关节腔渗透压调控骨关节炎的研究进展*

谢俊雄 邓志钦 张宁峰 李文翠 段莉 王大平

1 骨关节炎概述

1.1 骨关节炎的基本情况

骨关节炎（osteoarthritis，OA）是一种以软骨退化、骨重建、骨赘形成、关节炎症和正常关节功能丧失为特征的关节慢性退行性疾病[1]。其临床主要表现为关节的局部疼痛和活动受限[2]。OA 是中老年人的常见疾病，好发于55 岁以上女性人群及65 岁以上男性人群[3]。随着经济的发展和人口老龄化，骨关节炎的患者数量在不断增加。骨关节炎被认为是全球致残的最常见疾病之一。2018年，王斌等[4]通过对最近20 余年数据进行meta 分析，发现中国膝骨关节炎（knee osteoarthritis，KOA）患病率高达18%，且疾病负担较重。骨关节炎严重影响了患者的生活质量，加重了患者的身体负担、心理负担以及经济负担。因此，骨关节炎在临床上得到了很大的重视。

1.2 骨关节炎的病因及发病机制

骨关节炎的病因和诱因很多，包括老年、肥胖[5]、创伤、激素、遗传和炎症等[6-7]。其病理学机制也相当复杂，目前临床上通常认为，骨关节炎是因外界因素造成的软骨细胞损伤，而导致的以软骨细胞代谢紊乱和软骨退化为特征的关节慢性退行性疾病。

1.3 骨关节炎的临床治疗

2015年发表于《柳叶刀》的一篇论文指出，关节置换术是症状性终末期疾病的有效治疗方法，但功能结果可能较差且置换假体的寿命有限，因此，转向疾病预防和早期骨关节炎的治疗将是抗骨关节炎的重点[8]。在临床上，OA 患者的治疗主要分为两种：保守治疗和手术治疗。保守治疗能较为有效地缓解患者的痛苦，减轻患者局部疼痛，改善关节活动[9]。对于处于OA 晚期的患者和保守治疗效果不佳的患者，临床上通常采取手术治疗，手术的方式一般为人工关节置换手术[10]。如今，需要关节置换手术的患者数量在增加，而手术治疗中的一个关键问题是软骨缺损的管理[11]。

2 渗透压

2.1 渗透压的概述

渗透压是指溶液中溶质微粒对水的吸引力。溶液渗透压的大小与无机盐、蛋白质的含量有关，渗透压的大小取决于液体中溶质微粒的数量。细胞所处环境的渗透压的大小受细胞外液容量大小影响，水分子进出细胞可以引起细胞外环境渗透压的改变[12]。细胞可以通过自身调节、无机离子和有机渗透剂来调控渗透压的大小[12]。当细胞处于生理状态，渗透压处于相对恒定的状态。病理状态下，在多种因素的共同影响下，细胞外环境渗透压改变，从而损伤细胞功能甚至诱导细胞死亡[13]。而关节腔中渗透压的变化同样受多种因素影响。如关节液的理化性质、关节软骨胶原网络是否完好、炎症因子等。在一些肥胖患者中，由于体重过大，关节软骨长期受压磨损，胶原网络破坏，大量水的外流，可降低关节液渗透压；另有研究指出，渗透压的变化可激活炎性体NLRP3，活化IL-1 、IL-6 等[14]，这可能是骨关节炎发生的重要因素。

2.2 渗透压与骨关节炎

据报道，健康成人的关节滑液渗透压为（404±57）mOsm/L，而OA 患者的关节滑液渗透压通常为（297±16.9）mOsm/L，明显低于正常成人。一般细胞外渗透压为300 mOsm/L，而正常人关节液的渗透压明显高于其他种类的细胞，其作用如何，仍未清楚。细胞外渗透压的下降诱发软骨细胞体积的肿胀，导致软骨细胞死亡[15]，而细胞肿胀通常是细胞凋亡的触发因素[16]。在骨关节炎发生时，由于软骨细胞中胶原网络的破坏，诱发软骨含水量增加和软骨细胞外渗透压的下降，诱导细胞外水分子快速穿过细胞膜流入软骨细胞，导致细胞膨胀，诱发骨关节炎的发生发展。正常的软骨细胞为了对抗因为渗透压突然降低而导致的软骨细胞肿胀，则会发生一种容积调节性减少（regulatory volume decrease，RVD）的负反馈机制，当软骨细胞暴露于低渗环境时，细胞将会膨胀，细胞内渗透物如离子、糖和氨基酸流出细胞后，细胞体积恢复到生理状态[17]，然而当渗透压改变过大或时间过长，软骨细胞的自我调节能力不足以对抗这种变化。长时间的处于低渗环境下，软骨细胞对于低渗刺激下发生的RVD 反应会被消除[17]。细胞将不断膨胀，从而导致细胞死亡。而增加细胞外渗透压可以增加软骨细胞存活率[18]。因此，渗透压的改变可能是骨关节炎（OA）诊断的重要指标之一[17]。

2.3 软骨细胞与骨关节炎

骨关节炎是一种以软骨缺损为特征的退行性疾病，因此，治疗骨关节炎的关键性问题是关节软骨的缺损和难以修复。关节软骨主要由软骨细胞和细胞外基质两部分组成，软骨细胞作为关节软骨中唯一存在的细胞，主要功能是通过分泌蛋白多糖、Ⅱ型胶原以及基质金属蛋白酶等细胞外基质的成分来维持正常关节软骨的生理功能[19]，软骨细胞死亡可以导致关节软骨的丢失和功能受损。生理状态下，软骨细胞通过促进软骨基质的合成与分解代谢保持软骨细胞内外环境的动态平衡，维持软骨正常的生理代谢和功能。病理状态下，由于长期负重、机械损伤等因素，诱发软骨细胞大量分泌炎症因子，从而引起软骨细胞的炎症性坏死、软骨基质代谢异常，导致关节软骨的结构和功能丢失，进而诱发骨关节炎的发生发展[19]。尽管有部分研究者认为关节软骨具有自我修复的能力，但由于关节软骨上缺少血管的覆盖，所以关节软骨的自我修复能力很弱[20]。同时，绝大多数的研究者认为关节软骨缺乏自我修复的能力，关节软骨一旦缺失，将无法愈合，从而造成永久性的损伤[21]。因此，病理状态下，软骨细胞大量死亡后，关节软骨的缺损难以自我恢复，导致关节软骨功能退化和结构缺损[20]，将可能诱发骨关节炎的发生发展。因此，减少软骨细胞的损伤和提高软骨细胞的自我恢复功能，是有效延缓甚至改善OA 发生、发展的方法。

2.4 渗透压与软骨细胞

渗透压的变化可以影响细胞的形态体积，甚至代谢活动[22]。软骨细胞生活在相对复杂和动态的外环境之中，对细胞外环境渗透压的改变相当敏感。渗透压改变可以影响软骨的细胞形态、代谢和生物力学[23]。同时，当渗透压改变时，软骨细胞也具有调节自身体积来适应渗透压变化的能力[17]。生理状态下，当软骨细胞处于低渗透压的外环境时，软骨细胞由于摄取细胞外的水而导致软骨含水量增加，使得细胞体积变大膨胀[24]，同时转运出溶质，与细胞外环境形成新的动态平衡，这种细胞自身调节机制被称为RVD。相反，在高渗透压的外环境中，为了维持细胞内外渗透压平衡，细胞内水分子向细胞外扩散，导致软骨细胞体积降低[23]。病理状态下，渗透压的变化超过了细胞自我调节的阈值。当渗透压逐渐降低，并维持这种低渗外环境时，不会激活RVD 来调节细胞体积变化[25]，细胞将不断膨胀直至细胞死亡。而这种细胞不断胀大直至细胞膜破裂，导致细胞内容物的释放，进而激活强烈的炎症反应，被认为可能是骨关节炎过程中，软骨细胞死亡的主要形式之一[26]，但其机制仍不明确。

在动物模型中，细胞外环境的渗透压对损伤后的软骨细胞具有显著影响，细胞外渗透压降低会增加软骨细胞死亡，而细胞外渗透压的增加则具有保护作用[18,27]。临床上通常使用人工关节液（如玻璃酸钠）的注射来延缓骨关节炎的发生发展。在关节镜手术的过程中，为了增加手术视野的清晰度，通常会使用人工灌注液（如生理盐水）来代替人体中的关节滑液。关节镜手术中使用的人工灌注液的渗透压范围为250 ～300 mOsm/L[28]，远低于正常人关节内渗透压。长期处于低渗环境下，会引起关节镜手术下软骨细胞体积的增加和死亡[28]，因此笔者猜测，低渗的外环境会促进软骨细胞死亡乃至骨关节炎的发生发展。在动物实验中，增加人工关节液的渗透压对关节软骨是有保护性的，可以减少代谢抑制和蛋白多糖洗脱，从而减少软骨细胞死亡，最终防止软骨退化和促进软骨修复，从而促进软骨细胞存活[28-29]，而降低渗透压则会促进软骨细胞的死亡。因此，笔者猜想，是否可以通过调节渗透压大小，找到人工关节液的最适渗透压，使损伤的软骨细胞死亡率降低，来延缓骨关节炎发生发展的过程。

2.5 渗透压与离子通道

2.5.1 细胞中的离子通道

维持细胞外或细胞内渗透性变化的恒定，对维持细胞体积和维持细胞基本生理功能至关重要。同时，渗透压也调控着软骨细胞上的各种离子通道（如LRRC8A 氯离子通道）来间接影响软骨细胞的生理代谢[30]。软骨细胞内含有大量离子通道，包括Na+通道、Ca2+通道、K+通道、Cl-通道。各种类型的离子通道在软骨细胞中表达。它们可以通过调节膜电位、软骨细胞中Ca2+浓度、调节细胞体积等途径，调控软骨细胞的软骨形成、增殖、死亡和细胞外基质的合成代谢和分解代谢[31]。

2.5.2 Cl-通道与骨关节炎

在细胞外渗透压通过调节离子通道来完成对软骨细胞调控的过程中，Cl-通道对软骨细胞存活至关重要[31]。软骨细胞中的容积敏感性Cl-通道对于细胞外渗透压调节的细胞体积变化和维持膜电位有着重要作用，还介导软骨细胞的细胞收缩和凋亡[30]。同时，Cl-通道可以通过调控膜电位和细胞内Ca2+浓度的变化、间接调节细胞体积来调节软骨细胞功能，CIC-7 等氯离子通道受损可以显著增加Ca2+浓度及细胞死亡[32]。容积敏感性氯离子通道LRRC8A 是RVD 机制的主要调控者，可以调节软骨细胞稳态[30]，在渗透压变化时，细胞体积改变时，氯离子通道（尤其是LRRC8A 氯离子通道）通过调节细胞体积的变化（如RVD）来维持细胞的生理功能[30,33]。渗透压的改变也可以使容积敏感性氯离子通道的异常激活诱发包括软骨细胞在内的细胞凋亡相关的细胞收缩[34]。因此笔者推测软骨细胞容积敏感性氯离子通道也可能与OA 有关。

2.5.3 K+通道与骨关节炎

K+通道在细胞的膜电位的调控中起主要作用[35]。在关节软骨细胞中，静息膜电位主要受Cl-以及K+共同调控。K+通道对软骨细胞的膜电位的调控对于其完整软骨中的细胞外环境的生理变化（如K+浓度、pH 和渗透压）非常重要。同时，K+通道在细胞凋亡过程中也起着关键性的作用。细胞皱缩是一个标志，凋亡性体积减少导致的细胞皱缩，有助于细胞凋亡的信号传导是人体内所有细胞中细胞凋亡的过程中必不可少的部分，钾离子通道在这一过程中起着关键的作用[36]。凋亡性细胞收缩需要穿过细胞膜的离子转运，细胞中K+和有机物的损失有利于细胞凋亡。是而凋亡性体积减少这一过程主要通过激活K+和Cl-通道来完成。细胞中K+浓度的降低，可以通过激活K+和反馈性激活Cl-通道，使Cl-、有机渗透物和HCO3-的浓度降低，完成了凋亡性细胞收缩的过程。因此，细胞中K+的减少和渗透压的降低利于细胞凋亡[36]。在骨关节炎患者中，钾离子通道（BK ）的表达水平上调。同样，通过免疫组织化学分析实验发现，钾离子通道（BK ）在OA 动物模型的关节软骨细胞中表达水平上调[37]。因此笔者推测钾氯离子通道也可能与OA 有关。

2.5.4 Ca2+通道与骨关节炎

Ca2+的增加可以启动和调节重要的软骨细胞功能。人软骨细胞内Ca2+浓度的增加有利于蛋白聚糖和细胞外基质的合成，有利于软骨细胞的生长和增殖分化。Ca2+作为一种主要的细胞内第二信使，可通过Ca2+通道扩增来促进软骨细胞的分化、增殖、合成代谢活性，以维持细胞外基质的合成和调控细胞凋亡[38]。Ca2+通过上调细胞凋亡相关蛋白表达，切割caspase-8，切割caspase-3，切割caspase-6 和切割caspase-7蛋白引发细胞凋亡[38]。同时，Ca2+增加通过激活钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ参与OA 的发展。因此，Ca2+变化的离子通道对OA 的治疗至关重要[37]。

3 结语

渗透压的降低可以通过调节水通道和各种离子通道来调控软骨细胞凋亡，进而诱发和促进了OA 的进程。渗透压可以通过调控软骨细胞上水通道开放来影响软骨细胞体积，推动软骨细胞死亡；低渗下氯离子通道激活可以通过调节软骨细胞内Ca2+浓度，使得软骨细胞膨胀死亡；软骨细胞中K+浓度的降低后，通过激活K+和Cl-通道，使Cl-、有机渗透物和HCO3-反馈性降低，完成了凋亡性体积减少的过程，促进了软骨细胞死亡。

综上，在本文中笔者从渗透压的角度，简要阐述了渗透压的变化可能对调节软骨细胞基质合成—分解代谢功能的重要作用，及其在骨关节炎发生发展中的影响，质膜上离子通道的功能、水通道的功能变化与渗透压的变化密切相关，这为治疗骨关节炎提供了新的思路、新的方向。