以导致软骨损伤的方式有很多，这里对这些假说进行介绍。

2.1 OA与动脉粥样硬化的联系 目前证据表明，OA的发展可能与血管功能的改变有关，而血管功能的改变与动脉粥样硬化有关［20-23］。由于胆固醇是细胞膜的主要组成成分，任何改变均会影响细胞膜的功能和流动性，导致细胞功能受损和胆固醇过度蓄积［24］。高胆固醇血症可能导致组织内脂质氧化和沉积，对软骨造成损害，与动脉粥样硬化等疾病表现相类似。动脉粥样硬化产生的关键因素之一是组织内胆固醇流入和流出之间的不平衡。众所周知，胆固醇的流入和流出受到多种细胞表面受体的调节，包括CD36、ABCA1和B类I型清道夫受体（SR-BI）［25］。胆固醇逆向转运的第一步与ABCA1有关，ABCA1是一种跨膜蛋白，介导从细胞到Apo的脂质流出。有研究证明ABCA1在胆固醇稳态中起重要作用，该基因的改变与动脉粥样硬化有关［26-27］。SR-BI是CD36超家族的一员，主要在类固醇类组织和肝脏中表达，其能让高密度脂蛋白（HDL）选择性摄取胆固醇。此外，SR-BI在巨噬细胞中表达，如动脉粥样硬化病变中的巨噬细胞、单核细胞来源的巨噬细胞和组织巨噬细胞［28-30］。SR-BI缺乏与动脉壁胆固醇的失调有关，并促使动脉粥样硬化的产生。CD36是氧化LDL（oxLDL）和多种配体（如长链脂肪酸、凋亡细胞、阴离子磷脂等）的结合和内化因子。CD36在oxLDL摄取中起着调节清道夫受体的作用［31］，并识别oxLDL的脂质部分。此外，越来越多的证据表明，过氧化物酶体增殖因子激活受体（PPARs）通过刺激肝脏X受体（LXR）-ABCA1通路［32］，增加胆固醇释放，从而发挥抗动脉粥样硬化作用。调节动脉粥样硬化中的基因和分子也可能影响软骨胆固醇稳态。而软骨组织中某些基因的表达支持了这一假说。有研究表明，胆固醇对骨骼形成和软骨细胞分化是必不可少的［33］。参与胆固醇代谢的蛋白在软骨细胞中表达受到严格的调控。例如，载脂蛋白A-1（apoA-1） 和ABCA1在软骨细胞分化过程中表达较高，一旦细胞增生，apoA-1和ABCA1表达降至初始水平［34］。这些研究结果提示，必须对胆固醇的利用和合成进行严格调控来避免胆固醇在关节异常沉积。有研究表明，OA患者滑膜液中脂质分布与关节腔炎症严重程度有关［35］。另一项研究表明，调节胆固醇代谢的关键转录因子SREBPs参与OA的发病［36］。在最近的研究中，Hedgehog信号通路在软骨细胞中的重要性已经在调节胆固醇稳态中得到证实［37-40］。有研究表明，miR-33a通过激活转化生长因子（transform growth factor，TGF）-b1/Akt/SREBP-2信号通路，以及OA软骨细胞中胆固醇外分泌相关基因ABCA1和apoA-1调控胆固醇合成［9］。此外，脂肪组织释放的炎性因子、免疫系统的激活和年龄的变化与动脉粥样硬化的产生和OA的启动有关［41］。综上所述，认为OA与动脉粥样硬化有一定联系。

2.2 OA与炎症的关系 肥胖和相关的代谢综合征与全身组织损伤和慢性低度炎症有关［42］。软骨细胞外基质中蓄积的以LDL为主的脂蛋白可触发炎症。C反应蛋白（C-reactive protein，CRP）是一种敏感度高的炎性因子。OA中，CRP和白介素（IL）-6水平升高，说明OA受炎症影响。因为CRP与肥胖、代谢综合征和OA有关［43］，所以应该对肥胖与OA的关系进行进一步研究。IL-6是包括软骨细胞为主的促炎因子。有研究显示OA中IL-6 mRNA水平升高。高敏感性CRP水平升高与OA患者的局部炎症有关，IL-6似乎与内脏肥胖和胰岛素抵抗有关［44］。最近的研究强调了炎症和胆固醇之间的密切联系，而ABCA1在其中起着重要作用［45］。例如，ABCA1敲除的巨噬细胞中细胞内游离胆固醇升高，巨噬细胞炎性反应增强。

最新研究发现，肥胖可通过促进脂多糖的表达从而增加Toll-样受体4（TLR4）的表达，并且在OA患者的血液样本中发现脂多糖的低表达［46］。研究指出，PPAR-α可通过抑制TLR4的表达对OA进行治疗［47］，但是其之间的相关作用需要进一步研究。

2.3 高胆固醇水平通过影响线粒体功能和氧化应激导致OA 线粒体由外膜、膜间隙和内膜组成［48］，是维持细胞内稳态、细胞分化、细胞代谢的重要细胞器。其不仅产生能量，而且可以诱导细胞凋亡，激活信号通路，还可以完成细胞的正常生理活动。高胆固醇血症可引起线粒体功能障碍［49］。研究指出，OA患者线粒体内胆固醇蓄积可使软骨细胞凋亡从而促进OA的产生［50］。并且研究发现，胆固醇的增加可影响线粒体膜的通透性［51］。最近的研究证实了胆固醇转运多肽的活性可促进胆固醇在线粒体跨膜运输［52］。

越来越多的证据表明，线粒体中胆固醇的蓄积会损害特定的线粒体成分，可能会导致线粒体功能障碍［53］。游离胆固醇超载可能通过激活促凋亡分子或直接膜效应或两者共同作用来实现。研究表明，胆固醇氧化产物氧化甾醇增加与线粒体的氧化应激有关，后者通常导致线粒体活性氧类（mtROS）的生成增加［54］。过量的氧化胆固醇在线粒体结合含硫酸盐的蛋白质多糖进行氧化修饰。虽然不确定哪些物质参与此过程，但除了活性氧（ROS）外，还涉及多种膜和细胞外组织相关酶［55］。不同的防御机制可以抑制脂蛋白蓄积导致的氧化损伤。但在长期脂质蓄积下，这些防御机制可能失效，并导致一些信号通路的激活［56］。ROS通常由线粒体产生，正常情况下可被线粒体清除。ROS的蓄积可使线粒体的氧化应激保护作用失效，还可激活氧化应激对线粒体造成更大程度的破坏。ROS还会损伤细胞脂质、蛋白质和DNA，导致脂质过氧化，这种情况会刺激更多的线粒体DNA损伤。研究表明，蓄积的胆固醇会提升过氧化物阴离子的水平，增强氧化应激，并使炎性反应激活，造成不可逆的组织损伤［57］。在人类和动物模型中，氧化应激的产生，尤其是由超氧化物导致的自由基的产生，与软骨功能障碍有关［57-58］。越来越多的证据表明氧化应激与软骨退化之间有一定关系。然而，高胆固醇水平能否引发软骨线粒体功能障碍以对这一特定群体进行抗氧化治疗还需要进一步研究。最近的研究表明，高胆固醇可通过影响软骨细胞线粒体造成软骨破坏［59］。透射电镜观察发现胆固醇刺激的软骨细胞线粒体形态不规则。此外，与对照组相比，胆固醇刺激的软骨细胞中腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）含量降低，在高胆固醇处理的软骨细胞中，细胞ROS水平升高［60］。这些结果共同表明胆固醇水平升高导致软骨细胞线粒体功能障碍和ROS增加。通过使用抗坏血酸、生育酚等线粒体靶向抗氧化剂来治疗线粒体功能障碍，能够延缓载脂蛋白E（apoE）敲除小鼠和饮食诱导的高胆固醇血症小鼠OA进展［61］，这些药物为治疗OA提供了理论基础。

3 降胆固醇药物对OA的治疗

现在有许多药物可以治疗OA，包括非甾体消炎药、激素、透明质酸、过氧化物歧化酶等。研究指出，他汀类药物也可以阻止从头合成胆固醇，对OA进行治疗［62］，但是未见对其进行临床随机对照试验来进行评估。在一项大样本的研究中，CLOCKAERTS等［63］认为他汀类药物的应用可治愈膝关节OA，但无法治愈髋关节OA。他汀类药物不仅对脂质代谢有影响，还有抗炎作用。研究表明，在OA发病过程中向关节内注射他汀类药物可减少炎性细胞浸润和基质降解酶的表达，从而抑制软骨降解［64］。AKASAKI等［65］认为，体外加入阿托伐他汀是通过降低软骨降解基质金属蛋白酶（MMP）-13，保护OA患者的软骨细胞。此外，美伐他汀可提高MMP-2的mRNA水平，Ⅱ型胶原蛋白和聚蛋白聚糖促进大鼠软骨细胞蛋白多糖的合成。SIMOPOULOU等［66］研究结果表明，他汀类药物能够抑制软骨细胞的分解和关节软骨的衰老。而他汀类药物具有免疫调节和软骨保护功能，从而减少软骨损伤。然而，还不清楚降低多少胆固醇可维持软骨内稳态。目前药物可使大多数人群维持正常的胆固醇水平，但是没有一种药物可以对所有OA患者有效。虽然个性化的治疗方案在短时间内不会施行，但这种方案对OA治疗有帮助。了解胆固醇在骨性关节炎中的作用可能会对骨科医生进一步治疗有帮助。如果高胆固醇与OA之间有明显的联系，骨科医生在诊断OA之前会对患者进行血脂检查。此外，如果在血液中检测到胆固醇高表达，就可以通过服用降胆固醇药物将其降至参考 范围。

4 结论与展望

虽然有研究已经证明高胆固醇会导致OA产生，然而其机制依旧未明。研究高胆固醇如何导致OA十分关键。因为可以通过非手术方式降低胆固醇水平来预防OA，这样可以减轻患者的手术痛苦并提高其生活质量。

作者贡献：韩广弢、李皓桓进行文章的构思与设计；韩广弢进行研究的实施与可行性分析，文献收集；韩广弢、张宇标进行文献整理；韩广弢、蔡伟松撰写论文；李皓桓进行论文的修订，负责文章的质量控制及审校，对文章整体负责，监督管理。

本文无利益冲突。

本文文献检索策略：

检索数据库：万方数据知识服务平台、中国知网、PubMed、Medline；检索关键词：骨关节炎、高胆固醇血症、骨关节炎、线粒体、氧化应激、软骨及其相应的英文；检索时间：2000—2019年。共检出相关文献200余篇，选用发表时间较近、研究设计合理、影响因子较高的论著、综述及Meta分析。