大骨節(jié)病病因與發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展

王繼成 易智

作者單位：710068 西安醫(yī)學(xué)院研究生院 ( 王繼成 )；710068 西安，陜西省人民醫(yī)院骨科病院 ( 易智 )

大骨節(jié)病 ( Kashin-Beck disease，KBD ) 是一種地方性、慢性和變形性骨關(guān)節(jié)病，主要發(fā)生于兒童管狀骨干骺端閉合以前的四肢骺軟骨、骺板軟骨及關(guān)節(jié)軟骨，致其變性和深層細(xì)胞壞死。大骨節(jié)病在臨床上表現(xiàn)為多發(fā)性、對(duì)稱性關(guān)節(jié)受累，患者多在 5 歲甚至更早出現(xiàn)手指、腳趾及鄰近關(guān)節(jié)變形，甚者腿部畸形及類骨關(guān)節(jié)炎癥狀[1-2]。該病所引起的病理改變是全身性的，包括關(guān)節(jié)、四肢、脊柱等。大骨節(jié)病區(qū)別于其它骨關(guān)節(jié)病的主要病理變化為軟骨的深層細(xì)胞壞死而表層細(xì)胞正常[3]。與正常人相比，大骨節(jié)病患者關(guān)節(jié)軟骨破壞嚴(yán)重，由大量壞死軟骨細(xì)胞簇構(gòu)成壞死區(qū)，導(dǎo)致骨骺生長(zhǎng)板局灶性壞死，管狀骨縱行生長(zhǎng)受到抑制，造成大骨節(jié)病患者骨骼發(fā)育不良、身材矮小及骨端膨大。本病在我國(guó)主要分布于東北、西北、內(nèi)蒙古、河南等地的潮濕寒冷山谷地區(qū)，而平原則較少見(jiàn)。

目前對(duì)于大骨節(jié)病發(fā)病機(jī)制的研究眾多，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出各種大骨節(jié)病環(huán)境病因假說(shuō)[3-6]，如低硒學(xué)說(shuō)、糧食真菌毒素污染學(xué)說(shuō)和飲水中有機(jī)物中毒學(xué)說(shuō)等。但至今尚無(wú)一種較為完善的發(fā)病機(jī)制學(xué)說(shuō)。多數(shù)研究認(rèn)為，硒的缺乏和谷物污染是大骨節(jié)病的主要環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素，多個(gè)環(huán)境和遺傳因素同時(shí)相互作用與大骨節(jié)病病因相關(guān)?，F(xiàn)對(duì)大骨節(jié)病發(fā)病機(jī)制的研究綜述如下，以期為大骨節(jié)病的預(yù)防及治療提供新的方向。

一、發(fā)病機(jī)制

1. 微量元素缺乏：流行病學(xué)研究表明[7]：我國(guó)大骨節(jié)病分布從東北至西南呈斜形條帶狀分布，這個(gè)分布帶與我國(guó)硒元素缺乏的分布帶是相吻合的。因此，考慮大骨節(jié)病的發(fā)病可能與硒元素有關(guān)。Li 等[8]研究發(fā)現(xiàn)，大骨節(jié)病流行地區(qū)硒元素缺乏廣泛存在。王權(quán)等[9]進(jìn)行大骨節(jié)病病區(qū)與非病區(qū)硒元素含量 Meta 分析，結(jié)果顯示大骨節(jié)病病區(qū)飲用水、土壤、小麥、玉米等中的硒元素低于非病區(qū)，同時(shí)大骨節(jié)病病區(qū)患者全血、血清、尿和毛發(fā)硒水平均低于病區(qū)健康人。Lv 等[10]對(duì)大骨節(jié)病流行地區(qū)土壤樣品中的硒濃度進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果顯示在典型大骨節(jié)病病區(qū)內(nèi)土壤樣品中硒濃度在 0.08～0.215 μg / g，表明在大骨節(jié)病流行區(qū)，其土壤中硒的含量較非病區(qū)明顯減少。因此，硒元素不足被認(rèn)為是大骨節(jié)病重要的環(huán)境危險(xiǎn)因素，這為研究大骨節(jié)病病因及發(fā)病機(jī)制提供了新的證據(jù)。硒是一種人體必需的微量元素，在人體中作為谷胱甘肽氧化酶活性中心，其作用包括維護(hù)細(xì)胞膜穩(wěn)定性、消除脂質(zhì)過(guò)氧化物及自由基等[11]。陳靜宏等[12]用 T-2 毒素 1～20 ng / ml 在體外對(duì)胎兒軟骨細(xì)胞進(jìn)行干預(yù)，發(fā)現(xiàn)能明顯誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞的凋亡相關(guān)蛋白表達(dá)，通過(guò)加入不同濃度的硒，可有效降低 Bax /Bcl-2 比率，從而對(duì)軟骨細(xì)胞的生長(zhǎng)有保護(hù)作用[13]。段琛等[14]研究發(fā)現(xiàn)，適宜的補(bǔ)硒質(zhì)量濃度 0.10～0.25 mg / L 對(duì)大骨節(jié)病軟骨細(xì)胞具有一定的保護(hù)生長(zhǎng)作用，降低細(xì)胞死亡率，但補(bǔ)硒質(zhì)量濃度＞0.25 mg / L 時(shí)正常細(xì)胞死亡，表明大骨節(jié)病軟骨細(xì)胞具有較高的耐受力。有研究表明[15]，硒具有抗氧化作用，且對(duì)真菌毒素具有拮抗作用。該團(tuán)隊(duì)與中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)和軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院合作，采用中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)培育的小型豬進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明 T-2 毒素能致中國(guó)小型豬關(guān)節(jié)軟骨深層發(fā)生類似人類大骨節(jié)病的關(guān)節(jié)軟骨損害，并引起軟骨基質(zhì)膠原和蛋白聚糖含量降低，補(bǔ)硒可減輕 T-2 毒素引起的關(guān)節(jié)軟骨損傷病變的嚴(yán)重程度，改善軟骨基質(zhì)生化代謝[16]。最近有研究表明[17]，脫碘酶作為一種重要的硒蛋白，在骨發(fā)育及功能中具有重要作用。有研究表明[18]：通過(guò)在病區(qū)兒童人群中預(yù)防性地補(bǔ)充硒能夠預(yù)防兒童干骺端病變，降低大骨節(jié)病的發(fā)病率。綜上所述，適當(dāng)補(bǔ)硒能夠保護(hù)軟骨細(xì)胞，為大骨節(jié)病防治工作提供了一條新的途徑。

2. 毒素：流行病學(xué)研究[19]顯示，除硒缺乏外，T-2毒素的作用與大骨節(jié)病發(fā)病機(jī)制相關(guān)。T-2 毒素是谷物、谷類產(chǎn)品以及動(dòng)物飼料霉變過(guò)程中的主要由擬枝孢鐮刀菌代謝產(chǎn)生的有毒次級(jí)代謝產(chǎn)物[20]，是 A 族單端孢霉烯族毒素中毒性最強(qiáng)的毒素，可通過(guò)污染糧食和飼料危害人畜健康，故受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視[21-22]。

T-2 毒素是由 Bamburg 等[23]在 1968 年首次分離提純并確認(rèn)化學(xué)結(jié)構(gòu)，具有廣泛的生物學(xué)活性。T-2 毒素主要作用于細(xì)胞分裂旺盛的組織器官[24]，如胸腺、骨髓、肝、脾、淋巴結(jié)、生殖腺及胃腸黏膜等，抑制這些器官細(xì)胞蛋白質(zhì)和 DNA 合成。有研究表明[25]，T-2 毒素可導(dǎo)致軟骨細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能改變、細(xì)胞變性和壞死，具有極強(qiáng)的軟骨細(xì)胞毒性，對(duì)軟骨細(xì)胞可造成確切損傷。研究發(fā)現(xiàn), 在軟骨細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育早期和分裂增殖旺盛時(shí)期，T-2 毒素影響了軟骨細(xì)胞的分裂增殖，也破壞了基質(zhì)合成代謝和分解代謝的平衡[26]。既往研究表明[22]，T-2 毒素是大骨節(jié)病的致病因子。

既往研究發(fā)現(xiàn)，低硒條件下 T-2 毒素可致大鼠關(guān)節(jié)軟骨深層發(fā)大骨節(jié)病類似的病理改變，而病變關(guān)節(jié)的表中層正常，提示低硒條件下 T-2 毒素中毒與大骨節(jié)病的病因?qū)W關(guān)系[27]。有研究表明[19]，在 ATDC5 軟骨形成細(xì)胞中，T-2 毒素通過(guò)活性氧 ( ROS ) / 核因子-kB ( NF-kB ) / 低氧誘導(dǎo)因子 -2α ( HIF-2α ) 途徑增強(qiáng)分解代謝并損傷 ATDC5軟骨形成細(xì)胞。Guan 等[28]、Chen 等[29]對(duì)大鼠進(jìn)行體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，在低硒條件下，不同 T-2 毒素水平同時(shí)作用于實(shí)驗(yàn)組大鼠，結(jié)果顯示低水平和高水平 T-2 毒素加硒缺乏飲食組大鼠的膝關(guān)節(jié)軟骨深層均出現(xiàn)類似人類大骨節(jié)病壞死的表現(xiàn)，同時(shí)伴有蛋白多糖和抗氧化劑水平下降。但最近一項(xiàng)研究表明[30]，低硒條件下 T-2 毒素中毒可引起大鼠關(guān)節(jié)軟骨死亡，且中層死亡形式以凋亡為主，壞死性凋亡為輔，與大骨節(jié)病關(guān)節(jié)軟骨中層病理改變相似。其 HE 切片顯示關(guān)節(jié)軟骨深層有紅色影子細(xì)胞和無(wú)細(xì)胞區(qū)域，且軟骨基質(zhì)淡染，但深層是否存在壞死，尚需使用壞死金標(biāo)準(zhǔn)－電鏡作進(jìn)一步驗(yàn)證。

目前研究認(rèn)為，T-2 毒素致軟骨細(xì)胞凋亡與凋亡調(diào)控相關(guān)蛋白的表達(dá)有關(guān)。細(xì)胞凋亡相關(guān)基因大致可分為凋亡促進(jìn)基因和凋亡抑制基因。細(xì)胞凋亡的發(fā)生，嚴(yán)格受基因的控制。其中最受關(guān)注的凋亡相關(guān)基因包括 P53、半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶 -3 ( caspase-3 )、B 細(xì)胞淋巴瘤 -2( Bcl-2 ) 基因家族[31-32]。還有研究認(rèn)為，軟骨細(xì)胞一氧化氮 ( NO ) 合成及凋亡相關(guān)蛋白 Fas 表達(dá)也參與了 T-2 毒素致軟骨細(xì)胞凋亡的機(jī)制[33]。

關(guān)節(jié)軟骨由軟骨細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)組成，軟骨細(xì)胞的功能是合成和降解膠原及蛋白多糖。細(xì)胞外基質(zhì)主要由蛋白聚糖、膠原及水組成，其中膠原的主要成分為 II 型膠原[34]。有研究認(rèn)為[35]，T-2 毒素可以超誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞炎性細(xì)胞因子白細(xì)胞介素 -1β ( IL-1β )、白細(xì)胞介素 -6 ( IL-6 )和腫瘤壞死因子 -α ( TNF-α ) 分泌。所謂超誘導(dǎo)是指在細(xì)胞中，由于某種誘生劑和大分子合成抑制物的適當(dāng)作用，一種誘生蛋白合成增加的現(xiàn)象。IL-1β 與 IL-6 促進(jìn)軟骨基質(zhì)的分解代謝，抑制軟骨細(xì)胞的合成代謝，T-2 毒素可以抑制軟骨聚集蛋白聚糖的合成，促進(jìn)蛋白聚糖酶和促炎細(xì)胞因子的表達(dá)和蛋白聚糖降解[36]。陳靜宏等[37]研究發(fā)現(xiàn)，T-2 毒素通過(guò)影響軟骨細(xì)胞中蛋白聚糖和 II 型膠原 mRNA的轉(zhuǎn)錄水平，使軟骨細(xì)胞蛋白聚糖和 II 型膠原合成減少，反過(guò)來(lái)影響軟骨細(xì)胞自身的生存，使軟骨細(xì)胞進(jìn)一步發(fā)生過(guò)度凋亡和死亡，導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨損傷。有研究表明[38-39]，T-2 毒素作用會(huì)導(dǎo)致軟骨細(xì)胞 IL-1β、TNF-α 和 MMP-13表達(dá)水平升高，而硒會(huì)抑制軟骨細(xì)胞合成 MMP-13。

3. 基因組學(xué)與蛋白組學(xué)：近期研究發(fā)現(xiàn)，大骨節(jié)病的分布呈現(xiàn)一定的家族聚集性，估算的大骨節(jié)病遺傳率達(dá)到41.76%[40]，提示某些基因可能參與調(diào)控大骨節(jié)病的易患性。已有研究證實(shí)，硒蛋白 GXP1 基因的多態(tài)性與大骨節(jié)病的患病風(fēng)險(xiǎn)顯著相關(guān)[40]。IL-1β 基因的多態(tài)性也與大骨節(jié)病呈現(xiàn)顯著關(guān)聯(lián)[41]。因此，大骨節(jié)病家族聚集可能主要?dú)w因于環(huán)境及基因，環(huán)境與基因共同作用成為大骨節(jié)病的重要發(fā)病機(jī)制之一。

大多數(shù)疾病的發(fā)生是由與之相關(guān)聯(lián)的個(gè)體基因、遺傳與環(huán)境之間復(fù)雜的相互作用所致。任何疾病都是由易感基因與環(huán)境因素相互作用所導(dǎo)致，環(huán)境應(yīng)答基因會(huì)影響人體對(duì)環(huán)境因素的易感性。Zhang 等[42]研究發(fā)現(xiàn)，ABI3BP 基因?yàn)榇蠊枪?jié)病的新型易感基因。Wang 等[43]研究發(fā)現(xiàn)，與正常人相比，在培養(yǎng)的大骨節(jié)病關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞中存在55 個(gè)上調(diào)基因和 24 個(gè)下調(diào)基因，這些基因共同參與細(xì)胞代謝、凋亡、增殖和基質(zhì)降解等過(guò)程。Zhang 等[44]采用全基因組基因通路關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)補(bǔ)體系統(tǒng)相關(guān)的 Complement and coagulation cascades 基因通路與大骨節(jié)病顯著相關(guān)，并且 C5補(bǔ)體基因在大骨節(jié)病患者外周血中的表達(dá)水平顯著高于正常對(duì)照。以上結(jié)果首次證明凝血級(jí)聯(lián)通路相關(guān)補(bǔ)體系統(tǒng)與大骨節(jié)病發(fā)病機(jī)制相關(guān)。有研究表明[45]，MMP-3在兒童大骨節(jié)病發(fā)病中起重要作用，rs679620 基因型 T / T和 rs591058 基因型 T / T 與兒童大骨節(jié)病易感性有關(guān)。

既往研究發(fā)現(xiàn)大骨節(jié)病軟骨損傷相關(guān)的基因、蛋白表達(dá)異常，例如軟骨基質(zhì)相關(guān)的 II 型膠原和 X 型膠原[46]，軟骨生長(zhǎng)、發(fā)育和分化相關(guān)的轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子 β ( TGFβ )、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子 ( bFGF ) 和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子 ( VEGF )，軟骨細(xì)胞凋亡相關(guān)的 BCL-2、BCL-2 相關(guān) X 蛋白 ( BAX )和 Fas 死亡受體 ( Fas )[47]。武世勛等[48]采用免疫組化染色法檢測(cè)程序化細(xì)胞死亡分子 ( PCD ) -5 和早期生長(zhǎng)反應(yīng)蛋白 ( EGR ) -1 在大骨節(jié)病軟骨損傷中的表達(dá)情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大骨節(jié)病軟骨深層 PCD-5 顯著上調(diào)，軟骨表層和深層EGR-1 顯著高表達(dá)，推測(cè)此兩種因子在大骨節(jié)病軟骨破壞過(guò)程中發(fā)揮重要作用。Ma 等[49]利用串聯(lián)飛行時(shí)間質(zhì)譜蛋白質(zhì)分析技術(shù)，比較了大骨節(jié)病關(guān)節(jié)軟骨和正常軟骨的蛋白譜差異，鑒別出大骨節(jié)病軟骨細(xì)胞 27 個(gè)異常表達(dá)蛋白，包括熱休克蛋白 -1β、過(guò)氧化還原酶 ( PRDX ) -1、肌動(dòng)蛋白、絲切蛋白-1、調(diào)寧蛋白和接頭蛋白 C-CRK 等，功能涉及細(xì)胞氧化－還原平衡、外環(huán)境壓力反應(yīng)和糖酵解等。有研究表明[50]，PI3K / AKT 信號(hào)通路在大骨節(jié)病的發(fā)生發(fā)展中具有重要作用。在一項(xiàng)關(guān)于硒蛋白 S1 基因多態(tài)性與 PI3K / AKT 信號(hào)通路的病例對(duì)照研究中，發(fā)現(xiàn) SEPS1與中國(guó)人群大骨節(jié)病發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)具有一定的關(guān)聯(lián)性，并且這種基因多態(tài)性能夠影響 PI3K / AKT 信號(hào)通路的表達(dá)[51]。以上研究表明，大骨節(jié)病軟骨細(xì)胞的細(xì)胞代謝、亞細(xì)胞定位和分子功能均存在異常。

二、結(jié)語(yǔ)與展望

大骨節(jié)病是一種地方性、慢性和畸形性骨關(guān)節(jié)病，主要發(fā)生于兒童管狀骨干骺端閉合以前的四肢骺軟骨、骺板軟骨及關(guān)節(jié)軟骨，致其變性和深層細(xì)胞壞死，因其較高的致殘率，嚴(yán)重危害人民身心健康。目前，雖然大骨節(jié)病發(fā)病率下降明顯，但鑒于致病因子的存在，還要繼續(xù)加強(qiáng)大骨節(jié)病的科學(xué)研究，進(jìn)一步明確大骨節(jié)病病因和發(fā)病機(jī)制。近年來(lái)隨著基因組學(xué)與蛋白組學(xué)的興起，對(duì)大骨節(jié)病的病因及發(fā)病機(jī)制有了新的發(fā)現(xiàn)，為大骨節(jié)病早期診斷和治療提供了新思路。