細胞凋亡在膝骨性關(guān)節(jié)炎半月板損傷中的作用研究*

李盛華，吳獻毅，周明旺，葉丙霖，郭鐵峰，付志斌

1甘肅省中醫(yī)院，甘肅 蘭州 730050；2甘肅中醫(yī)藥大學；3甘肅省中醫(yī)藥研究院

膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎(knee osteoarthritis，KOA)是一種以關(guān)節(jié)軟骨降解為主要特征的退變性骨關(guān)節(jié)疾病，不僅損害關(guān)節(jié)軟骨，亦對半月板、關(guān)節(jié)周圍肌肉、韌帶、滑囊等軟組織產(chǎn)生不利影響，最終導致關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和功能的完整性破壞［1］。膝關(guān)節(jié)是人體的主要負重關(guān)節(jié)，是發(fā)生關(guān)節(jié)炎的常見部位，KOA極大地影響了人們的生活質(zhì)量，尤其是目前社會人口老齡化嚴重，退變性骨關(guān)節(jié)炎使得部分老年人喪失活動能力，導致老年人生理機能衰退，進而轉(zhuǎn)化為嚴重的社會問題，值得注意。有研究指出，造成膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和功能退變的主要原因之一是膝關(guān)節(jié)半月板的損傷［2］。膝關(guān)節(jié)半月板損傷和關(guān)節(jié)軟骨損傷是常見的關(guān)節(jié)疾患，造成關(guān)節(jié)軟骨損傷與退變的原因有很多，如人體自身內(nèi)環(huán)境的變化、關(guān)節(jié)腔滑液成分的改變、關(guān)節(jié)軟骨營養(yǎng)的缺失以及軟骨細胞在關(guān)節(jié)軟骨相互摩擦過程中的逐漸凋亡等。半月板損傷多系運動傷，但少部分嚴重的半月板損傷是一個長期慢性累積的過程，可能與半月板軟骨細胞過度凋亡有關(guān)［3］。筆者就細胞凋亡在KOA半月板損傷中作用研究做一綜述，以期為KOA的預防及治療提供一定的借鑒和參考。

1 細胞凋亡

細胞的死亡和更新是真核生物整個生命過程

中不可或缺的環(huán)節(jié)，可以及時地清除體內(nèi)多余和受損傷的細胞，對各組織器官的發(fā)育及免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)發(fā)揮了重要的作用［4］。

1.1 細胞凋亡的概念 細胞調(diào)亡是一個被周密調(diào)控的復雜過程，凋亡作為第一個被認定的程序性細胞死亡(programmed cell death，PCD)，是一種由遺傳決定并且進化保守的生理性細胞自殺。細胞凋亡是以細胞內(nèi)Caspase的激活為起點，死亡細胞的內(nèi)容物由功能完整的細胞膜包裹形成凋亡小體進而被其他細胞吞噬，通常沒有死亡細胞內(nèi)容物的遺漏和炎癥。在真核生物中，細胞凋亡對于機體自身的發(fā)育和穩(wěn)定具有重要的作用，但當?shù)蛲稣{(diào)控機制失衡時，可引起細胞凋亡不足或者凋亡過度，導致相關(guān)疾病發(fā)生，比如凋亡不足可以引起腫瘤、自身免疫性疾??；凋亡過度可以引起心血管疾病、病毒感染、神經(jīng)元退行性疾病及關(guān)節(jié)軟骨退變；當細胞凋亡不足與過度并存時則產(chǎn)生動脈粥樣硬化等。

1.2 細胞凋亡的途徑 目前發(fā)現(xiàn)真核細胞主要經(jīng)外部凋亡途徑、內(nèi)部凋亡途徑、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激途徑及B粒酶介導的細胞凋亡途徑來介導細胞發(fā)生凋亡。

1.3 細胞凋亡的意義 細胞凋亡在生理條件下是機體平衡細胞群生長消亡的重要方式，與細胞增殖一起，共同維持機體細胞群自身的穩(wěn)定，具有重要的生理意義：確保機體正常的生長發(fā)育；維持內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定——清除受損、突變或者衰老的有害細胞；發(fā)揮積極的防御功能——清除受病毒感染的細胞。

2 半月板的生理功能、損傷機制及分類

2.1 半月板的生理功能 半月板是膝關(guān)節(jié)內(nèi)特有的生理性填充組織，主要由纖維軟骨細胞組成，具有不可替代的功能和地位，有滑潤關(guān)節(jié)、加深關(guān)節(jié)、吸收震蕩、緩沖壓力、傳遞負荷、保護關(guān)節(jié)軟骨和維持關(guān)節(jié)穩(wěn)定等重要作用，以及防止股骨前滑、防止膝關(guān)節(jié)過伸過屈和過度旋轉(zhuǎn)?？傊朐掳逵芯S持膝關(guān)節(jié)正常生理功能的穩(wěn)定性和靈活性的重要作用［5］。

2.2 半月板的損傷機制 近年來，因運動創(chuàng)傷及交通事故所致的半月板損傷越來越多，已經(jīng)成為臨床常見病和多發(fā)病。膝關(guān)節(jié)在運動過程中通過屈、伸、旋、展、收等一系列動作完成各種承負功能，雖然膝關(guān)節(jié)承受負荷的閾值還無法確定，但過度負荷后較易引起關(guān)節(jié)局部組織細胞疲勞而致勞損［6］。適度負荷可以增強膝關(guān)節(jié)的解剖應力及功能，但過度會使膝關(guān)節(jié)的承受能力下降，從膝關(guān)節(jié)微觀結(jié)構(gòu)分析，膝關(guān)節(jié)經(jīng)反復多次過度刺激后，神經(jīng)元興奮性降低，血液供給產(chǎn)生障礙，關(guān)節(jié)內(nèi)微細結(jié)構(gòu)產(chǎn)生紊亂進而導致各組織細胞疲勞［6］。如若不及時糾正負荷或再加強承載負荷，膝關(guān)節(jié)會因負擔過重而引起整個關(guān)節(jié)的代謝紊亂，維持膝關(guān)節(jié)功能活動的能量得不到及時補充易導致相應功能區(qū)的變性，如韌帶附著區(qū)增厚鈣化、關(guān)節(jié)腔積液等。因關(guān)節(jié)內(nèi)微細結(jié)構(gòu)紊亂導致疲勞的組織細胞大量積累，引起各組織代償性的改變，導致膝關(guān)節(jié)損傷。半月板有吸收和消除肢體下傳的沖擊力的作用，在膝關(guān)節(jié)屈伸和扭轉(zhuǎn)的過程中，半月板的運動產(chǎn)生不一致的矛盾，致使半月板在脛骨平臺與股骨髁之間發(fā)生劇烈研磨，這是半月板發(fā)生損傷的主要生理學因素［7］。半月板損傷后關(guān)節(jié)軟骨面之間失去了緩沖、減震的作用，損傷的半月板關(guān)節(jié)面受到磨損、剪切應力的破壞，關(guān)節(jié)軟骨細胞發(fā)生凋亡、脫落、壞死等改變。關(guān)節(jié)表面軟骨的損傷同時也加重半月板的損傷，多種因素的相互作用可能進一步加重膝關(guān)節(jié)功能的減退。

2.3 半月板的損傷分類 半月板損傷多由劇烈運動或強大暴力造成，起病較急，損傷人群主要以青壯年為主；少數(shù)損傷由半月板軟骨退變所致，甚至可以沒有明顯的外傷，以老年患者居多。根據(jù)臨床實踐中最為常用的鏡下發(fā)現(xiàn)半月板損傷類型而制定的O′Connor［8］分類法大體分為縱向撕裂和水平撕裂?？v向撕裂是指因垂直暴力致徑向膠原纖維斷裂導致環(huán)狀膠原纖維之間彼此分離，這種損傷多見于青壯年，特征性癥狀是膝關(guān)節(jié)伸直位易致關(guān)節(jié)絞鎖［9］。半月板水平撕裂的撕裂線與上下關(guān)節(jié)面平行，將半月板分為上下兩部分，故又稱“魚嘴樣撕裂”，這種損傷多見于老年患者，損傷的主要原因在于老年患者半月板硬度及彈性均有不同程度下降。水平撕裂不嚴重時，患者癥狀往往不很明顯，因此在致傷因素的反復作用下，水平撕裂可以衍變成復雜性撕裂及退變性撕裂，至此，患者才會逐漸出現(xiàn)較嚴重的關(guān)節(jié)絞鎖和疼痛等癥狀。

3 細胞凋亡與半月板損傷

生理狀態(tài)下的細胞凋亡對于維持半月板的正常結(jié)構(gòu)及功能具有非常重要的意義，但當機體受到各種內(nèi)外因素的刺激引起細胞凋亡調(diào)控機制失衡進而使細胞凋亡過度時，則可引起半月板軟骨細胞的退變，進而導致半月板損傷的發(fā)生。Li Y等［10］研究認為，至少有兩種凋亡途徑參與了軟骨細胞的凋亡，一種是由NO介導的與滑膜炎癥無關(guān)的途徑，另一種是由Fas介導的同滑膜炎癥相關(guān)的途徑。當KOA內(nèi)不存在明顯的炎癥反應時，以NO介導的細胞凋亡途徑為主；當有炎癥反應產(chǎn)生時，則通過Fas途徑加速軟骨細胞凋亡和關(guān)節(jié)破壞。賀斌等［11］在研究中證實了NO及其產(chǎn)物可以誘導軟骨細胞凋亡并且抑制蛋白多糖和膠原的合成而促進其分解。由于蛋白多糖的減少，軟骨基質(zhì)中的水分含量也相應下降，軟骨由光滑半透明變得干澀無光澤。膠原蛋白的缺乏使得軟骨彈性降低，缺少對抗正?；顒拥膽Χ履p破裂。由于軟骨的蛋白多糖及膠原蛋白抗原決定簇暴露易誘發(fā)免疫反應，產(chǎn)生炎癥介質(zhì)如TNF-α、IL-1β等，又可刺激軟骨細胞內(nèi)iNOS激活產(chǎn)生大量NO，形成惡性循環(huán)。而且炎癥反應造成Fas途徑參與，也加劇了關(guān)節(jié)軟骨的破壞。Kim HA等［12］對比正常人和KOA患者的關(guān)節(jié)軟骨，發(fā)現(xiàn)正常人的半月板軟骨內(nèi)幾乎找不到凋亡細胞，而在KOA患者中，受損區(qū)半月板軟骨細胞的凋亡數(shù)明顯高于未受損區(qū)，F(xiàn)as在受損傷區(qū)的表達高于未受損傷區(qū)，提示Fas表達可誘導軟骨細胞凋亡。王文志［13］在探討膝關(guān)節(jié)退變過程中半月板軟骨細胞產(chǎn)生內(nèi)皮素(Endothelin,ET)和一氧化氮(Nitric oxide,NO)表達情況的研究中分為3個組：骨關(guān)節(jié)炎組、關(guān)節(jié)損傷組和正常對照組。研究發(fā)現(xiàn)：骨性關(guān)節(jié)炎患者的半月板組織有軟骨細胞數(shù)量減少、膠原組織減少、不同程度鈣化、表面欠光滑及顏色暗淡等表在KOA患者半月板組織中高表達；ET在KOA的半月板中表達明顯，考慮ET影響了半月板組織的血運，促進了軟骨細胞凋亡。同時他還指出ET和NO在關(guān)節(jié)損傷組和正常對照組中含量表達無明顯差別，均顯著低于骨關(guān)節(jié)炎組，說明關(guān)節(jié)損傷半月板撕裂不引起軟骨細胞過量分泌ET和NO。由此看來在KOA患者中，軟骨細胞更容易發(fā)生凋亡等病理改變，繼而細胞凋亡與KOA之間又相互促進，形成惡性循環(huán)，加重癥狀。對于半月板損傷的治療，陳績［14］指出用自體富血小板血漿(PRP)移植到膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)，能夠刺激半月板損傷區(qū)域的軟骨細胞增生，促進損傷的無血供區(qū)半月板的愈合，如果這一研究成熟并在臨床推廣，將具有非常重要的臨床意義。郭鐵峰等［15］指出轉(zhuǎn)化生長因子β1可通過不同途徑促進細胞外基質(zhì)合成，促進軟骨細胞增殖分化，增強軟組織自身再生能力，只是這一研究雖取得成果，但還存在許多問題需要進一步探討而暫時沒應用于臨床，不過這有望對治療各種軟骨損傷及骨的退行性變提供新的治療思路。

4 半月板損傷與KOA

半月板損傷日久可以導致KOA，KOA患者也多數(shù)伴有半月板的損傷，所以彼此間的因果關(guān)系，誰為因，誰為果，或者互為因果，尚需進一步觀察和探討，本文主要從以下兩方面對半月板損傷與KOA之間的關(guān)系進行簡要闡述。

4.1 半月板損傷→KOA半月板在關(guān)節(jié)鏡下進行修整可使之形態(tài)得以完整或大部分保留，這對維持膝關(guān)節(jié)的正常力學性能、緩解關(guān)節(jié)軟骨的壓力及磨損程度非常重要。否則損傷的半月板由于遷延失治即可造成關(guān)節(jié)軟骨的退變和凋亡，導致KOA的發(fā)生［16］。經(jīng)過長期臨床觀察，人們開始逐漸認識到，損傷的半月板如若切除將導致關(guān)節(jié)不穩(wěn)和載荷傳遞功能紊亂，切除致使膝關(guān)節(jié)術(shù)后接觸應力增大易引起關(guān)節(jié)軟骨退行性變進而促使KOA的發(fā)生。吳向陽等［17］在其研究的半月板切除對急性關(guān)節(jié)軟骨損傷的試驗研究中發(fā)現(xiàn)損傷的半月板切除后，膝關(guān)節(jié)之間的應力增高，高應力誘發(fā)了新生軟骨細胞的凋亡，凋亡的軟骨細胞不能生成軟骨下基質(zhì)，基質(zhì)減少導致修復組織表層的軟骨被破壞，久之易導致KOA。所以如何修復已損傷的半月板并防止KOA等并發(fā)癥的發(fā)生已經(jīng)引起臨床醫(yī)學界的廣泛重視，因此人們又開始把目光轉(zhuǎn)移到半月板損傷后的修復的問題上［18］。半月板的微循環(huán)狀況直接影響到半月板損傷后的修復，改善損傷區(qū)的微循環(huán)障礙是半月板損傷愈合的關(guān)鍵，因此有必要對損傷區(qū)的微循環(huán)特征進行更深入的研究［19］。

4.2 KOA→半月板損傷 KOA患者往往伴有半月板損傷，老年患者較常見，由KOA引起的半月板損傷多為破裂傷，且形式多樣、破碎不規(guī)則，容易嵌頓于關(guān)節(jié)間隙內(nèi)形成絞鎖。這種損傷基本沒有修復的可能和必要，需要在關(guān)節(jié)鏡下將破碎的半月板部分或者完全切除，殘余部分給予修整，破裂嚴重者只能將損傷的半月板完全切除，這對緩解癥狀會有一定作用，但半月板的缺失對KOA本身以及患者自身不利。況且半月板切除后再生半月板不能完全行使正常半月板的生物力學性能，即使部分切除也可導致KOA的發(fā)生，如關(guān)節(jié)軟骨退化、關(guān)節(jié)腔狹窄、骨贅形成等［20］。陳軍［21］研究 KOA 與半月板損傷及軟骨下脊髓水腫嚴重程度的相關(guān)性實驗中發(fā)現(xiàn)KOA的分度與半月板損傷和脊髓損傷程度呈正相關(guān)，可以根據(jù)半月板損傷和脊髓水腫程度判斷KOA的發(fā)展和預后以及為KOA的防治提供依據(jù)。時劍輝等［22］在研究的關(guān)節(jié)鏡下膝骨關(guān)節(jié)炎伴發(fā)半月板損傷的臨床報道中指出，半月板退變性撕裂在老年KOA患者中較多見，但門診及術(shù)前診斷率偏低，提醒我們在診斷KOA，尤其是病程較長的患者時，應考慮到并發(fā)半月板損傷的可能。在依賴影像學檢查的同時，也不能忽視物理查體，尤其是麥氏試驗及研磨試驗對診斷半月板損傷有一定的參考意義。

5 細胞凋亡與KOA

生理情況下的細胞凋亡是一個正常的過程，但如果凋亡過度則是病理性和有害的。目前在許多疾病中均發(fā)現(xiàn)了細胞過度凋亡的證據(jù)，如阿爾茲海默癥、心血管疾病、神經(jīng)元退變性疾病等，近年來不斷有研究顯示，軟骨細胞的凋亡可能在KOA的發(fā)病過程中產(chǎn)生了重要的影響。張洪等［23-24］在研究中指出，凋亡相關(guān)基因、凋亡抑制蛋白及Caspase酶系等在KOA中均有高表達。說明軟骨細胞過度凋亡是關(guān)節(jié)軟骨退變發(fā)展為KOA的重要原因之一。同時KOA患者的關(guān)節(jié)軟骨細胞也更容易發(fā)生凋亡等改變［11］。喬斌等［25］、張嘉美等［26］在研究中發(fā)現(xiàn)，Wnt/β-catenin信號通路與軟骨代謝相關(guān)性時指出Wnt信號通路在骨骼的發(fā)育、軟骨及骨生物學中起著重要作用，同時對不同部位、不同生長階段軟骨形成起著正負雙向調(diào)節(jié)作用。那么是否可以通過調(diào)節(jié)Wnt相關(guān)信號通路而實現(xiàn)抑制關(guān)節(jié)軟骨細胞的過度凋亡，進而阻止或者減緩半月板損傷導致KOA發(fā)生的進程，還有待研究，如果這一設(shè)想成立并取得一定成果，將為KOA的治療提供新的途徑，為研發(fā)防治KOA的有效藥物開辟新的思路，意義重大。

6 結(jié)語與展望

細胞凋亡對于維持機體正常正常生理功能具有重要作用，但如果其凋亡通道中某一信號通路異常將使凋亡調(diào)控機制失衡，引起軟骨細胞過度凋亡致使KOA的發(fā)生，在隨后一段時期內(nèi)KOA、半月板損傷與細胞凋亡相互影響，致使病情進一步加重，形成惡性循環(huán)。所以了解細胞凋亡對KOA以及半月板損傷的調(diào)控機制及具體的信號通路，對過度凋亡及過度增殖的細胞進行有效干預，有望對KOA及其他與細胞凋亡有關(guān)的疾病防治提供一種新的思路。

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