机械负荷对关节软骨形态学及信号通路影响的研究进展

付博文 刘欢 武艳娇 朱嘉文 黄文华

骨关节炎 ( osteoarthritis，OA ) 是导致关节软骨 ( articular cartilage，AC ) 退化、疼痛、身体残疾的一种慢性疾病[1]。AC 覆盖在骨表面，几乎可以无摩擦地运动。但在关节腔中，AC 容易受到退行性变以及急性损伤的影响，并且由于 AC 愈合潜力非常差，因此由 AC 退行性变或急性损伤导致的 OA 在临床上是一个很大的挑战。尽管多种因素如遗传、年龄、肥胖和既往关节损伤都有助于 OA 的发生[2]，但机械负荷仍被认为是 OA 发病的关键因素[3]。AC 对于机械负荷非常敏感，其结构在很大程度上是由力学环境决定的，OA 的破坏是力学异常的病理生理后果[4]。然而，除了过度的关节机械负荷对于 AC 的损伤外，人们常会忽略过低的关节使用亦会导致 AC 体积的大量丢失，这是此前首次在脊髓损伤患者中报道的临床观察得出的结论[5]。因此研究不同程度应力对于 AC 形态及功能的影响对于完善OA 的临床治疗方案意义重大。笔者对不同程度机械负荷对 AC 形态和功能的影响进行了综述，包括降低机械负荷会引起 AC 体积的丢失，即使恢复正常活动后这种损伤也可能只是部分可逆；适度机械负荷虽可增加 AC 的厚度或面积，但过度机械负荷又会对 AC 造成损伤；同时，本综述还对不同机械负荷对 AC 影响的信号转导机制进行了阐述，为 OA 的临床治疗方案的制订提供参考。

一、AC 形态学

AC 由被细胞外基质 ( extracellular matrix，ECM ) 包围的软骨细胞组成，而 ECM 又被细分为紧邻软骨细胞的细胞周围基质 ( pericellular matrix，PCM )，较远的地域基质以及地域间基质[6]。ECM 包含一个纤维网格，由胶原和非胶原基质成分组成并嵌入在凝胶状基质中。

这些基质含有胞外液体和由透明质酸 ( hyaluronic acid，HA ) 与大约 100 个蛋白多糖 ( proteoglycan，PG ) 连接而成的 PG 聚集体[6]。其中 PG 聚集体又含有 3 个球状结构域 ( G1-G3 )，除了 G2 的功能尚不明确外，G3 能够与基质蛋白结合[6]，而 G1 能够与连接稳定的 HA 非共价结合。聚 PG 是 AC 中主要的 PG，由与糖胺聚糖 ( glycosaminoglycan，GAG ) 结合的核心蛋白 [ 主要为硫酸角质聚糖( keratinan sulfate，KS ) 和硫酸软骨素 ( chondroitin sulfate，CS ) ] 和低聚糖链组成[7]。GAG 主要功能为吸附水和阳离子，导致肿胀，并通过酶交联被纤维网格抵消，从而提供低顺应性[8]和抗张强度。在关节机械负荷的作用下，聚 PG 被压缩，并通过将压力分散到关节表面的方式降低AC 上的压力[9]。关节表面由滑膜细胞和软骨细胞组成的HA 以及糖蛋白润滑素形成涂层，从而大大减少了机械摩擦[10]，使 AC 能在骨骼间低摩擦且无缝地传导应力。

二、AC 对机械负荷的高度敏感性

软骨细胞感受机械负荷的多种机制已被确认。细胞机械传感器包括表面整合素，拉伸敏感离子通道和阳离子敏感离子通道[11-12]。与许多其它类型的细胞一样，软骨细胞的初级纤毛也与机械转导有关[13]，感受机械负荷的多种机制使得软骨细胞对其具有高度敏感性，而机械负荷对软骨细胞同样具有典型的双面作用，在生理负荷下，软骨细胞的代谢和基质合成活性被上调[14]，而在异常机械负荷下，通过改变软骨细胞中特定的信号通路来加速 AC 的退行性变[15]。施加在 AC 上的机械负荷的改变可归因于各种因素，如肥胖[16]、解剖异常或关节排列失调[17]、运动[18]以及膝关节结构的损伤[19]。考虑到 AC 对于机械负荷的敏感性，因此探讨不同程度的机械负荷对其作用机制的了解十分重要。

三、机械负荷对 AC 的影响

1. 降低机械负荷对 AC 的影响：研究表明，降低机械负荷对 AC 体积的丢失至关重要。截瘫患者在减少关节负荷后 1 年，膝关节 MRI 显示 AC 厚度减少 9%～13%[20]，在踝关节骨折的患者中，患肢的部分或完全固定也会导致膝关节 AC 厚度丢失[21]。在动物模型上这种现象得到更多阐述，狗的膝 AC 在固定后 11 周 GAG 含量降低，AC 显著软化，即使再动员恢复了 AC 的生物力学性能，但软骨刚度依然未达到正常水平[22]。由此可见，缺乏机械负荷会导致 AC 软化、变薄，并且由于胶原损伤在薄软骨中发生更早[23]，AC 因此更容易受到损伤。此外，有研究表明，与紧张状态下相比，松弛状态下的软骨胶原更容易降解[24]。

导致 AC 失用性萎缩的可能因素是基质金属蛋白酶 3( matrix metalloproteinase，MMP-3 )。已被证实的研究显示，关节局部固定可以产生更多的 MMP-1 和 MMP-3[25]，其中 MMP-3 是增加聚蛋白多糖酶 5 ( Aggrecanase，ADAMTS-5 ) 所必需的，这在关节的局部固定中也得以展现。而 ADAMTS-5 作为关节结构中重要的降解酶，对AC 退行性变起到了至关重要的作用[26]。在大鼠模型中，无负荷的被动运动可以预防这种由 ADAMTS-5 介导的AC 萎缩[25]。降低负荷过程中降解酶的增加可能是因为cAMP 反应元件结合蛋白与人源全长重组蛋白 ( Cbp / P300 interacting transactivator with rich carboxy-terminal domain 2，CITED2 ) 相互作用的反式激活因子缺乏表达，其抑制共激活因子 p3000 导致 MMP 的合成[27]。

在狗模型中，没有负重的关节区域，活动并不能恢复关节的僵硬[1]。而目前的研究中，并没有表明在人类中恢复关节动员后 AC 体积得以恢复，即使适度的运动已被证明对由于半月板损伤而有 OA 风险的个体 AC 的 GAG 含量的增加有积极的影响[28]。因此，虽然还没有研究证实关节失用性萎缩在恢复活动后，其损伤是否是永久性的，但AC 的失用性萎缩似乎是部分可逆的，而预防和早期运动可能是最好的应对策略。

2. 适度机械负荷对 AC 的影响：多项研究证明，运动对于关节 AC 健康有积极影响。一项对 18 名成年人的 MRI结果研究显示，终生高度活跃的运动员和正常人对照组相比，胫骨和髌骨软骨表面积增加[29]，有趣的是，关节 AC的厚度却没有得到提升。另外一些研究也支持这个结果，使用 MRI 研究 40～55 岁女性经过 12 周的耐力训练后，关节 AC 的厚度和成分没有变化[30]，而在 20～40 岁的女性中，这项实验的结果显示膝关节 AC 的成分得到改善[31]。虽然关节 AC 在厚度上没有发现明显提升，但由于表面积和体积的扩大，并且锻炼也可以使 AC 保持在最佳厚度，从而保持其形变能力，因此 AC 能够承受更大的应力和负荷[9]。

不同于耐力训练，力量似乎能给髌骨 AC 厚度带来提升，一项针对 7 名举重运动员的 MRI 研究结果显示，举重运动员的膝关节髌骨 AC 厚度显著高于非运动员对照组[32]，而股骨和胫骨软骨厚度没有明显提升，其原因可能是髌骨软骨随着负荷及活动范围的增加呈现出“剂量依赖性”形变，而股骨和胫骨软骨却没有这样的形变能力[33]。

软骨中含有 Ⅵ 型胶原和 PG，两者形成网状的囊膜超微结构，改变了每个到达 AC 的机械负荷，从而保护 AC及其细胞周围微环境的稳态[34]。当受到机械负荷时，人AC 由于拉伸激活的离子通道和整合素的激活释放了白介素 4 ( interleukin4，IL-4 )，并允许 IL-4 以自分泌和旁分泌的形式工作[35]。整合素属于跨膜蛋白，一方面能够激活内部细胞信号转导，另一方面通过与 Ⅱ 型胶原、Ⅵ 型胶原和纤维连接蛋白结合，将 AC 连接到 ECM[36]。IL-4 通过激活磷脂酶 C 和蛋白激酶 C 导致聚集素表达增加，MMP-3减少，此外 IL-4 和 IL-10 的相互作用还具有抗炎效果，其通过抑制核因子 κB ( nuclear factor，NF-κB ) 的入核，下调IL-1 和肿瘤坏死因子 α ( tumor necrosis factor，TNF-α ) 的水平[37]。在 OA 患者中施加单次抗阻力运动后发现 IL-10 表达增强，这被认为是运动对 OA 进展的一种抑制因素[37]。而在不同年龄的大鼠模型中，施加中等负荷后，润滑素得到了增加，同时软骨细胞凋亡得到了减少[38]。

综上所述，在适当的生理负荷下，AC 的健康得到了积极的影响，不论是力量训练对于髌骨软骨厚度的提升趋势，还是耐力训练对于胫骨、股骨软骨面积的提升趋势。此外，似乎年轻人相比于年长者更能从这种锻炼中获益。

3. 过度机械负荷对 AC 的影响：过度负荷对 AC 的损伤已被证实，最近一项对 964 名受试者的累计负荷研究显示，体重超重 ( 既关节受到过度负荷 ) 者，胫骨内侧软骨损伤较正常体重者显著提升[39]。在狗的动物模型中，因跑动造成的超负荷导致 AC 中的 GAG 含量降低，同时胶原网络组织的改变和软骨下骨的重塑导致 AC 软化[40]。AC的损伤程度取决于负荷强度，最早发生的损伤是软化而没有胶原丢失，随后是胶原丢失而没有软骨破坏，最后进展为宏观的软骨破坏[23]。生理范围的应力区间在 1～3 MPa至 5～7 MPa，相当于轻中度负荷，不会发生软化和损伤[40]。软化发生在 9～15 MPa，其特征是 PG 和胶原组织的丢失[40]。

由此可见超负荷会导致基质成分的释放，纤维连接蛋白片段 ( fibronectin，FN-f ) 的出现表示 ECM 受损，修复过程为首先移除破碎的结构，然后铺设新的结构[36]。FN-f 可同时激活整合素、Toll 样受体 ( Toll-like Receptors，TLR ) 2 和 4。整合素受体 α5β1 与 PKCδ 结合后可激活所有 3 种丝裂原活化蛋白激酶 ( mitogen activated protein kinase，MAPK )，即 ERK1 / 2，c-jun 氨基末端激酶和p38α，最终产生 NF-kB 并导致分解代谢[36]。基质分解产物，如 FN-f 与 TLR2 和 TLR4 的结合导致髓系分化因子88 ( myeloid differentiation factor，MyD88 ) 同样依赖于 3 种MAPK 的激活，随后增加 NF-kB 和由此产生的 MMP[41]，从而进一步上调 TLR[42]。基质分解产物来自纤维蛋白聚糖、胶原或软骨低聚蛋白，可以激活整合素以及 TLR 和补体系统，导致相同的分解代谢作用[43]。此外，软骨细胞的凋亡可能是过度机械负荷的结果。促炎症介质环氧合酶 2 ( cyclooxygenase，Cox-2 ) 和诱导型一氧化氮合酶 ( NO Synthase，NOS ) 可分别导致前列腺素和 NO 增加，从而放大氧化应激和凋亡[44]。最后，人类细胞培养的过度负荷模型显示其氧化应激增加，导致线粒体损伤和细胞凋亡，从而减少功能性 AC 的数量[45]。

四、小结

机械负荷对于 AC 的形状，形态以及功能起到了至关重要的作用。本综述总结了在低负荷、生理负荷以及过度负荷状态下，AC 的形态学和分子层面的变化及其对于 AC功能的影响。年龄、过度运动和关节失用是造成 AC 胶原破坏的主要因素，由于其缺乏再生能力，因此这种不可逆的损伤是导致 OA 发病最主要的因素。年龄增长是不可逆的，因此通过科学运动以提供 AC 适当的机械负荷似乎是保持 AC 健康的最佳方式。

目前，关节失用性萎缩的损伤是否为永久性这一领域的研究还鲜有报道，需要更进一步的研究来了解关节失用性萎缩恢复活动后 AC 的修复机制，为寻找新的治疗方案提供理论基础。