滑膜巨噬細胞在骨性關節(jié)炎發(fā)病機制中的作用及其潛在性應用研究進展

張虎林 王亮 喻琳 汪小敏 謝澤慧

1.甘肅中醫(yī)藥大學附屬醫(yī)院，甘肅 蘭州 730000 2.甘肅中醫(yī)藥大學，甘肅 蘭州 730000 3.蘭州大學，甘肅 蘭州730000

骨關節(jié)炎(osteoarthritis，OA)是臨床上常見的退行性關節(jié)疾病，其典型特征為關節(jié)軟骨和軟骨下骨改變并伴有滑膜炎癥及骨重塑，是導致關節(jié)疼痛和殘疾的主要原因[1]。流行病學調(diào)查顯示，全世界30 %的普通人口受到骨性關節(jié)炎的影響，它的發(fā)病率隨著預期壽命的增加而上升，隨著中國老齡化社會的到來，預計我國OA患者將顯著增加，這不僅嚴重影響患者的生活質(zhì)量，也給社會醫(yī)療資源帶來巨大壓力[2-3]。由于OA的發(fā)病機制仍未完全清楚，臨床上能夠有效緩解OA病情的藥物較少，晚期患者除了關節(jié)置換手術外缺乏更為滿意的治療方法[4]。近年來，滑膜巨噬細胞在OA發(fā)生機制中的作用越來越明顯，有文獻[5]報道，在OA期間，包括腫瘤壞死因子(TNF-α)、白介素6(IL-6)和白介素1β(IL-1β)在內(nèi)的促炎因子作用于鄰近滑膜并刺激滑膜產(chǎn)生炎癥反應，而巨噬細胞作為關節(jié)滑膜和滑膜液中重要的炎癥細胞，其數(shù)量的增加及不同的極化狀態(tài)在OA發(fā)展過程中起著重要作用。闡明滑膜巨噬細胞在OA發(fā)生發(fā)展過程中的作用機制，對OA的治療及研究將有重要意義。本文就有關滑膜巨噬細胞不同極化狀態(tài)在OA發(fā)生發(fā)展中的作用展開綜述，以期為OA治療及研究帶來新的思路及方向。

1 滑膜炎與OA發(fā)病關聯(lián)

滑膜是存在于關節(jié)囊內(nèi)面的一層含有豐富血管的結(jié)締組織，覆蓋了關節(jié)內(nèi)大部分結(jié)構(gòu)。所有關節(jié)都存在滑膜，正常的滑膜由內(nèi)膜層和內(nèi)膜下層兩個不同的組織層組成，內(nèi)膜層包括兩種細胞，即巨噬細胞樣滑膜細胞和成纖維細胞樣滑膜細胞，起到維持關節(jié)內(nèi)部穩(wěn)態(tài)的作用[6]。滑膜組織的外層又稱內(nèi)膜下層，由纖維結(jié)締組織和血管組成，淋巴細胞或巨噬細胞較少。滑膜的存在致使關節(jié)囊與關節(jié)腔不會發(fā)生粘附，同時滑膜組織會產(chǎn)生纖維酶原激活劑和透明質(zhì)酸兩種物質(zhì)，透明質(zhì)酸在關節(jié)運動時維持恒定的滑液量，與纖維酶原激活劑共同起到保護關節(jié)活動的作用。

滑膜炎癥在OA病理中起作用的概念是在20世紀90年代被提出的，來自超聲和磁共振成像的大量證據(jù)表明，絕大多數(shù)OA患者病程中存在滑膜炎癥[7]。以往的研究[8-9]表明，OA患者的X片病情程度與滑膜炎的嚴重程度有明顯相關性，OA進程中表現(xiàn)出的關節(jié)腫脹和積液的癥狀與滑膜炎癥也有直接關聯(lián)。Smith等[10]在伴有滑膜炎的羊OA模型中通過使用透明質(zhì)酸減輕滑膜炎的程度，發(fā)現(xiàn)OA病情得到了改善，表明滑膜炎與OA有某種聯(lián)系。Krasnokutsk等[11]根據(jù)膝骨性關節(jié)炎Kellgren-Lawrence (KL)分級對膝關節(jié)OA患者分級后發(fā)現(xiàn)，38 %的膝關節(jié)OA患者有分級為2～3級的髕下滑膜炎，KL分級為4級且伴有滑膜炎的患者則高達83 %，表明OA病情的嚴重程度與滑膜炎程度正相關。另有研究發(fā)現(xiàn)，C反應蛋白和軟骨寡聚基質(zhì)蛋白(COMP)作為炎癥的生物標志物，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)其與OA結(jié)構(gòu)病變之間存在相關性，也證實滑膜炎癥與OA的發(fā)生發(fā)展有關。

2 巨噬細胞極化及其作用

巨噬細胞作為人體固有免疫細胞的重要組成部分，廣泛分布在各個器官與組織內(nèi)，不僅在機體特異性免疫和非特異性免疫發(fā)揮相關作用，而且參與機體發(fā)育及維持內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)[12]。巨噬細胞除了在先天免疫中發(fā)揮重要作用外，其表型還表現(xiàn)出高度的可塑性，即根據(jù)所處環(huán)境不同極化為兩種不同亞型的巨噬細胞。巨噬細胞極化是一個涉及PI3K /Akt、JAK / STAT、TLR/NF-κB等多條信號通路的極其復雜過程，通常認為，巨噬細胞在受到不同損傷相關分子模式(DAMPs)或病原相關分子(PAMP)等刺激后，可極化為兩種表型：經(jīng)典激活巨噬細胞(M1型巨噬細胞)和替代激活巨噬細胞(M2型巨噬細胞)[13-15]。當巨噬細胞受到脂多糖(LPS)或干擾素-γ(IFN-γ)等因子刺激時，將轉(zhuǎn)化為M1型巨噬細胞，進而被Toll樣受體(TLR)和膠原樣結(jié)構(gòu)巨噬細胞受體(MARCO)識別，分泌TNF-α、反應性氧中間體以及大量的促炎細胞因子，具有導致機體炎癥反應加重等作用[16-17]。當巨噬細胞受到IL-4或IL-13刺激時，轉(zhuǎn)化為M2型巨噬細胞，被甘露醇受體、清道夫受體(SR-A)、CD163、CD209等識別，其可分泌類抵抗素、白介素10(IL-10)等因子，對炎癥反應起到抑制和促進組織修復等作用[18]。M2型巨噬細胞又可根據(jù)不同的受體表達及功能分為M2a、M2b、M2c、M2d亞型，其中M2a亞型對細胞增殖起到促進作用，M2b亞型有利于細胞成熟及胞外基質(zhì)的合成，M2c具有使炎癥分解的作用，M2d可加速血管生成[19-20]。值得注意的是，這些由M1型和M2型巨噬細胞分泌的促炎或抗炎因子，又分別形成正反饋機制，誘導未極化的巨噬細胞向各自方向轉(zhuǎn)化[21]。

當機體受到創(chuàng)傷或感染時，巨噬細胞首先極化為M1型促炎巨噬細胞，此時分泌TNF-α、白介素1(IL-1)等炎性介質(zhì)和輔助性T細胞TH1和TH17，前者激活包括氧化過程在內(nèi)的抗菌防御機制殺死侵入的病原微生物，后者推動炎癥反應的進程起到保護機體作用[22]。起初極化的M1型巨噬細胞一系列反應對機體是有益的，如果不加控制，則會導致機體受損或加速病情發(fā)展。機體損傷后組織的修復等由極化的M2型巨噬細胞發(fā)揮作用。有研究指出，M2型巨噬細胞的亞型均參與了組織的修復過程，而M2a型在此過程中發(fā)揮主要作用，活化后的M2a型巨噬細胞可增加轉(zhuǎn)化生長因子-β或合成纖維連接蛋白、βIG-H3等細胞外基質(zhì)的成分，兩者經(jīng)一系列過程后最終起到修復組織損傷的作用[23]。

3 滑膜巨噬細胞與OA發(fā)病

滑膜炎是引起關節(jié)病變的重要因素，滑膜內(nèi)巨噬細胞聚集，是滑膜炎的主要形態(tài)學特征[24]。研究表明，活化的巨噬細胞和巨噬細胞產(chǎn)生的促炎因子有助于驅(qū)動OA滑膜中的炎癥和破壞性反應進而導致OA的發(fā)生。葉酸受體可在活化的滑膜巨噬細胞大量表達，99Tcm-EC20(Etarfolatide)是一種葉酸受體特異性分子顯像劑，主要用于非侵入性定位活化的巨噬細胞聚集位點，Kraus等[25]對膝關節(jié)OA患者靜脈注射Etarfolatide顯像劑60 min后，用單光子發(fā)射計算機斷層掃描和高分辨率計算機斷層掃描(SPET/CT)采集冠狀面掃描層的膝關節(jié)圖像，80 min后獲取全身前后平面圖像，然后對每個關節(jié)的Etarfolatide攝取的總體強度進行分級，強度越強表明巨噬細胞活化程度越高。結(jié)果顯示，膝關節(jié)OA患者關節(jié)結(jié)構(gòu)中巨噬細胞被激活，52 %的患者滑膜中有活化狀態(tài)的巨噬細胞。此外，組織學研究也證明OA滑膜組織中巨噬細胞數(shù)量明顯增多，Van等[26]運用免疫化學法對OA患者的滑膜組織進行染色觀察發(fā)現(xiàn)，相對于健康滑膜組織，OA滑膜組織中M1樣和M2樣巨噬細胞表達均有所增加。Blom等[27]通過OA造模對滑膜巨噬細胞作用進行研究，實驗組在OA形成之前去除滑膜巨噬細胞，兩周后對膝關節(jié)進行組織學檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)去除滑膜巨噬細胞后的關節(jié)骨贅形成明顯減少，表明滑膜巨噬細胞與骨贅形成及OA相關病理有關。上述研究均表明活化的滑膜巨噬細胞參與了OA的發(fā)病，但沒有對不同活化狀態(tài)的巨噬細胞在OA中的作用進行分析。

巨噬細胞在受到其所處微環(huán)境的刺激時，可轉(zhuǎn)換為M1樣巨噬細胞和M2樣巨噬細胞，且在OA滑膜組織中均有表達。為探究兩者在OA中的作用，Zhang等[24]通過構(gòu)造小鼠OA模型并誘導滑膜巨噬細胞向不同方向極化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)M1樣巨噬細胞極化小鼠OA模型組中，可出現(xiàn)關節(jié)軟骨退化和骨贅形成等加重OA癥狀的現(xiàn)象，而M2樣巨噬細胞分化小鼠OA模型組中OA癥狀有所減輕。關節(jié)軟骨細胞異常增殖和分化是促進OA發(fā)展的重要因素，有研究發(fā)現(xiàn)，M1型極化的巨噬細胞通過產(chǎn)生白介素-1(IL-1)、白介素-6(IL-6)和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)等促進肥大軟骨細胞的分化紅和成熟，進而導致關節(jié)軟骨的損傷和OA的發(fā)生。此外，M1型極化巨噬細胞可影響間充質(zhì)軟骨干細胞分化參與OA發(fā)病，間充質(zhì)軟骨干細胞是一種可修復軟骨損傷對OA起積極作用的細胞，M1型巨噬細胞通過降低間充質(zhì)軟骨干細胞相關基因的表達抑制了其向軟骨細胞的分化和軟骨修復從而加速OA發(fā)展[28]。Sun等[29]發(fā)現(xiàn)M1型極化巨噬細胞可抑制關節(jié)軟骨細胞的生成導致OA發(fā)生，并通過一系列涉及CD14+滑膜單核細胞/巨噬細胞的實驗進一步檢測了極化巨噬細胞減少軟骨生成的能力。Liu等[30]收集80例膝關節(jié)OA患者和80例健康人(對照組)的滑膜液，采用逆轉(zhuǎn)錄定量PCR方法定量檢測滑膜液中M1巨噬細胞標志物CD11c和M2巨噬細胞標志物CD206的表達情況，發(fā)現(xiàn)與健康對照組相比，OA患者CD11c的表達明顯高于CD208，提示M1巨噬細胞主要存在于OA滑膜液中，同時也發(fā)現(xiàn)OA的發(fā)生與M1/M2型巨噬細胞比例失衡存在關聯(lián)，且OA嚴重程度與失衡程度正相關[31]。綜上，滑膜組織中巨噬細胞與OA發(fā)病有密切關聯(lián)，且極化后的M1型巨噬細胞促進OA的發(fā)生發(fā)展，M2型巨噬細胞對OA具有保護作用。

4 滑膜巨噬細胞極化與OA治療

OA是一種伴有滑膜炎的慢性炎癥，滑膜巨噬細胞作為OA炎癥反應的重要效應細胞，其不同極化狀態(tài)影響著OA的發(fā)展。正常人體內(nèi)巨噬細胞的極化存在動態(tài)平衡，這種平衡對機體健康發(fā)揮著重要作用[7]。抑制未極化的巨噬細胞向M1型極化或調(diào)控M1型巨噬細胞向M2型轉(zhuǎn)化，或許成為一種治療OA的新方法。

4.1 抑制M1型巨噬細胞極化與OA治療

Frugoside(FGS)是從巨鈣藻中分離提取的一種強心苷類化合物，Wang等[32]研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GS可通過抑制巨噬細胞M1極化，從而減少IL-6和TNF-α的分泌，延緩軟骨和細胞外基質(zhì)(ECM)的降解和軟骨細胞肥大，此外FGS也可通過部分下調(diào)miR-155的表達水平抑制巨噬細胞M1極化，延緩OA的發(fā)展。PRP是全血離心和血小板濃縮產(chǎn)生的自體血液產(chǎn)物，Uchiyama等[33]研究發(fā)現(xiàn)，在單核細胞源性巨噬細胞和M1極化巨噬細胞的培養(yǎng)液中添加PRP，發(fā)現(xiàn)PRP抑制M1巨噬細胞極化，促進M2巨噬細胞極化，這些結(jié)果表明PRPs可以通過將關節(jié)中的M1巨噬細胞極化到M2巨噬細胞來改善OA患者的癥狀。MicroRNAs (miRNAs/miRs)是一種小的單鏈RNA，最近一項研究[34]表明microRNA (miR-155-5p)可調(diào)節(jié)膝關節(jié)OA患者滑膜液中的巨噬細胞M1極化和凋亡，研究人員抽取53例膝關節(jié)OA患者的滑膜液標本進行檢測分析，發(fā)現(xiàn)膝關節(jié)OA患者滑膜中的炎性環(huán)境可能通過miR-155-5p/-SOCS1信號通路促進巨噬細胞向M1型方向極化和巨噬細胞凋亡，并推測靶向巨噬細胞極化可能會延緩或阻止OA的進展。Kerschenmeyer等[35]在研究無機化合物硫酸化海藻酸鹽時，發(fā)現(xiàn)其可減少TNFA、CXCL110等M1型巨噬細胞基因表達標志物和降低TNF-α的表達使M1型巨噬細胞極化減少，減少炎性物質(zhì)的表達進而緩解OA的發(fā)展。

4.2 調(diào)控M1型巨噬細胞向M2型轉(zhuǎn)化與OA治療

Zhou等[36]研究發(fā)現(xiàn)，金線蓮的特質(zhì)性成分金線蓮苷，通過NF-κB/MAPK信號通路抑制巨噬細胞中核因子抑制蛋白(IκBα)、磷酸化氨基末端蛋白激酶(p-JNK)、磷酸化細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(p-ERK)、磷酸化絲裂原活化蛋白激酶(p-P38)的磷酸化，將M1型巨噬細胞轉(zhuǎn)化為M2型，降低相關炎性細胞因子的表達，從而減弱OA關軟骨的變性起到治療作用。哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)在巨噬細胞極化過程中起重要作用[37]。mTOR可分為mTORC1和mTORC2兩個復合物，其中mTORC1激活可刺激滑膜M1巨噬細胞極化，從而加劇OA中的軟骨退變和骨贅形成，而mTORC1受到抑制時，M2型巨噬細胞極化增強，減緩OA的發(fā)展。此外，中藥提取物蘿卜硫素可通過調(diào)節(jié)巨噬細胞的可塑性，將M1型巨噬細胞轉(zhuǎn)換為M2型巨噬細胞，白介素IL-4可降低M1型巨噬細胞與M2型巨噬細胞的比值，IL-10刺激巨噬細胞向M2型分化，均對OA起到積極的治療作用[38-40]。Wang等[34]研究發(fā)現(xiàn)，Mg2+與維生素(VC)聯(lián)合可顯著促進滑膜巨噬細胞向M2極化，他們通過給小鼠OA模型注射Mg2+與VC并鑒定6周后滑膜巨噬細胞的表型特征發(fā)現(xiàn)，Mg2++VC治療組與對照組相比，M2樣巨噬細胞標志物CD206比例增加，半定量分析后發(fā)現(xiàn)Mg2++VC在治療后顯著促進滑膜巨噬細胞M2極化，使OA小鼠關節(jié)破壞和疼痛減輕。Lee等[41]研究發(fā)現(xiàn)，Tissue Gene-C (TG-C) 是一種新型的治療OA的細胞和基因療法，可通過誘導M2巨噬細胞對OA發(fā)揮有益作用，他們在OA大鼠關節(jié)內(nèi)注射TG-C發(fā)現(xiàn)其通過引起TGF-β1和IL-10水平升高，誘導M2型巨噬細胞標志物精氨酸酶1的表達，降低M1型巨噬細胞標志物CD86的表達，減輕OA大鼠模型的疼痛并改善了軟骨結(jié)構(gòu)。Zhou等[42]研究發(fā)現(xiàn)，冗余一氧化氮(NO)和過氧化氫(H2O2)是促使巨噬細胞向M1型分化的關鍵因素，在此基礎上，合成了改性咪唑啉骨架-8(ZIF-8)納米顆粒(NPs)，通過調(diào)節(jié)細胞內(nèi)氣體和重編程代謝表型，修飾的NPs使巨噬細胞從促炎M1表型分化為抗炎M2表型，從而減少了有害細胞因子的分泌，表明基于ZIF-8-NPs的氣體調(diào)節(jié)和代謝重編程策略可能為治療OA開辟新的途徑。Xie等[43]研究發(fā)現(xiàn)，α-防御素-1在體外促進M1向M2巨噬細胞極化，通過M2巨噬細胞極化間接對軟骨細胞產(chǎn)生有益作用，在體內(nèi)減輕OA的嚴重程度，可能是OA的一種候選治療方法。

5 總結(jié)與展望

OA是一種常見的退行性關節(jié)疾病，其主要病理特征為關節(jié)軟骨的退化、軟骨下骨改變和骨贅形成，是導致關節(jié)疼痛甚至殘疾的主要原因。OA發(fā)病機制復雜，滑膜巨噬細胞在其發(fā)病機制中起著重要作用。巨噬細胞在其所處微環(huán)境的不同時有兩種不同的極化狀態(tài)，即具有促炎作用的M1型巨噬細胞和抗炎作用的M2型巨噬細胞。在炎癥階段，經(jīng)典活化的M1巨噬細胞被招募并產(chǎn)生高水平的促炎細胞因子和趨化因子，而M2巨噬細胞通過釋放抗炎因子和分泌轉(zhuǎn)化生長因子等逆轉(zhuǎn)炎癥過程。在OA關節(jié)中，M1型和M2型巨噬細胞的平衡被破壞，M1型巨噬細胞的增加促進了OA的發(fā)展。促使未極化的巨噬細胞向M2型極化或調(diào)控M1型巨噬細胞向M2型轉(zhuǎn)化，對抑制OA的發(fā)展起到積極作用。隨著對巨噬細胞極化的研究不斷深入，近年來陸續(xù)發(fā)現(xiàn)如許多靶向調(diào)節(jié)OA滑膜巨噬細胞極化的潛在藥物，如microRNA (miR-155-5p)、雷帕霉素靶蛋白、金線蓮苷、硫酸化海藻酸鹽等，但大都停留在機理研究層面或僅在動物實驗中得到了證實，未在臨床上得到驗證。在以后的研究中，進一步闡明極化巨噬細胞在OA發(fā)病中的機制，尋找更多可抑制M1型巨噬細胞極化或調(diào)控巨噬細胞向M2型極化的藥物并應用于臨床，將對OA的治療具有重要意義。