机械负荷对骨关节炎中软骨影响的研究进展

雷天润，邓荣辉，夏干清，周庞虎

(武汉大学人民医院骨科，武汉 430060)

骨关节炎(osteoarthritis，OA)是最常见的退变性关节疾病，是导致成年人残疾和生活质量下降的主要原因之一，随着人口老龄化的进展，我国OA发病率呈逐年上升趋势[1]。OA的发病机制复杂，与年龄、性别、遗传、代谢、创伤等因素密切相关，以软骨退变、滑膜炎症、软骨下骨硬化、骨赘增生为主要特征，最终使受累关节功能明显下降。软骨作为关节的缓冲装置包围在骨末端，能减少关节运动摩擦，并直接承受运动中的各类机械负荷(如静水压、压缩、剪切力)等。机械负荷对维持软骨稳态十分重要，适度的机械负荷能促进软骨生长发育，增强软骨细胞合成代谢反应，但异常的机械负荷会导致软骨组织破坏或软骨细胞代谢紊乱，使关节软骨退变[2-5]。目前，已针对机械负荷作用的靶点开发出一些治疗药物和治疗方法，但理论体系仍不完善，且转化成果有限。因此，总结机械负荷对关节软骨的影响，寻找异常机械负荷对关节软骨的作用靶点对提高OA治疗效果有重要意义。现就机械负荷对OA中软骨影响的研究进展予以综述，从机械负荷过低以及机械负荷过高两方面阐述机械负荷对软骨的影响及其相关信号通路，以期为OA诊治提供新思路。

1 关节软骨的组成与机械负荷作用

关节软骨的非水成分主要有软骨细胞、Ⅱ型胶原和蛋白多糖，水与蛋白多糖共价结合后占关节软骨的70%。根据胶原纤维的走向，关节软骨从表面到深部分为平行关节表面的浅层区域、随机方向的中间区域和垂直关节表面的深层区域，深层区域向下为潮汐线分割的矿化第四区域[6]。浅层的软骨往往形变最大，直接承受了关节的机械负荷，为平行纤维提供了较高的抗张能力，此区域内软骨细胞表达的蛋白多糖也起到润滑作用；中间区域对负荷的传导起到缓冲作用，使机械负荷能均匀传导到下层，在浅层区域产生裂缝时也起到一定缓冲作用，阻止裂缝向下蔓延；深层区域所含的蛋白多糖对水的亲和力较高，以透明质酸为骨架形成的“瓶刷结构”具有良好的压缩性能，但是纵行的Ⅱ型胶原纤维限制了这些结构的过度膨胀，因此深层区域软骨更能抵抗压缩力，在传导上层机械负荷时保持稳定[7-8]。

在生理条件下，正常机械负荷反复刺激软骨组织，既可维持关节软骨的形态也可促进软骨细胞的正常代谢；当关节软骨机械负荷异常改变时，软骨基质可能直接受损，细胞外基质发生过度压缩或膨胀，软骨细胞通过自身的初级纤毛感受压力的变化，并通过多种通路加强软骨的分解代谢，减弱合成代谢[9]。

2 机械负荷过低

机械负荷过低常见于下肢外伤、脊髓损伤、髋关节发育不良以及航天低重力环境，重力负荷不足和肌肉收缩力量缺乏是导致关节软骨机械负荷过低的最主要因素[10]。

2.1机械负荷过低对软骨的影响 多项对脊髓损伤以及踝关节骨折患者进行限制活动及增加活动的队列研究显示，在关节缺少正常负荷以及运动的情况下，膝关节及髋关节软骨的厚度显著降低[11-12]。Findikoglu等[13]对68例脊髓损伤患者进行临床横断面研究，采用酶联免疫吸附法检测尿液Ⅱ型胶原的C端肽水平评估患者软骨降解情况，发现无活动患者Ⅱ型胶原的C端肽水平显著高于早期每日活动患者，认为废用导致的机械负荷过低可促进软骨降解，是早期OA的诱因之一。

动物实验进一步揭示了机械负荷过低的具体影响，Nomura等[14]对下肢固定法和尾部悬吊法小鼠模型的研究发现，除软骨总层及未钙化层减少外，下肢固定和尾部悬吊实验组小鼠还表现出软骨下骨萎缩、破骨细胞入侵软骨层、未钙化软骨层中蛋白聚糖含量下降以及软骨组织中碱性磷酸酶、基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)13表达增加，进一步证明负荷过低影响了软骨细胞代谢。由此可见，过低的机械负荷一般通过影响软骨细胞使软骨分解加速，或通过影响软骨下骨的生长稳态破坏软骨。综上，骨科创伤性疾病仍是机械负荷过低的主要原因，但其导致的不良影响可通过增强肢体功能锻炼与合理的康复运动而部分逆转。

2.2机械负荷过低的信号通路 由于机械负荷过低的致病因素较少且所造成的影响可恢复性较高，目前对于过低机械负荷的信号研究并不多见，主要集中于初级纤毛的下游作用点以及软骨细胞的表面受体。

2.2.1Cbp/p300相关反式激活因子2(Cbp/p300 interacting transactivator with ED-rich tail 2，CITED2) CITED2基因位于第6号染色体，其在心脏、肾上腺、脑、软骨中均有表达[15]，与神经发育、心脏发育、肿瘤、细胞缺氧反应息息相关[16-18]，其与机械负荷相关，并与MMP呈负相关[19-21]。He等[9]研究认为，软骨细胞上感受压力的初级纤毛能调控CITED2基因的表达，推测初级纤毛感受到压力后通过细胞外ATP介导Ca2+内流，胞外信号调节激酶1/2磷酸化后激活CITED2表达，再通过与MMP交互激活因子成红细胞白血病病毒E26癌基因同系物1竞争，结合辅激活因子p300，从而抑制MMP的产生。He等[22]用固定化的方法建立小鼠关节机械负荷过低模型，发现软骨组织中CITED2表达水平下降，MMP-13增加，通过适度运动以及应用白细胞介素-4能够重新恢复其表达，并减少MMP-13产生。但CITED2能否抑制核因子κB产生MMP仍需要进一步探索。综上，CITED2处在软骨细胞的机械负荷感应调控轴的下游，对于控制MMP的产生有一定作用，但MMP的产生途径较多，对作用于CITED2单一手段的抑制效果可能并不理想。

2.2.2低密度脂蛋白受体相关蛋白(lipoprotein receptor-related protein，LRP) Wnt信号通路是一类高度保守的信号通路，其组成包括配体、调节蛋白、跨膜受体以及核内转录因子[23]，在细胞增殖、分化、衰老中起重要作用[24]，其中经典的Wnt/β联蛋白信号通路与关节软骨发育和OA发展密切相关，异常激活的Wnt/β联蛋白信号通路可导致软骨组织中蛋白多糖基质丢失以及软骨细胞凋亡[25]。LRP是一组进化保守的受体，可以调节多种途径，包括经典的Wnt信号转导，其中LRP4、LRP5和LRP6是该受体家族的3个突变成员[26]。Nordberg等[5]在微重力环境下培养软骨细胞，通过建立后肢悬吊小鼠模型模拟关节软骨机械负荷过低状态，结果发现，机械负荷可通过上调软骨细胞中LRP的表达激活Wnt信号通路，低负荷组LRP5、LRP6的表达水平均升高，聚集蛋白聚糖、Ⅱ型胶原蛋白表达下降，且β联蛋白表达被激活；而LRP4表达略降低，其具体机制有待深入研究。

Wnt信号通路在骨与关节生长发育过程中的作用复杂，Wnt信号通路的激活可损害软骨细胞，也能促进骨骼生长和重塑[27]，在骨骼发育及修复中起重要作用。因此，充分了解Wnt信号通路的双重作用，使其在与关节组织中特异性表达可能是开发高靶向性药物的研究重点。

3 机械负荷过高

机械负荷过高多见于肥胖所致步态变化对关节压力的改变以及外伤、畸形所致的关节稳定性紊乱[28-29]，过度运动可导致成年人关节的机械负荷过高，是诱发OA的因素之一[30]，有12%～22%的膝OA患者病因为机械负荷过高[31]。

3.1机械负荷过高对软骨的影响 长期肥胖是OA发病的危险因素之一，可导致关节机械负荷增加[32]。一项Meta分析显示，体质指数与膝OA风险之间具有明显的非线性剂量-反应关系，且女性更高[33]。Mononen等[34]利用计算建模的新算法模拟膝OA的发展过程，发现肥胖组膝关节应力峰值显著高于体重正常组，若最大主应力过大，软骨的胶原网络刚度会迭代地降低；随访4年显示，肥胖组胫股关节表面区域软骨胶原丢失更明显。对体质指数正常膝OA患者的研究发现，膝关节外翻、膝关节内翻、既往关节损伤均可导致膝关节相应区域的机械负荷增加，并增加该区域的软骨损伤风险[35-38]。Mündermann等[39]发现，对于下肢OA患者，机械负荷增加会加速关节软骨退变及疾病进展。

Hosseini等[40]对体外牛软骨组织的研究显示，随着机械负荷增加，软化是最早的软骨组织损伤表现，其次是胶原丢失以及组织裂纹；当轻度机械负荷增加导致软骨组织软化时，胶原蛋白含量未出现下降，而后续胶原丢失最早发生在软骨组织的表层；裂纹首先在软骨组织表层沿平行表面方向产生，随后发展为纵向的放射状。Bartell等[41]对牛软骨组织施加机械冲击后发现，过载区域以及裂痕处出现大量细胞凋亡，推测表层组织较下层更为柔软，因此承受了更大形变，导致损伤优先形成。因此，过高的机械负荷主要通过直接损伤软骨组织影响软骨细胞代谢，使关节软骨退变。与机械负荷过低相比，过度的机械负荷造成的损伤更直观，且由于软骨细胞的生长特性，被破坏的软骨组织往往难以修复，因此机械负荷过高是关节退行性病变中的主要机械因素，通过多种方式矫正过度的机械负荷是预防关节退行性病变的有效措施。

3.2机械负荷过高的作用靶点及机制 过高的机械负荷是软骨细胞机械应力的主要研究方向，其中机械负荷作用靶点及其作用机制较多，如软骨细胞膜上的各类离子通道、细胞内氧化应激以及细胞质内的微RNA(microRNA,miRNA/miR)等。

3.2.1钙离子通道

3.2.1.1压电型机械感离子通道组件(piezo type mechanosensitive ion channel component，PIEZO) PIEZO能直接被机械负荷激活，使Ca2+内流，包括PIEZO1和PIEZO2[42]。Lee等[43]发现，PIEZO1和PIEZO2在软骨细胞中稳定表达，并能介导快速机械刺激下Ca2+瞬时内流，经过度机械负荷处理的软骨细胞中存在大量Ca2+内流，处理区域细胞凋亡显著提升，应用PIEZO通道拮抗剂可减少细胞外Ca2+内流，保护软骨细胞。后续研究发现，白细胞介素-1α刺激后，OA软骨中PIEZO1表达上调，进一步增加了软骨细胞的机械敏感性，使其更易受到机械损伤[44]。

3.2.1.2瞬时受体电位香草酸亚型(transient receptor potential vanilloid，TRPV) TRPV是一类具有高度Ca2+选择性的离子通道，包括TRPV1～6，其中TRPV4能介导生理条件下机械负荷的信号[45]。Xu等[46]发现，过度的机械负荷能通过TRPV4使Ca2+内流增加，诱导软骨细胞凋亡。Wei等[47]则发现，TRPV5在OA关节软骨中上调，并可能通过活化钙/钙调蛋白激酶Ⅱ引起胞外信号调节激酶1/2、c-Jun氨基端激酶、p38三者的磷酸化，从而激活促分裂原活化的蛋白激酶。此外，活化的磷酸化钙/钙调蛋白激酶Ⅱ还能诱导蛋白激酶B的磷酸化，激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白通路，通过上述两条通路诱导软骨细胞凋亡。上述两类钙离子通道的作用相近，但存在区别。TRPV通道更多在长期、广泛的机械负荷转导中发挥作用，如长期高负荷的关节内环境改变；而PIEZO则更多在机械负荷激变中启动，且更加灵敏，在创伤中作用更大，因此对不同原因导致的高机械负荷，应行选择性的针对性研究。

3.2.2氧化应激 软骨细胞主要通过糖酵解途径产生ATP，生理条件下的机械负荷使线粒体发生形变并释放活性氧类(reactive oxygen species，ROS)，ROS作为氧化剂支持糖酵解合成ATP[48-49]。有研究显示，机械负荷过度的牛软骨组织早期即出现线粒体损伤，导致线粒体膜通透性增加、膜电位改变，从而引发氧化呼吸链障碍、质子泄露以及过多ROS产生[50-51]。一方面，多余的ROS诱导线粒体DNA受损，促进细胞衰老，并通过上调miR-146a表达结合超氧化物歧化酶2的3′非翻译区，减少超氧化物歧化酶2信使RNA表达，降低ROS清除率。另一方面，ROS还可作为第二信使促进氧化还原敏感通路的激活，包括核因子κB通路以及促分裂原活化的蛋白激酶通路，促进细胞表达多种炎症因子(如白细胞介素-6、肿瘤坏死因子-α以及MMP)，引发细胞凋亡及软骨基质降解。有研究发现，在软骨损伤早期应用线粒体保护剂(如微保护肽SS-31、鱼藤酮)可以减少ROS产生，减轻甚至逆转线粒体损伤，从而保护软骨[52-53]。

目前，氧化应激在OA中的研究也十分广泛，研究主要集中在新型治疗方法的应用上，如使用分子药物、仿生酶、化学方法直接消除多余ROS或减少其产生，以治疗OA。有些疗法在细胞及动物层面取得了一定效果，但其临床应用的生物安全性以及疗效仍不明确。

4 小 结

OA作为一种关节退行性疾病给患者造成了巨大的痛苦和不便，其较高的患病率也为社会和家庭造成了沉重的经济负担。过高或过低的机械负荷对软骨的影响均可促进OA进展，因此保持适度的机械负荷有利于软骨健康、延缓疾病进展。因此，纠正关节的不利机械负荷以及寻找机械负荷介导通路的治疗靶点对OA的预防与治疗有重要意义。已存在的软骨损伤会改变软骨组织的调节能力和物理特性，故评估软骨损伤患者合适的机械负荷值应引起重视。寻找调节患者日常活动及劳动中关节负荷的辅助手段，如用外部装置调整步态或增强肌肉力量，能为延缓患者疾病进展并减少关节疼痛提供新的方法。目前，我国OA的治疗仍以传统药物(如非甾体抗炎药、糖皮质激素)治疗为主，新型药物(如靶向药物、基因治疗)十分少见，因此针对机械负荷介导的通路开发新的靶向药物或基因治疗靶点也将为OA的诊治提供新思路。