痛风性关节炎急、慢性炎症发病的分子机制研究

吴华香 陈莫

痛风是由尿酸单钠晶体（monosodium urate crystals，MSU）沉积在关节或非关节结构引发的常见疾病，痛风的典型首发表现是快速发作的急性单关节炎，表现为关节剧烈疼痛、皮肤发红、皮温升高、关节肿胀和失能，痛风的发作具有自限性，在发作缓解后，进入了发作间歇期直到再次痛风发作，急性痛风反复发作可在数年后发展为痛风石及慢性痛风性关节炎[1-2]。MSU诱导的急性炎症启动、放大及消退是急性痛风发作的核心机制，而MSU 聚集导致的慢性异物性肉芽肿性炎症则是慢性痛风性关节炎的主要病理生理过程[3]。本文重点讨论痛风性关节炎急、慢性炎症发病的分子机制，以助于更好理解痛风性关节炎发病过程，为制定痛风性关节炎治疗策略奠定基础。

1 急性炎症

MSU 激活固有免疫，引发滑膜剧烈炎症反应是急性痛风发作的典型特征，这一过程的主要组织学特征为滑膜衬里细胞增生以及中性粒细胞、单核巨噬细胞和淋巴细胞浸润[4]。

1.1 急性炎症启动和放大 痛风急性发作的核心过程是MSU 激活单核巨噬细胞中的含NACHT-LRRPYD 结构域蛋白3（NOD-，LRR-and pyrin domain-containing 3，NLRP3）炎症复合体，释放有生物活性的IL-1β，启动急性炎症[5]。NLRP3 炎症复合体包括NLRP3蛋白、含CARD 的衔接细胞凋亡相关斑点样蛋白（adapter protein apoptosis-associated speck-like protein，ASC）和半胱天冬酶原-1（pro-Caspase-1）[5]。NLRP3 炎症复合体激活需要双信号启动，第一个信号包括Toll样受体、病原体相关分子模式和损伤相关分子模式，通过激活NF-κB，上调pro-IL-1β 和NLRP3 蛋白表达；MSU 作为第二激活信号，募集NLRP3 蛋白、ASC 和pro-Caspase-1 完成NLRP3 炎症复合体的组装，pro-Caspase-1 活化形成半胱天冬酶-1（Caspase-1），进而Caspase-1 可将无活性的pro-IL-1β 水解成为成熟IL-1β，巨噬细胞和树突状细胞释放成熟IL-1β，作用于IL-1β受体，募集中性粒细胞至MSU 位点，同时诱导次级炎症介质前列腺素、细胞因子和趋化因子，激活补体，产生级联反应，释放更多引起疼痛和组织损伤的介质[5-6]，这种中性粒细胞介导的正反馈机制在急性痛风炎症的放大中占核心地位。作为髓系来源的细胞，中性粒细胞、单核巨噬细胞均可表达Src 家族激酶，包括造血细胞激酶（hematopoietic cell kinase，Hck）、猫科肉瘤病毒癌基因同源物（feline Gardner-Rasheed sarcoma viral oncogene homolog，Fgr）和v-yes-1 Yamaguchi 肉瘤病毒相关癌基因同源（v-yes-1 Yamaguchi sarcoma viral related oncogene homolog，Lyn）[7]。最新研究发现，MSU 诱导的中性粒细胞募集和活化可被Hck、Fgr和Lyn三重基因敲除所阻断，同时活性氧（reactive oxygen species，ROS）、白细胞浸润和促炎因子显著减少，关节炎症和疼痛反应明显减轻，但不影响中性粒细胞胞外诱捕网（neutrophil extracellular traps,NETs）的形成，据此，研究进一步发现Src 家族激酶抑制剂达沙替尼能够有效抑制MSU 诱导的中性粒细胞活化和关节炎，达沙替尼作为一种已在临床上应用于血液恶性肿瘤治疗的药物，可能为急性痛风发作的治疗提供一种新的选择[8]。

MSU 激活常驻巨噬细胞群启动炎症，在痛风急性炎症的早期至关重要[9]，然而，巨噬细胞如何识别MSU启动炎症活化的具体机制尚未完全明确。瞬时受体电位离子通道被认为是感知环境变化和传输包括瘙痒、疼痛、温度、机械感觉在内的广泛躯体刺激的初级感受器，在神经感觉和炎症信号通路中发挥重要作用[10]。研究发现在巨噬细胞中表达的瞬时受体电位通道香草醛4 型（transient receptor potential vanilloid type 4，TRPV4）选择性地参与包括MSU、二水焦磷酸钙盐和SiO2等晶体诱导的炎症反应。在急性痛风发作患者的外周血单个核细胞和经MSU 刺激的小鼠滑膜巨噬细胞中，TRPV4 表达上调，进一步分析发现，TRPV4 功能抑制或基因敲除能显著抑制MSU 诱导的关节炎症和疼痛反应，TRPV4 通道对于MSU、二水焦磷酸钙盐等晶体介导的NLRP3 炎症复合体活化和IL-1β 生成必不可少，而对于脂多糖、ATP 等非晶体激活NLRP3 炎症复合体途径则无显著影响；除此之外，已知MSU 诱导的急性炎症可通过激活外周感觉神经元中的瞬时受体电位通道香草醛1 型（transient receptor potential vanilloid type 1，TRPV1）产生疼痛[11]，该研究发现在MSU 诱导的急性痛风发作时，TRPV1 痛觉感受器激活，可以通过神经免疫相互作用促进巨噬细胞表达激活TRPV4，进一步增强关节炎症，形成正反馈回路，驱动急性痛风炎症暴发[12]。

在痛风患者中，尽管MSU 持续沉积于关节腔内，但发作是间歇性的，这一现象的具体机制尚未明确，提示可能有其他因素与MSU 协同触发炎症。临床中已观察到肥胖、饮酒、接种疫苗作为急性痛风发作的危险因素[13-15]。如前所述，NLRP3 炎症复合体激活需要双信号启动，这一机制可以避免炎症对宿主组织造成损害[16]。大量进食、摄入酒精和肠道微生物均可产生的游离脂肪酸[17-18]，接种疫苗时接受的佐剂，包括最常见的铝佐剂[19]和一些非铝佐剂如重组糖蛋白E[20]，均已被证实可作为激活NLRP3 炎症复合体的第一个信号，诱发痛风发作。除此之外，脂肪酸作为代谢燃料，氧化生成线粒体来源的ROS（mitochondria-derived ROS, mROS），激活NF-κB 信号通路增加促炎因子IL-1β、TNF-α 表达，促进MSU 诱导的巨噬细胞活化和中性粒细胞募集，参与痛风急性发作[21]。另一方面，腺苷酸依赖的蛋白激酶（adenosine 5'-monophosphate-activated protein kinase，AMPK）是一种具有抗炎活性的代谢生物传感器，可通过抑制这些激活途径减轻MSU 诱导的炎症反应，同时研究已证实秋水仙碱可通过激活巨噬细胞AMPK 发挥抗炎作用[22]。

MSU 引起的急性炎症反应受晶体自身特性、晶体表面的蛋白影响。较小的MSU 晶体能够提高中性粒细胞的吞噬作用，并促进白细胞浸润，导致更强烈的炎症反应[23]。源于痛风石的MSU 晶体比合成晶体引起的炎症更剧烈，使用蛋白酶处理痛风石后这一差异能够被消除[24]。相比未与蛋白质结合的晶体，与免疫球蛋白结合的MSU 可致人中性粒细胞超氧化物和溶酶体酶释放增加，增强炎症反应的发生[25]。软骨损伤是痛风发作的独立危险因素，受伤关节中的软骨基质和纤维可增加MSU 结晶形成，促进能产生较强炎症反应的较小MSU 晶体的形成[26]。另外，最近的研究检测了软骨损伤的痛风患者关节滑液，发现软骨细胞外基质的组成成分Ⅱ型胶原蛋白能够与MSU 晶体形成Ⅱ型胶原蛋白-MSU 复合物，Ⅱ型胶原蛋白能够调控MSU 晶体的形态和排列密度，增加巨噬细胞对MSU 晶体的吞噬作用，增加促炎因子表达，促进中性粒细胞和巨噬细胞募集，从而强化MSU 介导的炎症反应[27]。

1.2 急性炎症的消退 即使不治疗，典型痛风发作也可在数日至数周内消退，但在炎症消退期，仍可在关节液中检测到MSU 晶体，痛风的自发缓解作用机制尚未完全明确，其中最重要的机制是聚集的中性粒细胞胞外诱捕网（aggregated neutrophil extracellular traps，aggNETs）的形成[28]。NETs 的形成是中性粒细胞将染色质以及相关的细胞毒性酶和蛋白酶释放到细胞外空间的过程，通过这一过程来捕获和杀死病原体。在低中性粒细胞密度下，MSU 晶体诱导ROS 依赖的NETs 形成，伴有炎性细胞因子和趋化因子释放；随着中性粒细胞大量募集，在高中粒细胞密度和大量IL-1β 作用下，MSU 晶体诱导NETs 聚集形成与痛风石结构类似的aggNETs，隔离未被吞噬的MSU，并通过丝氨酸蛋白酶降解促炎细胞因子和趋化因子，限制和破坏中性粒细胞募集和激活，介导炎症的消退[28]。然而，aggNETs 介导的痛风炎症消退机制亦存在有争议。一方面，已有研究证实MSU 捕获聚集不受中性粒细胞缺失的影响，这个过程可以被其他细胞取代，除中性粒细胞外，肥大细胞、嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞等亦可在MSU 作用下形成细胞胞外诱捕网，介导MSU 聚集[29-30]；另一方面，痛风患者血浆NETs 水平高于对照组，但NETs 水平升高与疾病活动和炎症标志物并无相关性[31]。

成熟巨噬细胞根据体内微环境及信号变化可极化为具有不同功能的表型：经典活化型巨噬细胞（M1型）和选择活化型巨噬细胞（M2 型），参与维持体内稳态和消退炎症，在炎症的调节中起重要作用[32]。在痛风炎症的各个阶段可观察到巨噬细胞极化改变，急性痛风发作早期以M1 型巨噬细胞为主，M1 型巨噬细胞数量随着炎症的进展而上升，缓解期和慢性期则以M2型巨噬细胞为主，这一过程是否参与痛风的炎症的自发缓解仍有待进一步研究[33]。然而，痛风患者关节滑液中CD14+巨噬细胞与NETs 数量呈负相关，巨噬细胞不仅通过分泌IL-1β 促进NETs 形成，还能够吞噬降解MSU 晶体诱导的NETs，这一过程并未引起显著的促炎或抗炎效应[34]。目前仍然需要进一步的证据来探索巨噬细胞极化、NETs 和痛风之间的关联，这对于明确痛风自发缓解的作用机制具有重要意义。

除此之外，在痛风发作期间连续进行滑液分析发现，在痛风消退期炎症的负调控因子增加，如TGF-β、IL-1 受体拮抗剂、IL-10 和可溶性TNF 受体[35]。载脂蛋白尤其是载脂蛋白B 与MSU 结合，可促进痛风炎症的消退[36]。

2 慢性炎症

反复发作是痛风的显著特征，痛风长期反复发作可发展为慢性痛风，慢性痛风表现为痛风石形成、慢性痛风性关节炎和结构性关节损伤[2]。

2.1 痛风石形成 痛风石是由MSU 晶体沉积导致的慢性肉芽肿，由单核、多核巨噬细胞和致密结缔组织包裹MSU 晶体形成，可沉积于关节、骨、软骨、肌腱和皮肤，偶尔也见于特殊器官，例如肝脏[37]、视网膜[38]。痛风石由3 个主要区域组成：首先是紧密堆积的MSU核心区，第二层是密集的免疫细胞晕环区，最外层是纤维血管区，其中大量的CD68+单核和多核巨噬细胞见于细胞晕环区，CD20+B 细胞见于细胞纤维血管区，肥大细胞和CD8+T 细胞则同时存在于细胞晕环区和纤维血管区。与急性痛风发作激活固有免疫有所不同，痛风石所致慢性炎症同时涉及固有免疫和适应性免疫；CD68+巨噬细胞数量与表达IL-1β 和表达转化生长因子β1 的细胞数量均密切相关，这种促炎和抑炎因子的共表达可能参与了痛风石所致慢性炎症-缓解和组织重塑的循环过程[39]。

2.2 慢性痛风性关节炎 慢性痛风性关节炎表现为慢性滑膜炎、骨侵蚀、软骨损伤和痛风石形成[40-41]。沉积于滑膜的尿酸盐晶体刺激软骨细胞，产生炎症因子、一氧化氮和基质金属蛋白酶，导致软骨损伤和骨基质损伤[42-43]。痛风进展至晚期，在影像学和病理学中可见关节结构损伤，伴有骨侵蚀和局灶性软骨损伤等特征性改变[41，44]。

2.3 骨侵蚀 MSU 晶体的体积与骨侵蚀程度呈强正相关[41]。正常生理条件下，骨组织的稳态是一个持续动态的骨重塑过程，主要通过成骨细胞介导的骨形成和破骨细胞介导的骨吸收达到动态平衡来实现[45]。有研究使用三维双能CT 分析了有合并痛风石的患者MSU 在骨关节的沉积部位，发现MSU 沉积于关节内、骨表面和侵蚀的骨内，而在骨皮质完整的骨内未观察到MSU 沉积，提示MSU 所致骨侵蚀是“由外向内”发展[46]，这与类风湿关节炎所致骨侵蚀不同。痛风石所致骨侵蚀发生于痛风石与骨交界面，在痛风石与骨的交界处几乎没有成骨细胞[47]。一方面，MSU 晶体可直接作用于成骨细胞[47]，或通过刺激巨噬细胞[48]、黏膜相关不变T 细胞[49]分泌促炎因子IL-1β、IL-6 和TNF-α，或刺激中性粒细胞产生中性粒细胞来源的外泌体[50]等间接作用，降低成骨细胞活力和抑制成骨分化。另一方面，MSU 减少骨细胞和成骨细胞分泌骨保护素（osteoprotegerin，OPG）[51]，同时包绕MSU 的细胞晕环区和纤维血管区中可检测到表达NF-κB 受体活化因子配体（receptor activator of nuclear factor kappa B ligand，RANKL）的T 细胞[52]，RANKL 可与破骨细胞前体细胞上表达的NF-κB 受体（receptor activator of nuclear factor kappa B，RANK）结合驱动破骨细胞分化。OPG 是一种诱饵受体，与RANK 竞争性结合RANKL，RANKL/OPG 平衡破坏，驱动破骨细胞活化[45]，成骨细胞抑制而破骨细胞活跃，骨重塑不平衡，导致骨侵蚀和异常的骨形成。此外，MSU 可直接抑制骨细胞活力，并通过作用于巨噬细胞间接促进骨细胞向促炎和促吸收状态转变，加重骨重塑紊乱[53]。

3 小结

痛风是一种常见的风湿性疾病，明确急性和慢性痛风发病的分子机制能够为治疗提供思路和靶点。本文对痛风性关节急、慢性炎症发病的分子机制做了详细描述，但目前仍有许多基础和临床相关问题未解决，有关痛风自发缓解的机制依然未有定论，临床上观察到MSU 晶体沉积但并未诱发炎症的原因依然有待进一步探索。