骨關(guān)節(jié)炎與軟骨下骨研究進(jìn)展

常亮 秦江輝 史冬泉 蔣青

（南京鼓樓醫(yī)院運(yùn)動醫(yī)學(xué)與成人重建外科，南京 210008）

骨關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis,OA)又稱為退行性關(guān)節(jié)炎，是由于年齡增長、肥胖、創(chuàng)傷、勞損、關(guān)節(jié)畸形、遺傳易感性等諸多因素引起的一種慢性退行性骨關(guān)節(jié)病。OA以緩慢發(fā)展的關(guān)節(jié)腫痛、僵硬、關(guān)節(jié)畸形及活動受限為臨床特征，多發(fā)于老年患者。該病目前尚無根治手段，給患者、家庭和社會帶來了沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。OA的病理性改變主要表現(xiàn)為關(guān)節(jié)軟骨破壞、軟骨下骨硬化及滑膜增生等，其中軟骨下骨的病理性改變在OA的發(fā)生和發(fā)展過程中可能起到了重要的作用。軟骨下骨是構(gòu)成關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和功能的基本單位之一，維持軟骨正常結(jié)構(gòu)和功能。近年來，關(guān)于軟骨下骨在OA發(fā)病過程中的作用越來越受到重視，大量以軟骨下骨為OA治療靶點(diǎn)的研究正在展開。本文就軟骨下骨在OA中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 軟骨下骨損傷與OA進(jìn)展

軟骨下骨在OA的早期和晚期具有不同的病理性改變，其中早期出現(xiàn)軟骨下骨骨質(zhì)流失，而晚期典型的病理性改變則為軟骨下骨硬化，骨小梁和軟骨下骨骨板增厚。但是，上述軟骨下骨的病理性改變與OA進(jìn)展之間的關(guān)系尚不明確。

有研究者在OA大鼠模型上進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，采用前交叉韌帶切斷術(shù)（anterior cruciate ligament transection,ACLT）或內(nèi)側(cè)半月板失穩(wěn)術(shù)（destabilization of the medial meniscus,DMM）對大鼠進(jìn)行OA造模后，術(shù)后2周鈣化軟骨層厚度開始增加；術(shù)后4周非鈣化軟骨層厚度開始顯著降低，軟骨退變；軟骨下骨體積在術(shù)后2周時顯著降低，至術(shù)后4周時又出現(xiàn)回升，術(shù)后10周達(dá)到最大值；關(guān)節(jié)內(nèi)骨贅面積于術(shù)后4周開始顯著增加[1,2]。因此，對于創(chuàng)傷后OA來說，軟骨下骨的早期損傷是先于軟骨退變和骨贅形成出現(xiàn)的，主要以骨吸收加強(qiáng)為主，表現(xiàn)為骨體積減少，鈣化軟骨層增厚；晚期損傷則以骨形成為主，表現(xiàn)為軟骨下骨硬化，且該過程與OA典型病理性改變?nèi)畿浌峭俗?、關(guān)節(jié)間隙變窄等同步。此外，還有研究者在比格犬動物模型上進(jìn)行了軟骨下骨結(jié)構(gòu)改變與OA進(jìn)展之間的研究，發(fā)現(xiàn)軟骨下骨缺陷可以顯著誘導(dǎo)軟骨退變的發(fā)生，而將軟骨下骨缺陷填充骨水泥后則可延緩OA的進(jìn)展，這表明軟骨下骨早期骨質(zhì)流失導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)改變可能是OA發(fā)病的關(guān)鍵因素[3]。也有研究報道，ACLT患者的膝關(guān)節(jié)軟骨下骨結(jié)構(gòu)相較正常膝關(guān)節(jié)出現(xiàn)了顯著的改變，如軟骨下骨板增厚、松質(zhì)骨流失等[4]，這些改變與OA中軟骨下骨出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)變化相一致，可能與臨床上ACLT患者易繼發(fā)OA密切相關(guān)。

目前的研究多認(rèn)為，軟骨下骨結(jié)構(gòu)改變引發(fā)OA的主要原因是關(guān)節(jié)生物力學(xué)特性的改變，這一點(diǎn)已經(jīng)在ACLT-OA動物模型中得到證實(shí)[5]。除了生物力學(xué)方面，軟骨下骨與軟骨之間信號通路的分子機(jī)制也受到了廣泛關(guān)注。Jung等[6]提出，OA早期軟骨下骨骨吸收，破骨細(xì)胞活性提高，分泌大量鈣-磷酸鹽復(fù)合物，這種復(fù)合物可進(jìn)入軟骨層，并促進(jìn)軟骨細(xì)胞分泌基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase,MMP）-3、13等分解代謝酶，引發(fā)軟骨退變。Lu等[7]則提出了軟骨下骨與軟骨之間基于雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin,mTOR）C1通路和血管形成的正反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，該機(jī)制中OA期間軟骨下骨新生血管侵入軟骨，可刺激軟骨細(xì)胞mTORC1通路激活，分泌更多的血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor,VEGF）-A，反過來又加劇了軟骨下骨的結(jié)構(gòu)改變，使OA迅速發(fā)展。此外，轉(zhuǎn)化生長因子（transforming growth factor,TGF）-β 通路和Wnt/βcatenin通路在OA軟骨和軟骨下骨中均存在異常激活，也可能是重要分子機(jī)制[8]。

2 軟骨下骨損傷機(jī)制

2.1 危險因素

2.1.1 遺傳易感性：Ⅱ型膠原α1鏈、Ⅰ型膠原α1鏈、軟骨寡聚基質(zhì)蛋白、溶質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)體26A家族、MMP2、帶有血小板凝血酶敏感蛋白樣模體的解整鏈蛋白基質(zhì)金屬蛋白酶10、蛋白聚糖、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白顆粒復(fù)合體2、生長/分化因子5、原纖蛋白1等基因缺陷均可造成軟骨下骨結(jié)構(gòu)不完整[9]。

2.1.2 年齡：關(guān)節(jié)軟骨微結(jié)構(gòu)有明顯的年齡相關(guān)性，其特征是隨著年齡增加、骨小梁減少、軟骨下骨厚度和骨體積分?jǐn)?shù)增加及潮線擴(kuò)張。

2.1.3 性別：雌激素對軟骨下骨結(jié)構(gòu)有明顯的維持作用，絕經(jīng)后女性O(shè)A發(fā)病率顯著提高，經(jīng)雌激素替代治療后可有效減少軟骨下骨重塑，緩解OA。

2.1.4 肥胖：肥胖可能通過影響炎癥因子、異常脂肪酸和脂肪因子水平來影響軟骨下骨結(jié)構(gòu)[10,11]。

2.1.5 關(guān)節(jié)損傷、錯位、變形：關(guān)節(jié)內(nèi)骨折、半月板撕裂、韌帶損傷和創(chuàng)傷性軟骨損傷等都可造成軟骨下骨結(jié)構(gòu)的病理性改變；而關(guān)節(jié)錯位如關(guān)節(jié)外翻、內(nèi)翻等均可造成軟骨下骨磨損，微裂隙增加，軟骨下骨異常重塑；關(guān)節(jié)變形如髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良等則可造成股骨頭和髖臼部位軟骨下骨骨折及硬化。

2.2 分子機(jī)制

2.2.1 骨保護(hù)素（osteoprotegerin,OPG）/核因子κB配體受體致活劑（receptor activator ofnuclear factor κB ligand,RANKL）比率：OA早期，軟骨下骨中MMP-13、白介素（interleukin,IL）-1β、腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor,TNF）-α 等細(xì)胞因子水平增加，導(dǎo)致成骨細(xì)胞分泌RANKL水平顯著增加，OPG/RANKL比率降低，成骨抑制并促進(jìn)軟骨下骨骨吸收。OA中后期，成骨細(xì)胞分泌OPG水平顯著提高，使OPG/RANKL比率增加，成骨促進(jìn)，又引發(fā)了軟骨下骨增生硬化[12]。

2.2.2 Wnt/β-catenin通路：OA期間軟骨下骨及軟骨中β-catenin表達(dá)水平均顯著增加，Wnt/β-catenin通路激活[13]。其中軟骨下骨中該通路激活可顯著促進(jìn)成骨細(xì)胞分化、增殖、成熟并抑制其凋亡，促進(jìn)骨形成[14]。此外，Wnt/β-catenin通路激活還可促進(jìn)成骨細(xì)胞分泌OPG，降低OPG/RNAKL比率，進(jìn)而抑制骨吸收。使軟骨下骨由早期的骨吸收為主轉(zhuǎn)變?yōu)楣切纬蔀橹?，加速OA進(jìn)展[15]。

2.2.3 TGF-β 通路：OA病程期間，軟骨和軟骨下骨中TGF-β 表達(dá)水平均顯著提高，其中軟骨下骨中TGFβ 通路的異常激活，促進(jìn)了軟骨下骨硬化及骨贅形成，加速OA進(jìn)展[16]。

2.2.4 軟骨細(xì)胞轉(zhuǎn)分化：軟骨細(xì)胞具備轉(zhuǎn)分化為成骨細(xì)胞的能力，是機(jī)體軟骨內(nèi)成骨過程中成骨細(xì)胞的重要來源之一[17]。已有研究表明，β-catenin在軟骨細(xì)胞轉(zhuǎn)分化為成骨細(xì)胞過程中扮演著重要作用[18]，而OA過程中軟骨層內(nèi)β-catenin表達(dá)水平顯著提高[19]，這提示軟骨細(xì)胞轉(zhuǎn)分化很可能在軟骨下骨增生硬化中扮演重要角色，并與軟骨細(xì)胞肥大化及軟骨退變密切相關(guān)。尚需進(jìn)一步研究對該領(lǐng)域有一個更清晰的認(rèn)識。

2.2.5 雌激素：雌激素具備誘導(dǎo)OPG和TGF-β 表達(dá)的作用，可促進(jìn)成骨活性，抑制骨吸收，對于軟骨下骨和軟骨代謝的維持均具有重要意義，絕經(jīng)后婦女OA發(fā)病率顯著提高[20]。

2.2.6 軟骨下骨祖細(xì)胞異常：有研究表明，OA軟骨下骨中的祖細(xì)胞較正常祖細(xì)胞有更強(qiáng)的成骨分化潛力，可能是OA軟骨下骨增生硬化的誘發(fā)因素[21]，可作為潛在的OA治療靶點(diǎn)。

2.2.7 軟骨下骨血管形成：OA軟骨下骨中IL-6、IL-1β、TNF-α等細(xì)胞因子水平增高，使VEGF表達(dá)增加，軟骨下骨血管異常增生，軟骨下骨增生硬化。但也有研究指出，只有TNF-α在OA軟骨下骨血管生成中扮演重要作用，而非IL-1β、IL-6，具體機(jī)制為TNF-α可誘導(dǎo)靜脈內(nèi)皮細(xì)胞分泌富亮氨酸α2糖蛋白1（leucine-rich-α-2-glycoprotein1,LRG1），促進(jìn)軟骨下骨血管形成和MSCs遷移，使軟骨下骨增生硬化，加劇OA發(fā)展[22]。

3 以軟骨下骨為靶點(diǎn)的OA治療研究

基于上述對軟骨下骨在OA中作用及損傷機(jī)制的認(rèn)識，許多軟骨下骨相關(guān)的OA臨床前研究已經(jīng)開展，并取得了較為理想的結(jié)果?，F(xiàn)匯總介紹目前涉及以軟骨下骨為靶點(diǎn)的OA治療方案及其研究現(xiàn)狀。

3.1 雌激素

雌激素對軟骨下骨骨代謝的穩(wěn)定具有重要作用，目前研究認(rèn)為雌激素主要通過調(diào)節(jié)OPG和TGFβ 水平，影響軟骨下骨結(jié)構(gòu)，進(jìn)而參與OA過程[23]。此外，也有研究表明雌激素缺乏可顯著誘發(fā)骨細(xì)胞凋亡[24]，并與軟骨及軟骨下骨中促炎因子表達(dá)水平的增加有關(guān)[25]。雌激素相關(guān)的治療方案主要包括兩種，一是雌激素替代治療，二是選擇性雌激素受體激動劑治療。前者臨床前研究結(jié)果的一致性較差，且有研究表明可能會損傷軟骨、增加心血管病變及乳腺癌發(fā)生率[26]；后者對OA癥狀緩解的效果較好，且一致性、安全性、耐受性均較佳[27]。

3.2 降鈣素

降鈣素是目前臨床上治療骨質(zhì)疏松的常用藥物，可通過與破骨細(xì)胞上的降鈣素受體結(jié)合，抑制骨吸收，從而治療骨質(zhì)疏松。近些年的報道指出，臨床上應(yīng)用降鈣素對OA也有一定治療效果，可能與降鈣素能夠調(diào)控軟骨下骨骨重塑，改善軟骨下骨結(jié)構(gòu)有關(guān)。目前已有動物實(shí)驗(yàn)證明降鈣素對于OA軟骨的保護(hù)作用[28]，其臨床療效尚需進(jìn)一步研究確認(rèn)。

3.3 雷尼酸鍶

金屬元素鍶在人體內(nèi)幾乎全部沉積于骨中，具有顯著的促進(jìn)成骨及抑制破骨作用，已成為臨床抗骨質(zhì)疏松的一線用藥。近些年有報道指出，臨床上應(yīng)用雷尼酸鍶對OA也有較好的治療效果。研究發(fā)現(xiàn)，臨床應(yīng)用雷尼酸鍶可顯著影響軟骨下骨骨代謝，抑制骨重塑過程[29]。此外，臨床試驗(yàn)中證明了雷尼酸鍶可以緩解OA癥狀[30,31]，尤其對伴有骨髓水腫樣變的OA患者療效更佳[32]。但也有學(xué)者指出雷尼酸鍶可能造成關(guān)節(jié)骨贅的過度增生[33]，其副作用還包括心肌梗死、靜脈血栓、肺水腫等，因此需嚴(yán)格把控用藥劑量。

3.4 OPG

OPG又稱為破骨細(xì)胞抑制因子，具有抑制破骨細(xì)胞的功能，臨床可用于治療骨質(zhì)疏松。目前動物實(shí)驗(yàn)已證實(shí)OPG可以通過降低OPG/RANKL比率，抑制軟骨下骨骨吸收，保護(hù)軟骨下骨結(jié)構(gòu)，進(jìn)而緩解OA進(jìn)展[34,35]。目前關(guān)于OPG治療OA療效的報道很少，尚需進(jìn)一步研究。

3.5 阿侖膦酸鈉（alendronate，ALN）

ALN是一種二膦酸鹽，具有抑制骨質(zhì)流失的作用，在臨床上廣泛用于骨質(zhì)疏松癥的治療。目前，關(guān)于ALN與OA的動物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，ALN可以通過抑制軟骨下骨骨質(zhì)流失，顯著抑制軟骨退變和骨贅形成，延緩OA進(jìn)展[36]。且ALN對OA的治療效果還表現(xiàn)為對軟骨中促炎因子的顯著下調(diào)，包括MMPs、IL-1β、Ⅹ型膠原蛋白（collgagen Ⅹ,COL-Ⅹ）、VEGF等，因此對軟骨細(xì)胞也有較好的保護(hù)作用[37]。然而，目前關(guān)于ALN的臨床試驗(yàn)的一致性較差。一篇meta分析報告指出，口服ALN治療對于OA患者關(guān)節(jié)疼痛的緩解沒有顯著改善[38]。但也有研究表明，ALN治療對于OA患者疼痛的緩解和關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的改善均有顯著療效[39]。此外，有報道指出對于伴有骨髓水腫樣變的OA患者，ALN治療的效果極佳[40]。因此，ALN可能更適用于軟骨下骨損傷較嚴(yán)重的OA患者，尤其是那些伴有骨髓水腫樣變、軟骨下骨囊腫等軟骨下骨特征性病理性改變的患者。

3.6 體外沖擊波（extracorporeal shock-wave，ESW）

ESW是一種兼具聲、光、力學(xué)特性的機(jī)械波，臨床可用于組織損傷再修復(fù)、鎮(zhèn)痛、控制感染、松解組織粘連和刺激微血管再生等。研究表明，ESW能夠促進(jìn)骨形成，治療骨質(zhì)疏松；且能顯著下調(diào)軟骨組織中促炎因子水平，抑制軟骨細(xì)胞凋亡，保護(hù)軟骨細(xì)胞[41]。目前動物研究已證實(shí)ESW干預(yù)能顯著改善軟骨下骨結(jié)構(gòu)，抑制軟骨退變，延緩OA進(jìn)展[42,43]。與此同時，臨床試驗(yàn)同樣證明了低能量的ESW治療可以顯著緩解OA癥狀，抑制軟骨退變，延緩OA進(jìn)展[44]。除了ESW，研究者還發(fā)現(xiàn)脈沖超聲波、全身振動、電磁脈沖場等物理治療也對OA有較好的治療效果[45-47]?？傊珽SW等物理療法在治療OA方面具有較大的應(yīng)用潛力。

3.7 Wnt/β-catenin通路抑制劑

Wnt/β-catenin信號通路的激活可促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖，使骨形成增加，同時抑制骨吸收過程。因此，抑制該信號通路的激活可保護(hù)軟骨下骨結(jié)構(gòu)。Dickkopf-1（DKK-1）和硬骨素（sclerostin,SOST）是Wnt/β-catenin信號通路的兩個內(nèi)源性拮抗蛋白，已有研究表明，OA患者軟骨下骨中的DKK-1和SOST表達(dá)水平隨病情發(fā)展越來越低，而β-catenin的表達(dá)水平則越來越高，Wnt/β-catenin通路呈逐漸激活狀態(tài)[13]。目前已有研究指出，通過調(diào)控DKK-1水平抑制OA小鼠軟骨下骨中Wnt/β-catenin通路的激活可以顯著緩解OA進(jìn)展[48]。此外，關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射Wnt/β-catenin通路小分子抑制劑SM04690也可顯著改善OA癥狀[49]。上述研究均提示，軟骨下骨中Wnt/β-catenin通路是治療OA的重要潛在靶點(diǎn)，具有重要研究價值。

3.8 TGF-β抗體和TGF-β受體I抑制劑

TGF-β 在軟骨代謝和骨代謝中均扮演重要作用，如在軟骨中TGF-β通過調(diào)控Smad2/3和Smad1/5/8通路來影響軟骨細(xì)胞的代謝平衡[50]，而在骨中則可顯著促進(jìn)骨形成[51]。已有研究表明，在OA的軟骨下骨中TGF-β 信號通路異常激活，促進(jìn)了軟骨下骨硬化及骨贅形成，加速OA進(jìn)展。動物實(shí)驗(yàn)中也證明了使用TGF-β 抗體（1D11）或TGF-β 受體I抑制劑（SB505124）抑制軟骨下骨中TGF-β 信號通路的異常激活可以顯著延緩OA進(jìn)展[52,53]。也有研究報道，常山酮和異甘草素均可通過抑制TGF-β 通路激活緩解OA進(jìn)展[54,55]。但上述研究均無相關(guān)的臨床試驗(yàn)，其轉(zhuǎn)化療效尚需進(jìn)一步研究。

3.9 基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1（stromal cell-derived factor 1，SDF-1）/趨化因子受體4（chemokine receptor 4，CXCR4）通路抑制劑

SDF-1在軟骨代謝和骨代謝中均具有重要作用。早期研究表明，OA軟骨中SDF-1表達(dá)水平增高，可顯著促進(jìn)軟骨分解代謝，破壞軟骨[56]。而隨著研究的深入，研究者們發(fā)現(xiàn)SDF-1對軟骨下骨也有顯著影響，其可促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化，加劇軟骨下骨增生硬化，使OA加重。OA動物模型的結(jié)果顯示，使用SDF-1/CXCR4通路抑制劑AMD3100可以顯著改善OA軟骨下骨結(jié)構(gòu)改變，并緩解軟骨退變[57,58]。但該方案的臨床研究尚未見相關(guān)報道。

3.10 神經(jīng)內(nèi)分泌肽

神經(jīng)內(nèi)分泌肽主要包括阿黑皮素原（proopiomelanocortin,POMC）類的促黑素細(xì)胞激素（melanocytestimulating hormone,MSH）、內(nèi)源性阿片β 內(nèi)啡肽，交感神經(jīng)肽類的神經(jīng)肽Y、血管活性腸肽（vasoactive intestinal peptide,VIP）等。近年來的研究表明，神經(jīng)內(nèi)分泌肽對軟骨下骨的代謝可能有著重要影響，有望用于治療OA。如α-MSH可能通過促進(jìn)軟骨下骨骨吸收延緩OA進(jìn)展[59]；腹腔注射VIP則被證實(shí)對風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎（rheumatoid arthritis,RA）有較好的療效，VIP具有很好的抗炎和軟骨保護(hù)作用，其表達(dá)水平也與OA發(fā)展密切相關(guān)[60,61]。但神經(jīng)內(nèi)分泌肽也有著巨大的不足，比如藥物半衰期較短，可能導(dǎo)致痛覺過敏等，因此更為適宜的載藥方式還需探究。

3.11 干細(xì)胞治療

由于OA軟骨下骨中的祖細(xì)胞具有異常的增殖分化特性，可能導(dǎo)致了軟骨下骨的結(jié)構(gòu)改變，因此針對軟骨下骨干細(xì)胞的治療方法也引起了關(guān)注。在以往的研究中，關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射自體骨髓或脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞已在臨床試驗(yàn)中被證明了具有較好的緩解OA患者疼痛及延緩軟骨退變的療效[62-64]，而對于軟骨下骨的影響并未得到重視。Parrilli等[65]的一項研究指出，關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射自體脂肪干細(xì)胞在延緩OA軟骨退變的同時，也顯著延緩了軟骨下骨的病理性改變[65]。Hernigou等[66]則指出將自體骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞注射至晚期OA患者的軟骨下骨中也可顯著緩解OA退變及軟骨下骨損傷，且術(shù)后并發(fā)癥較少，明顯優(yōu)于全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)[66]。但是，關(guān)于關(guān)節(jié)腔注射和軟骨下骨內(nèi)注射間充質(zhì)干細(xì)胞哪種療效更好仍有待研究。

4 總結(jié)

軟骨下骨在OA的發(fā)生發(fā)展過程中扮演重要角色，其主要的病理性改變?yōu)镺A早期骨質(zhì)流失，以骨吸收為主；OA晚期軟骨下骨硬化，骨贅生成，以骨形成為主。上述軟骨下骨的骨重塑過程可顯著誘發(fā)OA軟骨退變，其潛在機(jī)制可能為軟骨下骨結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的生物力學(xué)特征改變，也可能是軟骨下骨骨代謝變化與軟骨代謝之間的交互影響。正因?yàn)檐浌窍鹿菗p傷在OA過程中扮演著如此重要的作用，其在OA治療方面的價值亟待挖掘。目前的研究重點(diǎn)多集中在維持OA軟骨下骨代謝平衡，進(jìn)而保護(hù)軟骨下骨結(jié)構(gòu)，延緩OA進(jìn)展。相應(yīng)的治療藥物在動物實(shí)驗(yàn)的療效較好，但其臨床轉(zhuǎn)化還需更深入研究探討。本文經(jīng)過對軟骨下骨方面的研究回顧，認(rèn)為除了上述已有研究涉及的治療靶點(diǎn)外，軟骨細(xì)胞轉(zhuǎn)分化在軟骨下骨重塑和軟骨退變中扮演的角色目前還不明確，可能具有較大的研究價值，值得更加深入的探討。