關(guān)節(jié)軟骨與軟骨下骨病變的研究進(jìn)展

郭 磊 牛嘯博

骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis,OA)是關(guān)節(jié)炎中最常見的類型,也是我國(guó)最常見的老年慢性退行性疾病之一,研究報(bào)告指出,在我國(guó)60歲以上的人口中關(guān)節(jié)炎發(fā)生率高達(dá)44.68%[1]。隨著我國(guó)人口老齡化的增加,骨性關(guān)節(jié)炎發(fā)生率逐年增長(zhǎng)。其主要的臨床特征是引起關(guān)節(jié)的疼痛及活動(dòng)受限。典型的病理改變是由多因素引發(fā)的以關(guān)節(jié)軟骨(articular cartilage, AC)的退行性改變和軟骨下骨(subchondral bone, SCB)的異常重塑。伴隨病情的演變,還伴有骨贅的形成、滑膜的增生以及關(guān)節(jié)間隙進(jìn)行性的狹窄,最終導(dǎo)致患者關(guān)節(jié)畸形甚至殘疾,因此OA也是中老年人關(guān)節(jié)畸形和殘疾最重要的原因之一[2]。因此本文分析關(guān)節(jié)軟骨與軟骨下骨在病變過程中的演變機(jī)制及潛在關(guān)聯(lián),以期探尋OA新的防治思路。

一、關(guān)節(jié)軟骨的改變及其機(jī)制

1.炎性細(xì)胞因子的影響:正常的關(guān)節(jié)軟骨主要由Ⅱ型膠原、透明質(zhì)酸、富含蛋白多糖的細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix, ECM)以及軟骨細(xì)胞有序排列構(gòu)成,其穩(wěn)態(tài)的維持主要靠ECM和各類膠原蛋白的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)來維持,但在異常的應(yīng)力作用或損傷機(jī)制下,AC內(nèi)出現(xiàn)異常的信號(hào)交流及細(xì)胞表型的改變,這個(gè)過程中,軟骨細(xì)胞和免疫細(xì)胞產(chǎn)生許多炎性介質(zhì),如腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor, TNF)-α和白細(xì)胞介素(interleukin, IL)-1β和IL-6等,這些炎性細(xì)胞因子盡管不是引起軟骨退變的成因,但是其聯(lián)級(jí)放大效應(yīng)卻加劇了軟骨的破壞[3,4]。研究表明,IL-1和TNF-α可激活絲裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinases,MAPK)和核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)信號(hào)通路促使軟骨細(xì)胞中的前列腺素E2(PGE2)、一氧化氮(NO)、基質(zhì)金屬蛋白酶家族(matrix metalloproteinase,MMP)和解聚蛋白樣金屬蛋白酶(A disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs, ADAMTs)等因子過表達(dá),這些因子對(duì)軟骨的損傷均有促進(jìn)作用[5～7]。其中MMP家族可以降解ECM的所有成分,特別是MMP13除了降解Ⅱ型膠原外,還能降解蛋白多糖分子聚集素,從而在ECM中起到雙重破壞作用[8]。

2.肥胖:肥胖無疑是OA發(fā)病的一個(gè)重要的危險(xiǎn)因素,脂肪組織生理學(xué)的最新進(jìn)展為理解肥胖和骨關(guān)節(jié)炎之間的關(guān)系提供了新的見解,肥胖不僅與OA患病率增高呈正相關(guān),而且在OA發(fā)展中扮演著重要的角色。研究表明,肥胖本身是一種低度炎癥性疾病,脂肪組織是細(xì)胞因子、趨化因子和稱為脂肪因子(如瘦素、脂聯(lián)素、抵抗素)等代謝活性介質(zhì)的主要來源,而這些脂肪細(xì)胞因子具有促炎和分解代謝的特性。他們還是幾種促炎性細(xì)胞因子(如IL-1β、IL-6和TNF-α等)的重要來源,因此可以推斷脂肪組織通過介導(dǎo)炎性反應(yīng)誘導(dǎo)分解代謝過程而對(duì)AC造成損傷[9]。值得一提的是,在傳統(tǒng)觀念中肥胖一直被認(rèn)為會(huì)導(dǎo)致負(fù)重關(guān)節(jié)(如膝、髖)的OA,因?yàn)榉逝謺?huì)增加關(guān)節(jié)所承受的機(jī)械應(yīng)力。這個(gè)概念似乎合乎邏輯,因?yàn)镺A患者在減肥后感覺癥狀會(huì)明顯緩解。然而,據(jù)Joseph等[10]對(duì)2271例OA患者對(duì)照研究后發(fā)現(xiàn)體重的增加和減輕與AC的退變及生化成分的改變并無相關(guān)性。

3.缺氧:由于AC沒有毛細(xì)血管神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),所以正常軟骨微環(huán)境是處于低氧狀態(tài)。當(dāng)關(guān)節(jié)內(nèi)氧需求超過供應(yīng)量時(shí),缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia inducible factor, HIF)-2α的表達(dá)上調(diào)[11]。HIF-2α是軟骨破壞的分解代謝調(diào)節(jié)劑,HIF-2α不僅使基質(zhì)降解酶和炎性介質(zhì)的表達(dá)上調(diào),并且通過一種獨(dú)特的基因表達(dá)程序促進(jìn)軟骨細(xì)胞變性肥大。肥大軟骨細(xì)胞體積較大,增殖較少,基質(zhì)生成、礦化和重塑模式也與正常軟骨細(xì)胞不同。它們還表達(dá)較高水平的MMP13、X型膠原和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor, VEGF),以及較低水平的Ⅱ型膠原。且VEGF表達(dá)增加能夠促進(jìn)血管生成和軟骨內(nèi)骨形成,從而加快了軟骨侵蝕使關(guān)節(jié)內(nèi)的氧氣濃度的進(jìn)一步降低,二者形成一個(gè)惡性循環(huán),加速軟骨的退行性病變,進(jìn)而促進(jìn)OA[12]。HIF-1α與HIF-2α的作用截然相反,HIF-1α不僅在早期軟骨細(xì)胞分化中起一定的作用,還通過抑制HIF-2α介導(dǎo)的NF-κB信號(hào)通路減少M(fèi)MP13等分解代謝因子的表達(dá)從而起到保護(hù)關(guān)節(jié)軟骨的作用[13]。

二、軟骨下骨的改變及其機(jī)制

1.微損傷:人體的關(guān)節(jié)在面對(duì)不同的機(jī)械應(yīng)力時(shí),SCB通過不斷調(diào)整自身的微觀結(jié)構(gòu)適應(yīng)其機(jī)械載荷,從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)力傳導(dǎo)。在自我調(diào)節(jié)的過程中導(dǎo)致的骨顯微結(jié)構(gòu)的改變稱為骨的微損傷。伴隨微損傷的積累,鈣化軟骨中微裂隙大量生成,逐漸蔓延并侵入AC,同時(shí)纖維血管會(huì)隨著微裂隙進(jìn)入軟骨區(qū)域,增加了SCB與AC間的異常交流途徑,加速軟骨的退變,而軟骨的退變又進(jìn)一步加重SCB的異常負(fù)載,誘導(dǎo)異常骨重塑,形成惡性循環(huán)[14]。

Malekipour等[15]利用Micro-CT對(duì)賽馬最易累積微損傷的第3掌骨研究后發(fā)現(xiàn),受損SCB局部區(qū)域的骨剛度降低,骨剛度降低的區(qū)域的承載應(yīng)力降低,而相鄰區(qū)域正常骨以及關(guān)節(jié)表面的應(yīng)力增加。由于骨對(duì)其載荷環(huán)境高度敏感,SCB損傷局部載荷變化抑制了SCB的正常重塑從而導(dǎo)致隨后的OA。且局部受損區(qū)域的骨體積分?jǐn)?shù)較正常區(qū)域顯著增加,這一變化與后期的關(guān)節(jié)僵硬關(guān)系密切。

2.軟骨下骨骨髓病變:骨髓水腫(bone marrow edema-like lesions, BMLs)基于OA患者SCB的異常重建,對(duì)于OA患者SCB骨髓在MRIT2加權(quán)像上的非囊性、邊界不清的高信號(hào)區(qū)表現(xiàn)。其發(fā)病機(jī)制尚不明確,但BMLs在關(guān)節(jié)疼痛和軟骨退變起到促進(jìn)作用,這一觀點(diǎn)已得到廣泛認(rèn)可,且研究表明,這一病理早于軟骨損傷,可以作為早期OA的診斷依據(jù)之一[16]。

研究表明,BMLs一般出現(xiàn)在應(yīng)力增加的區(qū)域,例如膝關(guān)節(jié)排列不良的區(qū)域,在這些區(qū)域內(nèi),發(fā)現(xiàn)了典型的組織病理學(xué)變化(脂肪壞死、局部骨髓纖維化和骨小梁微骨折),且病變大小與關(guān)節(jié)疼痛顯著相關(guān),這表明BMLs也是引發(fā)OA疼痛的成因之一[17]。

研究表明,BMLs區(qū)的SCB與非BMLs區(qū)比較出現(xiàn)了異常的骨重塑,BMLs區(qū)域內(nèi)的骨細(xì)胞數(shù)量和小動(dòng)脈密度增加,血管出現(xiàn)特征性改變,特別是壁厚和壁腔比增加,這表明血管增生對(duì)BMLs的發(fā)展有貢獻(xiàn),且與非BMLs區(qū)比較,BMLs區(qū)域軟骨下骨板增厚,骨小梁體積增大,骨小梁增多,以板狀為主[18]。Bowes等[16]通過對(duì)88例患有BMLs的OA患者的研究發(fā)現(xiàn),約2/3患者的軟骨侵蝕發(fā)生在BMLs的淺表區(qū)域,這表明BMLs對(duì)軟骨丟失起到促進(jìn)作用,這一發(fā)現(xiàn)有助于在早期OA預(yù)測(cè)局部軟骨丟失情況。

3.軟骨下囊腫(subchondral bone cysts, SBCs):SBCs也是OA典型的病理改變之一。2006年Carrino等[19]對(duì)32例OA患者的隨訪研究發(fā)現(xiàn),92%的軟骨下囊腫起源于BMLs的信號(hào)區(qū)域,且SBCs的病變區(qū)域的大小隨著BMLs發(fā)展而發(fā)生改變,這提示二者間可能存在密切的聯(lián)系。Cerma等[20]對(duì)1283例OA患者的前瞻性臨床研究表明二者在空間和時(shí)間上具有顯著的相關(guān)性,推測(cè)二者可能為同一病理過程中的不同階段,并提出猜想BMLs可能為“軟骨下骨囊腫前病變”。

Weber等[21]在先前理論的基礎(chǔ)上結(jié)合近期研究結(jié)論,提出SBCs發(fā)病機(jī)制可能是在異?；蚋哳l的機(jī)械應(yīng)力作用下,SCB不斷累積微損傷,激活自身免疫反應(yīng),在淋巴細(xì)胞的浸潤(rùn)下,骨橋蛋白、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(transforming growth factor,TGF)-β以及骨形態(tài)發(fā)生蛋白等骨代謝相關(guān)因子被激活,啟動(dòng)SCB的異常重建,在此期間形成了BMLs,隨著病程的發(fā)展,未被吸收者形成了SBCs,直至終末期軟骨下硬化,在此過程中,被覆關(guān)節(jié)軟骨逐漸變薄,磨損增加。研究表明受損SCB區(qū)域內(nèi)SBCs的直徑與被覆軟骨量呈顯著負(fù)相關(guān),與毗鄰的SCB所受的異常應(yīng)力呈正相關(guān),同時(shí)骨內(nèi)應(yīng)力的增加會(huì)導(dǎo)致局部骨質(zhì)破壞和隨后的SBCs擴(kuò)張[22]。這一現(xiàn)象與Weber等[21]得出的結(jié)論一致。雖然現(xiàn)在對(duì)于其成因仍有爭(zhēng)議,但為揭示OA進(jìn)展的重要性不可忽視,其作用機(jī)制仍有待于進(jìn)一步研究。

4.軟骨下骨異常重塑: SCB的異常重塑無疑是OA進(jìn)展中的重要組成部分?，F(xiàn)有研究認(rèn)為在關(guān)節(jié)異常載荷的影響下,關(guān)節(jié)的應(yīng)力傳導(dǎo)分布不均導(dǎo)致AC內(nèi)環(huán)境的紊亂以及SCB的組織架構(gòu)的改變,促進(jìn)成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞的異常激活,導(dǎo)致骨的動(dòng)態(tài)平衡被破壞,形成SCB的異常重塑,且這一過程的發(fā)生先于AC退變,這一觀點(diǎn)已在現(xiàn)有文獻(xiàn)中得到廣泛認(rèn)可。

在早期OA中,應(yīng)力分布的變化導(dǎo)致SCB重塑平衡發(fā)生變化,主要體現(xiàn)在4個(gè)過程:骨轉(zhuǎn)換減少、SCB的厚度減少、鈣化軟骨增厚和骨小梁變薄,直至晚期SCB出現(xiàn)明顯骨體積和密度的增加,骨質(zhì)增生硬化,骨髓腔隙減小,骨贅和游離體形成[23]。研究表明,盡管晚期硬化的SCB的骨密度增加,但其SCB中碳酸鹽磷灰石與羥基磷灰石的比值升高,提示骨基質(zhì)礦化不足。另外,晚期SCB膠原合成增加,但沉積的膠原減少,膠原比明顯降低,進(jìn)一步影響了骨的礦化過程,促進(jìn)了SCB的異常重塑[24]。

Zuo等[25]在晚期OA患者硬化性骨小梁中發(fā)現(xiàn),病變區(qū)域的低骨轉(zhuǎn)換使硬化區(qū)礦物晶體的異常聚集,形成無序的膠原纖維和礦物晶體排列,導(dǎo)致骨骼結(jié)構(gòu)骨脆性顯著增加,骨骼承受變形的能力降低。同時(shí)纖維與晶體的非平行排列改變了正常的載荷傳遞,關(guān)節(jié)表面能量吸收減少而傳導(dǎo)增加,使骨小梁微損傷不斷累積,導(dǎo)致SCB硬化增加。

三、骨-軟骨單元

隨著對(duì)OA認(rèn)識(shí)的不斷加深,越來越多的研究表明OA是一種波及全關(guān)節(jié)的疾病,AC與SCB二者作為一個(gè)相互影響、相互作用的復(fù)合骨功能單元,參與了OA的發(fā)展進(jìn)程,而不是僅由于軟骨退變導(dǎo)致的。正常成人的關(guān)節(jié)是一種復(fù)雜的結(jié)構(gòu),AC可以緩沖關(guān)節(jié)所承受的機(jī)械應(yīng)力,減少運(yùn)動(dòng)過程中的滑動(dòng)摩擦,但SCB同樣重要——AC的內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定和完整性依賴于與SCB的生化和生物力學(xué)相互作用。骨-軟骨單元(osteochondral unit,BCU)在結(jié)構(gòu)上可分為軟骨層、鈣化層和軟骨下骨,軟骨下骨又可分為表層的軟骨下骨板以及緊鄰的松質(zhì)骨,其中軟骨層與鈣化層之間有一明顯的組織學(xué)邊界為潮線,起到連接二者的作用。

作為軟組織到硬組織的過渡區(qū),骨軟骨界面易發(fā)生“微損傷”和“神經(jīng)-血管化”,累積的微損傷激活骨重塑過程。研究表明,經(jīng)微損傷嵌入骨基質(zhì)中的轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(transforming growth factor,TGF)-β,在OA早期破骨細(xì)胞介導(dǎo)的重塑過程中被釋放,且TGF-β信號(hào)增強(qiáng)伴隨著SCB的灌注異常、血管生成增強(qiáng)和骨髓水腫等病理改變。在此過程中,SCB孔隙率增高,這有助于血管和神經(jīng)從SCB侵蝕到AC。

Taheri等[26]研究發(fā)現(xiàn),在OA患者的軟骨鈣化層中分布有來自于SCB的微通道,可以聯(lián)通軟骨與骨髓,并且在AC最厚的區(qū)域,微通道的局部密度通常最高。這表明在OA進(jìn)展過程中,AC與SCB存在異常的信號(hào)交流。研究發(fā)現(xiàn)來自O(shè)A患者SCB的成骨細(xì)胞可以誘導(dǎo)健康A(chǔ)C細(xì)胞形成促分解代謝表型,使MMP家族成員表達(dá)上調(diào),特別是MMP3和MMP13的表達(dá)增加,ADAMTs產(chǎn)生減少,加速了ECM的降解[27]。

Yan等[28]通過建立動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶l(fā)現(xiàn),SCB局部受損后,削弱了SCB吸收、分散和傳遞來自AC傳導(dǎo)的載荷的能力。另外在受損SCB區(qū)域,其血管網(wǎng)絡(luò)遭到破壞,降低了向軟骨深層提供營(yíng)養(yǎng)的能力。受損區(qū)域被覆軟骨出現(xiàn)顯著退化。而與之對(duì)應(yīng)的骨水泥填充組在一定程度上對(duì)AC起到了支持作用,緩沖了其作用力,雖然AC仍然發(fā)生了退變,但其退變程度明顯低于骨缺損組。這表明在OA進(jìn)展過程中軟骨損傷與骨重塑是偶合的,當(dāng)SCB 出現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的改變,同樣會(huì)造成額外的軟骨損傷。

另一方面,OA患者的關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞也影響SCB的重塑,Prasadam等[27]將正常軟骨細(xì)胞與OA患者的軟骨細(xì)胞做對(duì)照,分別與軟骨下骨細(xì)胞混合培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn),OA患者的軟骨細(xì)胞可顯著激活細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)蛋白激酶 1/2 (tracellular signal-regulated kinase1/2, ERK1/2)的MAPK信號(hào)通路,使軟骨下骨成骨細(xì)胞的表型發(fā)生變化,導(dǎo)致成骨標(biāo)志物如堿性磷酸酶、骨橋蛋白、骨鈣素表達(dá)顯著上調(diào),而正常軟骨細(xì)胞的條件培養(yǎng)液則不影響ERK1/2磷酸化,且能夠產(chǎn)生延遲成骨細(xì)胞分化的因子。這表明正常軟骨細(xì)胞對(duì)軟骨下骨成骨細(xì)胞分化的抑制性調(diào)節(jié)可能是調(diào)節(jié)SCB重塑的因素之一,而這一機(jī)制的失調(diào)可導(dǎo)致骨代謝增加,導(dǎo)致SCB結(jié)構(gòu)的改變和隨后的骨硬化,這是OA的一個(gè)顯著特征。但目前關(guān)于骨與軟骨的相互作用機(jī)制尚不明確,相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道較少,仍需要開展進(jìn)一步的研究予以論證。

四、展 望

綜上所述,軟骨與軟骨下骨在OA的發(fā)展過程中并不是作為兩個(gè)獨(dú)立因素介導(dǎo),而是建立在二者應(yīng)力學(xué)、解剖學(xué)以及生物學(xué)的共同影響下,雙向相互作用發(fā)生改變,骨-軟骨界面的異常應(yīng)力分布會(huì)使上覆的軟骨退化,軟骨損傷反過來會(huì)影響軟骨下骨的重塑。過往的研究已證實(shí)單純的軟骨修復(fù)或是軟骨下骨重建并不能對(duì)延緩OA有明顯的作用,甚至還促進(jìn)了的OA的全面發(fā)展,而對(duì)于骨與軟骨組成的骨軟骨單元整體,在OA的發(fā)生、發(fā)展中產(chǎn)生的作用被嚴(yán)重低估,如軟骨下骨異常重塑對(duì)軟骨細(xì)胞基質(zhì)降解之間的相關(guān)性,軟骨細(xì)胞變性對(duì)軟骨下骨微結(jié)構(gòu)的影響及機(jī)制等尚缺乏客觀的實(shí)驗(yàn)依據(jù),國(guó)內(nèi)外對(duì)此也鮮有報(bào)道。隨著OA患者數(shù)量的增多以及患者的年輕化,對(duì)于OA治療的需求不僅僅停留于晚期的關(guān)節(jié)置換,但遺憾的是,目前的非手術(shù)治療只能暫時(shí)緩解癥狀,而手術(shù)治療面臨太多復(fù)雜的困難和局限性。但可預(yù)見的是,未來的變革性研究需要多學(xué)科共同開發(fā)具有更高臨床療效的治療策略,筆者認(rèn)為關(guān)于如何阻斷或影響AC與SCB的異常信號(hào)交流途徑,維持骨軟骨單元的完整性,必將會(huì)為骨關(guān)節(jié)炎延緩和治療思路上提供新的方向。