關(guān)節(jié)腔滲透壓調(diào)控骨關(guān)節(jié)炎的研究進(jìn)展*

謝俊雄 鄧志欽 張寧峰 李文翠 段莉 王大平

1 骨關(guān)節(jié)炎概述

1.1 骨關(guān)節(jié)炎的基本情況

骨關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）是一種以軟骨退化、骨重建、骨贅形成、關(guān)節(jié)炎癥和正常關(guān)節(jié)功能喪失為特征的關(guān)節(jié)慢性退行性疾病[1]。其臨床主要表現(xiàn)為關(guān)節(jié)的局部疼痛和活動(dòng)受限[2]。OA 是中老年人的常見(jiàn)疾病，好發(fā)于55 歲以上女性人群及65 歲以上男性人群[3]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口老齡化，骨關(guān)節(jié)炎的患者數(shù)量在不斷增加。骨關(guān)節(jié)炎被認(rèn)為是全球致殘的最常見(jiàn)疾病之一。2018年，王斌等[4]通過(guò)對(duì)最近20 余年數(shù)據(jù)進(jìn)行meta 分析，發(fā)現(xiàn)中國(guó)膝骨關(guān)節(jié)炎（knee osteoarthritis，KOA）患病率高達(dá)18%，且疾病負(fù)擔(dān)較重。骨關(guān)節(jié)炎嚴(yán)重影響了患者的生活質(zhì)量，加重了患者的身體負(fù)擔(dān)、心理負(fù)擔(dān)以及經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此，骨關(guān)節(jié)炎在臨床上得到了很大的重視。

1.2 骨關(guān)節(jié)炎的病因及發(fā)病機(jī)制

骨關(guān)節(jié)炎的病因和誘因很多，包括老年、肥胖[5]、創(chuàng)傷、激素、遺傳和炎癥等[6-7]。其病理學(xué)機(jī)制也相當(dāng)復(fù)雜，目前臨床上通常認(rèn)為，骨關(guān)節(jié)炎是因外界因素造成的軟骨細(xì)胞損傷，而導(dǎo)致的以軟骨細(xì)胞代謝紊亂和軟骨退化為特征的關(guān)節(jié)慢性退行性疾病。

1.3 骨關(guān)節(jié)炎的臨床治療

2015年發(fā)表于《柳葉刀》的一篇論文指出，關(guān)節(jié)置換術(shù)是癥狀性終末期疾病的有效治療方法，但功能結(jié)果可能較差且置換假體的壽命有限，因此，轉(zhuǎn)向疾病預(yù)防和早期骨關(guān)節(jié)炎的治療將是抗骨關(guān)節(jié)炎的重點(diǎn)[8]。在臨床上，OA 患者的治療主要分為兩種：保守治療和手術(shù)治療。保守治療能較為有效地緩解患者的痛苦，減輕患者局部疼痛，改善關(guān)節(jié)活動(dòng)[9]。對(duì)于處于OA 晚期的患者和保守治療效果不佳的患者，臨床上通常采取手術(shù)治療，手術(shù)的方式一般為人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)[10]。如今，需要關(guān)節(jié)置換手術(shù)的患者數(shù)量在增加，而手術(shù)治療中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是軟骨缺損的管理[11]。

2 滲透壓

2.1 滲透壓的概述

滲透壓是指溶液中溶質(zhì)微粒對(duì)水的吸引力。溶液滲透壓的大小與無(wú)機(jī)鹽、蛋白質(zhì)的含量有關(guān)，滲透壓的大小取決于液體中溶質(zhì)微粒的數(shù)量。細(xì)胞所處環(huán)境的滲透壓的大小受細(xì)胞外液容量大小影響，水分子進(jìn)出細(xì)胞可以引起細(xì)胞外環(huán)境滲透壓的改變[12]。細(xì)胞可以通過(guò)自身調(diào)節(jié)、無(wú)機(jī)離子和有機(jī)滲透劑來(lái)調(diào)控滲透壓的大小[12]。當(dāng)細(xì)胞處于生理狀態(tài)，滲透壓處于相對(duì)恒定的狀態(tài)。病理狀態(tài)下，在多種因素的共同影響下，細(xì)胞外環(huán)境滲透壓改變，從而損傷細(xì)胞功能甚至誘導(dǎo)細(xì)胞死亡[13]。而關(guān)節(jié)腔中滲透壓的變化同樣受多種因素影響。如關(guān)節(jié)液的理化性質(zhì)、關(guān)節(jié)軟骨膠原網(wǎng)絡(luò)是否完好、炎癥因子等。在一些肥胖患者中，由于體重過(guò)大，關(guān)節(jié)軟骨長(zhǎng)期受壓磨損，膠原網(wǎng)絡(luò)破壞，大量水的外流，可降低關(guān)節(jié)液滲透壓；另有研究指出，滲透壓的變化可激活炎性體NLRP3，活化IL-1 、IL-6 等[14]，這可能是骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生的重要因素。

2.2 滲透壓與骨關(guān)節(jié)炎

據(jù)報(bào)道，健康成人的關(guān)節(jié)滑液滲透壓為（404±57）mOsm/L，而OA 患者的關(guān)節(jié)滑液滲透壓通常為（297±16.9）mOsm/L，明顯低于正常成人。一般細(xì)胞外滲透壓為300 mOsm/L，而正常人關(guān)節(jié)液的滲透壓明顯高于其他種類(lèi)的細(xì)胞，其作用如何，仍未清楚。細(xì)胞外滲透壓的下降誘發(fā)軟骨細(xì)胞體積的腫脹，導(dǎo)致軟骨細(xì)胞死亡[15]，而細(xì)胞腫脹通常是細(xì)胞凋亡的觸發(fā)因素[16]。在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生時(shí)，由于軟骨細(xì)胞中膠原網(wǎng)絡(luò)的破壞，誘發(fā)軟骨含水量增加和軟骨細(xì)胞外滲透壓的下降，誘導(dǎo)細(xì)胞外水分子快速穿過(guò)細(xì)胞膜流入軟骨細(xì)胞，導(dǎo)致細(xì)胞膨脹，誘發(fā)骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生發(fā)展。正常的軟骨細(xì)胞為了對(duì)抗因?yàn)闈B透壓突然降低而導(dǎo)致的軟骨細(xì)胞腫脹，則會(huì)發(fā)生一種容積調(diào)節(jié)性減少（regulatory volume decrease，RVD）的負(fù)反饋機(jī)制，當(dāng)軟骨細(xì)胞暴露于低滲環(huán)境時(shí)，細(xì)胞將會(huì)膨脹，細(xì)胞內(nèi)滲透物如離子、糖和氨基酸流出細(xì)胞后，細(xì)胞體積恢復(fù)到生理狀態(tài)[17]，然而當(dāng)滲透壓改變過(guò)大或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，軟骨細(xì)胞的自我調(diào)節(jié)能力不足以對(duì)抗這種變化。長(zhǎng)時(shí)間的處于低滲環(huán)境下，軟骨細(xì)胞對(duì)于低滲刺激下發(fā)生的RVD 反應(yīng)會(huì)被消除[17]。細(xì)胞將不斷膨脹，從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。而增加細(xì)胞外滲透壓可以增加軟骨細(xì)胞存活率[18]。因此，滲透壓的改變可能是骨關(guān)節(jié)炎（OA）診斷的重要指標(biāo)之一[17]。

2.3 軟骨細(xì)胞與骨關(guān)節(jié)炎

骨關(guān)節(jié)炎是一種以軟骨缺損為特征的退行性疾病，因此，治療骨關(guān)節(jié)炎的關(guān)鍵性問(wèn)題是關(guān)節(jié)軟骨的缺損和難以修復(fù)。關(guān)節(jié)軟骨主要由軟骨細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)兩部分組成，軟骨細(xì)胞作為關(guān)節(jié)軟骨中唯一存在的細(xì)胞，主要功能是通過(guò)分泌蛋白多糖、Ⅱ型膠原以及基質(zhì)金屬蛋白酶等細(xì)胞外基質(zhì)的成分來(lái)維持正常關(guān)節(jié)軟骨的生理功能[19]，軟骨細(xì)胞死亡可以導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨的丟失和功能受損。生理狀態(tài)下，軟骨細(xì)胞通過(guò)促進(jìn)軟骨基質(zhì)的合成與分解代謝保持軟骨細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境的動(dòng)態(tài)平衡，維持軟骨正常的生理代謝和功能。病理狀態(tài)下，由于長(zhǎng)期負(fù)重、機(jī)械損傷等因素，誘發(fā)軟骨細(xì)胞大量分泌炎癥因子，從而引起軟骨細(xì)胞的炎癥性壞死、軟骨基質(zhì)代謝異常，導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨的結(jié)構(gòu)和功能丟失，進(jìn)而誘發(fā)骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生發(fā)展[19]。盡管有部分研究者認(rèn)為關(guān)節(jié)軟骨具有自我修復(fù)的能力，但由于關(guān)節(jié)軟骨上缺少血管的覆蓋，所以關(guān)節(jié)軟骨的自我修復(fù)能力很弱[20]。同時(shí)，絕大多數(shù)的研究者認(rèn)為關(guān)節(jié)軟骨缺乏自我修復(fù)的能力，關(guān)節(jié)軟骨一旦缺失，將無(wú)法愈合，從而造成永久性的損傷[21]。因此，病理狀態(tài)下，軟骨細(xì)胞大量死亡后，關(guān)節(jié)軟骨的缺損難以自我恢復(fù)，導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨功能退化和結(jié)構(gòu)缺損[20]，將可能誘發(fā)骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生發(fā)展。因此，減少軟骨細(xì)胞的損傷和提高軟骨細(xì)胞的自我恢復(fù)功能，是有效延緩甚至改善OA 發(fā)生、發(fā)展的方法。

2.4 滲透壓與軟骨細(xì)胞

滲透壓的變化可以影響細(xì)胞的形態(tài)體積，甚至代謝活動(dòng)[22]。軟骨細(xì)胞生活在相對(duì)復(fù)雜和動(dòng)態(tài)的外環(huán)境之中，對(duì)細(xì)胞外環(huán)境滲透壓的改變相當(dāng)敏感。滲透壓改變可以影響軟骨的細(xì)胞形態(tài)、代謝和生物力學(xué)[23]。同時(shí)，當(dāng)滲透壓改變時(shí)，軟骨細(xì)胞也具有調(diào)節(jié)自身體積來(lái)適應(yīng)滲透壓變化的能力[17]。生理狀態(tài)下，當(dāng)軟骨細(xì)胞處于低滲透壓的外環(huán)境時(shí)，軟骨細(xì)胞由于攝取細(xì)胞外的水而導(dǎo)致軟骨含水量增加，使得細(xì)胞體積變大膨脹[24]，同時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)出溶質(zhì)，與細(xì)胞外環(huán)境形成新的動(dòng)態(tài)平衡，這種細(xì)胞自身調(diào)節(jié)機(jī)制被稱(chēng)為RVD。相反，在高滲透壓的外環(huán)境中，為了維持細(xì)胞內(nèi)外滲透壓平衡，細(xì)胞內(nèi)水分子向細(xì)胞外擴(kuò)散，導(dǎo)致軟骨細(xì)胞體積降低[23]。病理狀態(tài)下，滲透壓的變化超過(guò)了細(xì)胞自我調(diào)節(jié)的閾值。當(dāng)滲透壓逐漸降低，并維持這種低滲外環(huán)境時(shí)，不會(huì)激活RVD 來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞體積變化[25]，細(xì)胞將不斷膨脹直至細(xì)胞死亡。而這種細(xì)胞不斷脹大直至細(xì)胞膜破裂，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)容物的釋放，進(jìn)而激活強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)，被認(rèn)為可能是骨關(guān)節(jié)炎過(guò)程中，軟骨細(xì)胞死亡的主要形式之一[26]，但其機(jī)制仍不明確。

在動(dòng)物模型中，細(xì)胞外環(huán)境的滲透壓對(duì)損傷后的軟骨細(xì)胞具有顯著影響，細(xì)胞外滲透壓降低會(huì)增加軟骨細(xì)胞死亡，而細(xì)胞外滲透壓的增加則具有保護(hù)作用[18,27]。臨床上通常使用人工關(guān)節(jié)液（如玻璃酸鈉）的注射來(lái)延緩骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生發(fā)展。在關(guān)節(jié)鏡手術(shù)的過(guò)程中，為了增加手術(shù)視野的清晰度，通常會(huì)使用人工灌注液（如生理鹽水）來(lái)代替人體中的關(guān)節(jié)滑液。關(guān)節(jié)鏡手術(shù)中使用的人工灌注液的滲透壓范圍為250 ～300 mOsm/L[28]，遠(yuǎn)低于正常人關(guān)節(jié)內(nèi)滲透壓。長(zhǎng)期處于低滲環(huán)境下，會(huì)引起關(guān)節(jié)鏡手術(shù)下軟骨細(xì)胞體積的增加和死亡[28]，因此筆者猜測(cè)，低滲的外環(huán)境會(huì)促進(jìn)軟骨細(xì)胞死亡乃至骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生發(fā)展。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，增加人工關(guān)節(jié)液的滲透壓對(duì)關(guān)節(jié)軟骨是有保護(hù)性的，可以減少代謝抑制和蛋白多糖洗脫，從而減少軟骨細(xì)胞死亡，最終防止軟骨退化和促進(jìn)軟骨修復(fù)，從而促進(jìn)軟骨細(xì)胞存活[28-29]，而降低滲透壓則會(huì)促進(jìn)軟骨細(xì)胞的死亡。因此，筆者猜想，是否可以通過(guò)調(diào)節(jié)滲透壓大小，找到人工關(guān)節(jié)液的最適滲透壓，使損傷的軟骨細(xì)胞死亡率降低，來(lái)延緩骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生發(fā)展的過(guò)程。

2.5 滲透壓與離子通道

2.5.1 細(xì)胞中的離子通道

維持細(xì)胞外或細(xì)胞內(nèi)滲透性變化的恒定，對(duì)維持細(xì)胞體積和維持細(xì)胞基本生理功能至關(guān)重要。同時(shí)，滲透壓也調(diào)控著軟骨細(xì)胞上的各種離子通道（如LRRC8A 氯離子通道）來(lái)間接影響軟骨細(xì)胞的生理代謝[30]。軟骨細(xì)胞內(nèi)含有大量離子通道，包括Na+通道、Ca2+通道、K+通道、Cl-通道。各種類(lèi)型的離子通道在軟骨細(xì)胞中表達(dá)。它們可以通過(guò)調(diào)節(jié)膜電位、軟骨細(xì)胞中Ca2+濃度、調(diào)節(jié)細(xì)胞體積等途徑，調(diào)控軟骨細(xì)胞的軟骨形成、增殖、死亡和細(xì)胞外基質(zhì)的合成代謝和分解代謝[31]。

2.5.2 Cl-通道與骨關(guān)節(jié)炎

在細(xì)胞外滲透壓通過(guò)調(diào)節(jié)離子通道來(lái)完成對(duì)軟骨細(xì)胞調(diào)控的過(guò)程中，Cl-通道對(duì)軟骨細(xì)胞存活至關(guān)重要[31]。軟骨細(xì)胞中的容積敏感性Cl-通道對(duì)于細(xì)胞外滲透壓調(diào)節(jié)的細(xì)胞體積變化和維持膜電位有著重要作用，還介導(dǎo)軟骨細(xì)胞的細(xì)胞收縮和凋亡[30]。同時(shí)，Cl-通道可以通過(guò)調(diào)控膜電位和細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的變化、間接調(diào)節(jié)細(xì)胞體積來(lái)調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞功能，CIC-7 等氯離子通道受損可以顯著增加Ca2+濃度及細(xì)胞死亡[32]。容積敏感性氯離子通道LRRC8A 是RVD 機(jī)制的主要調(diào)控者，可以調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞穩(wěn)態(tài)[30]，在滲透壓變化時(shí)，細(xì)胞體積改變時(shí)，氯離子通道（尤其是LRRC8A 氯離子通道）通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞體積的變化（如RVD）來(lái)維持細(xì)胞的生理功能[30,33]。滲透壓的改變也可以使容積敏感性氯離子通道的異常激活誘發(fā)包括軟骨細(xì)胞在內(nèi)的細(xì)胞凋亡相關(guān)的細(xì)胞收縮[34]。因此筆者推測(cè)軟骨細(xì)胞容積敏感性氯離子通道也可能與OA 有關(guān)。

2.5.3 K+通道與骨關(guān)節(jié)炎

K+通道在細(xì)胞的膜電位的調(diào)控中起主要作用[35]。在關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞中，靜息膜電位主要受Cl-以及K+共同調(diào)控。K+通道對(duì)軟骨細(xì)胞的膜電位的調(diào)控對(duì)于其完整軟骨中的細(xì)胞外環(huán)境的生理變化（如K+濃度、pH 和滲透壓）非常重要。同時(shí)，K+通道在細(xì)胞凋亡過(guò)程中也起著關(guān)鍵性的作用。細(xì)胞皺縮是一個(gè)標(biāo)志，凋亡性體積減少導(dǎo)致的細(xì)胞皺縮，有助于細(xì)胞凋亡的信號(hào)傳導(dǎo)是人體內(nèi)所有細(xì)胞中細(xì)胞凋亡的過(guò)程中必不可少的部分，鉀離子通道在這一過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用[36]。凋亡性細(xì)胞收縮需要穿過(guò)細(xì)胞膜的離子轉(zhuǎn)運(yùn)，細(xì)胞中K+和有機(jī)物的損失有利于細(xì)胞凋亡。是而凋亡性體積減少這一過(guò)程主要通過(guò)激活K+和Cl-通道來(lái)完成。細(xì)胞中K+濃度的降低，可以通過(guò)激活K+和反饋性激活Cl-通道，使Cl-、有機(jī)滲透物和HCO3-的濃度降低，完成了凋亡性細(xì)胞收縮的過(guò)程。因此，細(xì)胞中K+的減少和滲透壓的降低利于細(xì)胞凋亡[36]。在骨關(guān)節(jié)炎患者中，鉀離子通道（BK ）的表達(dá)水平上調(diào)。同樣，通過(guò)免疫組織化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鉀離子通道（BK ）在OA 動(dòng)物模型的關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞中表達(dá)水平上調(diào)[37]。因此筆者推測(cè)鉀氯離子通道也可能與OA 有關(guān)。

2.5.4 Ca2+通道與骨關(guān)節(jié)炎

Ca2+的增加可以啟動(dòng)和調(diào)節(jié)重要的軟骨細(xì)胞功能。人軟骨細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的增加有利于蛋白聚糖和細(xì)胞外基質(zhì)的合成，有利于軟骨細(xì)胞的生長(zhǎng)和增殖分化。Ca2+作為一種主要的細(xì)胞內(nèi)第二信使，可通過(guò)Ca2+通道擴(kuò)增來(lái)促進(jìn)軟骨細(xì)胞的分化、增殖、合成代謝活性，以維持細(xì)胞外基質(zhì)的合成和調(diào)控細(xì)胞凋亡[38]。Ca2+通過(guò)上調(diào)細(xì)胞凋亡相關(guān)蛋白表達(dá)，切割caspase-8，切割caspase-3，切割caspase-6 和切割caspase-7蛋白引發(fā)細(xì)胞凋亡[38]。同時(shí)，Ca2+增加通過(guò)激活鈣/鈣調(diào)蛋白依賴(lài)性蛋白激酶Ⅱ參與OA 的發(fā)展。因此，Ca2+變化的離子通道對(duì)OA 的治療至關(guān)重要[37]。

3 結(jié)語(yǔ)

滲透壓的降低可以通過(guò)調(diào)節(jié)水通道和各種離子通道來(lái)調(diào)控軟骨細(xì)胞凋亡，進(jìn)而誘發(fā)和促進(jìn)了OA 的進(jìn)程。滲透壓可以通過(guò)調(diào)控軟骨細(xì)胞上水通道開(kāi)放來(lái)影響軟骨細(xì)胞體積，推動(dòng)軟骨細(xì)胞死亡；低滲下氯離子通道激活可以通過(guò)調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度，使得軟骨細(xì)胞膨脹死亡；軟骨細(xì)胞中K+濃度的降低后，通過(guò)激活K+和Cl-通道，使Cl-、有機(jī)滲透物和HCO3-反饋性降低，完成了凋亡性體積減少的過(guò)程，促進(jìn)了軟骨細(xì)胞死亡。

綜上，在本文中筆者從滲透壓的角度，簡(jiǎn)要闡述了滲透壓的變化可能對(duì)調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞基質(zhì)合成—分解代謝功能的重要作用，及其在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生發(fā)展中的影響，質(zhì)膜上離子通道的功能、水通道的功能變化與滲透壓的變化密切相關(guān)，這為治療骨關(guān)節(jié)炎提供了新的思路、新的方向。