軟骨下骨病變在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病進(jìn)程中的作用

韋 冰 李學(xué)飛 吳連國

骨關(guān)節(jié)炎是一種常見的慢性、退行性骨病之一，在全世界范圍內(nèi)骨關(guān)節(jié)炎患者高達(dá)5 億人次，并呈逐年上升趨勢[1]。骨關(guān)節(jié)炎的病理變化復(fù)雜，包括滑膜炎癥、增生、關(guān)節(jié)軟骨損傷、生物力學(xué)失衡、軟骨下骨塌陷、硬化以及骨贅形成[2]。雖然骨關(guān)節(jié)炎長期以來被認(rèn)為是一種滑膜和關(guān)節(jié)軟骨相關(guān)的原發(fā)性疾病，但軟骨下骨的穩(wěn)態(tài)和重塑對骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生、發(fā)展的貢獻(xiàn)逐漸引起研究人員的興趣[3]。顯微成像技術(shù)的發(fā)展揭示了軟骨下骨在骨關(guān)節(jié)炎早期骨丟失，骨小梁退化到骨關(guān)節(jié)炎晚期骨小梁硬化，軟骨下骨骨囊腫、微骨折，并最終導(dǎo)致軟骨破壞的這一動態(tài)過程[4]。了解軟骨下骨在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生發(fā)展過程中的病理機(jī)制，為早期防治骨關(guān)節(jié)炎提供新的思路。

1 軟骨下骨結(jié)構(gòu)和功能

膝關(guān)節(jié)解剖呈現(xiàn)從關(guān)節(jié)面到骨骼的淺、中、深的層狀結(jié)構(gòu)，由淺入深粗略的分為關(guān)節(jié)軟骨、鈣化軟骨和軟骨下骨。軟骨下骨位于鈣化軟骨下方，由淺入深又分為軟骨下皮質(zhì)骨和軟骨下骨小梁[5]。軟骨下皮質(zhì)骨是一層薄薄的皮質(zhì)骨板，它表面具有一定的通透性，使軟骨下骨小梁中的血管、神經(jīng)到達(dá)鈣化軟骨。軟骨下皮質(zhì)骨的功能主要是為關(guān)節(jié)軟骨提供支撐作用以及連接軟骨下骨小梁與鈣化軟骨的通道[6]。雖然作為支撐作用，但其硬度較低于四肢長干骨的皮質(zhì)骨[3]。軟骨下骨小梁位于軟骨下皮質(zhì)骨板以下，其空隙率較高，代謝旺盛，里面具有豐富的神經(jīng)、血管和骨髓[7]。軟骨下骨小梁的功能主要為吸收負(fù)荷和營養(yǎng)軟骨等。正常關(guān)節(jié)中的關(guān)節(jié)軟骨、鈣化軟骨、軟骨下皮質(zhì)骨和軟骨下骨小梁共同構(gòu)成了一個關(guān)節(jié)的“減震裝置”，在關(guān)節(jié)運(yùn)動期間負(fù)責(zé)支撐和吸收載荷作用。該“減震裝置”能夠動態(tài)適應(yīng)施加在關(guān)節(jié)上的機(jī)械壓力，但是關(guān)節(jié)軟骨和軟骨下骨的適應(yīng)力差異較大，對于機(jī)械損傷，軟骨下骨能通過骨重塑快速地由新骨替代破損骨而建立一個穩(wěn)定的生理狀態(tài)，關(guān)節(jié)軟骨卻不能較快地更新[8]。

2 骨關(guān)節(jié)炎中軟骨下骨的病理改變

在骨關(guān)節(jié)炎中關(guān)節(jié)軟骨與軟骨下骨病理改變的先后一直備受爭議。但二者在組織形態(tài)和病理改變中密切相關(guān)[9]。直到1984 年，Radin 教授以膝骨關(guān)節(jié)炎兔子為模型，通過骨掃描和生物標(biāo)記技術(shù)觀測骨關(guān)節(jié)炎早期關(guān)節(jié)軟骨和軟骨下骨的組織學(xué)、組織形態(tài)學(xué)變化，發(fā)現(xiàn)早期的軟骨下骨變化先于關(guān)節(jié)軟骨出現(xiàn)病理改變。在骨關(guān)節(jié)炎的不同階段，軟骨下骨的病理改變各不相同，主要包括軟骨下骨微骨折，軟骨下骨骨水腫，骨囊腫形成以及軟骨下骨硬化等病理特征。在骨關(guān)節(jié)炎早期，主要病理變化為骨重塑主導(dǎo)的軟骨下骨小梁的改變。以家兔構(gòu)建骨關(guān)節(jié)炎模型發(fā)現(xiàn)在骨關(guān)節(jié)炎早期隨著巨噬細(xì)胞浸潤和破骨細(xì)胞的過度活化，軟骨下骨小梁數(shù)量變少，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯改變，具體表現(xiàn)為骨小梁間距變大，空隙變多，在橫截面觀察骨小梁出現(xiàn)更多的間距和受損的網(wǎng)絡(luò)，說明早期骨小梁發(fā)生了明顯的骨折，此時(shí)的軟骨下皮質(zhì)骨板變得更薄，空隙率增加更明顯，礦物質(zhì)/基質(zhì)比逐漸增加。使用掃描電鏡發(fā)現(xiàn)軟骨下皮質(zhì)骨的膠原纖維表面粗糙，排列稀疏，間隙明顯擴(kuò)大[10-11]。早期的關(guān)節(jié)軟骨形態(tài)結(jié)構(gòu)改變不顯著，僅表現(xiàn)為蛋白多糖，尤其是硫酸化糖胺聚糖含量的逐漸降低，但是早期骨關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)軟骨中白介素-1β（IL-1β）和金屬蛋白酶-13（MMP-13）水平明顯升高[11-12]。雖然尚未完全了解骨關(guān)節(jié)炎早期軟骨下骨病理改變潛在機(jī)制，但與以成骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨形成和以破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收之間的失衡、軟骨下毛細(xì)血管異常增加、軟骨與軟骨下骨串?dāng)_增強(qiáng)密切相關(guān)[3，13]。在骨關(guān)節(jié)炎晚期階段，主要病理變化以軟骨下骨硬化為主。微觀結(jié)構(gòu)以軟骨下骨小梁變厚，間距變小，由原來的棒狀骨小梁轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍫罟切×篬14]。骨髓水腫被認(rèn)為是在MR 中評估骨關(guān)節(jié)炎嚴(yán)重程度及預(yù)后的結(jié)構(gòu)化指標(biāo)[15]。隨著骨體積分?jǐn)?shù)的增加，軟骨下皮質(zhì)骨以下區(qū)域則逐漸出現(xiàn)骨髓水腫樣改變。骨關(guān)節(jié)炎后期，骨髓水腫容易進(jìn)展為軟骨下骨囊腫。軟骨下骨囊腫的出現(xiàn)原因目前認(rèn)為可能與失衡的骨重塑和骨礦化增高有關(guān)。一項(xiàng)3D 模擬發(fā)現(xiàn)軟骨下骨多發(fā)性囊腫通過增加骨應(yīng)力效應(yīng)和外周囊腫擴(kuò)張趨勢進(jìn)一步惡化病情，增加膝關(guān)節(jié)置換風(fēng)險(xiǎn)[16]。此外，對膝關(guān)節(jié)置換后的標(biāo)本進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)晚期骨關(guān)節(jié)炎成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞、骨細(xì)胞中MMP-1 的表達(dá)有助于骨關(guān)節(jié)的病理組織重塑和軟骨改變，與軟骨下骨囊腫的形成密切相關(guān)。軟骨下骨的一系列改變將加重關(guān)節(jié)軟骨的破損。此外，盡管軟骨下骨“硬化”，但這種“硬化”是一種假象，本質(zhì)為快速的骨重塑：膠原比降低導(dǎo)致了軟骨下骨的礦化不足，剛度下降，當(dāng)承載機(jī)械負(fù)荷時(shí)軟骨下骨更容易破壞。

3 軟骨下骨相關(guān)通路

自從外科手術(shù)成功構(gòu)建小鼠骨關(guān)節(jié)炎模型以來，對骨關(guān)節(jié)炎的病理機(jī)制研究更加透徹，如炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激、免疫、自噬、生物力學(xué)失衡、衰老、表觀遺傳等機(jī)制[17-19]，涉及主要分子和通路包括Notch 通路，NF-κB 通路，TGFβ 信號通路，Wnt/β-Catenin 信號通路以及MAPK 信號通路等[20-24]。在這里我們主要探討兩個多功能信號通路OPG/RANKL/RANK 通路和SDF-1/CXCR4 通路，以便闡明軟骨下骨病變對骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生發(fā)展的作用。

3.1 OPG/RANKL/RANK 信號通路與骨關(guān)節(jié)炎 骨保護(hù)素（OPG）/核因子kappa-B 配體的受體激活劑（RANKL）/NF-κB 受體激活劑（RANK）是腫瘤壞死因子（TNF）和TNF 受體超家族成員，與免疫、骨穩(wěn)態(tài)、炎癥、癌癥等密切相關(guān)[25-26]。OPG 首先從小鼠骨髓基質(zhì)細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，是一種二聚體形式的誘餌蛋白，目前認(rèn)為其主要由成骨細(xì)胞、B 細(xì)胞分泌。在骨重塑過程中OPG 可以競爭性得與RANKL 結(jié)合，減少破骨細(xì)胞前體的成熟、分化，減少骨量丟失[27]。RANKL 是由成骨細(xì)胞譜系細(xì)胞產(chǎn)生的一種Ⅱ型膜蛋白，在骨重塑過程中RANKL 促進(jìn)骨髓中破骨細(xì)胞提前的增值和全身循環(huán)的數(shù)量，另一方面，RANKL 促進(jìn)破骨細(xì)胞提前在發(fā)炎的骨關(guān)節(jié)附近堆積，RANKL 與其受體RANK 結(jié)合導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)軟骨下骨破骨細(xì)胞前體分化為成骨破骨細(xì)胞，導(dǎo)致軟骨下骨骨量丟失。RANK是位于破骨細(xì)胞前體或成熟破骨細(xì)胞表面的Ⅰ型跨膜蛋白，當(dāng)RANKL 與RANK 結(jié)合成為RANKLRANK 復(fù)合體后將激活破骨細(xì)胞內(nèi)部一系列因子，發(fā)揮成熟破骨細(xì)胞骨吸收的作用[28]。

腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子（TRAF）家族是OPG/RANKL/RANK 信號通路下游重要因子，與軟骨下骨病理改變引起的骨關(guān)節(jié)炎關(guān)系密切[29]。當(dāng)RANKL 激活RANK 時(shí)破骨細(xì)胞內(nèi)的TRAF 即被募集。TRAF6 是響應(yīng)RANK 的關(guān)鍵信號因子，已經(jīng)證明在破骨細(xì)胞內(nèi)TRAF6 可激活有絲分裂原活化蛋白激酶（MAPK）p38/JNK[30]，Akt/PKB 以及響應(yīng)RANK信號的典型NF-κB 通路。TRAF6 與MAPK 激 酶TAK1 的蛋白TAB2 構(gòu)成TRAF6-TAB2-TAK1 三聯(lián)體，進(jìn)而激活MAPKs 誘導(dǎo)骨量減少和軟骨破損。此外，TRAF6 增強(qiáng)c-Src 的激酶活性，導(dǎo)致下游信號分子（如c-Cbl）酪氨酸磷酸化，導(dǎo)致Akt/PKB 激活。長期以來，NF-kB 被認(rèn)為是炎癥信號通路，參與骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病的關(guān)鍵信號因子[31]。

總之，OPG/RANKL/RANK 信號通路在骨關(guān)節(jié)炎的病理過程中通過多種途徑調(diào)節(jié)軟骨下骨的骨重塑，減少骨量丟失，對早期骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生發(fā)展具有重要作用。

3.2 Wnt/β-Catenin 信號通路與骨關(guān)節(jié)炎 Wnt/β-Catenin 信號在骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)展過程中具有相反的雙重作用。適當(dāng)水平的β-Catenin 對于軟骨穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。對β-Catenin 信號的抑制或過度表達(dá)會擾亂軟骨細(xì)胞表型，促進(jìn)軟骨細(xì)胞凋亡和軟骨破壞。此外，人類骨關(guān)節(jié)炎軟骨中Wnt 信號激動劑的表達(dá)增加可能通過上調(diào)MMP 和聚集蛋白聚糖酶來加速軟骨降解。除了調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞存活，Wnt/β-catenin 信號通路通過調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞功能來參與骨骼發(fā)育和體內(nèi)平衡。研究表明，適當(dāng)?shù)臋C(jī)械負(fù)荷可通過激活Wnt/β-catenin 信號傳導(dǎo)促進(jìn)骨形成并增加軟骨下骨厚度和骨小梁積分?jǐn)?shù)。此外，抑制破骨細(xì)胞生成和破骨細(xì)胞活性可調(diào)節(jié)軟骨下骨重建并改善異常的骨微觀結(jié)構(gòu)[20]。由此可以得出結(jié)論，Wnt/β-Catenin 信號的調(diào)節(jié)是軟骨和骨代謝中的關(guān)鍵通路。

Wnt/β-catenin 通路中的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子-分泌蛋白-1（WISP1）。WISP1 通過作用于多個層面的病變來調(diào)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生和進(jìn)展，具體如下：（1）加速M(fèi)MP 和蛋白多糖的釋放，隨后導(dǎo)致軟骨基質(zhì)的破壞；（2）通過誘導(dǎo)破壞軟骨的Smad1/5/8 信號通路促進(jìn)軟骨細(xì)胞向肥大表型的轉(zhuǎn)變；（3）通過調(diào)節(jié)成骨和破骨細(xì)胞功能來刺激軟骨下骨硬化和骨贅形成。這說明Wnt/β-catenin 信號通路與軟骨下骨的骨代謝平衡密切相關(guān)。

4 小結(jié)與展望

骨關(guān)節(jié)炎是一種由多因素綜合導(dǎo)致的慢性退行性疾病，對其發(fā)病機(jī)制的研究包括了滑膜、軟骨和軟骨下骨不同的解剖層面。目前研究主要認(rèn)為軟骨下骨首先發(fā)生骨代謝失衡，骨量減少，骨小梁破壞進(jìn)而導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨以及滑膜的病理改變。異常的機(jī)械微環(huán)境導(dǎo)致非耦合軟骨下骨重塑過程中的高骨轉(zhuǎn)換，并促進(jìn)軟骨下骨板的孔隙率、微裂紋和血管生成，增加各種細(xì)胞因子的交換。這種生化分子串?dāng)_加速骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生和發(fā)展，其具體機(jī)制復(fù)雜，涉及多個信號通路，包括Wnt/β-catenin、RANK/RANKL/OPG 和TGF-β/Smad、MAPK 等信號通路。這有助于我們更好地了解骨關(guān)節(jié)炎的病理生理學(xué)并改進(jìn)臨床上現(xiàn)有的骨關(guān)節(jié)炎治療方案。特別值得說明的是，軟骨下骨的微環(huán)境是骨關(guān)節(jié)炎發(fā)展的主要調(diào)節(jié)因子。因此，今后的研究應(yīng)關(guān)注軟骨下骨微環(huán)境中病理性細(xì)胞相互作用促使軟骨下骨破壞及加速骨關(guān)節(jié)炎性疼痛，以及借此進(jìn)一步開發(fā)治療軟骨下骨微環(huán)境靶向的新藥。