血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子在骨關(guān)節(jié)炎中的研究進(jìn)展

劉秀麗(綜述)，滕蔚然，金立倫(審校)

(上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院骨傷科，上海 200092)

骨關(guān)節(jié)炎又稱退行性骨關(guān)節(jié)病，是一種可引起關(guān)節(jié)疼痛并致殘的慢性、進(jìn)展性關(guān)節(jié)病，其主要特點(diǎn)是血管生成、滑膜炎、基質(zhì)降解、軟骨下骨硬化和骨贅形成[1]。骨關(guān)節(jié)炎是引起的全球肌肉骨骼障礙性疾病的首要原因[2]。據(jù)估計(jì)，全球約有15%的人患有關(guān)節(jié)疾病，而在這些人群中，歐洲有超過(guò)39萬(wàn)、美國(guó)有超過(guò)20萬(wàn)的人是骨關(guān)節(jié)炎患者，到2020年這些數(shù)字有可能會(huì)翻倍[3]。骨關(guān)節(jié)炎的病因和發(fā)病機(jī)制非常復(fù)雜，至今尚未完全闡明。

血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)在新生血管形成中發(fā)揮著重要作用。VEGF通過(guò)旁分泌機(jī)制促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞分裂增殖，誘導(dǎo)新生血管形成；通過(guò)誘導(dǎo)某些酶的高表達(dá)，增加微血管通透性，為新生血管形成創(chuàng)造條件。近來(lái)研究結(jié)果顯示，VEGF在骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞中表達(dá)增加，在骨關(guān)節(jié)炎軟骨退變過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[4-5]。VEGF現(xiàn)已成為研究骨關(guān)節(jié)疾病發(fā)病機(jī)制的一個(gè)熱點(diǎn)。

1 VEGF基因定位、分子結(jié)構(gòu)及功能

1.1VEGF基因定位與分子結(jié)構(gòu) 人類VEGF是相對(duì)分子質(zhì)量為(46～48)×103的同型二聚體，其基因定位于染色體6p21.3上，因信使RNA剪接方式不同可產(chǎn)生五種不同形式的蛋白分子：VEGF121、VEGF145、VEGF165、VEGF189及VEGF206，其中VEGF165是最主要的作用因子[6-7]。人類VEGF家族包括五個(gè)分泌型同型二聚體糖蛋白：VEGF-A、VEGF-B、VEGF-C、VEGF-D和胎盤(pán)生長(zhǎng)因子，通常所說(shuō)的“血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子”即指VEGF-A[8]。

1.2VEGF的功能 VEGF是針對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞特異性最高、促血管生長(zhǎng)作用最強(qiáng)的有絲分裂原，它直接刺激內(nèi)皮細(xì)胞的存活、增殖、分化及遷移，并在內(nèi)皮依賴性血管舒張及血管滲透性中起關(guān)鍵作用[8]。VEGF與內(nèi)皮細(xì)胞表面具有高親和力的酪氨酸激酶受體結(jié)合后，誘導(dǎo)黏附分子表達(dá)，并釋放細(xì)胞因子和趨化因子，引起血管基膜降解，使得內(nèi)皮細(xì)胞更易進(jìn)入周?chē)M織而促進(jìn)新生血管生成[9]。

VEGF的主要作用是促進(jìn)血管生成。決定VEGF生物學(xué)功能的受體除了在血管內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)外，還在其他細(xì)胞組織中表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)，VEGF參與了骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程[10-11]。Ludin等[1]向健康小鼠的關(guān)節(jié)腔內(nèi)注入外源性VEGF數(shù)周后，觀察到滑膜增厚，關(guān)節(jié)軟骨鈣化增多，骨硬化及軟骨退化，證明VEGF在骨關(guān)節(jié)炎的起始和發(fā)展中起重要作用。此外，VEGF還參與軟骨細(xì)胞的增殖、凋亡及代謝，引起金屬基質(zhì)蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMPs)降解，導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨破壞，是骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)展過(guò)程中最主要的破壞因子之一[10,12]。

2 VEGF在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病機(jī)制中的作用

2.1VEGF在血管生成中的作用 血管生成是指從已有的毛細(xì)血管發(fā)展形成新的血管，主要步驟包括：血管基膜降解，血管內(nèi)皮細(xì)胞激活、增殖、遷移，重建形成新的血管和血管網(wǎng)。血管生成是一個(gè)涉及多種細(xì)胞的多種分子的復(fù)雜過(guò)程。成人的軟骨是一種無(wú)血管組織[13-14]，而軟骨的血管生成現(xiàn)象在骨關(guān)節(jié)炎的進(jìn)展中普遍存在。

在整個(gè)骨關(guān)節(jié)炎的病理過(guò)程中，VEGF起促進(jìn)血管生成和增加血管通透性的作用，它是骨關(guān)節(jié)炎發(fā)展過(guò)程中滑膜細(xì)胞增殖、血管新生、滑膜炎形成的重要炎性遞質(zhì)[15]。一方面，VEGF通過(guò)激活內(nèi)皮細(xì)胞，使小血管基膜、內(nèi)皮基質(zhì)在蛋白酶的作用下被降解；另一方面，通過(guò)促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖、分化及遷移，促進(jìn)滑膜中血管新生，增加血管的通透性[16]。

在骨關(guān)節(jié)炎患者中，滑膜的增生、浸潤(rùn)以及后來(lái)出現(xiàn)的軟骨和骨破壞均依賴于滑膜內(nèi)血管的生成；骨關(guān)節(jié)炎血管生成不僅可導(dǎo)致炎癥，更重要的是通過(guò)新生血管轉(zhuǎn)運(yùn)炎性因子致使炎性反應(yīng)得以持續(xù)[17-18]；形成的血管翳可自關(guān)節(jié)軟骨邊線處滑膜逐漸向軟骨面伸延，被覆于關(guān)節(jié)軟骨面上，阻斷軟骨和滑液接觸，影響軟骨的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)，導(dǎo)致軟骨降解和骨質(zhì)破壞[19-20]。另外，血管新生還可能直接刺激破骨細(xì)胞前體及破骨細(xì)胞而致關(guān)節(jié)破壞[21]。

2.2VEGF在滑膜炎中的作用 骨關(guān)節(jié)炎是以關(guān)節(jié)軟骨退變、軟骨下骨改變及繼發(fā)性滑膜炎為特征的慢性關(guān)節(jié)疾病[9]，其本質(zhì)是關(guān)節(jié)軟骨與骨破壞和修復(fù)相互交替的復(fù)雜過(guò)程，同時(shí)也存在滑膜的繼發(fā)性炎癥。在行骨關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)鏡手術(shù)時(shí)，50%以上患者的關(guān)節(jié)腔有滑膜增生及炎性改變[22]。在白細(xì)胞介素1和腫瘤壞死因子等促炎性因子的刺激下，骨關(guān)節(jié)炎滑膜的成纖維細(xì)胞產(chǎn)生炎性因子和血管生成因子，這些炎性因子和血管生成因子可促進(jìn)骨關(guān)節(jié)炎性反應(yīng)的發(fā)生和血管生成[23]。

VEGF促進(jìn)血管新生的同時(shí)也伴隨著炎癥的發(fā)生，新生血管為滑膜提供了更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及氧氣，從而促進(jìn)滑膜組織的增生和肥厚。新生血管中釋放的炎性介質(zhì)也促進(jìn)了滑膜組織炎癥的發(fā)生，在滑膜炎的慢性持續(xù)性過(guò)程起重要作用。

Lambert等[24]研究證明，在滑膜組織的炎性區(qū)域，VEGF的表達(dá)明顯增多。Hoff等[25]為了觀察不同滑液環(huán)境對(duì)原代軟骨細(xì)胞的影響，將正常的原代軟骨細(xì)胞培養(yǎng)在全身無(wú)炎性反應(yīng)的骨關(guān)節(jié)炎和類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎患者的滑液中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種滑液培養(yǎng)的軟骨細(xì)胞的VEGF的表達(dá)均增高，且骨關(guān)節(jié)炎滑液中VEGF的表達(dá)更高。為了研究塞來(lái)昔布、雙氯芬酸、布洛芬等非甾體消炎藥對(duì)有癥狀的骨關(guān)節(jié)炎患者滑液中細(xì)胞因子的影響，Gallelli等[26]研究發(fā)現(xiàn)，非甾體消炎藥能明顯降低骨關(guān)節(jié)炎患者滑液中VEGF的表達(dá)水平。

2.3VEGF對(duì)骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞的影響 骨關(guān)節(jié)炎典型的病理學(xué)表現(xiàn)為嚴(yán)重的局灶性軟骨侵蝕、缺失，甚至達(dá)軟骨下骨質(zhì)。軟骨細(xì)胞在骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生、發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。越來(lái)越多的關(guān)于骨關(guān)節(jié)炎的基礎(chǔ)研究都將熱點(diǎn)集中于如何調(diào)控軟骨細(xì)胞的代謝、抑制細(xì)胞外基質(zhì)的丟失、阻止軟骨細(xì)胞的凋亡及延緩關(guān)節(jié)軟骨進(jìn)行性退變上。

在骨關(guān)節(jié)炎晚期，VEGF在軟骨細(xì)胞中的表達(dá)增加[4,27]。Yamairi等[28]通過(guò)動(dòng)物模型發(fā)現(xiàn)，在體內(nèi)，遭受不同形式壓力刺激的再生軟骨細(xì)胞產(chǎn)生了VEGF，產(chǎn)生的VEGF反過(guò)來(lái)又刺激骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞產(chǎn)生MMPs以及其他蛋白水解酶破壞關(guān)節(jié)軟骨，證明了VEGF參與關(guān)節(jié)軟骨的破壞和修復(fù)過(guò)程。此外，VEGF還能影響軟骨細(xì)胞的增殖、遷移、凋亡和代謝[13]。

軟骨細(xì)胞的生存環(huán)境發(fā)生變化，導(dǎo)致軟骨細(xì)胞發(fā)生變性及凋亡，進(jìn)而引起關(guān)節(jié)軟骨退變，關(guān)節(jié)軟骨變得粗糙，失去彈性，局部軟化，甚至出現(xiàn)裂隙、脫落，關(guān)節(jié)邊緣骨質(zhì)增生，侵犯軟骨下骨、滑膜等組織，從而導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生及進(jìn)一步發(fā)展[29]。

2.4VEGF在基質(zhì)降解中的作用 血管生成的第一步是血管基膜降解，MMPs能夠降解細(xì)胞外基質(zhì)的各種蛋白酶，在基質(zhì)降解中起重要作用，其在退行性關(guān)節(jié)疾病中也發(fā)揮著重要作用。金屬蛋白酶組織抑制劑(tissue inhibitor of metalloproteinase，TIMPs)是MMPs的抑制劑，其能夠抑制MMPs的活性。在正常條件下，MMPs與TIMPs處于平衡之中，但在骨關(guān)節(jié)炎的進(jìn)展中，TIMPs與MMPs之間的平衡被打破，導(dǎo)致軟骨外基質(zhì)降解[30]。

VEGF不僅是一種血管生成因子，也是基質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)因子，在骨關(guān)節(jié)炎的病理過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[31]。VEGF刺激骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞產(chǎn)生MMP-1和MMP-3，卻并不改變TIMPs的水平。骨關(guān)節(jié)炎患者關(guān)節(jié)滑液中VEGF與MMP-13的表達(dá)水平具有明顯相關(guān)性[32]。VEGF作為血管生成過(guò)程中MMPs的指示器，直接誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞中MMPs的表達(dá)[13,32]。

MMP-13大量表達(dá)后，軟骨基質(zhì)中的Ⅱ型膠原蛋白被大量分解，導(dǎo)致軟骨基質(zhì)被破壞和降解，軟骨細(xì)胞直接暴露于炎性介質(zhì)中，軟骨細(xì)胞發(fā)生變性和死亡，從而引起骨關(guān)節(jié)炎的一系列臨床癥狀[33-34]。

2.5VEGF在骨贅形成和軟骨下骨硬化中的作用 骨贅形成是骨關(guān)節(jié)炎的病理特點(diǎn)之一，其形成高度依賴于VEGF[35]。VEGF誘導(dǎo)血管形成，血管形成導(dǎo)致軟骨損害，進(jìn)而啟動(dòng)骨贅形成和關(guān)節(jié)軟骨的鈣化[1]。研究表明，軟骨細(xì)胞產(chǎn)生的VEGF與骨贅形成密切相關(guān)，且參與了骨贅的形成過(guò)程[4]。

Ludin等[1]將VEGF注入小鼠關(guān)節(jié)腔8周后即觀察到骨贅形成。Yamairi等[28]發(fā)現(xiàn)，VEGF與骨關(guān)節(jié)炎中軟骨細(xì)胞的增生、肥大，軟骨膜的遷移及骨贅的形成、發(fā)展有關(guān)，VEGF的染色強(qiáng)度可作為這些病理變化的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)。

軟骨下硬化也是骨關(guān)節(jié)炎的病理特點(diǎn)之一。Ludin等[1]將VEGF注入造模成功的骨關(guān)節(jié)炎的小鼠關(guān)節(jié)腔內(nèi)，第3周即可觀察到嚴(yán)重的軟骨下硬化現(xiàn)象，推測(cè)VEGF是通過(guò)改變軟骨下骨組織的代謝及促進(jìn)血管修復(fù)因子的釋放而影響組織鈣化的。

2.6其他 VEGF是目前發(fā)現(xiàn)的唯一一種與骨關(guān)節(jié)炎影像學(xué)分級(jí)密切相關(guān)的介質(zhì)[36]。研究表明，由軟骨下骨破骨細(xì)胞分泌的VEGF可誘導(dǎo)血管生成，這一過(guò)程同時(shí)也導(dǎo)致了關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的破壞和疼痛癥狀的產(chǎn)生[37]。

3 VEGF可通過(guò)PI3K/Akt信號(hào)通路促進(jìn)骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)展

磷脂酰肌醇3-激酶(phos-phatidylinositol-3-kinases,PI3K)介導(dǎo)的通路是細(xì)胞內(nèi)重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，蛋白激酶B(protein kinase B，PKB又稱Akt)處于該信號(hào)通路的中心位置，并起著關(guān)鍵的作用。PI3K/Akt信號(hào)通路參與調(diào)節(jié)細(xì)胞的增殖、分化、代謝及凋亡等一系列生理活動(dòng)。PI3K/Akt信號(hào)通路廣泛地存在于滑膜組織中，與滑膜細(xì)胞的分化、凋亡、黏附、血管形成及基質(zhì)降解等有關(guān)[38-39]。VEGF與受體結(jié)合后通過(guò)PI3K/Akt信號(hào)通路促進(jìn)血管生成[26]。PI3K與上皮鈣黏素、β聯(lián)蛋白和VEGF受體2形成復(fù)合物，經(jīng)由PBK/Akt通路參與VEGF介導(dǎo)的內(nèi)皮信號(hào)傳遞，其一方面作用于VEGF的上游，調(diào)節(jié)VEGF的表達(dá)；另一方面又參與VEGF的下游活動(dòng)，調(diào)節(jié)VEGF誘導(dǎo)的內(nèi)皮細(xì)胞生存、遷移和分化[40]?；罨腁kt通過(guò)多種途徑上調(diào)骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞中的低氧誘導(dǎo)因子的表達(dá)，上調(diào)的低氧誘導(dǎo)因子與DNA上的激素反應(yīng)元件相結(jié)合后，增強(qiáng)VEGF基因的轉(zhuǎn)錄，從而促進(jìn)VEGF的表達(dá)，VEGF與其受體結(jié)合后促進(jìn)血管生成、骨贅形成及基質(zhì)降解[4]。

4 小 結(jié)

VEGF在骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生、發(fā)展中起著重要作用，參與了骨關(guān)節(jié)炎的諸多病理過(guò)程：血管生成、滑膜炎、基質(zhì)降解、軟骨下骨硬化及骨贅形成。在骨關(guān)節(jié)炎病理過(guò)程中，血管生成為滑膜細(xì)胞的增殖提供了營(yíng)養(yǎng)及氧分，為其向深層侵蝕提供可能；增殖的滑膜細(xì)胞分泌細(xì)胞因子及蛋白，促進(jìn)滑膜炎的同時(shí)也促進(jìn)血管生成；血管的生成、骨贅的形成以及關(guān)節(jié)軟骨的鈣化致使關(guān)節(jié)軟骨損壞，破壞的關(guān)節(jié)軟骨又反過(guò)來(lái)誘導(dǎo)MMPs、細(xì)胞因子、趨化因子等產(chǎn)生，進(jìn)而促進(jìn)基質(zhì)降解、血管生成及滑膜炎。VEGF參與骨關(guān)節(jié)炎的病理變化，推動(dòng)骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生、發(fā)展。

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