基于軟骨細(xì)胞機(jī)械敏感性離子通道力學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)的疼痛機(jī)制探討*

許博洋 李浩然 郭 義,4,5△

（1 天津中醫(yī)藥大學(xué)針灸推拿學(xué)院，天津 301617；2 北京大學(xué)運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)研究所，北京市運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)關(guān)節(jié)傷病重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191；3 天津中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)學(xué)院，天津 301617；4 天津中醫(yī)藥大學(xué)實(shí)驗(yàn)針灸學(xué)研究中心，天津 301617；5 國家中醫(yī)針灸臨床醫(yī)學(xué)研究中心，天津 300381）

骨性關(guān)節(jié)炎 (osteoarthritis, OA) 是一種慢性滑膜關(guān)節(jié)疾病，易累及髖膝關(guān)節(jié)，其主要臨床癥狀是關(guān)節(jié)疼痛、僵硬和功能下降。在這些癥狀中，疼痛是生物-心理-社去會(huì)醫(yī)學(xué)模式所描述下的臨床決策最主要的參考因素。主要包括兩種疼痛類型（間歇性逐漸加深以及持續(xù)性疼痛）。在OA 的早期階段，功能活動(dòng)引起的可預(yù)見性疼痛發(fā)作（運(yùn)動(dòng)痛）是其明顯癥狀，而持續(xù)的疼痛（尤其是在夜間）則常在OA 的中期階段發(fā)生。患有晚期OA 的病人會(huì)出現(xiàn)更多的夜間持續(xù)性疼痛（靜息痛）表現(xiàn)。疼痛管理不佳將會(huì)促使病人不得不進(jìn)行全關(guān)節(jié)置換，增加病人的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。疼痛作為OA 發(fā)生過程中的一種病理主觀感受，具體機(jī)制較為復(fù)雜。OA 的病理特征是關(guān)節(jié)軟骨的損傷以及伴隨性的骨組織異常改變。關(guān)節(jié)軟骨的逐漸喪失將導(dǎo)致關(guān)節(jié)間隙變窄，同時(shí)發(fā)生軟骨下骨重塑，骨贅形成和滑膜炎癥。軟骨細(xì)胞的大量凋亡是OA 各種病理表現(xiàn)的生物學(xué)基礎(chǔ)。但目前軟骨細(xì)胞與OA 慢性疼痛之間的聯(lián)系較為薄弱，目前國內(nèi)外均未見有詳細(xì)論述。同時(shí)OA 本質(zhì)上是組織生物力學(xué)和生物化學(xué)耦合作用的病理結(jié)局。關(guān)節(jié)軟骨作為一種機(jī)械敏感型組織，是關(guān)節(jié)的主要承重部位，其提供幾乎無摩擦的支撐面，并可以吸收和傳遞多種機(jī)械應(yīng)力。有研究證實(shí)軟骨細(xì)胞膜表面存在MSC 可參與調(diào)控多條信號(hào)通路，并可能介導(dǎo)炎癥及慢性疼痛過程。然而，機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)背后的具體機(jī)制目前尚不明確，涉及軟骨細(xì)胞對(duì)機(jī)械誘導(dǎo)的合成代謝反應(yīng)的信號(hào)通路也未得到很好地描述。本文將主要探討軟骨細(xì)胞MSC 機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中疼痛發(fā)生發(fā)展機(jī)制，以及與軟骨細(xì)胞生理病理功能的聯(lián)系，詳細(xì)論述機(jī)械載荷介導(dǎo)下的軟骨細(xì)胞和OA 慢性疼痛之間的聯(lián)系，以期為骨關(guān)節(jié)疾病潛在分子靶向鎮(zhèn)痛藥物的研發(fā)提供一定的理論依據(jù)。

一、介導(dǎo)骨性關(guān)節(jié)炎疼痛的生物學(xué)機(jī)制

以人類膝關(guān)節(jié)為例，其受到感覺神經(jīng)（快速傳導(dǎo)的有髓Aδ 纖維、緩慢傳導(dǎo)的無髓C 纖維、粗髓Aβ 纖維）和交感神經(jīng)末梢神經(jīng)纖維的支配，它們執(zhí)行諸如傷害感受，血供調(diào)節(jié)和本體感受的作用。因此在正常生理?xiàng)l件下，傷害感受器位于除軟骨組織外的整個(gè)關(guān)節(jié)組織中，包括關(guān)節(jié)囊、滑膜、脂肪墊、韌帶、骨膜和軟骨下骨。而發(fā)生OA 后，在壓力和缺氧的條件下包括半月板在內(nèi)的軟骨組織會(huì)遭到破壞，形成缺損并局部新生血管和感覺神經(jīng)。傳統(tǒng)意義上認(rèn)為，異常生物力學(xué)變化造成關(guān)節(jié)軟骨受損，可經(jīng)傷害感受器激活MSC 引起傷害性疼痛。隨著OA 病程的逐漸遞進(jìn)，其顯現(xiàn)出多因素誘發(fā)的復(fù)合疼痛跡象（見圖1）。一方面，軟骨細(xì)胞的代謝不平衡，將引起炎性細(xì)胞因子和基質(zhì)降解酶的過量產(chǎn)生，再加上同化信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的下調(diào)，最終導(dǎo)致組織降解、分解代謝增強(qiáng)。同時(shí)伴隨滑膜炎癥，滑膜細(xì)胞（成纖維細(xì)胞[1]和巨噬細(xì)胞）釋放大量免疫炎癥細(xì)胞因子到關(guān)節(jié)內(nèi)環(huán)境中，繼續(xù)侵蝕軟骨組織，造成惡性循環(huán)。特定介質(zhì)可通過直接或間接作用使初級(jí)傳入神經(jīng)纖維機(jī)械敏感，發(fā)生痛覺過敏。同時(shí)軟骨缺損后破骨細(xì)胞活性也會(huì)增強(qiáng)，加速骨組織分解并造成軟骨下骨髓水腫樣病變或暴露軟骨下骨中的神經(jīng)于關(guān)節(jié)內(nèi)環(huán)境中，各種炎性介質(zhì)會(huì)刺激神經(jīng)導(dǎo)致外周敏化并產(chǎn)生炎性疼痛[2]。甚者在持續(xù)的傷害感受轟擊下，可導(dǎo)致脊髓背角中的二級(jí)神經(jīng)元興奮性增加。這種中樞敏化的過程增強(qiáng)了傷害感受信號(hào)，從而更加放大了疼痛感。另一方面，軟骨損傷后有很大的概率會(huì)造成關(guān)節(jié)內(nèi)的神經(jīng)損傷，引起軀體感覺系統(tǒng)的病變或異常疼痛，稱為神經(jīng)病理性疼痛。OA 神經(jīng)損傷的調(diào)控機(jī)制目前尚不明確，可能由軟骨細(xì)胞MSC 級(jí)聯(lián)交互轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制有關(guān)。由于具體機(jī)制并不明確，對(duì)常見鎮(zhèn)痛藥并不敏感，目前臨床上大部分采用非局部的全身給藥措施干預(yù)。所以于機(jī)械載荷作用下的軟骨細(xì)胞，在介導(dǎo)OA 的各類型疼痛中均發(fā)揮有一定的主導(dǎo)作用，同時(shí)可主動(dòng)調(diào)控或被動(dòng)反饋來自其他細(xì)胞（如成纖維細(xì)胞、破骨細(xì)胞、白色脂肪細(xì)胞和巨噬細(xì)胞）的病理信號(hào)共同調(diào)控疼痛過程。

圖1 OA 滑膜關(guān)節(jié)中的多細(xì)胞交互作用

二、機(jī)械敏感性離子通道

關(guān)節(jié)軟骨特殊的生物力學(xué)性質(zhì)可歸因于細(xì)胞外基質(zhì) (extracellular matrix, ECM) 的分子組成和結(jié)構(gòu)。軟骨細(xì)胞作為軟骨組織唯一的細(xì)胞類型，負(fù)責(zé)ECM的生物合成和分解代謝。ECM 主要由膠原纖維網(wǎng)絡(luò)（II 型、IX 型、XI 型膠原蛋白交織而成）和夾帶于其中的蛋白聚糖 (proteoglycans, PGs)、糖胺聚糖(glycosaminoglycans, GAGs) 組成，可通過截留溶質(zhì)和水來創(chuàng)造組織剛性，使軟骨組織能夠承受較大的機(jī)械載荷。機(jī)械載荷通過ECM 引起的物理刺激可產(chǎn)生跨組織的機(jī)械壓力（組織壓）、靜水壓力（液壓）、化學(xué)和電信號(hào)的變化，從而調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞的代謝活動(dòng)[3]。在軟骨組織機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)的過程中，游離電解質(zhì)的移動(dòng)是軟骨細(xì)胞對(duì)物理刺激的反應(yīng)基礎(chǔ)。ECM 中PGs 和高度硫酸化GAGs 側(cè)鏈上的高負(fù)固定電荷吸引移動(dòng)反作用陽離子，沿PGs 分布產(chǎn)生唐南效應(yīng)和動(dòng)電現(xiàn)象，即在維持高滲壓環(huán)境的同時(shí)進(jìn)行帶電物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和其他電化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)行生物物理學(xué)信號(hào)的輸出，引起細(xì)胞反應(yīng)。軟骨細(xì)胞表面的MSC 可感受相應(yīng)離子的變化進(jìn)行機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)以及細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳遞的過程。根據(jù)機(jī)械力的感受機(jī)制，可將MSC 分為感受膜傳遞機(jī)械力和感受細(xì)胞骨架機(jī)械力兩大類。軟骨細(xì)胞對(duì)細(xì)胞外生物物理學(xué)信號(hào)輸入的最早反應(yīng)之一是細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平的一過性升高，通常發(fā)生在幾秒至幾分鐘內(nèi)[4]。MSC 的滲透性激活引發(fā)了Ca2+從ECM 自我強(qiáng)化流入胞質(zhì)的過程。受刺激激活后的軟骨細(xì)胞間將通過縫隙連接以鈣波的形式使多個(gè)細(xì)胞構(gòu)建信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，最終維持軟骨組織的穩(wěn)定。目前已明確證實(shí)有三種通過調(diào)控Ca2+感受機(jī)械信號(hào)的離子通道，包括電壓門控鈣離子通道 (voltage-gated calcium channels, VGCC)、瞬時(shí)感受器電位通道香草素受體 (transient receptor potential channel vanillin receptor, TRPV) 亞家族和Piezo 機(jī)械敏感性離子通道。

1.電壓門控鈣離子通道

VGCCs 又稱電壓依賴性鈣通道或電壓激動(dòng)鈣離子通道，是軟骨細(xì)胞感受外界機(jī)械載荷變化的關(guān)鍵通道蛋白之一。根據(jù)α1 亞單位和拮抗劑的種類，可將其分為L 型和非L 型兩大類，非L 型包含四個(gè)亞型：R 型、N 型、P/Q 型和T 型（見表1）。另外值得注意的是，L、N 和P/Q 型VGCCC 在高電壓下被激活，R 型VGCC 可被中等電壓被激活，而T 型VGCC 由于在靜息膜電位下被激活而被視為低壓激活的通道蛋白。VGCC 介導(dǎo)Ca2+流入的功能可受到機(jī)械應(yīng)力等多種細(xì)胞內(nèi)外因素的影響，目前僅發(fā)現(xiàn)L 型和T 型VGCC 在軟骨細(xì)胞表面表達(dá)。隨著軟骨細(xì)胞ECM 內(nèi)Ca2+濃度的升高，T 型和L 型的VGCC 介導(dǎo)了Ca2+大量流入軟骨細(xì)胞的過程，引起軟骨細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的升高[5]。這種效應(yīng)是軟骨細(xì)胞感受ECM機(jī)械刺激所必經(jīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。其中T 型分布較多且占主導(dǎo)地位，軟骨細(xì)胞極度依賴T 型VGCC 介導(dǎo)下的鈣離子響應(yīng)機(jī)制。其主要發(fā)揮細(xì)胞內(nèi)自發(fā)性鈣穩(wěn)態(tài)機(jī)制的調(diào)節(jié)作用，并促進(jìn)鈣波在級(jí)聯(lián)細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)中的傳播（見圖2）。在ECM 的機(jī)電轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中，由于流體中的游離陽離子和陰離子不平衡，ECM 的壓縮會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)電位和擴(kuò)散電位在組織中同時(shí)存在的現(xiàn)象。一方面低電壓會(huì)介導(dǎo)細(xì)胞膜發(fā)生去極化，誘使細(xì)胞外Ca2+聚集，進(jìn)而激活T 型VGCC。另一方面在L 型VGCC 受高壓激動(dòng)后，其α1 亞基同源結(jié)構(gòu)域中的跨膜α 螺旋胞質(zhì)內(nèi)環(huán)S4-S6 積極響應(yīng)，使S4 構(gòu)象轉(zhuǎn)化為傳導(dǎo)狀態(tài)。此時(shí)三者的P 環(huán)可共同形成非對(duì)稱性的選擇濾孔（離子選擇篩）將僅選擇透過Ca2+。S6 和胞質(zhì)內(nèi)S-S 結(jié)構(gòu)域、C 末端共同構(gòu)成電壓依賴性失活的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。因此，S6 是大多數(shù)L 型VGCC 的特異性孔道拮抗藥物的靶點(diǎn)。VGCCs 也可通過與鈣釋放激活鈣通道耦合形成的蛋白信號(hào)受體以及胰島素樣生長因子-1 來參與第二信使Ca2+的分泌。同時(shí)有研究提示VGCC不僅能通過感受膜電位變化的方式而介導(dǎo)Ca2+的流入，其也可以特異性識(shí)別細(xì)胞骨架傳遞的機(jī)械應(yīng)力并且響應(yīng)這種機(jī)械信號(hào)。廣義的細(xì)胞骨架包括細(xì)胞核骨架、細(xì)胞質(zhì)骨架、細(xì)胞膜骨架和ECM[6]。整聯(lián)蛋白作為聯(lián)系ECM 與軟骨細(xì)胞內(nèi)應(yīng)力纖維的重要組成部分，VGCC 可較好的接受其調(diào)控，并與退行性蛋白/上皮鈉通道可形成機(jī)械感受絡(luò)合物，功能共表達(dá)于小鼠肢芽衍生的軟骨細(xì)胞。但目前具體機(jī)制尚不明確，可能與應(yīng)力變化時(shí)啟動(dòng)的絲裂原激活蛋白激酶 (MAPK) 和核因子NF-κB 途徑有關(guān)。通過激動(dòng)應(yīng)力纖維（肌動(dòng)蛋白絲）的滑動(dòng)機(jī)制產(chǎn)生張力穩(wěn)定細(xì)胞形狀，進(jìn)一步激活VGCC。

圖2 VGCC 機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制

表1 VGCC 分型

2.瞬時(shí)感受器電位通道香草素受體亞家族

瞬時(shí)感受器電位通道 (transient receptor potential channel, TRP) 根據(jù)相關(guān)蛋白的序列結(jié)構(gòu)可主要分 為7 個(gè) 亞 類：TRPC、TRPV、TRPM、TRPA、TRPN、TRPP 和TRPML[7]。其中部分可受局部的機(jī)械載荷的作用下激活開放，如TRPV1、TRPV2、TRPV3、TRPV4、TRPM8 和TRPA1[8]等。作為非選擇性陽離子通道，大多數(shù)通道蛋白對(duì)于Ca2+具有較好的選擇通透性[9]。但實(shí)際上TRP 的激活潛伏期較第二信使通路要短，目前除TRPV4 由Ca2+介導(dǎo)以外，其余的其他通道皆為直接門控通道，可直接將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)化為可傳導(dǎo)的電化學(xué)信號(hào)。軟骨細(xì)胞表面也僅表達(dá)TRPV4，而TRPV1 則主要分布于關(guān)節(jié)滑膜或周圍神經(jīng)纖維中。在大多數(shù)情況下，Ca2+并不直接作用于TRP，而是依賴其C 端的鈣調(diào)蛋白(calmodulin, CaM) 結(jié)合域發(fā)揮作用。因此，Ca2+更可能作為通道的增強(qiáng)劑而不是主要的激活劑。軟骨組織的Ca2+主要有胞外流入和胞內(nèi)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)儲(chǔ)存釋放兩個(gè)來源。但內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔釋放Ca2+的前提是胞外Ca2+的大量流入誘發(fā)。軟骨細(xì)胞膜表面的TRPV4 可分別介導(dǎo)這兩個(gè)過程的胞內(nèi)外鈣離子傳遞過程。目前TRPV4 的具體機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)分子變構(gòu)機(jī)制尚不明確，可能與N、C 末端激動(dòng)后彼此相互分離靠近的調(diào)節(jié)功能有關(guān)。在使用TRPV4 抑制劑后，會(huì)降低力學(xué)刺激誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞Ca2+的反應(yīng)以及基質(zhì)的合成與積聚，表現(xiàn)為對(duì)機(jī)械載荷和滲透壓敏感性的降低。由于Ca2+-CaM 結(jié)合引起的雙相電流變化，TRPV4 也存在一定的反饋調(diào)節(jié)機(jī)制。當(dāng)其通道被激活，鈣離子內(nèi)流，胞內(nèi)鈣離子濃度緩慢升高至閾值水平，接著不同因素激活該通道的速度和幅度可顯著快速提高，Ca2+水平上升；而一段時(shí)間后，胞內(nèi)鈣離子升高至飽和狀態(tài)，通道又可被Ca2+的依賴性負(fù)反饋機(jī)制所阻斷，反映出細(xì)胞鈣超載的現(xiàn)象，保護(hù)細(xì)胞本身不會(huì)因?yàn)檫^大的電壓差而出現(xiàn)異常。另有研究發(fā)現(xiàn)，TRPV4 不能感知膜傳導(dǎo)的機(jī)械力，并且可能在功能上與其他力傳導(dǎo)因子或細(xì)胞器耦合。初級(jí)纖毛作為軟骨細(xì)胞最為重要的機(jī)械力感受細(xì)胞器，其本身機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)功能及結(jié)構(gòu)的完整性是TRPV4 發(fā)揮正常生理功能的基礎(chǔ)，力學(xué)信號(hào)激活TRPV 4，可形成鈣離子微區(qū)，同時(shí)誘導(dǎo)鈣離子大量內(nèi)流入纖毛，進(jìn)而引起下游級(jí)聯(lián)反應(yīng)，影響軟骨細(xì)胞功能。但目前VGCC 與TRPV 之間并沒有相應(yīng)聯(lián)系。

3. Piezo 機(jī)械敏感性離子通道

Piezo機(jī)械敏感性離子通道是來源于小鼠Neuro2A細(xì)胞系的一種新型非選擇性陽離子MSC，對(duì)Ca2+有明顯的偏嗜，其三聚體形成三葉螺旋槳狀結(jié)構(gòu)[10,11]。主要表達(dá)于受力學(xué)刺激較多的組織中，對(duì)壓縮載荷、拉伸載荷以及超聲刺激等機(jī)械載荷皆敏感[12]。包含Piezo1 和Piezo2 兩個(gè)亞類，是人類已知跨膜區(qū)最多的蛋白，并且與目前已知的其他MSC 沒有同源性[13]。通過實(shí)驗(yàn)研究已證實(shí)Piezo 的兩個(gè)亞型皆在軟骨細(xì)胞表面表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)，Piezo 機(jī)械敏感性離子通道通過感受膜傳遞的機(jī)械力，介導(dǎo)機(jī)械應(yīng)力激發(fā)的軟骨細(xì)胞內(nèi)Ca2+電流，從而在軟骨細(xì)胞的機(jī)械應(yīng)力信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮作用。Piezo1 本身的杠桿式機(jī)械結(jié)構(gòu)，適合于響應(yīng)非對(duì)稱膜曲率的大幅度變化，可以將遠(yuǎn)端刀片型梁結(jié)構(gòu)較大的構(gòu)象變化有效地轉(zhuǎn)換為中心離子傳導(dǎo)孔的門控動(dòng)力源，選擇性的發(fā)生陽離子滲透過程[14]。另外，ECM 的膠原纖維蛋白在Piezo1 懸臂的末端修飾包裹，能促進(jìn)其與細(xì)胞的相互作用，在細(xì)胞間形成機(jī)械聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)，使拉動(dòng)細(xì)胞膜的力量能更有效地激活Piezo1，引發(fā)Ca2+內(nèi)流從而提高Piezo1 對(duì)機(jī)械力的敏感性。有研究[15]提出，MAPK/ERK5 和 MAPK/ERK1/2 是 Piezo1 介導(dǎo)軟骨細(xì)胞在高應(yīng)變刺激下晚期過度凋亡的下游信號(hào)分子。但Piezo 2 在軟骨細(xì)胞力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制中的作用目前尚不明確。目前僅發(fā)現(xiàn)Piezo1/2 可共同介導(dǎo)的高應(yīng)變機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)過程[16]，并且L 型VGCC在此過程起輔助作用，在Piezo1/2 通道的超生理機(jī)械激活后，VGCC 通過軟骨細(xì)胞去極化激活并放大Ca2+信號(hào)。Piezo 機(jī)械敏感性離子通道常用的非特異性拮抗劑包括釕紅、釓三價(jià)離子和南美狼蛛提取物GsMTx-4[17]，特異性Piezo1 激活劑包括Yoda1和Jedi1/2[18,19]。但GsMTx4 對(duì)Piezo1 并非存在完全的阻滯作用，它通過調(diào)節(jié)局部細(xì)胞膜張力間接產(chǎn)生作用，仍需進(jìn)一步研究Piezo 的高效阻滯劑。

在MSC 參與軟骨細(xì)胞機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)的過程中，軟骨細(xì)胞對(duì)復(fù)雜機(jī)械環(huán)境中不同幅度物理刺激的敏感度不盡相同。其具有一套MSC 的分工負(fù)責(zé)機(jī)制：TRPV4 →Piezo1/2 →Piezo2，它們參與了軟骨細(xì)胞由低應(yīng)變到高應(yīng)變的力傳遞過程；TRPV4 →Piezo1/2，參與了軟骨細(xì)胞從高基質(zhì)剛度到低基質(zhì)剛度的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)[20,21]。TRPV4 介導(dǎo)的Ca2+信號(hào)在軟骨細(xì)胞對(duì)正常生理水平應(yīng)變的反應(yīng)中發(fā)揮主要作用，而Piezo2 介導(dǎo)的Ca2+信號(hào)在軟骨細(xì)胞對(duì)損傷水平應(yīng)變的反應(yīng)中起核心作用[22]。此外，TRPV4 和Piezo1 兩者的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)通路彼此分離卻又有重合，它們皆可介導(dǎo)基底扭轉(zhuǎn)激活電流，以響應(yīng)以基底為媒介的細(xì)胞物理信號(hào)輸入過程，但Piezo1 也可響應(yīng)拉伸激活電流，在TRPV4 缺失或不完善時(shí)，進(jìn)行功能代償行為[23]。

三、機(jī)械敏感性離子通道與骨性關(guān)節(jié)炎

OA 是以生物力學(xué)穩(wěn)態(tài)破壞造成軟骨細(xì)胞損傷為核心的慢性退行性關(guān)節(jié)類疾病。正常生理情況下，軟骨組織不受神經(jīng)支配；而在病理狀態(tài)下，OA 關(guān)節(jié)軟骨中的軟骨細(xì)胞作為靶細(xì)胞對(duì)機(jī)械載荷的反應(yīng)顯著改變，伴隨著軟骨細(xì)胞大量凋亡鈣化的同時(shí)，已有的血管網(wǎng)絡(luò)會(huì)從軟骨下骨中向鈣化軟骨層延伸，生長出新的毛細(xì)血管。新生血管的形成還參與了骨贅形成以及周圍神經(jīng)纖維的蔓延。因此異常負(fù)荷模式從而引起了關(guān)節(jié)慢性疼痛的核心癥狀。同時(shí)軟骨中新生血管形成與滑膜中的新生血管形成是各自獨(dú)立病理過程，這提示我們軟骨組織本身也是OA 病理慢性疼痛產(chǎn)生的重要源頭之一。其相關(guān)的疼痛機(jī)制是多因素交織的結(jié)果，其主要基于機(jī)械刺激或MSC 級(jí)聯(lián)軟骨細(xì)胞炎性凋亡通路分泌的炎性細(xì)胞因子激活傷害感受器（Aδ 型和C 型傷害感受器），而導(dǎo)致病理性疼痛閾值改變[24]。

1.機(jī)械性疼痛

頻繁的機(jī)械或溫度刺激易導(dǎo)致外周敏化，可表現(xiàn)為機(jī)體機(jī)械敏感閾值降低，對(duì)機(jī)械刺激的敏感性增加，外周傷害感受器高度興奮，疼痛感增強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn)某些離子通道或受體的分布及功能變化對(duì)外周敏化具有一定影響。TRPV1 可介導(dǎo)包括滲透壓、機(jī)械和溫度在內(nèi)的多重刺激，在周圍神經(jīng)末梢和傷害感受器中皆表達(dá)，同時(shí)于OA疼痛模型中高表達(dá)[25]。在雖然目前有關(guān)TRPV1 機(jī)械痛敏的分子機(jī)制尚不清楚，但應(yīng)用其高選擇性激動(dòng)劑辣椒素可發(fā)生外周敏化現(xiàn)象[26]，在將TRPV1 敲除后會(huì)出現(xiàn)明顯的機(jī)械性刺激閾值降低。同時(shí)，作為同族的TRPV4 在OA 早期疼痛中發(fā)揮作用，參與了C 型傷害感受器對(duì)正常關(guān)節(jié)的有害機(jī)械刺激的反應(yīng)[27]。并且可能是通過背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元的磷酸化而發(fā)生外周敏化，應(yīng)用TRPV4 拮抗劑對(duì)OA 疼痛模型大鼠具有較好鎮(zhèn)痛作用[28]。Piezo2 近年來研究發(fā)現(xiàn)可介導(dǎo)痛覺感受[29,30]并參與有害機(jī)械刺激的轉(zhuǎn)導(dǎo)[31]，但尚無直接研究Piezo2 在骨髓內(nèi)傷害感受器中發(fā)揮功能的報(bào)道。盡管Piezo2 基因敲除后并不能完全阻止傷害感受器轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)械刺激，但它確實(shí)有選擇地降低了Aδ 型纖維機(jī)械傷害感受器的敏感性[32]。有研究證實(shí)膜聯(lián)蛋白A6 作為Ca2+依賴的磷脂結(jié)合蛋白超家族的成員，它的過度表達(dá)抑制了部分由Piezo2 介導(dǎo)的快速適應(yīng)電流，減輕了骨性關(guān)節(jié)炎小鼠模型的機(jī)械疼痛[33]。

2.炎性疼痛

異常的機(jī)械載荷作用于軟骨組織，會(huì)造成關(guān)節(jié)軟骨結(jié)構(gòu)的改變，軟骨細(xì)胞大量凋亡，關(guān)節(jié)發(fā)炎腫脹，炎癥介質(zhì)和促炎細(xì)胞因子傷害感受器，關(guān)節(jié)間質(zhì)液增加，對(duì)關(guān)節(jié)內(nèi)和關(guān)節(jié)外結(jié)構(gòu)施加壓力，從而通過引起囊內(nèi)壓力升高也可直接刺激滑膜傷害感受器或機(jī)械感受器。其本質(zhì)在于MSC 介導(dǎo)下軟骨細(xì)胞凋亡后殘存的ECM 碎片將刺激關(guān)節(jié)內(nèi)環(huán)境，產(chǎn)生大量氧自由基和免疫炎癥因子（白介素-1β、腫瘤壞死因子及前列腺素等），刺激軟骨組織新生血管發(fā)生缺血再灌注損傷，同時(shí)周圍神經(jīng)纖維分泌P 物質(zhì)等增強(qiáng)血管內(nèi)皮細(xì)胞的增殖從而造成惡性循環(huán)，OA疼痛加劇并構(gòu)成外周疼痛敏化。MSC 的表達(dá)與炎癥的嚴(yán)重程度密切相關(guān)，主要依賴級(jí)聯(lián)下游炎性細(xì)胞通路（主要是NF-κB 和JNK/SAPK 信號(hào)通路）。研究發(fā)現(xiàn)TRPV4 可通過介導(dǎo)炎癥NF-κB 信號(hào)通路的激活，上調(diào)基質(zhì)金屬蛋白酶 (matrix metalloproteinases, MMPs)的表達(dá)，促進(jìn)軟骨降解，促進(jìn)疼痛[34]。另外TNF-α 也可通過經(jīng)典MAPK-p38 炎癥通路調(diào)控TRPV4 誘發(fā)疼痛[35]。但目前MSC 與下游炎性細(xì)胞通路的聯(lián)系較為薄弱，理應(yīng)從機(jī)械載荷介導(dǎo)下的細(xì)胞交互網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行深入的研究。

四、總結(jié)

深入了解誘發(fā)OA 的生物力學(xué)機(jī)制對(duì)于確定臨床的干預(yù)目標(biāo)至關(guān)重要。軟骨細(xì)胞是介導(dǎo)OA 疼痛的重要靶細(xì)胞之一。軟骨細(xì)胞的數(shù)量、密度與OA疼痛程度呈明顯負(fù)相關(guān)。同時(shí)軟骨組織是有別于滑膜組織和脂肪組織的另一介導(dǎo)OA 疼痛機(jī)制的獨(dú)立組織來源。在滑膜關(guān)節(jié)中，軟骨組織是最大的機(jī)械敏感型組織，MSC 大部分都定位表達(dá)于軟骨細(xì)胞及新生血管、周圍神經(jīng)纖維表面。因此，MSC 表達(dá)和功能的長期變化是OA 疼痛發(fā)生機(jī)制的關(guān)鍵組成部分，并在軟骨細(xì)胞膜表面逐漸形成了以Piezo 新型機(jī)械敏感性離子通道為核心的第二信使機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，它們可能會(huì)驅(qū)動(dòng)各種慢性疼痛狀態(tài)下的神經(jīng)元過度興奮現(xiàn)象。雖然部分MSC 具體的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制尚不清晰，但及時(shí)的在OA 早期抑制或拮抗相應(yīng)MSC 的活性，能夠很大程度上緩解疼痛的進(jìn)程，抑制軟骨凋亡和新生血管的形成。