寒冷環(huán)境對骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病及損傷影響的研究進展

胡一帆,翟孝庭,徐鑫宇,姜 華

骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis,OA)作為一種慢性關(guān)節(jié)疾病,其特征包括關(guān)節(jié)軟骨的退行性變和繼發(fā)的骨質(zhì)增生,全世界約15%的人口受其影響[1]。雖然遺傳、代謝和機械等因素被認(rèn)為是該病的發(fā)病因素,但OA的發(fā)病機制尚未完全闡明,臨床上也缺乏有效的非手術(shù)治療方法來逆轉(zhuǎn)疾病進展。因此,預(yù)防OA的發(fā)生及針對病因采取早期干預(yù)措施顯得尤為重要。我國北方地區(qū)的寒冷季節(jié)相對較長,在寒冷環(huán)境下,機體會受到冷應(yīng)激影響,導(dǎo)致關(guān)節(jié)相關(guān)的骨骼肌形態(tài)結(jié)構(gòu)和代謝發(fā)生改變,同時引起關(guān)節(jié)軟骨結(jié)構(gòu)的改變,在骨關(guān)節(jié)病發(fā)生發(fā)展過程中產(chǎn)生一定影響,甚至進一步發(fā)生冷損傷。本文對近年來寒冷環(huán)境對OA發(fā)病的影響及關(guān)節(jié)相關(guān)結(jié)構(gòu)的變化進行綜述,以期為寒冷環(huán)境下OA發(fā)病的研究提供理論依據(jù)及防治思路。

1 寒冷環(huán)境下骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病情況

寒冷環(huán)境指最冷月的平均溫度為-10 ℃～0 ℃。寒冷作為一種常見的環(huán)境應(yīng)激因素,對各種類型的OA如膝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和指關(guān)節(jié)等,均會造成一定影響[2,3]。人類關(guān)節(jié)腔基本溫度是32 ℃,且在24 ℃～38 ℃起伏,這為低溫環(huán)境直接作用于關(guān)節(jié)內(nèi)細(xì)胞增殖提供理論依據(jù)[4]。流行病學(xué)研究表明,寒冷環(huán)境是與OA病情進展密切相關(guān)的環(huán)境因素,33%～66%的OA患者認(rèn)為寒冷環(huán)境與其病情進展密切相關(guān)[5]。在北歐等長期寒冷地區(qū)有1/3人群存在與寒冷相關(guān)的關(guān)節(jié)和肌肉疼痛癥狀[6]。寒冷環(huán)境與OA患者的疼痛程度相關(guān),冬季關(guān)節(jié)疼痛強度明顯高于全年平均關(guān)節(jié)疼痛強度[7,8],包括低溫在內(nèi)的環(huán)境因素改變與OA患者的疼痛及腫脹程度加重相關(guān),且女性患者(62%)較男性患者(37%)更為顯著[9]。另一項研究評估了OA患者關(guān)節(jié)疼痛與天氣變量之間的關(guān)聯(lián),結(jié)果顯示OA患者關(guān)節(jié)疼痛程度與天氣(包括溫度、濕度和大氣壓力)變化相關(guān),其中與溫度變化呈中度相關(guān)[10]。有研究通過分析美國50個城市連續(xù)五年的相對在線搜索量,以及溫度、相對濕度、氣壓和降水等當(dāng)?shù)靥鞖鈹?shù)據(jù),評估這些氣象變量對疼痛搜索相對量的偶然影響,結(jié)果顯示溫度下降時關(guān)節(jié)肌肉骨骼疼痛癥狀的在線搜索量增加[11]。

然而這一觀點仍存在一定爭議。在一項為期一個月的研究中,使用VAS模擬量表將骨關(guān)節(jié)炎患者癥狀的嚴(yán)重程度與日常天氣條件的變化進行比較,與大多數(shù)患者的反饋不同,結(jié)果顯示外部天氣條件不會影響OA患者的癥狀[12]。另有研究針對345名參與者進行了一項基于網(wǎng)絡(luò)的病例交叉研究,發(fā)現(xiàn)包括溫度在內(nèi)的天氣因素的變化并非膝關(guān)節(jié)OA患者疼痛加重的風(fēng)險因素[13]。雖然寒冷環(huán)境對OA的影響目前尚未有定論,但大量流行病學(xué)結(jié)果顯示,寒冷作為OA的潛在誘因之一,與OA的發(fā)生發(fā)展有關(guān),會在一定程度上損傷關(guān)節(jié)。

2 寒冷環(huán)境對骨關(guān)節(jié)損傷的影響

2.1 骨骼肌的產(chǎn)熱機制 哺乳動物骨骼肌產(chǎn)熱方式主要分為顫抖性產(chǎn)熱(shiveringthermogenes,ST)和非顫抖性產(chǎn)熱(nonshivering thermogenesis,NST)[14]。這兩種產(chǎn)熱方式都是在肌肉收縮時,通過線粒體產(chǎn)生大量熱量以維持其正常功能活動。肌細(xì)胞的幾種產(chǎn)熱方式都和肌細(xì)胞中多種酶類有一定關(guān)系。首先是線粒體內(nèi)部,在三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)的合成過程中,因為有一部分質(zhì)子總是在線粒體內(nèi)膜上運動,不為ATP合成酶所逸出;另一方面,酶促反應(yīng)的過程,甚至在ATP的水解過程中,當(dāng)釋放的能量超過反應(yīng)所需的能量時,就會出現(xiàn)熱,例如鈉鉀泵、肌球蛋白ATP酶和肌漿網(wǎng)內(nèi)的鈣泵(sarco/endoplasmic reticulum Ca2+-ATpase,SERCA)相結(jié)合,肌肉收縮時利用ATP來產(chǎn)生熱量。

SERCA共有7種異構(gòu)體表達(dá)于哺乳動物組織,其中SERCA1a(主要在酵解型纖維中)和SERCA2a(主要在氧化性纖維中)被認(rèn)為參與了骨骼肌的產(chǎn)熱過程[15]。對神經(jīng)肌肉代謝的研究主要集中在SERCA1a方面,但SERCA2a也可以通過ATP水解來調(diào)節(jié)產(chǎn)熱[16],激活SERCA會使肌肉代謝率比靜息狀態(tài)提高25%,從而增加肌肉產(chǎn)熱,并提高寒冷條件下的基礎(chǔ)代謝率[17]。

雖然上述產(chǎn)熱途徑發(fā)生的階段不同,但它們在寒冷條件下都會被激活,使人體能夠通過各種新陳代謝過程保持體溫和提供能量。暴露于寒冷環(huán)境3周的大鼠比目魚肌中線粒體的總數(shù)增加了37%,導(dǎo)致通過合成ATP產(chǎn)生的熱量顯著增加[18]。在暴露于寒冷的仔豬體內(nèi)骨骼肌中鈉泵和鉀泵的活性顯著增加,這種調(diào)節(jié)可能是由于相關(guān)酶的表達(dá)水平的增加所導(dǎo)致的[19]。反之,SERCA在寒冷環(huán)境中由固體脂質(zhì)納米粒(solid lipid nanoparticles,SLN)所生成的熱效應(yīng)是瞬間的[20]。Guarnieri等[21]發(fā)現(xiàn),胞外Ca2+內(nèi)流促進單個細(xì)胞產(chǎn)熱,但抑制SERCA活動,抑制產(chǎn)熱上升。除了肌原纖維的萎縮之外,在SERCA中ATP水解明顯是肌肉中寒冷反應(yīng)能瞬時上調(diào)的一種機理。

2.2 對骨關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和代謝的影響 寒冷環(huán)境下哺乳動物機體調(diào)控代謝途徑,以提高產(chǎn)熱能力,最重要的2個產(chǎn)熱部位是棕色脂肪組織(brown adipose tissue,BAT)和骨骼肌[22],用脂肪酸將葡萄糖等能量底物轉(zhuǎn)化為熱量,用于維持自身體溫,骨骼肌的產(chǎn)熱與線粒體代謝密切相關(guān)。此外,在維持正常運動時,肌肉也需要消耗大量能量以提供熱量。研究表明,寒冷環(huán)境可增加全身氧氣和食物消耗量,導(dǎo)致肌肉組織形態(tài)改變,增強氧化代謝能力[23]。另外低溫也使肌肉細(xì)胞中游離鈣的濃度降低,從而降低細(xì)胞膜穩(wěn)定性,影響細(xì)胞器的功能和蛋白質(zhì)的合成,溫度越低,肌肉彈性越弱。研究表明,小鼠和倉鼠的脛骨前肌暴露于4 ℃,肌纖維橫截面積明顯減小[24]。小鼠處于16 ℃的輕微寒冷和4 ℃的嚴(yán)重寒冷環(huán)境,肌纖維橫截面積分別減小13.38%和18.66%[25]。這表明隨著溫度的下降,肌原性改變加劇。另外,低溫刺激可提高肌肉的磷酸化水平,促進骨骼肌的糖原儲存和脂肪分解。體內(nèi)骨骼肌的耗氧量和線粒體酶活性隨著對逐漸降溫的適應(yīng)而明顯增加[26];在大鼠暴露于4 ℃條件下7天后,比目魚肌肌漿網(wǎng)Ca2+-ATPase基因表達(dá)和肌脂蛋白含量顯著增加,鈉泵和鉀泵活性也顯著增加[27],這表明低寒冷環(huán)境可促進骨骼肌的能量代謝。

研究發(fā)現(xiàn),寒冷刺激后小鼠趾間關(guān)節(jié)組織水腫,炎癥細(xì)胞浸潤,滑膜增生,組織勻漿液檢測顯示小鼠踝關(guān)節(jié)組織勻漿液中C反應(yīng)蛋白水平升高[28],提示寒冷環(huán)境會導(dǎo)致OA加重。另有研究發(fā)現(xiàn),寒冷環(huán)境暴露的大鼠膝關(guān)節(jié)間隙顯著狹窄,關(guān)節(jié)軟骨面坍塌,關(guān)節(jié)周圍有骨贅形成;骨痂表面凹凸不平,有少量破骨細(xì)胞浸潤;膝關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞在寒冷的環(huán)境中排列混亂,小血管入侵關(guān)節(jié)軟骨層,表層及深層軟骨細(xì)胞發(fā)生壞死,關(guān)節(jié)液中IL-1β、TNF-α、MMP-13等凋亡蛋白的表達(dá)顯著增加[29]。寒冷環(huán)境對軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的降解也有促進作用,對膝骨關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞RNA、乳酸及蛋白聚糖合成有抑制作用,這種抑制作用會隨溫度升高而減弱[30, 31]。長時間寒冷刺激(>7天)也可抑制軟骨細(xì)胞生長和增殖,促進軟骨細(xì)胞死亡[32,33],說明寒冷環(huán)境會破壞軟骨組織。

冷應(yīng)激可通過溫度敏感性離子通道增加關(guān)節(jié)內(nèi)血流量,并影響OA大鼠的疼痛敏感性[34]。溫度敏感性離子通道又稱瞬時感受器電位離子通道(transient receptor potential,TRP),可被各種溫度激活,通過調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外Ca2+的平衡影響神經(jīng)元電流和細(xì)胞增殖,導(dǎo)致組織炎癥和細(xì)胞凋亡等現(xiàn)象[35]。TRPA1和TRPM8在TRP家族中是唯二能夠?qū)浯碳ぎa(chǎn)生反應(yīng)的溫度敏感離子通道。在10 ℃至17 ℃的溫度范圍內(nèi),TRPA1可被激活[36],而TRPM8的啟動溫度則是8 ℃至28 ℃[37]。這表明溫度敏感離子通道介導(dǎo)的Ca2+流入可能是低溫誘導(dǎo)OA的機制之一。

2.3 對骨骼肌肌纖維類型的影響 根據(jù)肌纖維的線粒體代謝、氧化酶/磷酸化酶含量,將骨骼肌肌纖維分為三類,即Ⅰ型(慢縮氧化型)、ⅡA型(快縮氧化酵解型)和ⅡB型(快縮酵解型)?？旒≈幸訫yHC IIB型肌球蛋白為主,通過糖酵解供能,收縮力強但易疲勞;而慢肌中以MyHC I型肌球蛋白為主,通過有氧代謝供能,具有較好的耐力和抗疲勞能力[38]。Ⅰ型肌纖維興奮閾值低于Ⅱ型,能量代謝較強,這對骨骼肌震顫的產(chǎn)熱可能有重要影響。研究發(fā)現(xiàn),暴露于寒冷及熱中性環(huán)境的仔豬骨骼肌中MyHC1基因的表達(dá)上調(diào),MyHCIIx基因表達(dá)減少,說明寒冷導(dǎo)致骨骼肌肌纖維向氧化型肌纖維的轉(zhuǎn)化[39]。另有研究表明,寒冷導(dǎo)致大鼠比目魚肌肌球蛋白水平增加,說明富含Ⅰ型纖維的骨骼肌具有解除肌球蛋白介導(dǎo)的鈣泵的功能,能夠適應(yīng)嚴(yán)寒的天氣[27]。文獻(xiàn)[40]研究發(fā)現(xiàn),急性(24 h)或長期(8 d)暴露于4 ℃的寒冷環(huán)境,雛雞骨骼肌重量和慢肌纖維與快肌纖維特異性肌鈣蛋白Ⅰ的表達(dá)比例明顯增加,乳酸脫氫酶活性明顯下降,生長抑制因子的表達(dá)明顯低于對照組,冷暴露結(jié)束后,PGC-1 mRNA表達(dá)量明顯增加,對照組上述基因表達(dá)的改變迅速恢復(fù)。這表明當(dāng)冷暴露造成細(xì)胞損傷后,也許會有快速修復(fù)的過程,但肌纖維的種類和酶活性的變化在寒冷環(huán)境暴露結(jié)束后24 h內(nèi)仍沒有恢復(fù),能否恢復(fù)及是否需要更長時間才能恢復(fù)仍待進一步研究

2.4 對骨骼肌內(nèi)線粒體結(jié)構(gòu)和功能的影響 線粒體是體內(nèi)主要營養(yǎng)物質(zhì)被最終氧化并釋放能量的場所,其主要功能是合成ATP,為多種生理活動提供能量[41]。咀嚼肌作為骨骼肌,富含線粒體,其中各類型肌肉纖維數(shù)量差別較大,Ⅰ型肌纖維因有氧代謝旺盛,線粒體含量多。骨骼肌富含線粒體,各類型肌肉纖維數(shù)量差別較大,Ⅰ型肌纖維因有氧代謝旺盛,線粒體含量多。線粒體呼吸功能完善的組織中含有豐富的PGC-1α共激活因子,例如棕色脂肪組織、心臟與骨骼肌,并受到訓(xùn)練、絕食、寒冷等生理刺激的高度誘導(dǎo)[42]。寒冷環(huán)境下,隨著細(xì)胞對能量需要量的增大,骨骼肌線粒體的數(shù)量顯著增加,線粒體內(nèi)有氧代謝有關(guān)酶的活性也急劇升高,且骨骼肌內(nèi)的線粒體發(fā)生顯著的重構(gòu):肌纖維間線粒體增加,線粒體內(nèi)嵴密度出現(xiàn)了明顯的重塑與升高[43]。針對以上變化,神經(jīng)肌肉活動和局部循環(huán)代謝發(fā)生改變,在氧化代謝時產(chǎn)生大量自由基致肌肉組織破壞,而肌肉及關(guān)節(jié)運動功能障礙等損傷亦從可逆發(fā)展到不可逆。

2.5 對骨骼肌抗氧化能力的影響 寒冷環(huán)境會破壞機體的抗氧化系統(tǒng),降低超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)、過氧化氫酶(catalase,CAT)等抗氧化酶的活性,使自由基集聚。當(dāng)機體受到外界刺激時,體內(nèi)活性氧含量急劇升高,使組織細(xì)胞發(fā)生氧化損傷。同時低溫也可通過提高氧自由基的生成來損害細(xì)胞。這些因素都會造成機體內(nèi)氧化還原平衡失調(diào),引發(fā)一系列疾病。自由基的過度積累致使細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和組織完整性遭到破壞,嚴(yán)重威脅機體健康[44]。研究發(fā)現(xiàn),斷奶仔豬長期暴露于寒冷環(huán)境后,骨骼肌檸檬酸合酶及3-羥基?；?CoA脫氫酶活性性明顯增強[39]。GSH-Px、CAT和SOD1在寒冷的環(huán)境暴露的第1天表達(dá)降低,第7天表達(dá)水平上升到高于常溫環(huán)境下水平,并在之后的2周內(nèi)保持了很高的水平[45]。短期暴露在寒冷中,體內(nèi)積累過多氧自由基,對機體產(chǎn)生損害,然而隨著時間的推移,體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)漸漸回復(fù)平衡并對寒冷產(chǎn)生適應(yīng)性,長期處于低溫環(huán)境下,機體氧化還原能力增強,同時清除氧自由基的酶活性也隨之提高。這表明,機體對于長期寒冷導(dǎo)致的氧自由基增多具有積極補償作用。

總之,寒冷環(huán)境使機體產(chǎn)生冷應(yīng)激,使骨骼肌肌纖維類型及橫截面積、組織代謝、線粒體結(jié)構(gòu)及抗氧化能力等發(fā)生異常,骨骼肌的改變影響軟骨周圍環(huán)境,可能間接影響軟骨細(xì)胞相關(guān)功能表達(dá),同時寒冷直接抑制關(guān)節(jié)軟骨增殖,引起關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)改變,可能在OA的發(fā)生、發(fā)展過程中產(chǎn)生一定影響,其可能的機制包括凋亡、線粒體自噬及促炎因子分泌增加等,仍需進一步研究驗證。