生物学标志物在骨关节炎诊断中的应用进展

杨传俊，孙 红，邓 进

(1.贵州医科大学，贵阳 550004； 2.贵州医科大学附属医院 a.骨科，b.急诊科，贵阳550004)

骨关节炎是一种好发于中老年的骨与关节疾病，其主要病理特征是关节软骨的退行性改变、关节软骨破坏、骨赘形成及周围骨质增生，女性多于男性[1]，多发生于膝、髋等负重关节，尤以膝骨关节炎最多见[2]，临床上主要表现为阵发性/持续性关节疼痛、关节畸形及功能障碍。目前对于骨关节炎的发病机制尚不完全清楚，一般认为与衰老、性别、肥胖、创伤、遗传易感性等危险因素有关。骨关节炎发病的核心是软骨基质的破坏、降解引起的关节软骨退变，因此在生物体液(如血液、尿液和关节液等)中含有大量的骨与软骨代谢产物，这些代谢产物可以提供与组织代谢有关的生物学信息[3]。

患者体液中含有大量的骨、软骨代谢产物，这是生物学标志物的来源。近年来，随着分子生物学的发展，关于生物学标志物与骨关节炎相关性的研究一直备受关注，国内外专家迫切希望寻找一种潜在生物学标志物来实现骨关节炎的早发现、早诊断，为骨关节炎的治疗提供理论依据和参考。目前已报道的与骨关节炎相关的生物学标志物可分为胶原蛋白及降解产物相关标志物、非胶原蛋白类相关标志物、细胞因子类相关标志物等几大类。现就与骨关节炎相关的几种常见生物学标志物的研究进行综述。

1 胶原蛋白及降解产物相关标志物

1.1Ⅱ型胶原降解产物 Ⅱ型胶原是关节软骨内的主要胶原成分，占总胶原量的90%～95%，研究发现其变化与骨关节炎有密切关系[4-6]。当软骨发生破坏时，Ⅱ型胶原在蛋白酶的作用下裂解产生Ⅱ型胶原羧基端端肽(C-telopeptide of collagen type Ⅱ,CTX-Ⅱ)，CTX-Ⅱ等降解产物被释放到血清和尿液中。大量研究表明，CTX-Ⅱ的水平可反映软骨破坏程度，与骨关节炎的进展存在相关性[7-8]。Sharif等[9]在为期5年的随访研究中发现，膝关节骨关节炎的进展与Ⅱ型胶原代谢的生物学标志物的全身水平改变相关。同时数据还表明，联合测定血清ⅡA型胶原蛋白的N-前肽和尿CTX-Ⅱ可有助于确定膝骨关节炎的疾病进展风险。Kalaï等[10]对125例膝关节骨关节炎患者尿液中的CTX-Ⅱ进行分析，发现骨关节炎患者尿液中CTX-Ⅱ水平明显高于正常对照组。Huang等[11]研究发现，骨关节炎患者的尿液CTX-Ⅱ水平高于正常对照组，亚组分析显示尿液CTX-Ⅱ水平随骨关节炎严重程度的增加而升高。多项研究表明，CTX-Ⅱ将是一个很有前景的诊断骨关节炎的生物学标志物[12-13]。

1.2Ⅹ型胶原 Ⅹ型胶原是一种短链的非纤维性胶原，由3条相同的α1链组成三聚体，Ⅹ型胶原可以形成栅格状结构，参与软骨内骨化，与Ⅱ型胶原结合，从而加速软骨的降解，影响关节软骨的结构和强度[14]。Ⅹ型胶原在肥大的软骨细胞中表达明显增加，是软骨细胞肥大变性的特异性标志物之一。Girkontaite等[15]通过单克隆抗体对成人骨关节炎软骨中Ⅹ型胶原的表达进行免疫定位，发现在软骨切片深层的肥大软骨细胞簇被染色。也有证据表明，骨关节炎关节软骨中Ⅹ型胶原基因水平表达明显升高，Ⅹ型胶原与骨关节炎存在明显相关性，提示Ⅹ型胶原有作为诊断骨关节炎特异生物学标志物的潜力[16-18]。He等[19]通过对271例骨关节炎患者的血清进行分析发现，Ⅹ型胶原蛋白水平与骨关节炎患者影像学Kellgren-Lawrence(K-L)分级之间存在相关性，血清中Ⅹ型胶原蛋白水平的增加可能作为局部软骨细胞肥大和分化的标志物，并且可能有助于描述骨关节炎疾病的进展。

2 非胶原蛋白类相关标志物

2.1软骨寡聚基质蛋白(cartilage oligomeric matrix protein，COMP) COMP是一种主要由软骨细胞和滑膜细胞分泌的糖蛋白，具有明显的组织特异性，属于血小板反应蛋白家族。其是目前被广泛研究的骨关节炎生物学标志物之一，Gheita等[20]研究发现，骨关节炎患者血清/滑液中COMP水平升高，并且血清/滑液中的COMP水平可反映骨关节炎患者关节损伤的过程，提示COMP可能成为评估早期关节破坏的标志物。Salminen等[21]通过骨关节炎动物模型研究表明，在关节软骨发生退变时COMP 信使RNA表达上调，COMP蛋白质重新分布，并提出在骨关节炎进展期内可将血清COMP水平作为软骨代谢变化的标志物。Sharif等[22]对骨关节炎患者进行了长期血清COMP水平检测，发现血清COMP水平与骨关节炎病情进展有密切联系。研究表明，血清COMP水平不仅与早期骨关节炎有关，还与骨关节炎的进展有密切联系，并且已被证明是膝关节骨关节炎软骨退变的预后生物学标志物[23]。

2.2基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs) 骨关节炎发生的关键是软骨细胞合成和分解代谢之间动态平衡被打破，从而影响软骨细胞的表达，促进MMPs分泌，导致细胞外基质大量降解，造成软骨破坏。MMPs在细胞外基质降解过程中起重要作用，目前已发现的MMPs有20余种，如MMP-1、MMP-2、MMP-3、MMP-12、MMP-13等。Kaspiris等[24]通过免疫组织化学法检测骨关节炎中MMP-12的表达，发现MMP-12在骨关节炎患者的软骨及软骨下表达，而在正常对照组中无表达，且在骨关节炎进展期MMP-12表达增加，表明MMP-12可能在骨关节炎的发病、发展中起作用。Hulejová等[25]研究发现，骨关节炎患者血清MMP-3、MMP-9水平明显高于正常对照组，并且血管化软骨下区细胞因子和MMPs的合成增加，导致邻近软骨退化降解，促进骨关节炎的发生、发展。Pengas等[26]研究发现,骨关节炎患者血液、关节液中MMP-3水平明显增加，并且与膝关节影像学分级呈正相关。血清中MMPs(尤其是MMP-3)可作为一个潜在预测膝骨关节炎的生物学标志物。

2.3印度刺猬蛋白(Indian hedgehog，Ihh) Ihh属于Hedgehog信号通路蛋白家族，主要在生长板发育过程中合成并在前肥大软骨细胞中表达，具有调节软骨细胞肥大和软骨内骨化的作用[27]。Wei等[28]研究发现，Ihh在骨关节炎软骨中的表达较正常对照组增加2.6倍，在骨关节炎滑液中的表达增加37%，并且Ihh的表达增加与骨关节炎的严重程度和软骨细胞肥大标志物(Ⅹ型胶原、MMP-13)的表达有关，提出Ihh可能是预防骨关节炎进展的潜在治疗靶点。Zhou等[29]研究发现Ihh在人骨关节炎软骨中表达上调，并且这种上调与骨关节炎进展和软骨细胞形态变化相关。进一步在小鼠中的遗传研究发现，软骨细胞中Ihh的条件性缺失减弱了骨关节炎的进展，表明阻断Ihh信号转导可能作为预防或延迟软骨退化的治疗方法。Zhang等[30]研究发现，早期软骨损伤组关节液中Ihh水平明显高于对照组，但在严重损伤的软骨组中Ihh水平无明显差异，与骨关节炎疾病的进展无明显相关性，因此Ihh可作为一种预测早期关节软骨损伤的新生物学标志物。

2.4核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3(nucleotide binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3) 目前有越来越多的证据支持骨关节炎的发生与炎症有关，NLRP3炎性小体作为机体固有免疫的重要组分与机体多种免疫性疾病、关节炎性疾病的发生有关[31]，通过NLRP3炎性小体介导产生的白细胞介素(interleukin,IL)-1β、肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor α，TNF-α)、MMP-3可促进软骨退变和滑膜炎症发生[32]。Clavijo-Cornejo等[33]通过对60例膝骨关节炎患者进行研究发现，膝骨关节炎患者滑膜中NLRP3蛋白表达与正常对照组相比增加了5.4倍，NLRP3表达增加可能导致关节软骨的炎症状态和降解，进一步导致骨关节炎的发生。Jin等[34]研究发现，NLRP3炎性小体介导尿酸盐晶体在体内外的病理作用，提示炎性细胞在骨关节炎发病中起关键作用，NLRP3炎性小体可能作为治疗骨关节炎的一个潜在靶点。同时也有证据表明[35]，NLRP3免疫球蛋白通过激活Toll样受体和核因子κB信号通路导致软骨降解和滑膜失活，进一步导致骨关节炎疾病的发生，因此NLRP3也可作为预防和治疗骨关节炎的一个潜在靶点。

2.5人软骨糖蛋白39(YKL-40) YKL-40是由人关节滑膜细胞、软骨细胞分泌的一种糖蛋白，在炎症和组织重塑中起重要作用，Johansen等[36]通过对49例炎性退行性关节病的患者(其中骨关节炎患者7例)血清中YKL-40表达进行分析发现，与正常成人相比，骨关节炎患者血清中YKL-40水平显著升高，但炎性关节病患者和骨关节炎患者血清中YKL-40蛋白表达比较差异无统计学意义。Väänänen等[37]通过对100例骨关节炎患者研究发现，YKL-40是由骨关节炎软骨产生的，并且滑液中YKL-40明显高于血浆中的YKL-40[(1 027.9±78.3) ng/mL比(67.2±4.5) ng/mL](P<0.05)，YKL-40作为一种与炎症和软骨破坏介质相关的软骨衍生因子，参与骨关节炎的发生。Takahashi等[38]通过对71例绝经后女性膝骨关节炎患者血清中YKL-40水平与膝影像学分级之间的关系进行分析，发现有症状的骨关节炎患者血清YKL-40较无症状者水平增高更显著，血清中YKL-40的水平与膝骨关节炎影像学K-L分级严重程度呈正相关。

2.6热激蛋白(heat shock protein，HSP)70 HSP是由一系列分子量不同的蛋白质分子组成的家族，包括HSP60、HSP70、HSP90、HSP110等，其中HSP70是HSP家族中的重要一员，研究发现它可促进软骨基质代谢，对软骨细胞有保护作用，抑制软骨细胞凋亡，作为预防、治疗骨关节炎的一个新靶点[39]。Terauchi等[40]研究发现，HSP70可通过阻断胱天蛋白酶3、诱导型一氧化氮合酶来防止一氧化氮诱导的软骨细胞凋亡，从而延缓骨关节炎的进展，它是治疗骨关节炎的潜在关键点。Ngarmukos等[41]对72例膝骨关节炎患者进行研究发现，膝关节骨关节炎患者关节液中HSP70表达明显高于健康志愿者，且关节液中HSP70水平与膝关节骨关节炎的影像学严重程度呈正相关(r=0.658，P<0.001)，表明HSP70可作为预测膝关节骨关节炎严重程度的潜在生物学标志物。

3 细胞因子类相关标志物

3.1炎性细胞因子 多项研究表明[35,42-43]，骨关节炎的发生、发展与多种炎性细胞因子之间密切相关，多种炎性细胞因子之间相互作用、相互影响导致软骨退变加快。与骨关节炎相关的炎性细胞因子主要有IL、TNF、一氧化氮、环加氧酶2、前列腺素E、血管内皮生长因子等，其中IL-1是研究最多的与关节退变和降解相关的细胞因子，在骨关节炎发病机制中扮演重要角色。Wang等[44]研究发现，肥胖的骨关节炎患者滑液、滑膜、软骨下骨和软骨中IL-1、TNF-α和IL-6水平升高，并且IL-1、TNF-α和IL-6还可诱导其他细胞因子、MMPs和前列腺素的产生，抑制蛋白多糖和Ⅱ型胶原的合成，从而在骨关节炎软骨基质降解和骨吸收中起关键作用，IL-1、TNF-α和IL-6被认为是治疗肥胖相关性骨关节炎的潜在治疗策略的组成部分。Lawrence等[45]研究表明，在创伤性关节炎早期阶段IL-1和TNF-α表达升高，并且IL-1和TNF-α相互作用引起软骨破坏导致膝骨关节炎的发生。Park等[46]发现IL-1β及TNF-α上调可诱导MMPs的表达，进而促进软骨细胞外基质降解、软骨细胞破坏。Nixon等[47]通过一种辅助病毒依赖型腺病毒载体介导IL-1受体拮抗剂基因表达治疗动物骨关节炎研究发现，辅助病毒依赖型腺病毒载体介导的IL-1受体拮抗剂基因表达具有疾病调节作用，此基因治疗方法可以有效治疗骨关节炎。

3.2脂肪细胞因子 目前随着对脂肪细胞因子研究的不断深入，人们发现脂肪细胞因子不仅与肥胖、糖尿病、心血管疾病及肝脏疾病等的发生、发展密切相关，同时也在机体免疫反应、炎症反应以及骨关节炎发病中发挥重要调节作用[48-49]。Chemerin是近年来发现的一种新的脂肪细胞因子，这种脂肪因子通过增加蛋白激酶B/细胞外信号调节蛋白激酶的磷酸化诱导软骨细胞的代谢和增殖变化，从而介导骨关节炎发生或加重骨关节炎的症状[50]。Berg等[51]研究发现，chemerin受刺激后可进一步扩增炎症信号，导致炎性因子和MMPs的释放。Ma等[52]对30例骨关节炎患者和30例其他膝关节疾病患者(非骨关节炎组)进行分析，发现骨关节炎组血清、关节液、滑膜中chemerin水平高于非骨关节炎组，骨关节炎患者的关节液和滑膜中chemerin表达与关节镜下关节软骨损伤分级(Outerbridge分级)呈正相关，表明chemerin可能作为软骨代谢的重要调控因子，参与并在骨关节炎的发生、发展过程中发挥重要作用。

4 问题与展望

目前针对骨关节炎的临床诊断较为常用的诊断方法为X线、CT、磁共振成像及关节镜等检查，但由于骨关节炎的发病病因、机制复杂多样，导致临床上诊断手段虽然多样，但缺乏敏感性和特异性。因此，寻找一种可靠的检测手段来预测、诊断早期骨关节炎和监测疾病的进展仍是一个难题和挑战。

随着目前分子生物学、代谢组学研究的不断深入，通过识别检测关节软骨代谢产生的特异性生物学标志物与骨关节炎相关性的研究受到越来越多的关注和重视。近年来，虽然已经探索了许多来自滑膜、关节液、血清和尿液等体液的生物学标志物，但由于这些生物学标志物都存在敏感性、特异性及临床可行性等问题，目前仍没有可靠的生物学标志物用于预测、早期诊断骨关节炎及鉴别骨关节炎的不同发病阶段。因此，探寻一种或多种生物学标志物，甚至多种生物学标志物联合用于骨关节炎的早期有效诊断仍是广大医务工作者、科研工作者亟待解决的问题。