脂肪因子在骨关节炎发病中作用的研究进展

王尧 姚玲 杨华瑜

骨关节炎(osteoarthritis，OA) 是一种以关节软骨损害为主的慢性疾病，主要表现为软骨退化、滑膜炎症、软骨下骨重塑和骨赘形成。多发生在中年以后，女性多于男性，有一定的致残率，严重影响中老年人的生存质量和健康[1]。肥胖代谢综合征由于脂肪代谢异常在体内过度聚集引起，有研究表明，膝关节 OA 与肥胖之间有很强的 联系[2-3]。

脂肪细胞是脂肪组织的主要细胞成分，白色脂肪组织中的脂肪细胞可以分泌脂肪因子，主要包括脂联素、瘦素、抵抗素和趋化素等生理活性分子。有研究表明，脂肪因子在 OA 发生过程中有促炎作用及促分解代谢及免疫应答等重要功能[4]，参与软骨细胞的衰老，从而影响骨骼重塑，与骨骼的退行性病变密切相关[5]。除脂肪细胞外，驻关节细胞也可合成脂肪因子，有软骨细胞、滑膜细胞、成骨细胞、基质细胞、巨噬细胞、免疫细胞等。这些细胞中存在脂肪因子的受体，从而形成了一系列复杂的调控网 络[6]。本综述的目的是总结脂肪因子与 OA 产生的关系，为 OA 的治疗提供潜在靶点信息。

一、脂肪因子与 OA

1. 瘦素(leptin)：瘦素是脂肪细胞分泌的主要脂肪因子，与白色脂肪组织质量呈正相关[7]。是由 LEP(Ob) 基因编码的 16 kDa 非糖基化蛋白，主要在下丘脑发挥外周和中枢作用，参与食欲和肥胖调节[8]。瘦素的合成主要受到能量状况、性激素和炎症介质的调节[9]，主要在基础代谢、胰岛素分泌、骨量和生殖等功能方面起作用[10]。

瘦素生物学效应是通过瘦素受体(leptin receptor，LEPR) 的长型介导的，LEPR 属于 Ⅰ 类细胞因子受体超家族[11]，在人的软骨细胞中可以检测到瘦素及其受体。瘦素可以促进生长板内软骨细胞的增殖和分化，并通过 Janus 激酶 / 信号转导与转录激活因子(the janus kinase / signal transducer and activator if tran-ions，JAK / STAT) 信号通路和丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK) 通路刺激 ATDC5 软骨细胞中的 Col1oa1 基因[12]。与野生型小鼠相比，Ob / Ob 小鼠生长板 Ⅹ 胶原水平表达较低[13]。瘦素可以作用于下丘脑而起到中枢调节作用，并通过 β2 肾上腺素受体作用于成骨细胞，来激活 c-myc 和蛋白激酶a(protein kinase A，PKA) / 激活转录因子 4 (activating transcription factor 4，ATF4) / 核因子 κB 受体活化因子配体(receptor activator for nuclear factor-κB ligand，RANKL) 两个分子级联，前者抑制成骨细胞增殖，后者则增强了破骨细胞的骨吸收作用[14-15]。另外，瘦素还可以与人间充质干细胞(mesenchymal stem cells，MSCs) 上的 Ob-Rb 结合，促进其增殖和分化为成骨细胞。在软骨下骨中，瘦素表达增加与高水平的碱性磷酸酶、骨钙素、Ⅰ 型胶原和转化生长因子 β 有关[16]。最后，瘦素还与炎症过程相关，瘦素增加了 OA 患者 CD4+T 细胞中白细胞介素 6 (interleukin 6，IL-6)、白细胞介素 8(interleukin 8，IL-8) 和趋化因子配体 3(chemokine ligand 3，CCL3) 的表达[17]。综上，瘦素参与 OA 发病的主要机制是引起软骨细胞的过度肥大变形以及过度骨化并有促炎作用。

与健康的关节相比，OA 患者软骨和滑液中瘦素的浓度明显升高，但目前没有证据表明血清中瘦素水平与软骨损伤或滑膜炎症之间存在关联。在 OA 发病过程中，瘦素可单独或与其它促炎因子或分解代谢因子相互作用，可以诱导人软骨细胞原代培养物中 IL-8，基质金属蛋白酶 1 (matrix metalloproteinase 1，MMP-1)，基质金属蛋白酶 13(matrix metalloproteinase 13，MMP-13)，基质金属蛋白酶 0 (matrix metalloproteinase 9，MMP-9) 和基质金属蛋白酶 3(matrix metalloproteinase 3，MMP-3) 的产生，且其浓度与 OA 患者中的 MMP-1 和 MMP-3 呈正相关。瘦素还通过抑制软骨祖细胞的迁移和软骨形成潜能以及诱导它们的成骨转化来诱导软骨前体细胞的变化，从而导致衰老[18]。

2. 脂联素(adiponectin)：脂联素是一种主要由脂肪细胞分泌的具有抗炎作用的脂肪因子[19]，为 28～30 kDa 的胶原样蛋白，含有 244 个氨基酸。研究发现，脂联素在动脉硬化以及代谢综合征、2 型糖尿病等方面具有抗炎作用，但是对关节炎的效应细胞具有相反作用[20]。

脂联素分子以不同的异构体存在，即球形脂联素 (smaller globular adiponectin，gAD)、三聚体(低分子量，low molecular weight，LMW)、六聚体(中分子量，medium molecular weight，MMW) 和多聚体(高分子量，high molecular weight，HMW) 脂联素。LMW、MMW 和 HMW 是脂联素的主要循环形式，而 gAD 似乎只在脂肪细胞中作为中间体出现[21]。脂联素共有三种受体：脂联素受体 1 和 2 (adiponectin receptor 1，AdipoR1 and adiponectin receptor 2，AdipoR2) 和小分子脂联素受体 T-cadherin[22-23]。研究发现，AdipoR1 在肝脏、骨骼肌、巨噬细胞和下丘脑中大量表达，而 AdipoR2 在肝脏、白色脂肪组织(Wat) 和血管中表达[24]。脂联素与 AdipoR1 受体结合可以激活过氧化物酶体增殖激活受体(peroxisome proliferation-activated receptor，PPAR-α)、AMP 依赖的蛋白激酶 [ adenosine 5’-monophosphate(AMP)-activated protein kinase，AMPK ] 和 p38MAPK(p38 mitogen activated protein kinase) 信号转导通路，进而刺激脂肪酸氧化和葡萄糖摄取，具有介导抗糖尿病的作用[25]。而脂联素与脂联素受体 T-cadherin 相结合后的作用途径尚不清楚。

一些学者认为，脂联素对软骨细胞具有抗炎作用，用脂联素处理原代软骨细胞可以上调基质金属蛋白酶组织抑制因子-2(MMP-2) 的组织抑制剂，下调 IL-1β 介导的 MMP-13 的基因表达。用 gAD 处理大鼠关节软骨细胞，通过激活 AMPK / m-TOR 诱导自噬，并减轻 H2O2诱导的凋亡，通过发挥抗炎、抗氧化作用保护软骨免于退化[26]。还有研究表明，脂联素具有促炎作用，在关节基质降解中起作用，对关节软骨产生破坏效果。研究发现，通过培养类风湿关节炎滑膜成纤维细胞(rheumatoid arthritis synovial fibroblast，RASF) 发现，脂联素的作用是通过增加前列腺素 E2(prostaglandin E2，PGE2)、IL-6、IL-8、MMP-1、MMP-13 等促炎因子实现的[27]。通过对 OA 患者关节软骨受损区和非受损区脂联素受体的鉴定，发现受损区脂联素受体的含量显著升高，脂联素通过增加 NO、MMP-1、MMP-3、MMP-13 水平，并通过 AMPK 和 c-Jun 氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK) 途径增加 MMPs 和诱导型一氧化氮合成酶(inducible NOS，iNOS) 的表达[28]。脂联素作用存在不同的原因可能与其不同的亚型有关，研究发现脂联素的全长异构体与球形异构体在 OA 中发挥作用不同，与 LMW 脂联素相比，HMW 异构体在这些细胞中具有更强的促炎作用[29]。

脂联素还有促成骨作用，可以通过 Wnt / β-catenin 途径促进人骨髓间充质干细胞向成骨细胞方向分化[30]。脂联素可以提高包括骨钙素、碱性磷酸酶和 Runx2 的表达，同时可以降低抑制成骨细胞活性的磷酸酶基因(phosphatase and tensin homologue deleted from chromosome 10，PTEN) 的表达。脂联素还可以在体外通过 APPL1(adaptor protein，phosphotyros ineinteraction，PH domain and leucine zipper containing 1) / 磷脂酰肌醇-3 激酶( phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K) / 丝氨酸 / 苏氨酸激酶(protein kinase B，Akt(PKB) 信号通路抑制破骨细胞分化，促进成骨细胞分化，从而调节骨代谢[31-32]。

3. 抵抗素(resistin)：抵抗素是一种主要由白色脂肪组织分泌的脂肪因子，人类巨噬细胞也可以表达。其主要与代谢紊乱和炎症性疾病相关，如：冠状动脉性心脏病、风湿性疾病、炎症性肠病、慢性肾脏病等。OA 患者滑液中抵抗素浓度增加，这可能是患者增生滑膜中大量巨噬细胞所分泌的[33]。

抵抗素也可由成骨细胞、破骨细胞和软骨细胞表达，与几种细胞因子及趋化因子之间存在协同调节作用，可以诱导软骨细胞中细胞因子和趋化因子的表达。用抵抗素干预小鼠软骨会导致 IL-6 和 IL-8 水平升高。通过检测具有促炎效应的细胞表面结构，发现抵抗素是 Toll 样受体-4(Toll-like receptor 4，TLR-4) 的内源性配体，与内毒素竞争 TLR-4(TLR-4 是主要的炎症通路，多由细菌产物如内毒素激活)，该发现进一步证实了抵抗素可介导炎症反应。抵抗素可通过促进成骨细胞增殖和破骨细胞分化刺激骨骼重塑。体外研究表明，抵抗素可以刺激成骨细胞前体细胞 MC3T3-E1 细胞的增殖。用抵抗素 cDNA 转染 RAW264.7 细胞可通过增强核因子 κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB) 启动子活性刺激成骨作用[34]。此外，通过培养对比 OA 患者与健康人的软骨细胞，用相同条件抵抗素干预，发现抵抗素可扰乱软骨细胞合成与分解代谢的平衡，并增强人类软骨细胞中的细胞因子、 MMP-1、MMP-13、蛋白聚糖酶-4(recombinant proteoglycan 4，PRG-4) 的表达[34]。综上，抵抗素具有与趋化因子之间的协同作用，可能是通过刺激软骨和骨骼重塑中的促炎细胞因子促进 OA 的发生发展。

大量临床研究表明，OA 患者的血清、血浆和滑液抵抗素水平较健康人升高[35]，Kleine 等[36]通过对 OA 患者的关节液进行检测，发现关节液内存在大量抵抗素，其浓度与 IL-6、MMP-1 及 MMP-3 呈正相关，表明抵抗素参与局部炎症及 OA 患者的关节软骨破坏，OA 关节滑液中的抵抗素水平与症状和影像学严重程度以及关节软骨损伤呈正相关。同样，滑液中炎症因子和分解代谢因子，包括 IL-6、MMP-1、MMP-3 和 Ⅱ 型胶原 C 端肽片段，也与滑液抵抗素水平呈正相关[37]。

然而，关于体内循环中抵抗素的含量水平在 OA 的病理生理学中的作用仍然存在争议。一方面，有研究表明血清抵抗素水平与骨髓损害和软骨退化呈正相关，也与衡量 OA 严重程度、进展、疼痛和膝关节放射学进展有关[38]。另一方面，其它研究并没有发现血清抵抗素与 OA 放射学严重程度、骨密度、疼痛或软骨损伤有任何显著关系[37,39-41]。 然而，在 OA 患者中，血清抵抗素含量水平与滑膜炎症的组织学特征显示出微弱的正相关[42]。因此，虽然血清 / 血浆抵抗素含量水平的潜在致病作用需要进一步研究。但有证据表明，滑液抵抗素通过促进促炎反应和软骨分解代谢活性参与了 OA 的发病机制。

4. 趋化素(chmerin)：趋化素主要是一种 14 kDa 的蛋白质，它以 163 个失活氨基酸的形式分泌，然后通过 C 末端切割而被激活[43]。趋化素主要在白色脂肪组织中表达，软骨细胞、树突状细胞及巨噬细胞也可表达，可参与天然免疫和适应性免疫，并作为 NK 细胞、巨噬细胞和树突状细胞的趋化因子[44]。趋化素与能量代谢有关，通过刺激细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases，ERK) 和丝裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinases，MAPKs) 磷酸化促进脂肪细胞的成熟。趋化素在冠状动脉粥样硬化、代谢综合征等疾病的发展中起着重要作用[45]。

趋化素主要有 CMKLR1 和 ChemR23 两种受体，它们主要在免疫细胞中表达，类风湿性关节炎(rheumatoid arthritis，RA) 和 OA 患者的软骨细胞和滑膜成纤维细胞 (synovial fibroblasts，SF) 均表达趋化蛋白及 CMKLR1[46-47]， ChemR23 主要在人软骨细胞中表达[47]。趋化素可刺激树突状细胞和巨噬细胞对炎症部位产生趋化性，如在滑膜中募集作为 OA 发病机制中炎症级联反应的一部分的免疫细胞和巨噬细胞。尽管有研究表明趋化素通常会减少其它类型细胞中促炎细胞因子的产生，但是在人的软骨细胞中趋化素可以增强促炎细胞因子和 MMPs 的分泌[47]。因此，趋化素在 OA 发病过程中有促软骨细胞炎症信号转导作用。在体外实验中，抑制 CMKLR1 可以刺激原代 MSC 中成骨细胞标志物的表达[48]，但 CMKLR1 缺陷的雄性小鼠的骨量是降低的[49]。最近在大鼠 OA 模型中的一项研究表明，趋化蛋白通过诱导 Akt / ERK 信号通路的激活，通过增加 IL-1β 激活的软骨细胞中 MMP-1、MMP-3、MMP-13 的表达以及降低其增殖能力而加重了疾病。由此，趋化蛋白可以通过刺激炎症反应来促进软骨的变性和骨化作用。然而，其在 OA 发病过程中的具体作用需要更多的体内实验证实。

据报道，与对照组相比，膝关节 OA 患者滑液和滑膜中的趋化蛋白水平更高，其还与血清 C 反应蛋白 (C-reactive protein，CRP) 水平和 OA 严重程度相关[50]。在颞下颌关节 OA 患者中也得到了类似的结果，滑液中脂肪因子水平较高，且与 OA 严重程度和疼痛相关[51]。滑液中的趋化蛋白水平与体质量指数(body mass index，BMI) 和 OA 的严重程度相关，也许可作为评价 OA 严重程度的指标[52]。

二、结论与未来方向

脂肪因子是一种新兴的信号分子，由脂肪细胞产生，参与调节炎症、骨骼和软骨代谢以及体内稳态。过去，对 OA 研究的注意力主要集中在关节滑膜和免疫细胞产生的细胞因子和趋化因子上。但是，近年来研究表明，以往被认为是局部疾病的 OA 可能是与肥胖等全身性代谢疾病有关，并涉及多个组织，主要由体内炎症和代谢失衡引发。

虽然引起 OA 发病的病理生理诸多因素中，软骨、骨骼、肌肉和滑膜的作用已经得到了很好的研究，然而脂肪组织与 OA 发病之间的作用关系知之甚少。在衰老和肥胖期间，关节周围的脂肪组织增加，促使关节中脂肪因子分泌量增加。此外，黄色骨髓含量的增加也富集了关节周围的脂肪组织含量。这些变化高度提示脂肪可能在关节蜕变中起到关键的作用。

脂肪因子有很多种，仅针对其中关键的几种在骨骼和关节中的作用做了主要阐释。其在关节衰老及 OA 进程中的表达量增加，可以刺激其它衰老相关分泌表型因子 (senescence associated secretory phenotype factors，SASPs)，如 IL-1，IL-6 和 TNF-α 产生协同作用，这些 SASPs 已经被证实在 OA 发生发展过程中具有重要的作用。这些因素在衰老过程中不断积累，引起了关节中的局部炎症反应，还可以通过改变细胞的方式改变关节细胞的周围环境，从而诱导细胞衰老。因此，关注联合环境的变化对于 OA 的研究进展至关重要。值得注意的是，软骨细胞不是研究软骨相关细胞转变的惟一细胞类型，关节软骨中也存在间充质干 / 祖细胞，它们也会发生细胞衰老。在关节局部环境中研究这些细胞对脂肪因子的反应将是治疗 OA 的新方向。

通过药物拮抗、抑制 OA 发展过程中的 SASPs 在关节炎的治疗中已经取得了良好的效果。参照这种方式，可以针对脂肪因子作为靶标开发新型抗关节炎药物。因此，有必要更详细的研究这些脂肪因子的特性表征，尤其是通过体内研究其对 OA 的作用。就目前研究成果来说，瘦素、抵抗素、脂联素都具有促进 OA 发生的作用，但是脂联素在关节炎发生过程中具有双向作用，尤其是在某些研究中表现出来的抗炎和促再生作用，有必要对其进行进一步的研究。