膝骨关节炎滑液脂质代谢特点的研究进展

姚放鸣 何敏聪，2 何晓铭，2 魏秋实，2 何伟，2

1广州中医药大学第三临床医学院（广州 510145）；2广州中医药大学第三附属医院（广州 510145）

膝骨关节炎（KOA）是一种长期困扰中老年人群的慢性关节疾病，主要表现为膝关节疼痛、活动受限、关节畸形和肌肉萎缩［1］。一项meta 分析［2］显示：2000-2018 年KOA 在中国中老年人群的总体发病率为21.51%。此外，另一项关于瑞典青年人的队列研究［3］指出，膝关节创伤后KOA 发病风险将增长约6 倍。KOA 的确切发病机制尚不完全清楚，目前的观点主要有机械和代谢两方面的因素。机械方面，主要由长期过度负重、关节过度劳损以及各种原因导致的关节不稳定等危险因素诱发；代谢方面，脂质代谢紊乱被认为是KOA 的重要致病因素。代谢综合征（MetS）或肥胖都可能使身体长期保持高代谢和炎症状态，最终诱导KOA的发病。既往与脂质代谢相关的研究多集中于全身（血浆）脂质代谢方面，而关于关节局部（滑液）脂质代谢的研究还相对较少。与血浆不同，关节滑液（SF）是膝关节局部代谢的重要载体，在一定程度上直接参与了KOA 的发生发展进程并反映局部炎症代谢情况。因此，相对于全身（血浆）脂代谢，SF 脂质代谢的研究或许可以更好地揭示脂质代谢与KOA 的关系。本文以KOA 患者膝关节SF（下简称KOA-SF）的脂质代谢研究为切入点，对KOA 与SF 脂质代谢相关性进行综述，为从SF脂代谢角度预测KOA 发病，调控KOA 进展提供思路。

1 生理状态下的膝关节滑液脂质代谢

SF 直接参与膝关节功能构成，同时也是其他关节代谢物质的溶剂和载体。SF 主要由关节滑囊和腱鞘的滑膜分泌，同时也有部分来源于血浆超滤液（图1）。它不仅有润滑关节、保护关节软骨面的作用，同时也维持着关节能量和物质代谢，对调节关节软骨代谢具有重要作用。由于滑膜细胞及毛细血管壁的超滤作用，血浆中的大分子脂质较少渗透进SF 中，因而造成SF 中的脂质成分要远低于血浆水平。因此SF 中的脂质成分如磷脂酰胆碱（PC）等可能大部分由关节内的滑膜细胞和软骨细胞等合成并分泌［4］。此外，髌下脂肪垫等关节周围组织也是SF 中代谢产物的来源之一。

图1 健康膝关节的滑液来源及其脂质构成Fig.1 Synovial fluid sources and lipid composition of healthy knee joints

一项病例对照研究［5］对无关节炎等关节病史的死后供体的SF 进行成分分析，发现这些健康SF中含有肉豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸等饱和脂肪酸（SFA），以及神经酸、油酸等单不饱和脂肪酸（MUFA），还有二十碳五烯酸（EPA）、二十二碳六烯酸（DHA）、α-亚麻酸、二高-γ-亚麻酸等ω-3 多不饱和脂肪酸（PUFA）及花生四烯酸（AA）、亚油酸等ω-6PUFAs，但该研究未对其进行定量分析。KOSINSKA 等［6］的一项对照研究发现，在健康人SF 中总磷脂（PL）含量约100～500 nmol/mL，其中PC 占绝大多数，其次也含有不同比例的溶血磷脂酰胆碱（LPC）、神经酰胺（Cer）、鞘磷脂酰胆碱等。这些磷脂类物质能与透明质酸协同辅助关节润滑和活动。PRETE 等［7］采用密度漂浮技术测量SF中的脂蛋白含量，发现其中高密度脂蛋白（HDL）含量相对较高，此外还含有少量的乳糜微粒（CM）、极低密度脂蛋白（VLDL）和低密度脂蛋白（LDL）。健康SF 中除了PC、LPC 外，还测出了微量的鞘磷脂（SM），浓度为1.3～1.5 mg/dL，还有微量载脂蛋白A1（ApoA1）和载脂蛋白B（ApoB）。胆固醇（TC）在正常滑液中也处于低浓度，约为0.6～0.75 mg/dL。这些脂蛋白可能是由血浆超滤而来，帮助关节表面的润滑和营养，同时载脂蛋白还能参与调解滑膜组织炎症反应。

2 KOA 患者膝关节滑液脂质代谢

2.1 SFA脂肪酸（FA）依据其碳链的双键数量可以分为SFA、MUFA 及PUFA。其中PUFA 又可以依据双键的位置分为ω-3PUFA、ω-6PUFA 等多种类型［8］。SFA 过高是导致肥胖、高血脂以及MetS 的主要原因，因此通常被认为与高代谢水平的炎症相关［9］。但近期的部分研究也表明了十五烷酸、丙酸和丁酸等SFA 可能具有缓解炎症和抑制破骨的作用。

一项关于SFA 的细胞实验［10］验证了棕榈酸的促炎途径，棕榈酸通过Toll 样受体4（TLR4）-ERK1/2-c-Jun 信号转导通路显著增加了人关节软骨细胞中的IL-26 诱导的促炎作用和基质金属蛋白酶（MMP）表达，从而促进关节软骨细胞的降解。一项研究［11］对比早期和晚期的KOA-SF 发现，甘油、肉豆蔻酸、油酸、十七烷酸和癸酸等FA 在晚期KOA-SF 中水平更高。然而另一项研究［12］发现十五烷酸在血浆和SF 中的浓度与KOA 进展呈负相关，这表明十五烷酸与十七烷酸、癸酸等不同，其作为SFA 也可能具有抑制炎症或缓解KOA 进展的作用。MUSTONEN 等［13］发现KOA-SF 中的十四碳烯酸、十六碳烯酸、亚油酸等不饱和脂肪酸，以及肉豆蔻酸、十七烷酸、二十二烷酸、二十四烷酸等SFA 水平均较对照组下降。一项动物实验［14］发现丙酸和丁酸等短链SFA 可以通过使破骨细胞代谢向糖酵解转移，下调TRAF6 和NFATC1 等破骨细胞基因，从而降低破骨细胞活性，以此来促进骨量。这表明SFA 可延缓KOA 进展，但相关结论仍需要更多高质量研究验证。尽管既往研究发现多种SFA 对KOA-SF 有促炎作用，但上述研究结果也表明SFA 与KOA 之间可能存在多样化联系，尚需要更多针对单种SFA 的深入研究来明确二者关系。

2.2 PUFA 及其氧化脂质在目前关于PUFA 的研究中，研究较深入的是ω-3PUFA 和ω-6PUFA。前者以EPA 和DHA 为代表，后者以AA 为代表。EPA 和DHA 可以通过促分解脂质介质（SPM）途径表现出抗炎特性，而AA 则表现为促炎/抗炎的双向氧化脂质代谢途径［15-16］。

MUSTONEN 等［17］对比健康对照组、KOA 组和类风湿性关节炎（RA）组SF 中的脂肪酸水平，发现KOA-SF 的ω-6PUFA 比例相对下降，ω-3PUFA也呈总体下降趋势，而总MUFA 比例增加。此外，KOA-SF 中ω-3PUFA 的产物/前体比、总平均链长和双键指数均降低。炎症刺激下磷脂酶A（PLA）活性升高，所以部分ω-6PUFA 可能向短寿命的脂质介质转化，从而表现为ω-6PUFA 降低。尽管目前广泛认为ω-6PUFA 具有促炎作用，但研究表明AA 可能也具备促炎症消退途径。AA 可以通过15-LOX 途径合成15-HETE，即血栓素A4（LXA4）的前体，LXA4 对于急性炎症的消退有重要作用［15-16］。此外，另一项研究［18］表明，长链及富含PUFA 的磷脂双分子层有利于降低关节面的摩擦系数。这也能佐证MUSTONEN 报道的总平均链长和双键指数在KOA-SF 中降低的现象。

DE VISSER 等［19］的一项动物实验中，4 种氧化脂质（5，6-EET、15-HETE、8，9-DHET 和17R-分解素D1）在KOA 大鼠SF 中明显改变。由AA 衍生的5，6-EET 在高脂肪饮食组中比标准饮食组水平更高，同样为AA 代谢产物的15-HETE、8，9-DHET在软骨缺损手术的大鼠SF 中低于未手术组。而17R-分解素D1 则在KOA 模型大鼠SF 中更高。15-HETE 的抗炎活性前文已提及。而17R-分解素D1 属于D 系列分解素，有研究［20］表明其可以消除IL-1b 诱导的p38/MAPK、JNK1/2 和NF-jB/p65 信号通路的激活以抑制炎症。同为抗炎活性物质，15-HETE 和17R-分解素D1 的分布水平却呈相反趋势。前者可能是由于高脂饮食诱导AA 代谢偏向促炎代谢途径，后者水平升高则是针对炎症的代偿性调节。

VALDES 等［21］纳入了58 例KOA 患者，采集他们患侧膝关节的SF 与健侧关节SF 及健康对照组的SF 进行对比，结果发现在KOA 患者中，AA 衍生的氧化脂质11，12-DHET 和14，15-DHET 在患侧膝盖中的水平高于健侧，并与KOA 的影像学进展呈正相关。然而上述动物实验中提到的5，6-EET、15-HETE、8，9-DHET 等氧化脂质在研究中均未发现统计学差异，这可能是由于研究样本量偏小、炎症环境的差异、物种的差异以及氧化酶的效能不同等引起，还需要更大样本量的临床研究进一步验证。

正常情况下炎症具有自限性，其关键就是上文提及的SPM。SPM 包括分解素、保护素，以及一种名为maresins 的新型抗炎症脂质介质家族［22］。分解素中的E 系列为EPA 衍生物，而D 系列分解素、保护素以及maresins 则由DHA 衍生。SANO等［20］在KOA-SF 中检测到上述因子，并且观测到它们可以减轻滑膜炎症。SPM 途径是一条常规存在的通路，但在肥胖人群的持续炎症代谢状态中，SPM 水平与促炎因子水平不能平衡，因而SPM 途径并不足以抵挡炎症的进展，更容易发生KOA 等慢性持续性炎症疾病。如何提高SPM 通路表达或许是KOA 新型治疗方案中的一个关键问题。

2.3 FA 与线粒体能量代谢FA 作为一种能量储备物质，可以通过β-氧化途径分解为机体供给能量。这一途径涉及肉碱、酮体等多种中间产物，并与局部组织的氧含量相关。一项研究［11］发现与早期KOA 相比，在晚期KOA 组中，柠檬酸盐、琥珀酸盐和延胡索酸盐等三羧酸循环中间产物水平呈上升趋势。一项KOA-SF 的代谢组学［23］分析显示，与健康对照组相比，KOA-SF 中的辅酶A 代谢、肉碱转运活动均有减少。另有研究者［24-25］也提出乙酰肉碱在晚期KOA 患者的血浆水平比对照组更低。KOA-SF 中肉碱代谢活动的减少提示脂肪β-氧化途径的减弱和线粒体功能的障碍，这种障碍也导致了三羧酸循环中间产物的堆积。这些能量代谢的改变可能与SF 中不同脂质的增减相关。鉴于早期和晚期KOA 之间可能存在的这种能量代谢变化，针对FA 能量代谢的中间产物进行进一步研究，可能有助于加深对KOA 病理状态的阐释，并探索新的KOA 进展标志物。

2.4 磷脂健康SF 中会含有少量PL，它们与透明质酸一起帮助关节润滑，减轻摩擦。尤其是PC，它可以与透明质酸结合，形成一个高度润滑的边界层［26］。而在KOA-SF 中，过量的PL 可能意味着关节局部组织的破坏和疼痛加重。

在KOA-SF 中，有研究［27-28］表明总PL 包括甘油磷脂含量会异常升高。下面两项临床研究也表明几种不同的LPC 亚型在KOA 关节中水平均有升高。JACQUOT 等［29］的临床试验发现在KOA 关节中LPC（尤其是LPC16：0）浓度比对照组更高。同时该研究者的动物实验证明了LPC16：0 可以通过酸感应离子通道3（ASIC3）诱导KOA 关节疼痛，加重各类关节炎患者临床症状。另一位研究者［30］也发现牛的膝关节SF 中的LPC（18：0、18：1、18：2、18：3）浓度按对照组、早期KOA 组、晚期KOA 组的顺序依次升高。NIEMINEN 等［31］的一项对照试验也发现磷脂酰乙醇胺、LPC 在原发性KOA 患者SF中升高。一项KOA-SF的代谢组学［32］分析发现PC、LPC、Cer 等物质浓度在KOA-SF 中浓度升高。与以上研究不同，ROCHA 等［33］对KOA 关节滑膜的脂质组学分析发现LPC 的水平低于对照组组织，而PC、FA和溶血磷脂酸（LPA）的水平则有升高。

针对以上研究结果，一位研究者提出KOA-SF中PL 的普遍升高可能与PLA 的过表达和局部组织中细胞膜破坏有关［34］。由于PLA 的过表达，IL-1β、TNF-α 可以借此促进KOA 中成纤维细胞样滑膜细胞（FLS）释放PL，并导致膜磷脂成分中的PC、磷脂酰丝氨酸（PS）等分别向LPC 和溶血磷脂酰丝氨酸（LPS）等过度转化并释放至SF 中［27］（图2）。因此，针对PLA 进行靶向调控可能有助于KOA 患者病情的缓解。此外，LPC 的升高除了提示局部组织的破坏外，其本身也能促进软骨损伤。HWANG 等［35］发现LPC 可以招募吞噬细胞向损伤部位聚集，并增加软骨细胞凋亡。

图2 磷脂酶分解磷脂生成溶血磷脂导致关节疼痛Fig.2 Phospholipase decomposes phospholipids to produce lysophospholipids，leading to joint pain

2.5 脂肪因子脂肪因子是参与调节糖脂代谢及炎症状态的一组蛋白类物质，主要包括脂联素、瘦素、抵抗素、内脏脂肪素等。脂肪细胞和单核细胞是许多脂肪细胞因子和促炎细胞因子（如IL-6、IL-1、TNF-α）的共同来源，其中大多数都会促进KOA 的进展［36］。脂肪因子调控失常引起的糖脂代谢紊乱还可能影响关节滑膜的增殖代谢，抑制透明质酸的分泌，增加细胞衰老［37］。抵抗素和瘦素可通过MAPK、NF-κB 等代谢通路促进炎症因子释放，而脂联素则是脂肪因子中唯一的抗炎剂，同时瘦素也具有缓解软骨破坏的良性作用（图3）。

图3 脂肪因子的炎症相关代谢途径Fig.3 Inflammatory metabolic pathways of adipokines

抵抗素在KOA 患者血清、SF 及滑膜中浓度均高于健康对照组，并增加促炎因子的释放，以促进软骨基质的降解［38］。宋永周等［39］的临床研究也支持这一结论，并且发现SF 的抵抗素水平与K&L 分级正相关。另一项动物实验［40］表明KOA 犬SF 中的抵抗素水平与健康犬SF 相当。因此该研究者认为抵抗素可能不参与KOA 的发病机制。但也有研究发现了抵抗素的促炎通路：抵抗素通过MEK/ERK 信号抑制miR-149 的表达，增强了KOASF 中FLS 对TNF-α 和IL-1β 的表达［38］，同时也能通过与Toll 样受体4（TLR4）和腺苷酸环化酶相关蛋白1 受体结合，然后激活p38-MAPK、PKA、NF-κB等多种信号通路以激活炎症反应［41］。

在肥胖患者体内以及KOA 患者SF 中瘦素浓度均升高［42］。SF中的瘦素水平与KOA 软骨损伤及疼痛等临床症状加重有关，并在KOA 晚期到达最高浓度［43］。一项研究［44］对合并/不合并MetS 的OA患者进行分组并对比分析。结果表明与nMetS-OA组相比，MetS-OA 组的SF 瘦素水平更高，且疼痛等临床症状更严重。KLEINE 等［45］的动物实验结果与这一结论相符，KOA 犬SF 中的高瘦素水平与关节疼痛和功能障碍相关。瘦素总体来讲具有促炎作用，瘦素可以激活人关节软骨细胞中的NF-κB、ERK、JNK 等促炎通路，导致MMP-3、MMP-13 和ADAMTS4 等表达增加，同时也可以刺激FLS 及软骨细胞分泌IL-6、IL-1 等［46］，但一方面这种效应被EPA 和DHA 抑制［47］，另一方面瘦素本身也具有双向作用。瘦素本身具有软骨保护作用，它可以通过促进转化生长因子（TGF-β）和促生长因子（IGF-1）表达从而促进软骨蛋白聚糖的合成，并增加软骨细胞的增殖［42］。瘦素具有抑制食欲、增加能量消耗的作用，肥胖可能导致瘦素水平因负反馈调节而升高。长期升高的瘦素水平以及肥胖状态下的炎症水平升高导致了普遍存在的瘦素抵抗，而这又反过来促使机体维持更高浓度的瘦素水平，并加重炎症水平。

脂联素是脂肪因子中唯一的抗炎剂。近几年关于脂联素的临床研究较少，研究［48］表明脂联素的SF 水平与KOA 的K&L 分级呈负相关，并且与WOMAC 疼痛评分、关节功能相关［49］。脂联素能通过脂联素受体1 和受体2（adipoR1 和R2）信号传导机制减少各种细胞类型的炎症［50］。此外还具有调节巨噬细胞的增殖分化、抑制MMP 分泌、促进FA 及脂蛋白代谢等多种作用［51］。这些功能皆有利于对炎症的抑制。

内脏脂肪素是B 淋巴细胞前体的生长因子，是一种促炎症的脂肪因子。既往的动物研究表明其是2 型糖尿病的独立危险因素，且与动物个体肥胖程度呈正相关，这表明内脏脂肪素与糖脂代谢紊乱密切相关，从而间接影响KOA 相关代谢［52］。已有研究发现内脏脂肪素在OA 患者血清中升高，但目前关于其SF 水平变化的研究还较少［53］。

3 展望

SF 作为直接参与KOA 局部代谢的物质之一，分析SF 中脂质的代谢水平对于预防、诊断及干预KOA 具有重要意义。而关于SF 脂代谢的研究重点集中在部分SFA、AA 对炎症的双向作用、脂肪因子的促炎作用以及PLA 作用下溶血磷脂类物质对关节内组织的破坏作用，这些脂质的促炎作用多需通过JNK、NF 以及MEK/ERK 等经典炎症信号通路传导。进一步明确基于上述炎症通路的SF 脂代谢——骨关节炎代谢关系有助于阐释KOA 发病的局部代谢机制。此外，目前的研究结果也支持EPA、DHA、SPM 途径、脂联素等的抗炎特性及对KOA 进展的缓解作用，但尚缺乏相应的高质量临床试验证据。总之，SF 脂代谢是关于预防和缓解KOA 的一个极具潜力的方向，上述研究的进一步深入可能会为临床治疗KOA 提供新的选择，从而改善当前以对症支持治疗为主的临床现状。