骨關(guān)節(jié)炎患者關(guān)節(jié)軟骨中膠原蛋白表達(dá)變化的研究進(jìn)展

李建 李大鵬 趙國陽

骨關(guān)節(jié)炎 ( osteoarthritis，OA ) 是威脅人類健康的常見疾病之一，是由多因素引起的慢性關(guān)節(jié)疾病，其病變特點為關(guān)節(jié)軟骨的退行性變和關(guān)節(jié)軟骨反應(yīng)性骨質(zhì)增生，目前世界發(fā)病率在 5%～10% 左右[1]，我國 60 歲以上人群中約 70%，80 歲以上人群中約 90% 有 OA 的影像學(xué)表現(xiàn)[2]?，F(xiàn)在 OA 的病因還沒有完全確定，性別、遺傳因素、年齡、肥胖、關(guān)節(jié)外傷等因素都可以成為其發(fā)病原因[3]。近年來，有研究發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)軟骨中的 I 型膠原、II 型膠原、X 型膠原在 OA 的發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用。現(xiàn)就這幾種重要的膠原蛋白在 OA 發(fā)病過程中變化的研究綜述如下，以期為 OA 的發(fā)病機制以及對關(guān)節(jié)炎的早期診斷和治療提供一定的理論支持。

根據(jù)現(xiàn)階段的研究，正常成年人關(guān)節(jié)軟骨中存在 8 種膠原，分別是 I 型膠原、II 型膠原、VI 膠原、IX 型膠原、X 型膠原、XI 型膠原、XIV 型膠原、XXVII 型膠原[4-5]。除 X 型膠原之外，其余 7 種也存在于人的其它軟組織中。各型膠原有大致相似的結(jié)構(gòu)，分子水平上的構(gòu)成都存在 3 條 α 鏈，其特征性的氨基酸序列為 ( Gly-X-Y ) n，其中脯氨酸在 X 位，羥脯氨酸在 Y 位，且每三個氨基酸中有一個“必需”氨基酸 ( 甘氨酸 )，最后甘氨酸與脯氨酸和羥脯氨酸組成的 3 條 α 鏈通過一系列相互作用形成右手超螺旋結(jié)構(gòu)，這種超螺旋結(jié)構(gòu)能有效地抵抗除金屬蛋白酶以外的其它蛋白酶的降解?，F(xiàn)階段研究指出，與 OA 相關(guān)的主要是 I 型膠原、II 型膠原、X 型膠原。

一、I 型膠原

I 型膠原是由 I 型原膠原蛋白即型膠原蛋白前體經(jīng)過胞外基質(zhì)中的酶切后形成的成熟膠原蛋白，是具有高度有序的自我組裝序列的膠原纖維[6]。I 型膠原在正常的關(guān)節(jié)軟骨中含量甚微，是一種成纖維膠原，由 2 個 α1鏈和 1 個 α2鏈組成的異源三聚體平行排列成束，多存在于骨、肌腱等組織中。I 型膠原蛋白的相關(guān)基因編碼單體肽鏈，其原肽鏈由粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng) ( ERE ) 核糖體合成[7]。I 型原膠原蛋白分子中大約有 50% 的脯氨酸殘基在 4 位含有 1 個羥基，脯氨酸的羥基化程度有種屬差異，生活在低溫環(huán)境中的動物，其膠原蛋白上的脯氨酸羥基化程度較低，脯氨酸的羥基化對于原膠原單體之間形成氫鍵是必需的，因而對于原膠原三螺旋結(jié)構(gòu)域的熱穩(wěn)定性具有很大作用。

I 型膠原是纖維軟骨的標(biāo)志物，在 OA 中軟骨損傷 2 周 即有 I 型膠原蛋白產(chǎn)生，且 I 型膠原蛋白存在于在 OA 的整個發(fā)展過程，最近研究發(fā)現(xiàn)富含血小板的血漿通過 TGFβ / SMAD 信號通路促進(jìn)細(xì)胞增殖和軟骨生成標(biāo)志物的基因和蛋白表達(dá)，抑制 I 型膠原的表達(dá)[8-11]。I 型膠原蛋白的產(chǎn)生是由局部開始向其余部位逐漸蔓延，軟骨損傷部位的中下段最先出現(xiàn)。I 型膠原蛋白某種信號分子作用可能與 OA 發(fā)生發(fā)展過程中軟骨細(xì)胞的一系列病理變化有關(guān)，它的這種信號分子作用主要通過整合素、盤蛋白結(jié)構(gòu)域受體、糖蛋白等跨膜受體發(fā)揮作用。OA 發(fā)展到晚期時，I 型膠原在關(guān)節(jié)軟骨的中間層出現(xiàn)較強的表達(dá)。同時在關(guān)節(jié)軟骨的大部分區(qū)域可見大量的 III 型膠原表達(dá)[12]。有研究指出，可以通過測定軟骨細(xì)胞分泌 I 型膠原蛋白的量來了解軟骨細(xì)胞的去分化趨勢，因為軟骨細(xì)胞發(fā)生去分化時分泌 I 型膠原蛋白[13]。有學(xué)者發(fā)現(xiàn) I 型膠原的 α C-端肽與軟骨下骨轉(zhuǎn)換相關(guān)，并預(yù)測了 OA 關(guān)節(jié)間隙狹窄和骨贅的進(jìn)展[14]。

二、II 型膠原

II 型膠原是關(guān)節(jié)軟骨中最主要的膠原蛋白，大約占膠原蛋白總量的 90%～95%，是關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)中最重要的成分。II 型膠原在正常條件下可以自行形成膠原纖維，由細(xì)小纖維逐漸形成大的膠原纖維，作為膠原纖維網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中的主體，對此網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定起著決定性作用，直接對關(guān)節(jié)軟骨組織起到支撐作用。因其組成中氨基酸的特性，使之形成的纖維束很細(xì)，這種纖細(xì)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)更易與蛋白聚糖及其它物質(zhì)結(jié)合，使關(guān)節(jié)軟骨具有抗拉伸及緩沖沖擊震蕩的特性，關(guān)節(jié)軟骨的很多特性都與 II 型膠原蛋白這種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[15]。

宏觀上看，OA 發(fā)生的關(guān)鍵一步是 II 型膠原蛋白構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被外力破壞或被化學(xué)物質(zhì)如膠原蛋白酶所溶解，這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞后會引起關(guān)節(jié)軟骨在生物力學(xué)、生物化學(xué)等方面發(fā)生一系列變化；隨著這種結(jié)構(gòu)被破壞，在微觀上表現(xiàn)為關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞所生存的微環(huán)境遭到了破壞，也可以引發(fā)一系列基因和蛋白表達(dá)的變化，從而導(dǎo)致軟骨細(xì)胞表型的變化[16-19]。關(guān)節(jié)軟骨的 II 型膠原表達(dá)的減少直接導(dǎo)致了 II 型膠原質(zhì)和量的改變，其可被不同的影響因子促進(jìn)或抑制，使 II 型膠原被分解或受到保護(hù)，從而影響 OA 的進(jìn)展。

在 OA 的發(fā)生發(fā)展過程中，軟骨細(xì)胞外基質(zhì)降解增加，II 型膠原的 mRNA 表達(dá)減少以及軟骨細(xì)胞的過度凋亡，都可以促進(jìn) OA 的進(jìn)展。為了延緩 OA 的進(jìn)一步加重，機體會選擇性的增強軟骨細(xì)胞內(nèi) B 細(xì)胞淋巴瘤-2 ( Bcl-2 ) mRNA 的表達(dá)來維持這種代謝平衡，并通過這種方式減緩 OA 的進(jìn)展過程[20]。目前通過調(diào)節(jié)膠原蛋白的表達(dá)來治療或緩解 OA 的研究主要集中在增加 II 型膠原的表達(dá)和抑制其降解方面，研究發(fā)現(xiàn)丁酸鈉、奈比洛爾、西洛他唑、馬錢子苷等可以通過抑制 II 型膠原的降解，減緩 OA 進(jìn)展[21-24]；氨基葡萄糖、富含血小板的血漿、血小板溶解產(chǎn)物 ( PL )、體外間充質(zhì)干細(xì)胞衍生的細(xì)胞外囊泡等與軟骨修復(fù)的生長有關(guān)系，可以促進(jìn)軟骨細(xì)胞中 II 型膠原的表達(dá)，從而保護(hù) OA 中被破壞的軟骨細(xì)胞，延緩 OA 的進(jìn)展[25-28]。分子生物學(xué)層面的研究發(fā)現(xiàn)，LNA-miR-181a-5、LNA-miR-449a、Krüppel-Like Factor 2 等可以促進(jìn) OA 中 II 型膠原的表達(dá)，對 OA 進(jìn)展有一定的延緩作用[29-31]；而 circRNA.33186 直接結(jié)合并抑制 miR-127-5p、纖維蛋白 3 等在 OA 中會促進(jìn) II 型膠原的降解，從而加速 OA 的進(jìn)展[32-33]。最近有研究發(fā)現(xiàn) COL2A1 通過抑制 SMAD1 的活化，抑制 BMP-SMAD1 介導(dǎo)的軟骨細(xì)胞肥大；通過免疫調(diào)節(jié) M2 巨噬細(xì)胞的活化，可以抑制 OA 中軟骨細(xì)胞的凋亡和肥大；通過抑制蛋白激酶-D，可以修復(fù) OA 生長板上的軟骨，抑制其向肥大的分化。這是幾種抑制軟骨細(xì)胞肥大的新機制，對減緩 OA 的進(jìn)展有重要意義[34-36]。

II 型膠原在 OA 的診斷方面的研究顯示，早期的 OA 動物模型中即有 II 型膠原的明顯上升；當(dāng) OA 發(fā)生時，由于關(guān)節(jié)軟骨發(fā)生重建，導(dǎo)致 II 型膠原的降解增快，從而產(chǎn)生大量 C-端肽 ( CTX II )，CTX II 是惟一可同時在血、尿和滑液中測到的標(biāo)志物。CTX II 的表達(dá)水平隨著膝關(guān)節(jié) OA 的進(jìn)展而不斷升高，關(guān)節(jié)軟骨退變進(jìn)入快速進(jìn)展期時達(dá)到最高，到膝關(guān)節(jié) OA 晚期逐步下降，所以 CTX II 可作為一種生物學(xué)指標(biāo)，用來評判 OA 病情進(jìn)展程度[37-38]。

三、X 型膠原

X 型膠原是一種短鏈膠原，其組成為 [ α1( X ) ]3，長度大約是 II 型膠原的 50%，由三部分組成：三螺旋區(qū) ( COL )、C 端非螺旋 ( NC1 ) 和 N 端非螺旋區(qū) ( NC2 )，其中 COL 可與 II 型膠原前體纖維相連接，而影響其功能。另外 X 型膠原可能參與軟骨內(nèi)成骨，存在于軟骨骨化中心和生長板的基質(zhì)及肥大的軟骨細(xì)胞中[39]。X 型膠原通過形成的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)與 II 型膠原纖維發(fā)生聯(lián)系，對關(guān)節(jié)軟骨的眾多特性產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響關(guān)節(jié)軟骨的生理功能[40]。

近年來對 X 型膠原的研究，為 OA 的診斷和治療提供了新的方向和思路。OA 發(fā)生發(fā)展的早期和晚期都能在軟骨表面發(fā)現(xiàn) X 型膠原，但軟骨的肥大區(qū)和鈣化區(qū)才是 X 型膠原主要的分布區(qū)。軟骨細(xì)胞肥大和鈣化是隨著 OA 的發(fā)展，關(guān)節(jié)軟骨不斷修復(fù)、退變形成的，在此過程中與 X 型膠原病理變化有關(guān)的細(xì)胞主要是肥大軟骨細(xì)胞，它們包括獨立的圓形肥大軟骨細(xì)胞和聚集在軟骨不同分層中的肥大軟骨細(xì)胞。

研究發(fā)現(xiàn) OA 軟骨損傷的最終病理變化為軟骨細(xì)胞發(fā)生肥大變性，如前所述，肥大軟骨細(xì)胞表達(dá)大量 X 型膠原蛋白[41]。X 型膠原的出現(xiàn)改變了細(xì)胞外基質(zhì)的性質(zhì)，導(dǎo)致血管更容易的進(jìn)入軟骨各層，與此同時，血管侵入因子又影響著 X 型膠原的合成。因此，在 OA 軟骨中 X 型膠原既出現(xiàn)在鈣化帶及其上層，也可在靜止層出現(xiàn)；隨著 OA 的進(jìn)展，關(guān)節(jié)軟骨進(jìn)一步破壞，OA 的更新與表面完整性的破壞與軟骨細(xì)胞的活性有關(guān)，導(dǎo)致在軟骨下層出現(xiàn)了 X 型膠原，這些是與未成熟關(guān)節(jié)軟骨相似的。目前的研究表明， X 型膠原被 X 型膠原的新表位或 C 端抗體包裹在細(xì)胞外，分布在 OA 軟骨的纖維化表層的軟骨細(xì)胞簇周圍[42-45]。這與前面關(guān)于軟骨細(xì)胞在 OA 軟骨中沉積的 X 型膠原研究是一致的。

關(guān)于 X 型膠原作為 OA 的新治療位點的研究指出，X 型膠原蛋白 α1既可作為肥大軟骨細(xì)胞的特異性表達(dá)標(biāo)志物，又可以在軟骨細(xì)胞胚胎期和機體生長發(fā)育過程中促進(jìn)軟骨內(nèi)成骨和使軟骨細(xì)胞周圍基質(zhì)鈣化，促進(jìn)骨骼的形成和發(fā)育[46-48]，Lu 等[49]通過動物實驗證明過表達(dá) RunX2 可以抑制 X 型膠原蛋白的表達(dá)，從而延緩 OA 的發(fā)生發(fā)展。Kim 等[50]研究發(fā)現(xiàn)基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1a ( SDF-1a ) 可以促進(jìn)軟骨內(nèi)成骨過程中軟骨細(xì)胞的增殖與成熟，使 X 型膠原蛋白的表達(dá)增強，加速 OA 的發(fā)展。Ishizuka 等[51]的實驗中顯示 IL-1B 的處理增加了 OA 半月板細(xì)胞中 HIF-2a、COL10 和 MMP-13 的表達(dá)，HIF-2a 的敲除抑制了 IL-1 介導(dǎo)的 COL10 和 MMP-13 表達(dá)的增加，說明 HIF-2a 可通過 MMP-13 的反式激活導(dǎo)致半月板基質(zhì)降解。Ji 等[52]和 Corciulo 等[53]研究發(fā)現(xiàn)抑制造血 PBX 相互作用蛋白，不僅可以減少 OA 中軟骨細(xì)胞 II 型膠原和基質(zhì)的降解，而且可以抑制軟骨細(xì)胞的肥大；外源性腺苷能夠抑制 COL10A1 的表達(dá)，進(jìn)而抑制 OA 中軟骨細(xì)胞的肥大過程。HIF-2a、PBX、腺苷可能會成為 OA 進(jìn)展期間調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)軟骨和半月板基質(zhì)降解的治療靶點。

劉建華[54]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)血清 X 型膠原蛋白 α1可作為 OA 軟骨損傷的診斷及預(yù)后評估的生物學(xué)標(biāo)志物。在 Coghlan 等[55]發(fā)現(xiàn)一組包含整個 c1q 結(jié)構(gòu)域和附著的連接體和膠原區(qū)域的可變部分的片段被命名為 cxm，是軟骨內(nèi)骨化過程中 X 型膠原的降解產(chǎn)物，是整個生長板活性理想生物標(biāo)記物。在此研究基礎(chǔ)上，有研究表明在血液循環(huán)中可以檢測到組織蛋白酶 K 產(chǎn)生的 X 型膠原表位合成的特異性肽 ( GIATKGLNGP )，其濃度反映了關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞表型的肥厚變化，并顯示了 OA 與 RA 的良好分離[37]。

OA 中關(guān)于 X 型膠原的研究，在基礎(chǔ)水平和臨床研究方面都有了進(jìn)一步的研究進(jìn)展，主要在 OA 的診斷方面有很大的潛在價值，關(guān)于通過調(diào)節(jié) X 型膠原來緩解或治療 OA 的研究非常欠缺，需要進(jìn)一步研究，為 OA 的診斷和治療提供新的思路。

四、展望

OA 是一種由多種因素導(dǎo)致的退行性疾病，在其發(fā)生發(fā)展過程中存在多種關(guān)節(jié)軟骨的膠原蛋白變化，涉及 I 型膠原、II 型膠原、X 型膠原等，主要變現(xiàn)為 II 型膠原的減少和 X 型膠原的增加。正常成年人的關(guān)節(jié)發(fā) OA 時，關(guān)節(jié)軟骨內(nèi) II 型膠原蛋白等的分泌增加，這很可能是機體經(jīng)過一系列反應(yīng)使關(guān)節(jié)軟骨發(fā)生代償性的自我修復(fù)與補充導(dǎo)致的；隨著 OA 的進(jìn)展，II 型膠原的代償性修復(fù)與補充不足以抵消 II 型膠原的破壞，II 型膠原大量減少，從而表現(xiàn)為關(guān)節(jié)軟骨不可逆的破壞；而 X 型膠原蛋白等異常膠原分泌的增加，則可能是關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞受到一系列病理刺激后發(fā)生肥大的結(jié)果，因此，X 型膠原可作為軟骨細(xì)胞肥大的標(biāo)志物之一。目前對 OA 中 II 型膠原的研究基本確定了其在 OA 中的變化情況，且能通過調(diào)節(jié) II 型膠原的表達(dá)來延緩或治療 OA，需要將基礎(chǔ)研究與臨床科研相結(jié)合，使其能夠?qū)崿F(xiàn)臨床治療的應(yīng)用；今后也需要對 X 型膠原在 OA 中的產(chǎn)生、表達(dá)及變化情況做更深入的研究，才能更進(jìn)一步確定其在 OA 中發(fā)揮的作用，以期望對 OA 的臨床診斷和治療提供更多有價值的信息。