骨性關(guān)節(jié)炎的代謝機(jī)制研究進(jìn)展

鄭潔 袁普衛(wèi)

1. 陜西中醫(yī)藥大學(xué)針灸推拿學(xué)院，陜西 西安 712046 2. 陜西中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，陜西 西安 712046

骨性關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis, OA)是以關(guān)節(jié)軟骨進(jìn)行性退變?yōu)楹诵模橛谢?、軟骨下骨、韌帶、半月板、脂肪組織以致整個(gè)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的復(fù)雜性關(guān)節(jié)病。OA屬于一種低度炎癥性關(guān)節(jié)病，除了力學(xué)因素，炎性反應(yīng)及固有免疫反應(yīng)等生物學(xué)因素在OA進(jìn)程中也發(fā)揮了重要作用[1,2]。研究發(fā)現(xiàn)，代謝對(duì)炎性反應(yīng)及免疫細(xì)胞功能發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)作用，不同的免疫細(xì)胞表現(xiàn)出不同的代謝特征來(lái)調(diào)節(jié)各自的生物學(xué)反應(yīng)[3]。這一規(guī)律同樣存在于非免疫細(xì)胞。在不利條件下(如感染、創(chuàng)傷)，大多數(shù)哺乳動(dòng)物細(xì)胞都經(jīng)歷了能量代謝的轉(zhuǎn)變，即從靜止的調(diào)控狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樾玛惔x活躍的狀態(tài)以維持能量的平衡狀態(tài)并促進(jìn)細(xì)胞的存活[4]。這種代謝狀態(tài)的轉(zhuǎn)變也發(fā)生在OA關(guān)節(jié)軟骨、滑膜及軟骨下骨，影響著軟骨細(xì)胞、滑膜細(xì)胞及骨細(xì)胞的代謝行為，進(jìn)而通過(guò)滑膜巨噬細(xì)胞影響它們與免疫系統(tǒng)之間的相互作用[5]。

1 生理狀況下的軟骨代謝

關(guān)節(jié)軟骨是一種特殊的無(wú)血管、細(xì)胞數(shù)目較少的結(jié)締組織，與滑液和血漿相比，軟骨中可利用的氧氣和葡萄糖等能量物質(zhì)要少得多[6]，在這種環(huán)境下，軟骨細(xì)胞外基質(zhì)分子的轉(zhuǎn)換率是相當(dāng)?shù)偷?。因此，維持軟骨合成代謝與分解代謝之間的微妙平衡對(duì)軟骨組織長(zhǎng)期的完整性和自我修復(fù)能力至關(guān)重要[7]。葡萄糖是一種重要的代謝原料和軟骨的結(jié)構(gòu)前體，它是軟骨細(xì)胞合成糖胺聚糖的主要前體，對(duì)細(xì)胞外基質(zhì)的合成和降解十分重要[8,9]。葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的易化是軟骨細(xì)胞細(xì)胞葡萄糖代謝的第一步，這一過(guò)程接受缺氧及促炎細(xì)胞因子的調(diào)控[6,9]。葡萄糖被轉(zhuǎn)運(yùn)到軟骨細(xì)胞后，部分被用于合成糖蛋白，部分通過(guò)糖酵解和三羧酸循環(huán)途徑進(jìn)行分解代謝，為細(xì)胞提供能量。糖酵解途徑為不需氧的降解過(guò)程，主要在細(xì)胞質(zhì)中完成，該過(guò)程將一分子葡萄糖轉(zhuǎn)化成二分子的丙酮酸，并將有限的能量以ATP的形式儲(chǔ)存。三羧酸循環(huán)是有氧氧化的主要階段，在氧氣充足的條件下，糖酵解產(chǎn)生的終產(chǎn)物丙酮酸可通過(guò)氧化脫羧進(jìn)入三羧酸循環(huán)，最終將氧還原成水并釋放大量能量。軟骨細(xì)胞對(duì)葡萄糖代謝途徑具有選擇性，通常情況下，軟骨細(xì)胞主要通過(guò)糖酵解來(lái)滿足自身的能量需求[10]，在營(yíng)養(yǎng)應(yīng)激狀況下(如缺氧)，它們通過(guò)加強(qiáng)線粒體呼吸以提高三羧酸循環(huán)效率，促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)的生物合成，并維持細(xì)胞存活[11]。因此，良好的線粒體功能對(duì)于支持健康軟骨細(xì)胞的三羧酸循環(huán)是至關(guān)重要的，而線粒體功能受損則與OA發(fā)病機(jī)制有關(guān)。在OA的早期階段，關(guān)節(jié)軟骨對(duì)新環(huán)境條件的代謝適應(yīng)是很明顯的，軟骨細(xì)胞試圖通過(guò)代謝的適應(yīng)性變化修復(fù)受損的軟骨基質(zhì)，而這種代謝適應(yīng)性在OA晚期階段已經(jīng)不復(fù)存在[12]。

2 OA環(huán)境下軟骨細(xì)胞的代謝

2.1 糖酵解與OA軟骨細(xì)胞代謝

在OA病理生理過(guò)程中，促炎、促分解代謝因子顯著增加，分解代謝加快，細(xì)胞代謝的動(dòng)態(tài)平衡受到破壞[13]。在這種情況下，細(xì)胞通過(guò)增殖、蛋白質(zhì)合成等形式加快合成代謝，以維持合成代謝與分解代謝的動(dòng)態(tài)平衡[14]。與處于完全分化和靜止?fàn)顟B(tài)的軟骨細(xì)胞的代謝特征不同，炎性微環(huán)境中的軟骨細(xì)胞的能量代謝發(fā)生了適應(yīng)性變化，表現(xiàn)為糖酵解水平顯著提高，而依賴于線粒體三羧酸循環(huán)的有氧代謝大大降低[14,15]。軟骨細(xì)胞也能在ECM中感知氧氣和葡萄糖的濃度，并通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞的新陳代謝來(lái)作出適當(dāng)反應(yīng)，從而在急性營(yíng)養(yǎng)和氧氣應(yīng)激時(shí)使能量代謝更多地依賴于糖酵解[6]。OA病理中，軟骨細(xì)胞合成的大量NO使細(xì)胞線粒體功能?chē)?yán)重受損，造成ATP合成減少，為滿足軟骨細(xì)胞的能量需求，糖酵解水平進(jìn)一步提高。研究已證實(shí)，OA患者關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞糖酵解水平顯著提高[16]。OA軟骨細(xì)胞能量代謝的轉(zhuǎn)變使進(jìn)入三羧酸循環(huán)的丙酮酸大大減少，細(xì)胞質(zhì)中的丙酮酸在乳酸脫氫作用下轉(zhuǎn)化為代謝終產(chǎn)物乳酸，胞質(zhì)中堆積的乳酸使已經(jīng)酸化的微環(huán)境PH值進(jìn)一步降低[17]。蛋白質(zhì)組學(xué)研究表明，軟骨細(xì)胞在炎癥微環(huán)境中的代謝適應(yīng)對(duì)這些細(xì)胞中膜蛋白的構(gòu)成有直接的影響[18]。

2.2 線粒體及氧化應(yīng)激與OA軟骨細(xì)胞代謝

線粒體是細(xì)胞的動(dòng)力中心，它以ATP的形式為細(xì)胞的活動(dòng)、分化、死亡、信號(hào)調(diào)節(jié)及細(xì)胞周期控制提供能量[19]。線粒體也是整合多種先天免疫信號(hào)通路的分子平臺(tái)。線粒體功能障礙和氧化應(yīng)激是OA代謝異常的重要標(biāo)志[20]。在OA在內(nèi)的退行性疾病進(jìn)程中，線粒體結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)和基因組穩(wěn)定性的改變使線粒體呼吸功能衰退，活性氧(ROS)過(guò)度合成，引起氧化損傷。與健康個(gè)體相比，OA患者軟骨細(xì)胞的線粒體DNA損傷顯著增多，而修復(fù)能力明顯下降，導(dǎo)致軟骨細(xì)胞凋亡率增高[21]。線粒體膜電位的維持是推動(dòng)氧化磷酸化及合成ATP的重要條件，對(duì)線粒體電子傳遞鏈活動(dòng)的分析表明，OA患者軟骨細(xì)胞線粒體膜電位顯著下降，復(fù)合物II和III的含量明顯減少[16]。盡管OA軟骨細(xì)胞中大多數(shù)ATP來(lái)自糖酵解而不是氧化磷酸化[22]，但線粒體ROS有助于維持細(xì)胞氧化還原平衡以促進(jìn)糖酵解[23]。軟骨細(xì)胞能量?jī)?chǔ)備能力的減弱以及代謝途徑向糖酵解的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致細(xì)胞合成代謝受損，ECM合成減少，細(xì)胞生存能力降低[24]。OA關(guān)節(jié)中的不利微環(huán)境導(dǎo)致軟骨及滑膜細(xì)胞大量合成NO和ROS[25,26]，誘發(fā)更多的線粒體DNA損傷和線粒體氧化磷酸化的抑制[27]。OA患者關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞中活躍的脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)導(dǎo)致軟骨細(xì)胞線粒體DNA損傷加快，這作為一個(gè)前饋環(huán)路，進(jìn)而影響軟骨細(xì)胞的端粒DNA和復(fù)制壽命，破壞軟骨蛋白聚糖的完整性[28]。

2.3 軟骨細(xì)胞代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子

腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)是參與調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞代謝的一個(gè)關(guān)鍵分子，它通過(guò)下游的NAD依賴性去乙?；窼IRT1和哺乳動(dòng)物類雷帕霉素靶蛋白(Mammalian target of rapamycin, mTOR)調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞的能量代謝。AMPK是細(xì)胞能量平衡的重要調(diào)節(jié)劑，它使細(xì)胞能夠適應(yīng)能量需求的變化[29,30]。在代謝應(yīng)激時(shí)(如正常軟骨細(xì)胞處于低氧狀態(tài)時(shí))，通過(guò)激活A(yù)MPK，進(jìn)而磷酸化多個(gè)下游目標(biāo)，從而促進(jìn)ATP消耗途徑的抑制和ATP生成途徑的激活[29,30]。AMPK失調(diào)與多種伴有線粒體功能障礙和細(xì)胞能量代謝不平衡的增齡性疾病密切相關(guān)，包括糖尿病、動(dòng)脈粥樣硬化、心血管疾病、癌癥、神經(jīng)退行性疾病以及OA[29-32]。與正常軟骨細(xì)胞相比，OA患者關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞AMPK活性明顯下降。在IL-1β和TNF等促炎因子誘導(dǎo)下或生物力學(xué)損傷環(huán)境中，AMPK活性降低的軟骨細(xì)胞表現(xiàn)出了更多的分解代謝反應(yīng)，這些反應(yīng)可通過(guò)AMPK的藥理作用而減弱[31,32]。在軟骨中，SIRT1起著促進(jìn)軟骨特異性基因表達(dá)[33]，保護(hù)軟骨細(xì)胞免受輻射誘導(dǎo)的衰老[34]，以及抑制軟骨細(xì)胞凋亡的作用[35]。研究發(fā)現(xiàn)，OA患者、OA小鼠及老齡小鼠膝部軟骨中的SIRT1的表達(dá)顯著下調(diào)[36,37]；軟骨特異性SIRT1基因敲除小鼠OA進(jìn)程顯著加快[37]。SIRT1抑制會(huì)加劇TNF和IL-1β誘導(dǎo)的人原代軟骨細(xì)胞的分解代謝反應(yīng)[38,39]。在內(nèi)側(cè)半月板不穩(wěn)OA小鼠模型中，軟骨特異性mTOR缺失可上調(diào)軟骨自噬水平，進(jìn)而對(duì)軟骨具有保護(hù)作用[40]；因mTOR信號(hào)異常導(dǎo)致的過(guò)氧化物酶體增殖因子活化受體γ(peroxisome proliferator-activated receptor γ, PPARγ)缺陷則會(huì)加速OA小鼠的軟骨退變[41]。

2.4 軟骨細(xì)胞衰老與OA

在促炎細(xì)胞因子、前列腺素和ROS激活等應(yīng)激原刺激下，處于靜止?fàn)顟B(tài)的軟骨細(xì)胞被激活而發(fā)生表型的轉(zhuǎn)變，這種現(xiàn)象被稱為軟骨細(xì)胞衰老[42]。軟骨細(xì)胞衰老導(dǎo)致軟骨內(nèi)穩(wěn)態(tài)和新陳代謝的進(jìn)一步破壞，細(xì)胞分解代謝加快，這一過(guò)程與炎癥以及自噬和炎癥復(fù)合物之間的相互作用密不可分[42,43]。衰老軟骨細(xì)胞分泌的可溶的和不可溶的分子進(jìn)一步促成了炎性微環(huán)境的產(chǎn)生，這被認(rèn)為是導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨中ECM大分子降解的主要原因。此外，軟骨細(xì)胞分泌的分泌性分子(如NO)可作為基因表達(dá)的有力誘導(dǎo)因子，進(jìn)一步促進(jìn)促炎和促分解代謝基因的異常表達(dá)；這些分泌性分子還能抑制線粒體功能，損害氧化磷酸化[44]，促進(jìn)ECM鈣化并形成炎性羥基磷灰石晶體[45,46]。

3 OA環(huán)境下滑膜組織細(xì)胞的代謝

與固有免疫密不可分的滑膜炎在OA發(fā)病中起著關(guān)鍵作用，它通常發(fā)生在OA的早期和晚期，影響著關(guān)節(jié)組織的新陳代謝，是促成軟骨退行性改變的重要因素[47]。炎性滑膜組織分泌的促分解代謝和促炎癥介質(zhì)(如細(xì)胞因子、ROS、NO、PGE2和神經(jīng)肽)改變了細(xì)胞代謝以及軟骨基質(zhì)降解和修復(fù)之間的平衡[48]?；ぱ资荗A晚期的一個(gè)常見(jiàn)特征，以巨噬細(xì)胞、T細(xì)胞和肥大細(xì)胞浸潤(rùn)以及局部高濃度促炎細(xì)胞因子為特征[49]?；ぱ仔苑磻?yīng)導(dǎo)致蛋白水解酶(具有分解軟骨的作用)含量增加，加快軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的降解[50]，軟骨降解產(chǎn)物又會(huì)進(jìn)一步誘發(fā)滑膜炎性反應(yīng)，形成一個(gè)正反饋環(huán)，使OA患者的臨床癥狀和關(guān)節(jié)退化不斷加劇[51]。軟骨細(xì)胞和滑膜細(xì)胞釋放的炎癥介質(zhì)還會(huì)推動(dòng)氧化應(yīng)激，通過(guò)ROS對(duì)關(guān)節(jié)組織造成損害[52]。

另有研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)高濃度葡萄糖刺激后的OA患者滑膜成纖維細(xì)胞(synovial fibroblast cells, FLSs)可通過(guò)PIK3-ATK信號(hào)通路合成大量ROS，后者進(jìn)而誘導(dǎo)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)(可促進(jìn)OA滑膜及軟骨下骨中的血管生成)在FLSs大量表達(dá)，這一結(jié)果表明葡萄糖代謝異常在OA病理中發(fā)揮了一定作用[53]。

4 小結(jié)

OA的發(fā)病機(jī)制十分復(fù)雜，其中涉及關(guān)節(jié)軟骨、軟骨下骨和滑膜的代謝變化。這些變化影響了軟骨細(xì)胞、滑膜細(xì)胞和骨細(xì)胞的代謝途徑，同時(shí)也影響了它們通過(guò)炎癥介質(zhì)與免疫系統(tǒng)的相互作用。諸多證據(jù)表明，OA軟骨代謝向糖酵解的轉(zhuǎn)變?cè)诿庖叻磻?yīng)和慢性疾病(包括OA和RA)炎癥途徑的激活中發(fā)揮了重要作用。這一代謝變化促使免疫細(xì)胞和炎性細(xì)胞在急性細(xì)胞應(yīng)激或營(yíng)養(yǎng)障礙期間獲取能量，以促進(jìn)促炎細(xì)胞的合成及蛋白質(zhì)的降解。因此，對(duì)這些復(fù)雜的代謝途徑的更深層次的理解可能會(huì)為治療OA和其他關(guān)節(jié)炎癥性疾病的潛在的新治療策略提供更多的見(jiàn)解。同時(shí)，提高對(duì)軟骨和滑膜代謝的生理和病理生理調(diào)節(jié)的理解，也有可能為OA的病因?qū)W和病理生理學(xué)提供新的見(jiàn)解。