機械負(fù)荷對關(guān)節(jié)軟骨代謝與軟骨下骨代謝的影響

馬瀟苒，馬信龍，馬劍雄

(1.天津中醫(yī)藥大學(xué)研究生院，天津 301617；2.天津市天津醫(yī)院，天津 300050)

膝骨關(guān)節(jié)炎(knee osteoarthritis，KOA)是一種退行性關(guān)節(jié)疾病，也是骨科臨床常見病[1]。由于人口老齡化，KOA的患病率正在逐漸增加[2-3]。KOA的主要病理特征是關(guān)節(jié)軟骨進(jìn)行性退變、滑膜增生及軟骨下骨的結(jié)構(gòu)性改變。行走或運動過程中膝關(guān)節(jié)負(fù)荷持續(xù)增加及過度肥胖或下肢力線異常導(dǎo)致的關(guān)節(jié)內(nèi)局部負(fù)荷過載，是KOA疾病進(jìn)展的主要危險因素[4]。為進(jìn)一步了解機械負(fù)荷對關(guān)節(jié)軟骨代謝與軟骨下骨代謝的影響，我們對相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，以期為KOA的防治提供新的思路。

1 機械負(fù)荷對關(guān)節(jié)軟骨代謝的影響

1.1 關(guān)節(jié)軟骨的組織特性及對機械負(fù)荷的敏感性軟骨由軟骨細(xì)胞和其分泌的細(xì)胞外基質(zhì)組成[5]。關(guān)節(jié)軟骨除了在關(guān)節(jié)活動時潤滑關(guān)節(jié)外，最主要的功能是承受力學(xué)負(fù)荷，以及吸收、緩沖人體活動產(chǎn)生的振動和沖擊[6]。而關(guān)節(jié)軟骨之所以具有上述生物力學(xué)功能，軟骨細(xì)胞外基質(zhì)中的蛋白聚糖家族起了重要作用。這些蛋白聚糖通過嵌入膠原纖維網(wǎng)絡(luò)中來為關(guān)節(jié)軟骨提供一定的強度[7]。

關(guān)節(jié)軟骨可分為4個不同的區(qū)域：淺表區(qū)、中層區(qū)、深層區(qū)和鈣化區(qū)[8]。每個區(qū)域都有特定的軟骨細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)排列方式，主要是由Ⅱ型膠原蛋白網(wǎng)絡(luò)和蛋白聚糖決定軟骨的拉伸強度、柔韌性和承載外力的能力[8]。淺表區(qū)占關(guān)節(jié)軟骨的10%～20%，含有扁平軟骨細(xì)胞。在淺表區(qū)，Ⅱ型和Ⅸ型膠原緊密地平行排列于關(guān)節(jié)面表面，為深層軟骨提供保護(hù)[9]。中層區(qū)占關(guān)節(jié)軟骨的40%～60%，其具有稀疏分布的圓形軟骨細(xì)胞和富含蛋白聚糖的軟骨細(xì)胞外基質(zhì)[10]，且其Ⅱ型膠原纖維較粗，呈斜向分布。深層區(qū)的特征是蛋白聚糖含量最高，水分含量最低，且膠原纖維垂直于關(guān)節(jié)面[11]。由于帶負(fù)電荷的蛋白聚糖含量高，深層區(qū)的抗壓性最強[12]。鈣化區(qū)的特征是軟骨細(xì)胞肥大、X型膠原含量高。X型膠原將膠原纖維緊密地固定到軟骨下骨[12]。

關(guān)節(jié)軟骨在日常生活中會受到包括壓縮力、拉伸力及流體(剪切)力在內(nèi)的各種應(yīng)力的刺激，激活一些機械敏感型的蛋白和膠原大分子，從而影響軟骨細(xì)胞的代謝。在人體髖關(guān)節(jié)中，站立時軟骨表面之間的接觸壓力為1 MPa，步行時可達(dá)4 MPa，而跳躍時可達(dá)20 MPa[13]。膝關(guān)節(jié)在日?；顒又械呢?fù)荷范圍為5～8 MPa，而在運動中負(fù)荷峰值可達(dá)18 MPa[14]。關(guān)節(jié)軟骨之所以具有承載這些負(fù)荷的能力，細(xì)胞外基質(zhì)中蛋白聚糖的優(yōu)良力學(xué)特性起了重要作用。當(dāng)關(guān)節(jié)軟骨承載一定的負(fù)荷時，具有高度親水性的蛋白聚糖所吸附的水分會被擠壓釋放出去，以緩沖外力并減緩摩擦，使軟骨在受壓時具有一定的彈性[15]。反之，當(dāng)負(fù)荷移除時，組織間液會回流到蛋白聚糖等細(xì)胞外間質(zhì)中，使軟骨恢復(fù)到其原始狀態(tài)。因此，關(guān)節(jié)軟骨具有一定的機械性能和承載壓縮力的能力[15]。除壓縮應(yīng)力外，剪切應(yīng)力也是導(dǎo)致軟骨損傷的重要因素。在膝關(guān)節(jié)軟骨中，組織液或關(guān)節(jié)液流動產(chǎn)生的剪切應(yīng)力可觸發(fā)軟骨生理反應(yīng)[4]。剪切應(yīng)力對軟骨細(xì)胞代謝既有積極的影響，也有消極的影響。在體外培養(yǎng)過程中，單層軟骨細(xì)胞受到血流誘導(dǎo)的剪切應(yīng)力時，雖然蛋白聚糖、前列腺素E2(prostaglandin E2，PGE2)和NO的合成增加，但Ⅱ型膠原蛋白和聚集蛋白聚糖mRNA的表達(dá)下降[16]。

適當(dāng)?shù)臋C械負(fù)荷可刺激軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的合成[17-18]。相反，過低或過高的負(fù)荷會導(dǎo)致細(xì)胞外基質(zhì)快速降解。KOA患者常因體質(zhì)量過大或由于關(guān)節(jié)畸形誘導(dǎo)的關(guān)節(jié)內(nèi)應(yīng)力集中導(dǎo)致軟骨代謝失衡、關(guān)節(jié)軟骨退化、軟骨下骨硬化，而長期臥床或骨折導(dǎo)致肢體廢用的患者也常常出現(xiàn)軟骨厚度變薄、代謝失衡[4]。因此，過低或過高的機械負(fù)荷對軟骨內(nèi)環(huán)境均有不良影響，適當(dāng)?shù)呢?fù)荷是調(diào)節(jié)軟骨發(fā)育、維持軟骨完整和軟骨下骨功能的重要前提。

1.2 機械負(fù)荷過低對軟骨代謝的影響Vanwanseele等[19]研究發(fā)現(xiàn)，截癱患者1年后軟骨厚度減少9%～13%。踝關(guān)節(jié)骨折后下肢廢用也可導(dǎo)致患側(cè)膝關(guān)節(jié)軟骨顯著變薄[20]。缺乏機械刺激會導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)軟骨變薄，膠原蛋白更易損傷，從而導(dǎo)致軟骨退變[21]。膝關(guān)節(jié)制動后關(guān)節(jié)軟骨中基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)-1和MMP-3的含量會增加[22]，而MMP-3會促進(jìn)Adamts5的增加[23]。Adamts5作為一種軟骨蛋白聚糖抗體，在骨關(guān)節(jié)炎的疾病進(jìn)展中有重要作用[23]。研究表明，軟骨細(xì)胞中MMP和Adamts含量增加的潛在機制之一是，在缺乏應(yīng)力刺激的情況下，軟骨細(xì)胞中CBP/p300結(jié)合轉(zhuǎn)化激活因子含Glu/Asp豐富羧基末端域2(CBP/p300-interacting transactivator with glutamic acid [E]/aspartic acid [D]-rich C-terminal domain 2，CITED2)蛋白的表達(dá)減少[24]。CITED2可防止軟骨基質(zhì)被MMP降解，但在缺乏應(yīng)力刺激的情況下，CITED2的合成會減少，從而導(dǎo)致MMP合成增加，軟骨基質(zhì)被降解[24]。另一個潛在機制是，在缺乏應(yīng)力刺激的情況下，軟骨細(xì)胞中白介素(interleukin，IL)-4或IL-10的含量增加，從而導(dǎo)致核因子(nuclear factor，NF)-κB信號通路的表達(dá)增加，進(jìn)一步誘導(dǎo)MMP對軟骨的分解作用。

1.3 機械負(fù)荷過載對軟骨代謝的影響機械負(fù)荷過載加重軟骨損傷，是KOA發(fā)病及病程進(jìn)展的重要影響因素。機械負(fù)荷過載造成的軟骨損傷主要分為以下3個階段：首先是軟骨的軟化而無膠原蛋白丟失，隨后是膠原蛋白丟失而無可見軟骨損傷，最后出現(xiàn)肉眼可見的軟骨損傷[21]。Arokoski等[25]研究發(fā)現(xiàn)，跑步造成的膝關(guān)節(jié)超負(fù)荷首先會導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨糖胺聚糖含量減少，軟骨軟化，軟骨下骨重塑；隨后會導(dǎo)致軟骨潮線變淺，軟骨變??；最終膝關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞外膠原狀基質(zhì)被破壞，造成不可逆的軟骨損傷。

關(guān)節(jié)軟骨的代謝不僅對機械負(fù)荷的強度敏感，而且對負(fù)荷持續(xù)的時間、頻率也敏感。Komeili等[26]的研究表明，較高的應(yīng)變率會對關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞外膠原狀基質(zhì)造成更大的損傷，而較低的應(yīng)變率會對軟骨細(xì)胞外非纖維狀基質(zhì)成分造成更大的損傷。Sadeghi等[27]發(fā)現(xiàn)所受外力的頻率與軟骨損傷的情況密切相關(guān)，且頻率越高軟骨損傷越嚴(yán)重。

負(fù)荷過載可以導(dǎo)致軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的破壞，從而促進(jìn)纖維連接蛋白(fibronectin，F(xiàn)N)-f的形成，F(xiàn)N-f可以激活整合素和Toll樣受體(Toll-like receptor，TLR)2和TLR4，隨后激活MAPK通路，最終刺激NF-κB分解代謝軟骨[28-29]。NF-κB信號傳導(dǎo)與膝關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞和滑膜細(xì)胞分泌各種炎癥因子產(chǎn)生炎癥反應(yīng)密切相關(guān)[30]。

Piezo2作為一種軟骨細(xì)胞膜上的力敏感離子通道蛋白，參與了高拉伸應(yīng)力下的軟骨降解。Piezo2在力學(xué)刺激下可促進(jìn)陽離子內(nèi)流入細(xì)胞，從而導(dǎo)致一系列的生理病理變化[31]。杜根來[32]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)過度的拉伸應(yīng)力施加于軟骨細(xì)胞時，Piezo2可誘導(dǎo)Ca2+過度流入細(xì)胞內(nèi)，導(dǎo)致軟骨基質(zhì)降解。另外，瞬時感受器電位通道香草素受體(transient receptor potential channel vanillin receptor，TRPV)也是細(xì)胞膜上的一種重要的機械信號離子通道蛋白。其中TRPV4是軟骨細(xì)胞上尤其重要的一種力敏感離子通道蛋白。但與Piezo2主要在軟骨細(xì)胞損傷時發(fā)揮作用不同的是，TPRV4介導(dǎo)的Ca2+信號主要作用于正常生理情況下的軟骨細(xì)胞[33]。過度的力學(xué)刺激不僅可以使TRPV4激活NF-kB，促進(jìn)MMP的表達(dá)，誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞外基質(zhì)降解[34]；還可以引起大量的Ca2+細(xì)胞內(nèi)流，促進(jìn)caspase-3、caspase-6、caspase-8的表達(dá)，誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞凋亡[35]。

機械負(fù)荷過載不僅會通過上述信號誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞凋亡，還可影響軟骨細(xì)胞的增殖[36]。Hedgehog基因是一種常見于骨與軟骨細(xì)胞的力學(xué)敏感基因，可以將力學(xué)刺激轉(zhuǎn)導(dǎo)為化學(xué)信號，調(diào)控軟骨細(xì)胞的生長與分化。機械負(fù)荷過載不但可使Hedgehog基因表達(dá)上調(diào)[37]，誘導(dǎo)MMP13和X型膠原表達(dá)增加，使軟骨細(xì)胞出現(xiàn)肥大[38]；還可激活Gil蛋白，導(dǎo)致軟骨細(xì)胞內(nèi)膽固醇代謝失衡，使軟骨鈣化[39]。機械負(fù)荷過載還會增加軟骨細(xì)胞中環(huán)氧化酶-2和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶的含量，進(jìn)一步導(dǎo)致PGE2和NO的增加，從而導(dǎo)致軟骨細(xì)胞氧化應(yīng)激增強、線粒體損傷，誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞凋亡[30]。

2 機械負(fù)荷對軟骨下骨代謝的影響

軟骨下骨分為2個部分：軟骨下骨板和軟骨下骨小梁。軟骨下骨板是位于鈣化軟骨下方的多孔薄皮質(zhì)板，血管和神經(jīng)穿過孔隙，將營養(yǎng)成分輸送入鈣化軟骨[40]。軟骨下骨板下方的軟骨下骨小梁同樣具有豐富的血管和神經(jīng)，在吸收外力帶來的沖擊以及軟骨營養(yǎng)供應(yīng)方面發(fā)揮重要作用[40-41]。

骨重建是破骨細(xì)胞骨吸收和成骨細(xì)胞骨形成耦聯(lián)的過程。KOA早期，伴隨著關(guān)節(jié)軟骨的改變，軟骨下骨也在發(fā)生改變[42]。KOA早期可出現(xiàn)軟骨下骨吸收[43]及軟骨下骨小梁密度降低、分離度增加和厚度減少[44]。隨著KOA的疾病進(jìn)展，軟骨下骨板的體積增加、厚度變厚[18]；但局部骨轉(zhuǎn)換增高且骨質(zhì)中鈣與Ⅰ型膠原的含量明顯降低，導(dǎo)致骨礦化不足和骨組織彈性模量降低，更容易出現(xiàn)骨骼變形[45]。

KOA早期，軟骨下骨的機械負(fù)荷明顯低于關(guān)節(jié)軟骨，這種較低的負(fù)荷會增加骨細(xì)胞中NF-κB配體受體激活劑/骨保護(hù)素的表達(dá)，導(dǎo)致破骨細(xì)胞生成增多和骨吸收活性增強[46-47]。KOA晚期，骨細(xì)胞分泌的Wnt蛋白和轉(zhuǎn)化生長因子-β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1)明顯增加，Wnt蛋白和TGF-β1可通過激活軟骨下骨中的Smad2/3來促進(jìn)成骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨形成[48]。因此，伴隨機械負(fù)荷和成骨細(xì)胞活性的增加，KOA末期軟骨下骨會出現(xiàn)明顯的骨硬化。

3 小 結(jié)

由軟骨和軟骨下骨組成的骨-軟骨復(fù)合體在KOA的發(fā)生發(fā)展中起著重要作用。關(guān)節(jié)軟骨和軟骨下骨對機械負(fù)荷的強度、持續(xù)時間、頻率都非常敏感。適當(dāng)?shù)臋C械負(fù)荷對關(guān)節(jié)軟骨和軟骨下骨的代謝可起到正向作用。周期性機械負(fù)荷通過integrinβ1-Src-Rac1/PLCγ1-ERK1/2信號通路可促進(jìn)軟骨細(xì)胞的代謝和細(xì)胞外基質(zhì)的生成[49]。而機械負(fù)荷過低和過載均會對軟骨和軟骨下骨的代謝造成嚴(yán)重影響，導(dǎo)致不可逆的損傷。因此，對膝關(guān)節(jié)保持或恢復(fù)中等強度的機械負(fù)荷對于維持關(guān)節(jié)軟骨的正常功能是十分重要的。組織工程技術(shù)可采用多種生物材料聯(lián)合干細(xì)胞、生長因子來修復(fù)骨軟骨缺損，以改善關(guān)節(jié)內(nèi)異常的力學(xué)環(huán)境，但目前仍缺少修復(fù)包括軟骨下骨在內(nèi)的軟骨全層缺損的方法。因此，對促進(jìn)軟骨下骨修復(fù)的生物材料的研究將會是未來KOA防治研究的重點。