關(guān)節(jié)軟骨含水率變化與骨關(guān)節(jié)炎筋骨失養(yǎng)的關(guān)系探討

陳后煌　邵翔　鄭文偉　馬玉環(huán)　陳達(dá)　葉蕻芝　李西海

【摘 要】 骨關(guān)節(jié)炎病在筋骨，筋骨失養(yǎng)為主要病理表現(xiàn)，常見于中老年人，軟骨退變在骨關(guān)節(jié)炎筋骨失養(yǎng)過程中發(fā)揮重要作用。水占關(guān)節(jié)軟骨濕重的80%，是軟骨所需營養(yǎng)物質(zhì)的重要媒介，在關(guān)節(jié)軟骨生化組成中所占比重最大，水與膠原纖維及蛋白多糖相結(jié)合共同提供了軟骨細(xì)胞生物學(xué)功能的內(nèi)環(huán)境，與軟骨生物力學(xué)功能密切相關(guān)。調(diào)節(jié)含水率可能是延緩或阻止軟骨退變的重要機(jī)制之一，提示有效調(diào)控關(guān)節(jié)軟骨含水率在骨關(guān)節(jié)炎形成和發(fā)展中的作用，對骨關(guān)節(jié)炎筋骨失養(yǎng)的防治研究具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】 骨關(guān)節(jié)炎；含水率；軟骨；筋骨失養(yǎng)

骨關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）的核心病機(jī)為本痿標(biāo)痹，以肝腎虧虛、筋骨失養(yǎng)為本，以腠理空虛易感風(fēng)寒濕邪為標(biāo)，主要病位在軟骨[1]。關(guān)節(jié)軟骨中的水分在軟骨細(xì)胞與富含營養(yǎng)物質(zhì)的滑液之間進(jìn)行物質(zhì)交換，有利于營養(yǎng)物質(zhì)、廢料及氣體的彌散，部分水與細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）中的膠原纖維及蛋白多糖結(jié)合成凝膠狀，參與軟骨組織中的流體靜壓力的形成，同時(shí)維持關(guān)節(jié)軟骨的正常結(jié)構(gòu)。當(dāng)關(guān)節(jié)軟骨受損時(shí)，軟骨中水分含量發(fā)生改變，以調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境的穩(wěn)定，維持軟骨的生物力學(xué)性能，從而起到保護(hù)組織細(xì)胞的作用[2-3]。軟骨ECM降解在軟骨退變過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，因此阻斷軟骨ECM降解發(fā)生，有可能促進(jìn)退變軟骨修復(fù)，從而減緩OA病理進(jìn)程[4-5]。軟骨含水率變化與軟骨ECM降解及軟骨退變密切相關(guān)，提示調(diào)控軟骨含水率是防治OA筋骨失養(yǎng)的潛在有效途徑

之一。

1 關(guān)節(jié)軟骨含水率變化與OA筋骨失養(yǎng)的關(guān)系

1.1 關(guān)節(jié)軟骨退變是OA筋骨失養(yǎng)的必經(jīng)階段 OA的主要病理特征為軟骨退變、骨贅形成，軟骨退變屬于中醫(yī)“痿”證，骨贅形成屬于中醫(yī)“痹”證。其中關(guān)節(jié)軟骨屬中醫(yī)“筋”范疇，骨贅屬中醫(yī)“骨”范疇，筋和骨相連，相互作用，共同組成人體的支架結(jié)構(gòu)，具有負(fù)重和維持運(yùn)動的功能[6]。根據(jù)中醫(yī)骨傷的病機(jī)演變規(guī)律皮-肉-筋-骨，筋痹是OA發(fā)展的必經(jīng)階段，筋痹繼續(xù)發(fā)展成為骨痹，骨痹是OA的最終表現(xiàn)形式[7]。力學(xué)研究表明，軟骨的退變可引起關(guān)節(jié)生物力學(xué)穩(wěn)態(tài)失衡，為維護(hù)關(guān)節(jié)力學(xué)結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致骨贅形成，骨贅是發(fā)生于關(guān)節(jié)邊緣的骨和軟骨性新生組織，是生物力學(xué)失衡的代償性改變，但因骨贅改變了關(guān)節(jié)原有的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致關(guān)節(jié)失穩(wěn)，又進(jìn)一步加重了軟骨退變[8]。

1.2 含水率變化促進(jìn)關(guān)節(jié)軟骨退變 軟骨ECM的過度丟失對OA軟骨退變的病理進(jìn)程起至關(guān)重要的作用，ECM主要由水、蛋白多糖聚合體以及膠原纖維構(gòu)成，由于蛋白聚糖中的GAG是多陰離子化合物，結(jié)合K+、Na+等陽性離子，引起滲透壓升高，從而吸收水分子；同時(shí)糖的羥基具有親水特性，因而基質(zhì)中的蛋白聚糖可以吸引、保留水分，形成水凝膠，容許小分子化合物自由擴(kuò)散，阻止細(xì)菌通過，起到保護(hù)ECM的作用[9-11]。

軟骨退變早期，軟骨內(nèi)固有的膠原纖維和蛋白多糖同時(shí)發(fā)生退變，而蛋白多糖在降解的同時(shí)代償性地合成新的蛋白多糖，此類蛋白多糖分子量較小，分子結(jié)構(gòu)也有所改變，難以與水分子結(jié)合形成蛋白多糖聚合體，蛋白多糖的生物學(xué)性能下降導(dǎo)致水合作用降低，表現(xiàn)為軟骨含水率的下降[12]。

軟骨退變發(fā)展期，軟骨結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)一步導(dǎo)致膠原纖維結(jié)構(gòu)的改變和膠原纖維含量的下降，上述改變導(dǎo)致ECM滲透壓持續(xù)增高，引起高滲吸水，ECM含水率增加；此時(shí)組織損害加重，電荷密度、應(yīng)力改變和組織滲透性增加引起炎癥介質(zhì)釋放，軟骨細(xì)胞合成和增生作用下降，蛋白多糖聚集體減少，小分子量單體增多，軟骨內(nèi)滲透壓持續(xù)增大，導(dǎo)致含水率增加[13]。

軟骨退變后期，代償性合成膠原纖維和蛋白多糖進(jìn)一步增多，但與軟骨退變早期一樣，新合成的蛋白多糖分子量較小，分子結(jié)構(gòu)改變，難以發(fā)揮其水合作用的生物學(xué)性能；此時(shí)，炎癥反應(yīng)降低，軟骨中炎癥介質(zhì)減少，ECM滲透壓降低，軟骨含水率逐漸減少[14]。

2 關(guān)節(jié)軟骨中水的存在形式 關(guān)節(jié)軟骨中的水可分為大部分的結(jié)合水和少量的游離水。結(jié)合水是組成細(xì)胞和生物體結(jié)構(gòu)的重要成分，可以穩(wěn)定大分子結(jié)構(gòu)，結(jié)合水與膠原纖維和蛋白多糖的陰性離子呈非共價(jià)鍵結(jié)合，主要依賴膠原纖維或蛋白多糖的水合作用形成；自由水主要通過滲透作用由關(guān)節(jié)腔進(jìn)入，游離于軟骨細(xì)胞和滑膜之間，因此關(guān)節(jié)軟骨滲透壓的大小主要取決于蛋白多糖的數(shù)量[15]。結(jié)合水和自由水共同維持關(guān)節(jié)軟骨營養(yǎng)物質(zhì)、廢料及氣體的彌散和交換。

關(guān)節(jié)軟骨水分的1/3在細(xì)胞內(nèi)，其余的水分與ECM結(jié)合。軟骨中缺乏血管分布，軟骨細(xì)胞成行或成群分布，因此軟骨細(xì)胞通過滲透作用傳遞代謝所需要的營養(yǎng)物質(zhì)。滲透作用即血漿中的營養(yǎng)成分透過滑膜內(nèi)的毛細(xì)血管壁滑膜進(jìn)入滑液，通過滑液將營養(yǎng)物質(zhì)擴(kuò)散入ECM供應(yīng)給軟骨細(xì)胞?；喊?xì)胞和液體兩種成分，其中約95%是水。軟骨細(xì)胞存在于一個(gè)高度可變的離子和滲透壓環(huán)境，并且對這種變化非常敏感，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境中離子和滲透壓改變時(shí)，軟骨細(xì)胞會通過調(diào)節(jié)體積來應(yīng)答。在細(xì)胞體積調(diào)節(jié)的過程中，水是重要的因素之一[16]。

3 調(diào)控關(guān)節(jié)軟骨含水率的機(jī)制探討

3.1 炎癥促進(jìn)軟骨ECM的降解 細(xì)胞因子是介導(dǎo)OA發(fā)病最主要的炎癥介質(zhì)，對關(guān)節(jié)軟骨的退變發(fā)揮重要的調(diào)控作用。在OA病理過程中，腫瘤壞死因子-α（TNF-α）和白細(xì)胞介素-1（IL-1）是介導(dǎo)關(guān)節(jié)軟骨退變的主要細(xì)胞因子，它們顯著增加軟骨基質(zhì)金屬蛋白酶（MMPs，如MMP-3、MMP-9和MMP-13）、聚集蛋白聚糖酶（ADAMTS，如ADAMTS-4、ADAMTS-5）的表達(dá)，破壞ECM的合成與降解平衡[17-18]。

OA發(fā)生時(shí)，蛋白多糖的降解大于合成，軟骨彈性和承受負(fù)荷的能力喪失，以致關(guān)節(jié)軟骨厚度變薄。其可能的機(jī)制是，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的膠原纖維構(gòu)成了關(guān)節(jié)軟骨的支架，大量高能嗜水性的糖蛋白分子團(tuán)分布于上述復(fù)雜的纖維網(wǎng)架中，TNF-α和IL-1通過激活MAPK通路、一氧化氮（NO）途徑和核轉(zhuǎn)錄因子-κB通路等，誘導(dǎo)MMPs和ADAMTS的表達(dá)，引起膠原纖維網(wǎng)架的局限性破損，造成糖蛋白膨脹以及帶負(fù)電荷的離子暴露，使關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)含水量增多；此外，蛋白多糖分解后在軟骨ECM內(nèi)產(chǎn)生了更多的小分子單體，增加了ECM內(nèi)的分子濃度，滲透壓持續(xù)增大，導(dǎo)致高滲吸水[19-21]。

IL-1β可以激活一氧化氮合氫酶（iNOS）在軟骨內(nèi)產(chǎn)生大量NO[22]。同時(shí)，OA患者關(guān)節(jié)滑膜中含有大量的NO，誘發(fā)滑膜組織損傷和血管擴(kuò)張，導(dǎo)致滑膜腫脹、充血，并且使血管壁的通透性增大而引起滲出等，造成關(guān)節(jié)腔積液；NO進(jìn)一步促進(jìn)炎癥介質(zhì)的釋放，上調(diào)MMPs活性，促進(jìn)膠原纖維的降解，引起關(guān)節(jié)軟骨腫脹[23]。

3.2 水通道蛋白調(diào)控軟骨細(xì)胞內(nèi)外水分子的轉(zhuǎn)運(yùn)

水通道蛋白是一類選擇性高效轉(zhuǎn)運(yùn)水分子的特異孔道，廣泛存在于原核和真核細(xì)胞膜上，自由水的被動跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)受該蛋白介導(dǎo)，對軟骨細(xì)胞保持內(nèi)外環(huán)境的穩(wěn)態(tài)平衡起重要作用[24]。研究表明，水通道蛋白與OA密切相關(guān)，主要表達(dá)于關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞和滑膜細(xì)胞，參與調(diào)控細(xì)胞的形態(tài)和體積，維持滑液分泌的穩(wěn)定[25]。水通道蛋白受離子濃度和滲透壓調(diào)節(jié)，其啟動子區(qū)包含滲透壓反應(yīng)元件，水通道蛋白在高滲環(huán)境中表達(dá)量上升[26]。OA發(fā)生時(shí)，滑膜的上皮屏障破壞，引起關(guān)節(jié)腔滑液蛋白增加，關(guān)節(jié)腔內(nèi)滲透壓升高，此時(shí)水通道蛋白在滑膜中表達(dá)上調(diào)，促進(jìn)滑液分泌，關(guān)節(jié)腔積液；軟骨ECM降解，細(xì)胞周圍離子濃度和滲透壓改變，水通道蛋白在細(xì)胞膜上表達(dá)升高，水分子從ECM轉(zhuǎn)移到軟骨細(xì)胞，導(dǎo)致軟骨細(xì)胞腫脹破裂，OA進(jìn)一步加重[27-29]。

4 小 結(jié)

軟骨退變是OA筋骨失養(yǎng)進(jìn)程中重要的病理變化之一，而含水率在軟骨生長發(fā)育、維持關(guān)節(jié)內(nèi)外滲透壓方面發(fā)揮關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用，調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)軟骨含水率變化具有延緩軟骨退變的作用，但其具體作用機(jī)制尚不明確[30-31]。蛋白聚糖對基質(zhì)內(nèi)水分的調(diào)控具有重要作用，IL-1、TNF-α、轉(zhuǎn)化生長因子-β和透明質(zhì)酸等通過誘導(dǎo)蛋白聚糖的降解，引起ECM中內(nèi)外水分失調(diào)，有效抑制ECM中蛋白聚糖的降解，調(diào)控軟骨含水率水平，從而對關(guān)節(jié)軟骨退變進(jìn)程進(jìn)行控制，對OA的發(fā)展起延緩作用，為研究OA防治方法提供新的思路。

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收稿日期：2016-04-24；修回日期：2016-07-04