骨性關(guān)節(jié)炎所致慢性持續(xù)性疼痛的發(fā)病機(jī)制

張希 劉萍

1.山東大學(xué)附屬省立醫(yī)院乳腺甲狀腺外科，山東 濟(jì)南 250021 2.山東大學(xué)附屬省立醫(yī)院藥劑科，山東 濟(jì)南 250021

骨性關(guān)節(jié)炎(Osteoarthritis，OA)是慢性疼痛的最常見的病因之一[1,2]。目前，OA內(nèi)科傳統(tǒng)治療無法治愈。因此，對OA所致的慢性疼痛的緩解和控制變得尤為重要。然而,關(guān)于OA所致的疼痛的研究仍存在眾多疑問。首先，在OA所致的疼痛發(fā)生及發(fā)展進(jìn)程中，哪個(gè)環(huán)節(jié)是最重要的病理因素。其次，有關(guān)于OA疼痛的起源和本質(zhì)的討論。最后，目前還不確切哪些實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥钸m合研究人類OA疼痛的機(jī)制。很長一段時(shí)間,OA研究的重點(diǎn)主要是在透明關(guān)節(jié)軟骨。然而,骨重建和骨重塑往往發(fā)生在OA疾病的早期[2]。哪些因素驅(qū)動了OA疾病的病理進(jìn)展是我們討論和研究的重點(diǎn)。雖然異常加載是OA病理進(jìn)程的主要驅(qū)動因素[2]，但是許多學(xué)者把研究重點(diǎn)放在了炎癥和酶致軟骨退化的病理進(jìn)程中[3]。從病理進(jìn)程上，OA的特征性改變是二型膠原蛋白和軟骨破壞，其中OA的標(biāo)志性病變[4]：滑膜炎[2-5],和骨病變[2,6],在OA疾病的晚期，所有的關(guān)節(jié)和相關(guān)的組織結(jié)構(gòu)均會受累[2,7]。OA關(guān)節(jié)的滑膜層顯示炎癥細(xì)胞的浸潤,其中主要以巨噬細(xì)胞和淋巴細(xì)胞為主,但巨噬細(xì)胞、T細(xì)胞和B細(xì)胞所占的比例遠(yuǎn)低于這些細(xì)胞在類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎所占的比例[3,5]。在OA的滑液中并未發(fā)現(xiàn)中性粒細(xì)胞，而且并沒有系統(tǒng)性炎癥的表現(xiàn)[4]。目前，出現(xiàn)滑膜炎的病因并不清楚[3]。雖然慢性神經(jīng)病理性疼痛的神經(jīng)機(jī)制和炎癥機(jī)制在OA的病理進(jìn)展中都發(fā)揮了一定的作用,但是這兩種機(jī)制誰占主導(dǎo)地位至今仍有很多的爭議。本文旨在從外周和中樞神經(jīng)。

1 外周神經(jīng)機(jī)制

炎癥或損傷導(dǎo)致組織內(nèi)炎癥介質(zhì)釋放，同時(shí)伴有傷害性感受器閾值的降低，這一現(xiàn)象稱為外周敏化(Peripheral Sensitization)[8]。外周敏化反應(yīng)了信號傳導(dǎo)通道的閾值、動力學(xué)以及膜興奮性的改變。這些改變反應(yīng)了外周傷害性感受器傳導(dǎo)通道的直接激活，自體敏化的產(chǎn)生，以及對刺激物如炎性介質(zhì)的敏感化。比如，在膝骨關(guān)節(jié)炎急性炎癥期，膝關(guān)節(jié)的痛覺感受器對機(jī)械刺激源的敏感性大幅度上升[9]。在骨關(guān)節(jié)炎動物模型中，機(jī)械刺激的敏感性同樣被提升。在碘乙酸(Monoiodoacetic Acid, MIA)動物模型中，機(jī)械刺激的敏感性與MIA注射的劑量有關(guān)[10]。但總的來說，沒有研究顯示骨關(guān)節(jié)炎所致的機(jī)械刺激的敏感性增加與關(guān)節(jié)軟骨的損傷有關(guān)[11]。

關(guān)節(jié)外周感受器對機(jī)械痛閾敏感性的增加是由經(jīng)典的炎性因子，比如：前列腺素、細(xì)胞因子和其他調(diào)節(jié)因子[12]有關(guān)。以下為近幾年研究新近報(bào)道的與骨關(guān)節(jié)炎痛閾敏感相關(guān)的因子：

1.1 神經(jīng)生長因子(Nerve Growth Factor, NGF)

針對NGF作為有效緩解骨關(guān)節(jié)炎所致的疼痛已經(jīng)成為了新藥研發(fā)的熱門靶點(diǎn)。臨床研究顯示，NGF抗體對中重度骨關(guān)節(jié)炎病人表現(xiàn)出了很明顯的疼痛緩解作用[13-15]。NGF作為熱門靶點(diǎn)有以下幾個(gè)原因[16]：(1)NGF是疼痛感受器發(fā)育生長過程中十分重要的生長因子。在成人中,大部分痛覺受器仍然依賴于NGF的作用來維持它們的結(jié)構(gòu)和功能的完整性。這些神經(jīng)元表達(dá)TrkA受體(特定的NGF受體)。(2)在炎癥區(qū)域，幾個(gè)不同類型的細(xì)胞會產(chǎn)生大量的NGF，NGF可直接作用于神經(jīng)元。它能增強(qiáng)通過瞬時(shí)感受器電位香草酸受體l(Trannsient Receptor Potential Vanilloid 1,TRPV1)通道的電流 (陽離子通道通過熱量和辣椒素刺激激活)，從而減少了熱激發(fā)閾值。在體內(nèi)，應(yīng)用NGF產(chǎn)生痛覺過敏,并與NGF或抗體融合蛋白預(yù)處理已達(dá)到有效緩解酪氨酸激酶(tyrosine kinase, TrkA)受體弱化所致的炎癥性痛覺過敏。(3)神經(jīng)元持續(xù)暴露在NGF的環(huán)境中，可使TRPV1、血管舒緩激肽受體、P2X受體和Na+通道和痛覺協(xié)調(diào)因子,如P物質(zhì)和降鈣素基因相關(guān)肽(Calcitonin gene related peptide, CGRP)的表達(dá)增加。(4)NGF刺激炎癥細(xì)胞釋放炎性化合物。因此,NGF被認(rèn)為是傷害感受器的關(guān)鍵分子生物學(xué)因子。

研究發(fā)現(xiàn)一種可溶性NGF受體，TrkAd5，可有效抑制NGF陽性階段的疼痛,而降低腫瘤壞死因子(NGF)的表達(dá)并緩解疼痛只發(fā)生在第一階段，提示：與OA相關(guān)的NGF上調(diào)可能不是由傳統(tǒng)的炎癥介質(zhì)所導(dǎo)致[17]。同樣的，另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)：在MIA模型的最初階段，TNF和IL-6表達(dá)升高而NGF的表達(dá)后上調(diào)[8]。

最近，一項(xiàng)雙盲、對照II期臨床試驗(yàn)表明：單獨(dú)應(yīng)用NGF抗體組的OA受試者可明顯緩解關(guān)節(jié)的疼痛[18]。但是最近有個(gè)案報(bào)道NGF抗體因其有嚴(yán)重的不良反應(yīng)可能會導(dǎo)致其在臨床應(yīng)用受限[19]。近期，有多項(xiàng)動物實(shí)驗(yàn)證實(shí)：在OA老鼠模型中，應(yīng)用NGF抗體可產(chǎn)生持久的鎮(zhèn)痛作用疼痛[20-25]。

1.2 致炎細(xì)胞因子

致炎細(xì)胞因子包括白介素IL-1、IL-17、IL-18、TNF-α等。IL-1包括IL-1α和IL-1β兩種亞型。其中IL-1β在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病機(jī)制中具有重要的作用[26]。體外研究發(fā)現(xiàn)，骨關(guān)節(jié)炎滑膜組織細(xì)胞和軟骨細(xì)胞培養(yǎng)基上清液中IL-1β明顯升高[27]。IL-1與其受體結(jié)合后，通過第二信使將信息傳遞至細(xì)胞內(nèi)可干擾細(xì)胞的正常生理功能。而且IL-1可活化單核巨噬細(xì)胞，并促進(jìn)NO、前列腺素、膠原酶、基質(zhì)金屬蛋白酶等的產(chǎn)生，促進(jìn)炎癥的發(fā)生，導(dǎo)致關(guān)節(jié)破壞。IL-17，是由CD4+記憶T淋巴細(xì)胞和單核細(xì)胞分泌的一種炎性細(xì)胞因子，與骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生有密切關(guān)聯(lián)[28]。IL-17可刺激滑膜細(xì)胞炎癥因子(IL-26、IL-28 等)的表達(dá)，并促進(jìn)NO的產(chǎn)生，而且與腫瘤壞死因子、IL-10 具有協(xié)同作用，增加前列腺素E2的合成，進(jìn)而促進(jìn)環(huán)氧合酶COX-2的表達(dá)。IL-18屬于IL-1家屬成員。 其可誘導(dǎo) T 淋巴細(xì)胞產(chǎn)生干擾素和粒細(xì)胞集落刺激因子，促進(jìn)T細(xì)胞增值和NK 細(xì)胞的作用，加強(qiáng)FAS-L介導(dǎo)的細(xì)胞毒作用，同IL-1類似，IL-8同樣也可以誘導(dǎo)基質(zhì)金屬蛋白酶產(chǎn)生，導(dǎo)致關(guān)節(jié)破壞。TNF-α主要來源于單核巨噬細(xì)胞，其作用與及在機(jī)體內(nèi)分布部位與IL-1相似，在骨關(guān)節(jié)炎患者的軟骨及滑膜中均能檢測出高表達(dá)的TNF-α。此外，IL-6、IL-7、IL-8、IL-16等致炎因子也與關(guān)節(jié)炎的滑膜炎、軟骨破壞有關(guān)。

2011年，Lee YC等人[29]對26例OA患者進(jìn)行了相關(guān)研究。在此研究中所有受試者接受了疼痛評分實(shí)驗(yàn)包括：對熱、冷和機(jī)械刺激的敏感性測試并留取了四個(gè)時(shí)間點(diǎn)的血液樣本用來檢測c反應(yīng)蛋白(CRP)、白細(xì)胞介素- 6(IL- 6)、IL-1β,腫瘤壞死因子α的水平。研究結(jié)果顯示：與對照組相比，OA患者的IL - 6水平的上調(diào)與疼痛出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)正相關(guān)。同樣，Takeshita M[30]等人對50例OA疼痛患者的研究表明：在OA所致的滑膜增生組織中，感覺神經(jīng)分布和炎性細(xì)胞因子的分泌與痛覺過敏密切相關(guān)。另外，一項(xiàng)隨機(jī)、雙盲、大樣本臨床試驗(yàn)[31]證實(shí)：使用糖皮質(zhì)激素通過抑制炎癥因子的表達(dá)而達(dá)到有效控制和緩解OA所致的慢性疼痛。應(yīng)用MIA制造的OA大鼠模型所引發(fā)的的關(guān)節(jié)疼痛，其最初的來源是與炎癥因子分泌相關(guān)的關(guān)節(jié)炎癥病變組織，但隨著病情的發(fā)展隨之出現(xiàn)了神經(jīng)元的損傷是引起OA慢性持續(xù)性疼痛的最終原因[32]。

2 中樞神經(jīng)生理學(xué)機(jī)制

2.1 中樞敏化

除了外周末梢傷害性感受器敏化外，脊髓背角傷害性突觸信息傳遞增強(qiáng)也直接導(dǎo)致了痛覺敏感，這種現(xiàn)象稱為中樞敏化(Central Sensitization)。強(qiáng)刺激從感受器傳入到脊髓會立刻引起痛感覺，這種痛感覺會隨傷害性刺激的存在而持續(xù)存在，且強(qiáng)刺激的傳入可以對脊髓背角感覺形成過程進(jìn)行活性依賴的功能性調(diào)節(jié)，導(dǎo)致疼痛的長時(shí)間持續(xù)增強(qiáng)，甚至在外周的傷害性刺激已經(jīng)不存在的情況下，脊髓中樞仍然對來自外周的刺激產(chǎn)生過度反應(yīng)，這就是因?yàn)榘l(fā)生了中樞敏化。外周傷害性感受器的傳入激發(fā)神經(jīng)元興奮性增加，釋放興奮性氨基酸和神經(jīng)肽類神經(jīng)遞質(zhì)，作用于脊髓神經(jīng)元突觸后受體，突觸后受體的激活引起細(xì)胞膜特性改變和細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)級聯(lián)反應(yīng)。這一過程包括蛋白激酶(PKA和PKC)、鈣/鈣調(diào)依賴蛋白激酶(CaMK)、以及絲裂原激活蛋白激酶(MAPKs)的激活等。通過磷酸化的NMDA和AMPA/紅藻氨酸受體，絲氨酸/蘇氨酸和酪氨酸激酶可以通過改變通道的動力學(xué)和突觸后膜上受體的插入增加膜的興奮性。細(xì)胞興奮性和突觸可塑性的增強(qiáng)使得傳入脊髓背根神經(jīng)節(jié)的閾下刺激信號增強(qiáng)，從而對傷害和非傷害性刺激的反應(yīng)增強(qiáng)，而且這一改變并不僅限于激活的突觸局部，可延伸至突觸周圍，當(dāng)發(fā)生外周損傷之后，低閾值的傳入刺激作用于損傷區(qū)或超出損傷組織以外的“正常區(qū)域”均可導(dǎo)致疼痛的發(fā)生，分別稱作誘發(fā)痛和繼發(fā)性痛覺過敏。中樞敏化是炎性痛和神經(jīng)病理性疼痛中痛覺過敏的主要病理基礎(chǔ)。傷害感受信息傳入后離子通道磷酸化以及受體的激活和內(nèi)在化等，可即刻啟動調(diào)節(jié)突觸傳遞。但是中樞敏化的長期存在主要是由于脊髓背角神經(jīng)元的轉(zhuǎn)錄發(fā)生持續(xù)性的改變。比如：發(fā)生外周炎癥后支配炎性組織的被敏化的傳入纖維首先啟動中樞可塑性的改變。數(shù)小時(shí)后，脊髓背角神經(jīng)元可誘導(dǎo)產(chǎn)生環(huán)氧化酶2(COX-2)，導(dǎo)致脊髓PGE，的合成，PGE，可改變突觸前后膜的興奮性。來源于外周炎癥的體液信號介導(dǎo)中樞COX-2的產(chǎn)生，并通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)局部產(chǎn)生的白介素如IL-1、13等發(fā)揮作用。外周神經(jīng)損傷后，由于損傷纖維的電壓門控離子通道的表達(dá)、分布以及活性發(fā)生改變所致異位活性增加導(dǎo)致中樞敏化的發(fā)生。初級感覺神經(jīng)元表型的改變或轉(zhuǎn)換導(dǎo)致突觸傳遞的中樞功能改變。背根神經(jīng)節(jié)細(xì)胞除了在結(jié)構(gòu)水平表達(dá)的神經(jīng)遞質(zhì)改變以外，背根神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的亞群也會發(fā)生新的表達(dá)，這些新的表達(dá)不同于正常表達(dá)的神經(jīng)遞質(zhì)，比如P物質(zhì)或腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)。P物質(zhì)正常情況下只在傷害感受器才有表達(dá)，當(dāng)發(fā)生炎癥或神經(jīng)損傷后P物質(zhì)同樣會在低閾值神經(jīng)元中表達(dá)，這意味著正常情況下只有傷害感受器才會激發(fā)的中樞敏化，當(dāng)發(fā)生神經(jīng)損傷/炎癥后，粗纖維Aβ纖維的傳入也會導(dǎo)致中樞敏化的發(fā)生。

中樞敏化的機(jī)制非常復(fù)雜,尤其在OA所致的疼痛疾病中，中樞敏化機(jī)制并未研究清楚。在OA動物模型(MIA化學(xué)成模和手術(shù)成模)的脊髓中，P物質(zhì)、降鈣素相關(guān)基因肽含量表達(dá)均增加[32]。從OA關(guān)節(jié)發(fā)出的刺激信號除了能夠誘導(dǎo)脊髓過度興奮外，還能使神經(jīng)節(jié)中的神經(jīng)病理性疼痛標(biāo)志物(ATF3)表達(dá)上調(diào)。事實(shí)上，在MIA所致的疼痛中，小膠質(zhì)細(xì)胞被激活，這就是神經(jīng)病理性疼痛最經(jīng)典的特征標(biāo)志[33]。

脊髓敏感往往被下行性抑制機(jī)制所削弱。應(yīng)用MIA造模誘導(dǎo)的OA大鼠模型其體內(nèi)內(nèi)源性阿片肽水平升高。脊髓內(nèi)注射CB1和CB2受體抑制劑可以提升脊髓神經(jīng)元對機(jī)械刺激的敏感性，這預(yù)示著：內(nèi)源性阿片肽可以發(fā)揮抑制OA脊髓神經(jīng)元過度敏感的功能[34]。

因?yàn)?，在OA所致的疼痛中，整個(gè)疼痛接收系統(tǒng)都處于敏感狀態(tài)，這使我們不得不考慮中樞神經(jīng)系統(tǒng)是否還需要作為一個(gè)治療疼痛的藥物靶點(diǎn)。阿片類藥物抑制中樞痛覺，但這類藥物通常不用于治療OA所致的疼痛。傳統(tǒng)的非甾體抗炎藥非選擇性抑制環(huán)氧化酶的亞型，這樣前列腺素就能夠被抑制，但是這種抑制作用能帶來嚴(yán)重的副作用，諸如出血和腎毒性。自從1999年選擇性COX-2藥物塞來昔布上市應(yīng)用后，由于它良好的抗痛敏效能而被廣泛應(yīng)用于臨床。迄今為止，科學(xué)家們依然將抑制COX-2的活性作為鎮(zhèn)痛藥物研究開發(fā)的篩選指標(biāo)之一。

中樞敏化作用通常由炎癥、機(jī)械作用和伴隨的外周敏化引發(fā)，與疼痛刺激和治療抵抗相關(guān)[35]。中樞敏化的機(jī)制是中樞疼痛信號神經(jīng)元通路反應(yīng)性增高(超敏反應(yīng))，主要原因是 (1)脊髓背角神經(jīng)元膜興奮性和突觸傳導(dǎo)提高； (2)下行傳導(dǎo)系統(tǒng)抑制作用下降； (3)大腦感覺信號處理發(fā)生改變[36,37]。脊髓背角神經(jīng)元的膜興奮性增高主要由神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸和 P 物質(zhì)的過量釋放引起的，它會作用于突觸后受體。這些疼痛通路會激活細(xì)胞內(nèi)信號通路，引發(fā)膜受體和離子通道磷酸化作用，其中包括N-甲基-D-天冬氨酸 (NMDA)和a-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑-丙酸 (AMPA) 受體。這些翻譯后改變(細(xì)胞內(nèi))最終會通過使激活閾值降低，而引起突觸疼痛傳導(dǎo)增強(qiáng)，引發(fā)細(xì)胞鈣離子內(nèi)流，從而幫助維持中樞敏化[38]。參與中樞敏化的下行疼痛通路起源于中腦導(dǎo)水管周圍灰質(zhì) (PAG)和髓質(zhì)。這些通路對脊髓背角神經(jīng)元的突觸疼痛傳導(dǎo)具有抑制和刺激作用。下行疼痛通路中疼痛信號的增強(qiáng)受到了谷氨酸和天冬氨酸的介導(dǎo)，疼痛信號的抑制受到了去甲腎上腺素、阿片類藥物和γ-氨基丁酸的介導(dǎo)。5-羥色胺 (5-HT) 既可以刺激也可以抑制疼痛信號。這些變化的結(jié)果是中樞敏化疼痛的改變，高敏感疼痛反應(yīng)包括閾刺激 (痛覺過敏)和非疼痛刺激 (‘痛覺超敏’)[36，37]。除了這些疼痛特征以外，中樞敏化也常常引起對多種外周刺激的普遍反應(yīng)性增高，包括機(jī)械壓力、光、聲和熱/冷[39，40]。此外，繼發(fā)性感覺過敏患者的原發(fā)性疼痛部位會隨著時(shí)間而延伸[40]。這些改變構(gòu)成了中樞敏化的臨床表現(xiàn)，會引發(fā)原發(fā)性和繼發(fā)性痛覺過敏及痛覺超敏[40]。

有證據(jù)表明，中樞敏化與部分OA患者以及類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和其它肌肉骨骼疾病有關(guān)[37，41-43]。這些證據(jù)來源于多種研究，包括流行病學(xué)研究和文獻(xiàn)綜述。一項(xiàng)納入113名膝關(guān)節(jié)OA患者的隊(duì)列研究運(yùn)用定量感覺檢查 (QST) 來檢測中樞敏化。多變量分析結(jié)果顯示，影像學(xué)上缺乏中度-重度OA改變表現(xiàn)的患者的疼痛敏感性顯著增高[44]。該作者認(rèn)為，中樞敏化是造成這些患者膝關(guān)節(jié)疼痛的重要因素。一項(xiàng)納入髖關(guān)節(jié)OA患者的病例對照研究分析了牽涉痛和皮膚敏感性改變等臨床表現(xiàn)[45]。該研究中利用疼痛心理學(xué)調(diào)查問卷、QST和腦功能成像 [磁共振成像 (MRI)和/或點(diǎn)狀刺激牽涉痛區(qū)域]，發(fā)現(xiàn)20名髖關(guān)節(jié)OA患者會表現(xiàn)出牽涉痛。與年齡相匹配的對照組人群相比，OA患者感覺到點(diǎn)狀刺激的閾值顯著降低，在牽涉痛區(qū)域感覺過敏；腦功能成像顯示腦干部位(PAG)感覺活躍[45]。其它的關(guān)于中樞敏化在OA中發(fā)揮作用的證據(jù)來自于一個(gè)納入36篇研究的文獻(xiàn)回顧 [大多數(shù)是病例對照研究 (n=19)和隊(duì)列研究(n=12)][46]。這些研究運(yùn)用了多種主觀和客觀參數(shù)來評估中樞敏化，包括臨床表現(xiàn)、QST、牽涉痛、脊髓反射改變、內(nèi)源性疼痛抑制功能失調(diào)和神經(jīng)成像。對于約30%的OA患者，中樞敏化會引起除傷害性疼痛以外的其它臨床表現(xiàn)[46]。

OA中存在的中樞敏化能夠預(yù)測一些疾病特征、預(yù)后特征和共存病。首先，出現(xiàn)中樞敏化的患者疼痛嚴(yán)重程度明顯增高，因此對傳統(tǒng)的止痛藥反應(yīng)較差[47]。 第二點(diǎn)，中樞敏化可以被視作持續(xù)的外周疼痛刺激的結(jié)果[49，50]。一旦出現(xiàn)中樞敏化，它就會持續(xù)存在[49]。最后，中樞敏化的出現(xiàn)能夠預(yù)測治療成功的可能性降低[49]。中樞敏化患者相比于外周疼痛患者，總體健康相關(guān)的生活質(zhì)量更差，功能殘疾程度更嚴(yán)重以及心理并發(fā)癥(焦慮和抑郁)發(fā)生可能性更大[47]。中樞敏化OA 患者生活質(zhì)量的降低與疼痛嚴(yán)重程度有關(guān)[51]。

2.2 大腦機(jī)制

對人體的影像學(xué)研究發(fā)現(xiàn)人類某個(gè)特定的大腦區(qū)域參與了疼痛的產(chǎn)生。這個(gè)“大腦皮質(zhì)疼痛區(qū)域”也參與了關(guān)節(jié)炎所致的疼痛[78]。有趣的是，慢性O(shè)A疼痛患者像其他慢性疼痛患者一樣,在丘腦的與疼痛有關(guān)的灰色的皮質(zhì)區(qū)域出現(xiàn)了萎縮[79]。這些變化的功能意義尚不清楚。值得注意的是，關(guān)節(jié)成形手術(shù)可有效逆轉(zhuǎn)此種大腦皮質(zhì)特定區(qū)域的萎縮現(xiàn)象[80]。

3 全身系統(tǒng)對OA進(jìn)展的影響

生理節(jié)律隨著年齡增長而衰退。老化是一個(gè)影響生理節(jié)律穩(wěn)健性的內(nèi)在因素[52]，生理節(jié)律基因與年齡增長以及年齡相關(guān)疾病密切相關(guān)。比如，Bmal1基因敲除小鼠會表現(xiàn)出早老化表型，并有廣泛存在的組織學(xué)病態(tài)，包括關(guān)節(jié)疾患。研究認(rèn)為這些表型由細(xì)胞衰老[53]以及活性氧水平增高引起，使得Bmal1基因敲除小鼠的細(xì)胞更易受到氧化應(yīng)激和DNA 損傷的影響。ClockΔ19突變小鼠會表現(xiàn)出代謝綜合征表型[54]。

利用行為學(xué)和生理學(xué)指標(biāo)，例如睡眠周期、體溫波動和血漿激素水平，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在衰老過程中，動物和人類的生物周期節(jié)律會發(fā)生惡化[55]。全身生物鐘的衰退會抑制外周組織的生理節(jié)律，例如軟骨[56]和肌腱[57]組織。該觀點(diǎn)得到了老化皮膚研究的證實(shí)。比如，Pagani等人發(fā)現(xiàn)年老個(gè)體的皮膚成纖維細(xì)胞在體外擁有與年輕個(gè)體相同的生理節(jié)律[58]。但是，將年老個(gè)體的血清與年輕或年老個(gè)體的細(xì)胞相混合培養(yǎng)，在生理節(jié)律同步化方面的效應(yīng)明顯低于將年輕個(gè)體的血清與細(xì)胞相混合[58]，這表明體內(nèi)生物鐘的改變背后存在全身因素的變化。內(nèi)在因素，例如細(xì)胞衰老，也會引起骨骼的老化表型。老化的軟骨細(xì)胞會表現(xiàn)出應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞衰老，產(chǎn)生白介素(IL-6, IL-1)和蛋白酶 (MMPs) 降解基質(zhì)，進(jìn)而引發(fā) OA[59]。全身節(jié)律性的下降會通過多種途徑影響OA風(fēng)險(xiǎn)因素。首先，生物鐘和代謝活動之間存在密切聯(lián)系[60]。生物鐘的破壞，不管是遺傳引起的還是環(huán)境因素引起的，都會使肥胖發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)增加[61]，這是代謝性O(shè)A的主要風(fēng)險(xiǎn)因素[62]。此外，休息和活動的日循環(huán)處于中樞大腦生物鐘的密切調(diào)控之下。在正常狀態(tài)下，動物休息和活動周期之下的基因表達(dá)和代謝的周期變化對負(fù)重組織有益處。因此，生理節(jié)律能夠確保分離關(guān)節(jié)的清理期(例如通過MMPs和ADAMTS蛋白酶)和重建期 (包括TIMPs)，確保這兩個(gè)相反的過程不會互相干擾[63]。盡管該假說還沒有在關(guān)節(jié)組織中得到證實(shí)，但已經(jīng)在皮膚組織中得到驗(yàn)證。在24 h 中，人體皮膚會經(jīng)歷5個(gè)基因表達(dá)的周期變化，對增殖、躲避 DNA損傷或DNA 損傷后修復(fù)的反映具有不同的“窗口期”[64]。

老化過程中生理節(jié)律精準(zhǔn)度的下降會引起身體活動周期(大腦時(shí)鐘控制)和關(guān)節(jié)組織的最佳生理周期(局部時(shí)鐘控制)發(fā)生偏差。因此，局部的關(guān)節(jié)組織會對節(jié)律變化(例如每天運(yùn)動產(chǎn)生的機(jī)械負(fù)荷)產(chǎn)生不正確的反應(yīng)。這會導(dǎo)致對損傷的敏感性增高。目前關(guān)于倒班工人是否處于OA發(fā)生的高風(fēng)險(xiǎn)中仍然未知。但是，研究發(fā)現(xiàn)具有“長期時(shí)差”的小鼠更容易發(fā)生OA樣軟骨退變，這也表明生物節(jié)律紊亂在OA發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用[65]。 因?yàn)榈拱喙ぷ骱蜁r(shí)差是是混雜的系統(tǒng)和代謝因素，這使得很難區(qū)分是首要原因還是次要原因。我們研究小組曾經(jīng)建立了一個(gè)條件性關(guān)節(jié)生物鐘消失的小鼠動物模型(在一個(gè)有節(jié)律的身體環(huán)境中)[66]。發(fā)現(xiàn)軟骨細(xì)胞中BMAL1的減少會引起基因表達(dá)的異常，表明生物節(jié)律在軟骨健康中發(fā)揮著重要的作用[67]。科學(xué)家們已經(jīng)建立了針對幾乎每個(gè)生物鐘基因的總體或條件性生物節(jié)律突變動物模型。因此，我們能夠檢測這些動物模型的OA易感性(BOX 1)。這項(xiàng)研究還能夠幫助梳理出OA 發(fā)病機(jī)制中的基因特異性的和生物節(jié)律相關(guān)的效應(yīng)。

老化過程是怎樣破壞中樞和外周生理節(jié)律仍然未知；但是，許多實(shí)驗(yàn)性研究表明，SIRT1 (一種與老化、應(yīng)激反應(yīng)和能量代謝有關(guān)的蛋白脫乙酰酶)對于老化有關(guān)的中樞和外周生理節(jié)律功能的下降來說十分關(guān)鍵。SIRT1 mRNA和蛋白表達(dá)水平在老化和OA過程中表達(dá)下調(diào)[68，69]，SIRT1表達(dá)的下降會加劇小鼠OA[70，71]。有趣的是，年齡相關(guān)的SIRT1表達(dá)水平的下降也是生理節(jié)律紊亂的一個(gè)重要原因[72]。在軟骨和肝臟中，控制SIRT1基質(zhì)NAD+合成的限速酶Nampt基因的表達(dá)水平也存在生理節(jié)律[56，73]。該生物鐘控制的調(diào)節(jié)作用會引起NAMPT酶活性的節(jié)律性動蕩[73-76]。在年老的大腦和關(guān)節(jié)組織中， SIRT1表達(dá)水平的變化和生物鐘的破壞會互相影響，從而提高OA易感性； SIRT1活性下降會抑制分子時(shí)鐘；相反地，NAMPT表達(dá)水平的生理節(jié)律的破壞會損害SIRT1活性。未來還需要進(jìn)一步研究評估關(guān)節(jié)老化和OA進(jìn)展中的這些因素之間的相互作用 (BOX 1)。

4 展望

OA 的發(fā)病機(jī)制并不是單一的，而是復(fù)雜的、多因素的交織結(jié)構(gòu)。機(jī)制研究已由宏觀的生物力學(xué)發(fā)展到微觀的細(xì)胞因子水平，再到目前的基因水平，但仍不十分明確。而骨性關(guān)節(jié)炎的治療也是一個(gè)棘手問題，一般用藥對骨性增生改變的療效并不明顯，而關(guān)節(jié)置換存在著費(fèi)用大、風(fēng)險(xiǎn)性高、假體容易出現(xiàn)問題等。在本文中，我們洞察了OA所致疼痛發(fā)生的潛在來源和神經(jīng)機(jī)制。但OA疼痛的確切機(jī)制仍不明確。這也意味著定義在不同的階段OA疼痛的性質(zhì)定位(炎癥性疼痛,神經(jīng)病理性疼痛，或其他性質(zhì)的疼痛)，這樣可能會為我們提供一個(gè)合理的使用不同類型的藥物或非藥物治療的治療方案。