低氧微環(huán)境與骨性關(guān)節(jié)炎發(fā)生和發(fā)展的研究新進(jìn)展

馬　鑠，王文波(綜述)，劉　寧(審校)

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨三科，哈爾濱 150001)

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低氧微環(huán)境與骨性關(guān)節(jié)炎發(fā)生和發(fā)展的研究新進(jìn)展

馬鑠△，王文波※(綜述)，劉寧(審校)

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院骨三科，哈爾濱 150001)

摘要：骨性關(guān)節(jié)炎(OA)是骨骼系統(tǒng)最常見(jiàn)的慢性疾病。近年來(lái)，隨著人口老齡化的增長(zhǎng)及肥胖人群的增加，其發(fā)病率也逐年增高。然而,導(dǎo)致OA發(fā)生的確切機(jī)制目前尚不明確。正常情況下，關(guān)節(jié)腔處于一種生理性低氧環(huán)境之中，這種低氧環(huán)境對(duì)關(guān)節(jié)軟骨的正常生理功能及軟骨細(xì)胞的生存具有重要的意義，但在OA患者的關(guān)節(jié)腔內(nèi)的氧含量是明顯降低的。有研究顯示關(guān)節(jié)腔內(nèi)病理性低氧與OA發(fā)生、發(fā)展中的各個(gè)病理變化密切相關(guān)。因此，正確的認(rèn)識(shí)和了解關(guān)節(jié)腔內(nèi)低氧微環(huán)境的變化可以對(duì)骨性關(guān)節(jié)炎發(fā)生、發(fā)展機(jī)制的探究起到更好的指導(dǎo)和幫助。

關(guān)鍵詞：骨性關(guān)節(jié)炎；低氧；軟骨；滑膜；低氧誘導(dǎo)因子

骨性關(guān)節(jié)炎 (osteoarthritis, OA) 是骨骼系統(tǒng)最常見(jiàn)的慢性疾病。隨著人口老齡化的增長(zhǎng)及肥胖人群的增加，OA的發(fā)病率也逐年增高。根據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，全球60歲以上的人群中至少有10%的OA患者[1]。該疾病可以引起整個(gè)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的改變，其中以關(guān)節(jié)軟骨破壞、軟骨下骨硬化、滑膜炎及骨贅生成為主要病理特征[2]。一般認(rèn)為OA的發(fā)生、發(fā)展可能與外傷、炎癥及代謝異常等因素有關(guān)，這些因素均能導(dǎo)致關(guān)節(jié)中各組織的合成分解代謝失衡，最終導(dǎo)致關(guān)節(jié)功能喪失，但其確切機(jī)制目前尚不明確。氧是生物體最基本的分子，保持氧氣的自我平衡是多細(xì)胞生物生存的重要條件。而低氧已被證實(shí)在許多疾病的病理學(xué)中起到了至關(guān)重要的作用，例如心肌梗死、癌癥、腦卒中和慢性肺部疾病等[3]。同樣，OA患者的關(guān)節(jié)腔內(nèi)的氧含量也是明顯降低的。Schneider等[4]通過(guò)活體測(cè)量技術(shù)證明，在骨關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)中氧水平大幅度地減少。因此，低氧被認(rèn)為與OA發(fā)生及發(fā)展有著密不可分的聯(lián)系?，F(xiàn)就目前低氧微環(huán)境與OA的相關(guān)研究進(jìn)展予以綜述。

1低氧與關(guān)節(jié)軟骨代謝

1.1低氧影響軟骨細(xì)胞外基質(zhì)代謝關(guān)節(jié)腔是一個(gè)密閉低氧的環(huán)境，關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞對(duì)關(guān)節(jié)腔內(nèi)低氧環(huán)境有良好的適應(yīng)能力，而且能夠利用這種特殊的條件來(lái)促進(jìn)自身的組織特異性功能[5]。然而，在關(guān)節(jié)腔內(nèi)氧分壓過(guò)低的情況下同樣會(huì)影響關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的生存。研究顯示，OA關(guān)節(jié)中的氧分壓明顯低于正常關(guān)節(jié)中的氧分壓[4]。而極低的氧環(huán)境能夠?qū)е潞图觿￡P(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的分解代謝反應(yīng)，因此認(rèn)為病理性缺氧不但是關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞破壞不可或缺的條件，而且也是重要的誘發(fā)因素之一。Malpeli等[6]在關(guān)節(jié)軟骨的體外培養(yǎng)研究中發(fā)現(xiàn)，在每個(gè)細(xì)胞和培養(yǎng)基中，膠原蛋白和氨基葡聚糖的水平在低氧分壓下較少，特別是在1%氧濃度中,細(xì)胞外基質(zhì)的氨基葡聚糖成分達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平,在以后的2周內(nèi)沒(méi)有增加，然而在20%氧濃度中，細(xì)胞外基質(zhì)的氨基葡聚糖成分隨時(shí)間而增加。由此可見(jiàn)，氧濃度對(duì)細(xì)胞外基質(zhì)的合成有著重要影響。

在所有多細(xì)胞生物的細(xì)胞中，低氧誘導(dǎo)因子(hypoxia-inducible factors，HIFs)是對(duì)于低氧應(yīng)答反應(yīng)的協(xié)調(diào)和控制最主要的轉(zhuǎn)錄因子[3]。關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞可以通過(guò)HIFs來(lái)維持自身的組織特異性功能，從而很好地適應(yīng)關(guān)節(jié)腔內(nèi)長(zhǎng)期的低氧環(huán)境[7-9]。但當(dāng)關(guān)節(jié)腔內(nèi)氧分壓的進(jìn)一步降低時(shí)，HIFs卻有著不利于軟骨細(xì)胞正常生存的，甚至破壞其結(jié)構(gòu)的作用。研究顯示，在低氧環(huán)境下，HIF-2α作為軟骨細(xì)胞分解代謝重要的調(diào)節(jié)劑，可以通過(guò)上調(diào)軟骨細(xì)胞中基質(zhì)降解酶的水平，從而引起關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的破壞[10-11]。Siyoung等[12]通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，尼克酰胺磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶作為HIF-2α最主要的靶基因，在接受HIF-2α靶向作用后可以明顯上調(diào)基質(zhì)金屬蛋白酶3和基質(zhì)金屬蛋白酶13的合成水平，同時(shí)抑制蛋白聚糖的表達(dá)，因此在軟骨細(xì)胞破壞的過(guò)程中起到了決定性的作用。

OA發(fā)生時(shí)，對(duì)于關(guān)節(jié)腔內(nèi)嚴(yán)重缺氧的應(yīng)答反應(yīng)，HIF-1α可誘導(dǎo)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)大量生成。作為促進(jìn)血管生成的最重要因子，VEGF能夠特異性結(jié)合血管內(nèi)皮細(xì)胞、促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)、增加血管通透性，從而促進(jìn)血管生成。然而，大量的新生血管形成侵襲性的血管翳，使得關(guān)節(jié)軟骨侵襲受損破壞。帥明等[13]在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在OA關(guān)節(jié)腔低氧環(huán)境下，關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞中HIF-1α 誘導(dǎo)的VEGF表達(dá)明顯增高，且與OA的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)。Hong等[14]研究顯示，在氧含量降至1%時(shí)，HIF-1α可誘導(dǎo)白細(xì)胞介素(interleukin,IL)1β、活性氧類(lèi)和IL-8的表達(dá)上調(diào)，說(shuō)明病理性缺氧可以促使軟骨細(xì)胞的分解代謝，增強(qiáng)軟骨細(xì)胞的促炎癥反應(yīng)，從而使軟骨細(xì)胞受到破壞。

1.2低氧影響軟骨細(xì)胞能量代謝在關(guān)節(jié)腔內(nèi)低氧環(huán)境下，不但軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的合成分解代謝受到影響，而且軟骨細(xì)胞的能量代謝也同樣受到了嚴(yán)重的影響。Beverley等[15]將處理過(guò)的豬關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞分別于1%、 5%和20%環(huán)境中培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)軟骨細(xì)胞ATP的合成量在氧含量為1%組中明顯低于氧含量為5%和20%組，而IL-1誘導(dǎo)的一氧化氮水平和腺苷酸活化蛋白激酶蛋白水平卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩組。由此可見(jiàn)，關(guān)節(jié)腔內(nèi)軟骨細(xì)胞的能量代謝同樣也受到了低氧環(huán)境的嚴(yán)重影響，使軟骨細(xì)胞的破壞進(jìn)一步加重。

2低氧與關(guān)節(jié)滑膜組織代謝

2.1低氧促進(jìn)滑膜增生和血管生成隨著對(duì)OA研究和認(rèn)識(shí)的不斷深入，Wenham和Conaghan[16]研究證實(shí)了OA的發(fā)生、發(fā)展與關(guān)節(jié)滑膜增生及滑膜炎的生成密不可分。而關(guān)節(jié)滑膜的增生及滑膜炎的發(fā)生、發(fā)展與關(guān)節(jié)腔內(nèi)低氧環(huán)境有著直接聯(lián)系。OA發(fā)生時(shí)關(guān)節(jié)腔內(nèi)氧分壓明顯降低，在這種情況下滑膜組織會(huì)代償性的增生及產(chǎn)生大量的新生血管以應(yīng)對(duì)極低的氧環(huán)境，血管生成的同時(shí)血液循環(huán)中促炎因子在趨化作用下會(huì)大量遷移并浸潤(rùn)至滑膜組織，從而一系列病理生理過(guò)程就這樣在低氧的起始因素下發(fā)生、發(fā)展。Strunk等[17]發(fā)現(xiàn)，慢性滑膜炎的滑膜中有大量的新生血管產(chǎn)生，而新生血管導(dǎo)致的滑膜充血是早期滑膜炎的最早可見(jiàn)的病理學(xué)改變。Ruiz-Romero等[18]研究發(fā)現(xiàn)，在低氧時(shí)細(xì)胞因子介導(dǎo)的滑膜組織增生過(guò)程中滑膜組織增生速度明顯超出了相應(yīng)血管生長(zhǎng)速度，導(dǎo)致關(guān)節(jié)腔缺氧程度進(jìn)一步加劇，進(jìn)而引起滑液中氧分壓明顯降低?？梢?jiàn)低氧促進(jìn)滑膜組織增生和血管生成的同時(shí)又明顯加劇了缺氧，形成關(guān)節(jié)腔內(nèi)缺氧的惡性循環(huán)。

2.2低氧促進(jìn)滑膜炎性因子浸潤(rùn)與氧化性損傷雖然關(guān)節(jié)腔內(nèi)滑膜組織的增生及大量血管的生成是對(duì)于關(guān)節(jié)腔內(nèi)缺氧的應(yīng)答反應(yīng)，然而這種反應(yīng)也同時(shí)促進(jìn)了炎性細(xì)胞浸潤(rùn)，在滑膜炎的慢性持續(xù)性過(guò)程中起到了重要的作用。Ng等[19]研究發(fā)現(xiàn)，低氧環(huán)境下，循環(huán)血液中T細(xì)胞(CD3、CD68)和單核細(xì)胞趨化進(jìn)入滑膜組織，同時(shí)大量的炎性細(xì)胞因子(如腫瘤壞死因子α、IL-1β和干擾素等)滲入滑膜組織，說(shuō)明低氧可以通過(guò)趨化炎性因子的轉(zhuǎn)移，從而引起滑膜組織的慢性炎癥反應(yīng)。關(guān)節(jié)腔缺氧在促進(jìn)滑膜組織血管增殖和加重炎癥反應(yīng)的同時(shí)也可以使得滑膜組織的脂質(zhì)產(chǎn)生過(guò)氧化反應(yīng)和增加滑膜中血管周?chē)€粒體的功能損害[20]。研究顯示，隨著關(guān)節(jié)的活動(dòng)，關(guān)節(jié)腔內(nèi)滑膜組織始終處于缺氧-氧灌注-缺氧的動(dòng)態(tài)改變，因此在OA患者滑膜炎發(fā)生時(shí)滑膜組織可能受到了不同程度的氧化損傷。Chenevier-Gobeaux等[21]將OA患者的關(guān)節(jié)滑膜組織于特定的缺氧/氧氣再灌注環(huán)境中培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)，這種特殊的缺氧過(guò)程可明顯調(diào)節(jié)滑膜組織中由IL-β和腫瘤壞死因子α誘導(dǎo)的一氧化氮合酶和氮氧化物等氧化應(yīng)激反應(yīng)，也證明了關(guān)節(jié)腔內(nèi)病理性缺氧與OA中滑膜組織的氧化損傷有著密不可分的聯(lián)系。

3低氧與軟骨下骨硬化

OA的主要特征之一是軟骨下骨的改變[22]。骨贅形成、軟骨下骨磨損及硬化是診斷OA的決定性影像學(xué)改變。這些骨的改變以前多認(rèn)為是發(fā)生在病程的終末期。然而近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者認(rèn)為軟骨下骨的病理改變很有可能早于軟骨退變的發(fā)生[23]，這些發(fā)現(xiàn)使得對(duì)OA發(fā)病的起始因素有了新的認(rèn)識(shí)。軟骨下骨區(qū)域具有豐富的血管系統(tǒng)，能夠很好地提供給軟骨氧和必需的營(yíng)養(yǎng)，而OA的軟骨下骨中血管常常是功能紊亂的，因此可以導(dǎo)致軟骨下骨局部缺氧[24]，Warren等[25]研究顯示，低氧可以調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞基因的表達(dá)。Utting等[26]在大鼠模型的研究中同樣證實(shí)了成骨細(xì)胞的表達(dá)受低氧調(diào)控。Chang等[27]通過(guò)長(zhǎng)期的研究證實(shí)了低氧可以在多方面影響和調(diào)節(jié)OA軟骨下骨的硬化及骨贅生成，例如低氧可以調(diào)節(jié)軟骨下骨的重塑，降低堿性磷酸酶的作用，調(diào)節(jié)IL-6、IL-1、趨化因子(C-X-C基序)配體12等炎性因子及環(huán)加氧酶2的表達(dá)，促進(jìn)前列腺素E2的生成，促進(jìn)VEGF、牛血管生成素樣蛋白4基因、人內(nèi)皮素1等調(diào)節(jié)血管生成的基因表達(dá)，調(diào)節(jié)可以介導(dǎo)成骨細(xì)胞表型的HIF-1的表達(dá)等。Maes等[28]研究顯示，血管供應(yīng)的中斷和伴隨組織的缺氧在骨的發(fā)展、再生、骨折的修復(fù)以及一些骨性疾病中起到了至關(guān)重要的作用。異常成骨是骨贅形成和軟骨下骨硬化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此認(rèn)為軟骨下區(qū)域血管系統(tǒng)的功能紊亂和相應(yīng)的組織缺氧在OA軟骨下骨硬化以及骨贅的生成中起到了關(guān)鍵作用。

4小結(jié)

正常情況下，關(guān)節(jié)腔處于一種生理性低氧環(huán)境之中，這種低氧環(huán)境對(duì)關(guān)節(jié)軟骨的正常生理功能及軟骨細(xì)胞的生存具有重要的意義。然而，OA關(guān)節(jié)腔內(nèi)的病理性低氧環(huán)境卻嚴(yán)重的影響了軟骨細(xì)胞的正常代謝甚至威脅軟骨細(xì)胞的生存，加劇了OA的進(jìn)展。作為對(duì)于低氧應(yīng)答反應(yīng)的調(diào)節(jié)和控制最重要的轉(zhuǎn)錄因子，HIFs已成為近年來(lái)研究的重點(diǎn)，雖有望作為治療OA的靶點(diǎn)，但在OA關(guān)節(jié)腔不同的氧含量環(huán)境下，HIFs的具體作用機(jī)制及相關(guān)信號(hào)通路仍需進(jìn)一步深入研究。因此，正確的認(rèn)識(shí)和了解關(guān)節(jié)腔內(nèi)低氧微環(huán)境的變化以及低氧時(shí)相關(guān)因子的表達(dá)，不僅可以對(duì)OA發(fā)生、發(fā)展機(jī)制進(jìn)行更深一步的探究，而且對(duì)于今后臨床的診治和相關(guān)藥物的開(kāi)發(fā)可以起到更好的指導(dǎo)和幫助。

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Research Progress in the Association between Hypoxia Microenvironment and OsteoarthritisMAShuo,WANGWen-bo,LIUNing. (DepartmentThreeofOrthopedics,theFirstAffiliatedHospitalofHarbinMedicalUniversity,Harbin150001,China)

Abstract：Osteoarthritis (OA) is the most common chronic diseases of skeletal system.In recent years,with the growth of aged population and the increase of the obese people,the incidence is increasing year by year.However,the exact mechanism of OA is still unclear.Normally, the intra-articular hypoxia environment is very important to the survival and physiological function of chondrocyte, but the oxygen content is significantly reduced in the articular cavity of OA.Some studies show that,intra-articular pathological hypoxia is closely related to various pathological changes of OA.Therefore,correct understanding of the change of intra-articular hypoxic microenvironment is helpful to the research on the pathogenesis of OA.

Key words:Osteoarthritis; Hypoxia; Cartilage; Synovium; Hypoxia-inducible factors

收稿日期：2014-11-03修回日期：2015-02-27編輯：相丹峰

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.18.012

中圖分類(lèi)號(hào)：R684.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-2084(2015)18-3297-03