機(jī)械負(fù)荷對骨關(guān)節(jié)炎中軟骨影響的研究進(jìn)展

雷天潤，鄧榮輝，夏干清，周龐虎

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院骨科，武漢 430060)

骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis，OA)是最常見的退變性關(guān)節(jié)疾病，是導(dǎo)致成年人殘疾和生活質(zhì)量下降的主要原因之一，隨著人口老齡化的進(jìn)展，我國OA發(fā)病率呈逐年上升趨勢[1]。OA的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，與年齡、性別、遺傳、代謝、創(chuàng)傷等因素密切相關(guān)，以軟骨退變、滑膜炎癥、軟骨下骨硬化、骨贅增生為主要特征，最終使受累關(guān)節(jié)功能明顯下降。軟骨作為關(guān)節(jié)的緩沖裝置包圍在骨末端，能減少關(guān)節(jié)運(yùn)動摩擦，并直接承受運(yùn)動中的各類機(jī)械負(fù)荷(如靜水壓、壓縮、剪切力)等。機(jī)械負(fù)荷對維持軟骨穩(wěn)態(tài)十分重要，適度的機(jī)械負(fù)荷能促進(jìn)軟骨生長發(fā)育，增強(qiáng)軟骨細(xì)胞合成代謝反應(yīng)，但異常的機(jī)械負(fù)荷會導(dǎo)致軟骨組織破壞或軟骨細(xì)胞代謝紊亂，使關(guān)節(jié)軟骨退變[2-5]。目前，已針對機(jī)械負(fù)荷作用的靶點(diǎn)開發(fā)出一些治療藥物和治療方法，但理論體系仍不完善，且轉(zhuǎn)化成果有限。因此，總結(jié)機(jī)械負(fù)荷對關(guān)節(jié)軟骨的影響，尋找異常機(jī)械負(fù)荷對關(guān)節(jié)軟骨的作用靶點(diǎn)對提高OA治療效果有重要意義?，F(xiàn)就機(jī)械負(fù)荷對OA中軟骨影響的研究進(jìn)展予以綜述，從機(jī)械負(fù)荷過低以及機(jī)械負(fù)荷過高兩方面闡述機(jī)械負(fù)荷對軟骨的影響及其相關(guān)信號通路，以期為OA診治提供新思路。

1 關(guān)節(jié)軟骨的組成與機(jī)械負(fù)荷作用

關(guān)節(jié)軟骨的非水成分主要有軟骨細(xì)胞、Ⅱ型膠原和蛋白多糖，水與蛋白多糖共價結(jié)合后占關(guān)節(jié)軟骨的70%。根據(jù)膠原纖維的走向，關(guān)節(jié)軟骨從表面到深部分為平行關(guān)節(jié)表面的淺層區(qū)域、隨機(jī)方向的中間區(qū)域和垂直關(guān)節(jié)表面的深層區(qū)域，深層區(qū)域向下為潮汐線分割的礦化第四區(qū)域[6]。淺層的軟骨往往形變最大，直接承受了關(guān)節(jié)的機(jī)械負(fù)荷，為平行纖維提供了較高的抗張能力，此區(qū)域內(nèi)軟骨細(xì)胞表達(dá)的蛋白多糖也起到潤滑作用；中間區(qū)域?qū)ω?fù)荷的傳導(dǎo)起到緩沖作用，使機(jī)械負(fù)荷能均勻傳導(dǎo)到下層，在淺層區(qū)域產(chǎn)生裂縫時也起到一定緩沖作用，阻止裂縫向下蔓延；深層區(qū)域所含的蛋白多糖對水的親和力較高，以透明質(zhì)酸為骨架形成的“瓶刷結(jié)構(gòu)”具有良好的壓縮性能，但是縱行的Ⅱ型膠原纖維限制了這些結(jié)構(gòu)的過度膨脹，因此深層區(qū)域軟骨更能抵抗壓縮力，在傳導(dǎo)上層機(jī)械負(fù)荷時保持穩(wěn)定[7-8]。

在生理?xiàng)l件下，正常機(jī)械負(fù)荷反復(fù)刺激軟骨組織，既可維持關(guān)節(jié)軟骨的形態(tài)也可促進(jìn)軟骨細(xì)胞的正常代謝；當(dāng)關(guān)節(jié)軟骨機(jī)械負(fù)荷異常改變時，軟骨基質(zhì)可能直接受損，細(xì)胞外基質(zhì)發(fā)生過度壓縮或膨脹，軟骨細(xì)胞通過自身的初級纖毛感受壓力的變化，并通過多種通路加強(qiáng)軟骨的分解代謝，減弱合成代謝[9]。

2 機(jī)械負(fù)荷過低

機(jī)械負(fù)荷過低常見于下肢外傷、脊髓損傷、髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良以及航天低重力環(huán)境，重力負(fù)荷不足和肌肉收縮力量缺乏是導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨機(jī)械負(fù)荷過低的最主要因素[10]。

2.1機(jī)械負(fù)荷過低對軟骨的影響 多項(xiàng)對脊髓損傷以及踝關(guān)節(jié)骨折患者進(jìn)行限制活動及增加活動的隊(duì)列研究顯示，在關(guān)節(jié)缺少正常負(fù)荷以及運(yùn)動的情況下，膝關(guān)節(jié)及髖關(guān)節(jié)軟骨的厚度顯著降低[11-12]。Findikoglu等[13]對68例脊髓損傷患者進(jìn)行臨床橫斷面研究，采用酶聯(lián)免疫吸附法檢測尿液Ⅱ型膠原的C端肽水平評估患者軟骨降解情況，發(fā)現(xiàn)無活動患者Ⅱ型膠原的C端肽水平顯著高于早期每日活動患者，認(rèn)為廢用導(dǎo)致的機(jī)械負(fù)荷過低可促進(jìn)軟骨降解，是早期OA的誘因之一。

動物實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步揭示了機(jī)械負(fù)荷過低的具體影響，Nomura等[14]對下肢固定法和尾部懸吊法小鼠模型的研究發(fā)現(xiàn)，除軟骨總層及未鈣化層減少外，下肢固定和尾部懸吊實(shí)驗(yàn)組小鼠還表現(xiàn)出軟骨下骨萎縮、破骨細(xì)胞入侵軟骨層、未鈣化軟骨層中蛋白聚糖含量下降以及軟骨組織中堿性磷酸酶、基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)13表達(dá)增加，進(jìn)一步證明負(fù)荷過低影響了軟骨細(xì)胞代謝。由此可見，過低的機(jī)械負(fù)荷一般通過影響軟骨細(xì)胞使軟骨分解加速，或通過影響軟骨下骨的生長穩(wěn)態(tài)破壞軟骨。綜上，骨科創(chuàng)傷性疾病仍是機(jī)械負(fù)荷過低的主要原因，但其導(dǎo)致的不良影響可通過增強(qiáng)肢體功能鍛煉與合理的康復(fù)運(yùn)動而部分逆轉(zhuǎn)。

2.2機(jī)械負(fù)荷過低的信號通路 由于機(jī)械負(fù)荷過低的致病因素較少且所造成的影響可恢復(fù)性較高，目前對于過低機(jī)械負(fù)荷的信號研究并不多見，主要集中于初級纖毛的下游作用點(diǎn)以及軟骨細(xì)胞的表面受體。

2.2.1Cbp/p300相關(guān)反式激活因子2(Cbp/p300 interacting transactivator with ED-rich tail 2，CITED2) CITED2基因位于第6號染色體，其在心臟、腎上腺、腦、軟骨中均有表達(dá)[15]，與神經(jīng)發(fā)育、心臟發(fā)育、腫瘤、細(xì)胞缺氧反應(yīng)息息相關(guān)[16-18]，其與機(jī)械負(fù)荷相關(guān)，并與MMP呈負(fù)相關(guān)[19-21]。He等[9]研究認(rèn)為，軟骨細(xì)胞上感受壓力的初級纖毛能調(diào)控CITED2基因的表達(dá)，推測初級纖毛感受到壓力后通過細(xì)胞外ATP介導(dǎo)Ca2+內(nèi)流，胞外信號調(diào)節(jié)激酶1/2磷酸化后激活CITED2表達(dá)，再通過與MMP交互激活因子成紅細(xì)胞白血病病毒E26癌基因同系物1競爭，結(jié)合輔激活因子p300，從而抑制MMP的產(chǎn)生。He等[22]用固定化的方法建立小鼠關(guān)節(jié)機(jī)械負(fù)荷過低模型，發(fā)現(xiàn)軟骨組織中CITED2表達(dá)水平下降，MMP-13增加，通過適度運(yùn)動以及應(yīng)用白細(xì)胞介素-4能夠重新恢復(fù)其表達(dá)，并減少M(fèi)MP-13產(chǎn)生。但CITED2能否抑制核因子κB產(chǎn)生MMP仍需要進(jìn)一步探索。綜上，CITED2處在軟骨細(xì)胞的機(jī)械負(fù)荷感應(yīng)調(diào)控軸的下游，對于控制MMP的產(chǎn)生有一定作用，但MMP的產(chǎn)生途徑較多，對作用于CITED2單一手段的抑制效果可能并不理想。

2.2.2低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白(lipoprotein receptor-related protein，LRP) Wnt信號通路是一類高度保守的信號通路，其組成包括配體、調(diào)節(jié)蛋白、跨膜受體以及核內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子[23]，在細(xì)胞增殖、分化、衰老中起重要作用[24]，其中經(jīng)典的Wnt/β聯(lián)蛋白信號通路與關(guān)節(jié)軟骨發(fā)育和OA發(fā)展密切相關(guān)，異常激活的Wnt/β聯(lián)蛋白信號通路可導(dǎo)致軟骨組織中蛋白多糖基質(zhì)丟失以及軟骨細(xì)胞凋亡[25]。LRP是一組進(jìn)化保守的受體，可以調(diào)節(jié)多種途徑，包括經(jīng)典的Wnt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，其中LRP4、LRP5和LRP6是該受體家族的3個突變成員[26]。Nordberg等[5]在微重力環(huán)境下培養(yǎng)軟骨細(xì)胞，通過建立后肢懸吊小鼠模型模擬關(guān)節(jié)軟骨機(jī)械負(fù)荷過低狀態(tài)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，機(jī)械負(fù)荷可通過上調(diào)軟骨細(xì)胞中LRP的表達(dá)激活Wnt信號通路，低負(fù)荷組LRP5、LRP6的表達(dá)水平均升高，聚集蛋白聚糖、Ⅱ型膠原蛋白表達(dá)下降，且β聯(lián)蛋白表達(dá)被激活；而LRP4表達(dá)略降低，其具體機(jī)制有待深入研究。

Wnt信號通路在骨與關(guān)節(jié)生長發(fā)育過程中的作用復(fù)雜，Wnt信號通路的激活可損害軟骨細(xì)胞，也能促進(jìn)骨骼生長和重塑[27]，在骨骼發(fā)育及修復(fù)中起重要作用。因此，充分了解Wnt信號通路的雙重作用，使其在與關(guān)節(jié)組織中特異性表達(dá)可能是開發(fā)高靶向性藥物的研究重點(diǎn)。

3 機(jī)械負(fù)荷過高

機(jī)械負(fù)荷過高多見于肥胖所致步態(tài)變化對關(guān)節(jié)壓力的改變以及外傷、畸形所致的關(guān)節(jié)穩(wěn)定性紊亂[28-29]，過度運(yùn)動可導(dǎo)致成年人關(guān)節(jié)的機(jī)械負(fù)荷過高，是誘發(fā)OA的因素之一[30]，有12%～22%的膝OA患者病因?yàn)闄C(jī)械負(fù)荷過高[31]。

3.1機(jī)械負(fù)荷過高對軟骨的影響 長期肥胖是OA發(fā)病的危險(xiǎn)因素之一，可導(dǎo)致關(guān)節(jié)機(jī)械負(fù)荷增加[32]。一項(xiàng)Meta分析顯示，體質(zhì)指數(shù)與膝OA風(fēng)險(xiǎn)之間具有明顯的非線性劑量-反應(yīng)關(guān)系，且女性更高[33]。Mononen等[34]利用計(jì)算建模的新算法模擬膝OA的發(fā)展過程，發(fā)現(xiàn)肥胖組膝關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值顯著高于體重正常組，若最大主應(yīng)力過大，軟骨的膠原網(wǎng)絡(luò)剛度會迭代地降低；隨訪4年顯示，肥胖組脛股關(guān)節(jié)表面區(qū)域軟骨膠原丟失更明顯。對體質(zhì)指數(shù)正常膝OA患者的研究發(fā)現(xiàn)，膝關(guān)節(jié)外翻、膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻、既往關(guān)節(jié)損傷均可導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)相應(yīng)區(qū)域的機(jī)械負(fù)荷增加，并增加該區(qū)域的軟骨損傷風(fēng)險(xiǎn)[35-38]。Mündermann等[39]發(fā)現(xiàn)，對于下肢OA患者，機(jī)械負(fù)荷增加會加速關(guān)節(jié)軟骨退變及疾病進(jìn)展。

Hosseini等[40]對體外牛軟骨組織的研究顯示，隨著機(jī)械負(fù)荷增加，軟化是最早的軟骨組織損傷表現(xiàn)，其次是膠原丟失以及組織裂紋；當(dāng)輕度機(jī)械負(fù)荷增加導(dǎo)致軟骨組織軟化時，膠原蛋白含量未出現(xiàn)下降，而后續(xù)膠原丟失最早發(fā)生在軟骨組織的表層；裂紋首先在軟骨組織表層沿平行表面方向產(chǎn)生，隨后發(fā)展為縱向的放射狀。Bartell等[41]對牛軟骨組織施加機(jī)械沖擊后發(fā)現(xiàn)，過載區(qū)域以及裂痕處出現(xiàn)大量細(xì)胞凋亡，推測表層組織較下層更為柔軟，因此承受了更大形變，導(dǎo)致?lián)p傷優(yōu)先形成。因此，過高的機(jī)械負(fù)荷主要通過直接損傷軟骨組織影響軟骨細(xì)胞代謝，使關(guān)節(jié)軟骨退變。與機(jī)械負(fù)荷過低相比，過度的機(jī)械負(fù)荷造成的損傷更直觀，且由于軟骨細(xì)胞的生長特性，被破壞的軟骨組織往往難以修復(fù)，因此機(jī)械負(fù)荷過高是關(guān)節(jié)退行性病變中的主要機(jī)械因素，通過多種方式矯正過度的機(jī)械負(fù)荷是預(yù)防關(guān)節(jié)退行性病變的有效措施。

3.2機(jī)械負(fù)荷過高的作用靶點(diǎn)及機(jī)制 過高的機(jī)械負(fù)荷是軟骨細(xì)胞機(jī)械應(yīng)力的主要研究方向，其中機(jī)械負(fù)荷作用靶點(diǎn)及其作用機(jī)制較多，如軟骨細(xì)胞膜上的各類離子通道、細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激以及細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的微RNA(microRNA,miRNA/miR)等。

3.2.1鈣離子通道

3.2.1.1壓電型機(jī)械感離子通道組件(piezo type mechanosensitive ion channel component，PIEZO) PIEZO能直接被機(jī)械負(fù)荷激活，使Ca2+內(nèi)流，包括PIEZO1和PIEZO2[42]。Lee等[43]發(fā)現(xiàn)，PIEZO1和PIEZO2在軟骨細(xì)胞中穩(wěn)定表達(dá)，并能介導(dǎo)快速機(jī)械刺激下Ca2+瞬時內(nèi)流，經(jīng)過度機(jī)械負(fù)荷處理的軟骨細(xì)胞中存在大量Ca2+內(nèi)流，處理區(qū)域細(xì)胞凋亡顯著提升，應(yīng)用PIEZO通道拮抗劑可減少細(xì)胞外Ca2+內(nèi)流，保護(hù)軟骨細(xì)胞。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，白細(xì)胞介素-1α刺激后，OA軟骨中PIEZO1表達(dá)上調(diào)，進(jìn)一步增加了軟骨細(xì)胞的機(jī)械敏感性，使其更易受到機(jī)械損傷[44]。

3.2.1.2瞬時受體電位香草酸亞型(transient receptor potential vanilloid，TRPV) TRPV是一類具有高度Ca2+選擇性的離子通道，包括TRPV1～6，其中TRPV4能介導(dǎo)生理?xiàng)l件下機(jī)械負(fù)荷的信號[45]。Xu等[46]發(fā)現(xiàn)，過度的機(jī)械負(fù)荷能通過TRPV4使Ca2+內(nèi)流增加，誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞凋亡。Wei等[47]則發(fā)現(xiàn)，TRPV5在OA關(guān)節(jié)軟骨中上調(diào)，并可能通過活化鈣/鈣調(diào)蛋白激酶Ⅱ引起胞外信號調(diào)節(jié)激酶1/2、c-Jun氨基端激酶、p38三者的磷酸化，從而激活促分裂原活化的蛋白激酶。此外，活化的磷酸化鈣/鈣調(diào)蛋白激酶Ⅱ還能誘導(dǎo)蛋白激酶B的磷酸化，激活哺乳動物雷帕霉素靶蛋白通路，通過上述兩條通路誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞凋亡。上述兩類鈣離子通道的作用相近，但存在區(qū)別。TRPV通道更多在長期、廣泛的機(jī)械負(fù)荷轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮作用，如長期高負(fù)荷的關(guān)節(jié)內(nèi)環(huán)境改變；而PIEZO則更多在機(jī)械負(fù)荷激變中啟動，且更加靈敏，在創(chuàng)傷中作用更大，因此對不同原因?qū)е碌母邫C(jī)械負(fù)荷，應(yīng)行選擇性的針對性研究。

3.2.2氧化應(yīng)激 軟骨細(xì)胞主要通過糖酵解途徑產(chǎn)生ATP，生理?xiàng)l件下的機(jī)械負(fù)荷使線粒體發(fā)生形變并釋放活性氧類(reactive oxygen species，ROS)，ROS作為氧化劑支持糖酵解合成ATP[48-49]。有研究顯示，機(jī)械負(fù)荷過度的牛軟骨組織早期即出現(xiàn)線粒體損傷，導(dǎo)致線粒體膜通透性增加、膜電位改變，從而引發(fā)氧化呼吸鏈障礙、質(zhì)子泄露以及過多ROS產(chǎn)生[50-51]。一方面，多余的ROS誘導(dǎo)線粒體DNA受損，促進(jìn)細(xì)胞衰老，并通過上調(diào)miR-146a表達(dá)結(jié)合超氧化物歧化酶2的3′非翻譯區(qū)，減少超氧化物歧化酶2信使RNA表達(dá)，降低ROS清除率。另一方面，ROS還可作為第二信使促進(jìn)氧化還原敏感通路的激活，包括核因子κB通路以及促分裂原活化的蛋白激酶通路，促進(jìn)細(xì)胞表達(dá)多種炎癥因子(如白細(xì)胞介素-6、腫瘤壞死因子-α以及MMP)，引發(fā)細(xì)胞凋亡及軟骨基質(zhì)降解。有研究發(fā)現(xiàn)，在軟骨損傷早期應(yīng)用線粒體保護(hù)劑(如微保護(hù)肽SS-31、魚藤酮)可以減少ROS產(chǎn)生，減輕甚至逆轉(zhuǎn)線粒體損傷，從而保護(hù)軟骨[52-53]。

目前，氧化應(yīng)激在OA中的研究也十分廣泛，研究主要集中在新型治療方法的應(yīng)用上，如使用分子藥物、仿生酶、化學(xué)方法直接消除多余ROS或減少其產(chǎn)生，以治療OA。有些療法在細(xì)胞及動物層面取得了一定效果，但其臨床應(yīng)用的生物安全性以及療效仍不明確。

4 小 結(jié)

OA作為一種關(guān)節(jié)退行性疾病給患者造成了巨大的痛苦和不便，其較高的患病率也為社會和家庭造成了沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。過高或過低的機(jī)械負(fù)荷對軟骨的影響均可促進(jìn)OA進(jìn)展，因此保持適度的機(jī)械負(fù)荷有利于軟骨健康、延緩疾病進(jìn)展。因此，糾正關(guān)節(jié)的不利機(jī)械負(fù)荷以及尋找機(jī)械負(fù)荷介導(dǎo)通路的治療靶點(diǎn)對OA的預(yù)防與治療有重要意義。已存在的軟骨損傷會改變軟骨組織的調(diào)節(jié)能力和物理特性，故評估軟骨損傷患者合適的機(jī)械負(fù)荷值應(yīng)引起重視。尋找調(diào)節(jié)患者日常活動及勞動中關(guān)節(jié)負(fù)荷的輔助手段，如用外部裝置調(diào)整步態(tài)或增強(qiáng)肌肉力量，能為延緩患者疾病進(jìn)展并減少關(guān)節(jié)疼痛提供新的方法。目前，我國OA的治療仍以傳統(tǒng)藥物(如非甾體抗炎藥、糖皮質(zhì)激素)治療為主，新型藥物(如靶向藥物、基因治療)十分少見，因此針對機(jī)械負(fù)荷介導(dǎo)的通路開發(fā)新的靶向藥物或基因治療靶點(diǎn)也將為OA的診治提供新思路。