周 塏，杜秀藩，王廣積

（海南醫(yī)學院附屬海南醫(yī)院 海南省人民醫(yī)院 運動醫(yī)學科， 海南 ?？?570311）

骨性關節(jié)炎（osteoarthritis，OA）是指由多種因素導致軟骨細胞損傷以及繼發(fā)骨質(zhì)增生，屬于一種慢性疾病。目前其病因尚不明確，主要在關節(jié)損傷（如關節(jié)內(nèi)骨折、韌帶損傷、半月板損傷等）后發(fā)生［1］。其中前交叉韌帶損傷是常見的病因之一。先前的研究表明該韌帶損傷后會發(fā)生生物學的改變，從而導致軟骨損傷，最終促進OA 的形成。但目前的研究顯示前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）損傷后引起骨性關節(jié)炎是由多種因素所致［2］。大多數(shù)ACL 損傷或斷裂患者是通過手術干預，恢復膝關節(jié)穩(wěn)定性，降低創(chuàng)傷性骨性關節(jié)炎（post-traumatic osteoarthritis，PTOA）的發(fā)生率。但經(jīng)過重建術后仍然不能阻止OA 的發(fā)展［3］，表明ACL 損傷后OA 風險增加并可能與關節(jié)腔內(nèi)微環(huán)境密切相關。研究顯示，ACL 損傷后軟骨細胞會產(chǎn)生炎癥和分解代謝因子，使關節(jié)腔處于炎癥環(huán)境狀態(tài)，進而加重PTOA 的形成［4］。也有研究發(fā)現(xiàn)OA 發(fā)病機制中最重要的因素之一是關節(jié)腔內(nèi)細胞因子平衡失調(diào)，促炎細胞因子占據(jù)優(yōu)勢，這些因子通過其作用啟動惡性循環(huán)，導致最終效應［5］。本文主要探討與分析前交叉韌帶損傷后導致關節(jié)腔微環(huán)境的一系列變化（包括細胞因子的改變、滑液中蛋白質(zhì)成分的變化以及軟骨細胞的損傷與破壞）以及通過相關分子機制或介導信號通路使軟骨基質(zhì)降解和軟骨細胞損傷、壞死，最終導致PTOA 形成。

1 關節(jié)腔內(nèi)細胞因子的改變致使PTOA 的形成機制

在前交叉韌帶損傷后，使其關節(jié)腔內(nèi)細胞因子發(fā)生巨大的變化。相關研究表明，ACL 急性損傷后關節(jié)腔內(nèi)IL-6、TNF-α、IL-1β、IL-8、IL-10 等細胞因子水平升高［6，7］。這些細胞因子由活化的軟骨細胞、滑膜細胞和滑膜成纖維細胞釋放，并參與到軟骨基質(zhì)的降解，使軟骨受到破壞并抑制基質(zhì)合成［8］。此外，細胞因子IL-6 和IL-8 也參與了滑膜炎的炎癥過程，而滑膜炎是引起OA 發(fā)作和發(fā)展關鍵性因素，該物質(zhì)在ACL 損傷后持續(xù)處于高水平階段，可能在維持并導致PTOA 的炎癥環(huán)境中起致病作用［7］。因此，ACL 損傷后關節(jié)腔內(nèi)細胞因子之間的失衡會導致了PTOA 的形成。以下將具體分析與討論滑液中細胞因子升高后對OA 形成的作用機制。

1.1 IL-6 因子

研究表明，IL-6 因子可對骨結(jié)構及其功能有著重要的影響［9］，主要是通過相關信號途徑對軟骨產(chǎn)生破壞。據(jù)目前研究顯示，IL-6 主要通過兩種途徑產(chǎn)生生物作用，IL-6 正式信號傳導為IL-6 與IL-6 受體（IL-6R）結(jié)合，通過與糖蛋白130（gp130）同型二聚體形成復合物，激活JAK/STAT 途徑，進而導致STAT1、STAT3 的募集和激活［10］。導致軟骨的損傷。同時IL-6 還可激活MAPK 信號通路和PkB/Akt 信號通路，誘導基質(zhì)的降解。IL-6 反式信號傳導則由IL-6 和可溶性IL-6R（IL-6/sIL-6R）的形成的復合物發(fā)揮作用，它可以抑制蛋白聚糖合成并促進蛋白聚糖丟失，對軟骨造成損害。由此可看出，IL-6 因子通過介導相關信號通路致使軟骨細胞的損傷與凋亡。

1.2 IL-1β 因子

研究表明，IL-1β 是OA 病理生理學中主要的炎癥和分解代謝細胞因子之一。它通過增加基質(zhì)降解中關鍵酶的表達和活性對軟骨具有顯著的分解代謝作用［11］。IL-1β 可直接誘導基質(zhì)降解酶（MMP）的活化，導致軟骨的損傷［12］。一般來說，IL-1β 因子通過與受體（IL-1RI）結(jié)合后，激活信號通路NF-κB和MAPK 途徑，通過提高蛋白分解酶的表達，導致分解代謝增強，即蛋白聚糖降解和膠原蛋白破壞［13，14］。通過相同的信號通路，IL-1β 抑制轉(zhuǎn)錄因子（如SOX-9）合成從而抑制Ⅱ型膠原蛋白以及聚集聚糖的合成［15］。值得注意的是，IL-1β 可促進COX-2，PGE-2 和NO 的表達來抑制關節(jié)腔內(nèi)蛋白多糖形成。同時，IL-1β 還可通過激活JNK 通路上調(diào)MMP3 和MMP9［16］的 表 達。并 能 激 活PI2K 和Akt途 徑 來 上 調(diào)NO、PGE3、MMP 和ADAMT 的 濃度［17］。促使軟骨基質(zhì)的降解。此外，IL-1β 還可通過誘導NF-κB 信號通路從而抑制II 型膠原蛋白合成［18］。以上這些研究機制中可以看出IL-1β 因子對細胞軟骨的造成巨大的損傷。

1.3 TNF-α 因子

相關研究闡明，TNF-α 與TNF 受體（TNFR）結(jié)合時，構象變化促進胞質(zhì)內(nèi)相關因子募集一種含DD 的激酶，稱為受體相互作用蛋白-1（RIP1）。RIP1 反 向 招 募TNF 受 體 相 關 因 子-2（TRAF2）和TRAF5 以及細胞凋亡蛋白-1（cIAP1）和cIAP2 的細胞抑制劑［19］。這些因子與RIP1 發(fā)揮協(xié)同作用，參與下游磷酸化級聯(lián)以激活NF-κB，JNK 和p38 途徑，并間接上調(diào)導致關節(jié)軟骨降解的基質(zhì)降解酶，如10 型膠原（Col10）、MMP13、ADAMT5 和ADAMT9［20］，可導致軟骨結(jié)構的退化，從而導致骨關節(jié)炎的發(fā)生發(fā)展。與此同時，Li 等［21］報道TNF-α 途徑可上調(diào)IL-1β 因子共同發(fā)揮作用（圖1）。TNF-α 可直接誘導MMP 和前列腺素的產(chǎn)生，并抑制蛋白聚糖和Ⅱ型膠原蛋白的合成［22］。因此，TNF-α 在OA 的軟骨基質(zhì)降解和骨吸收中起著關鍵作用。

圖1 IL-1β 與 TNF-α 因子通過相關信號通路導致ECM 的降解Fig 1 IL-1β and TNF-α factors lead to degradation of ECM through relative signal pathway

1.4 IL-8 因子

IL-8 因子由4 個外顯子和3 個內(nèi)含子組成。IL-8 由炎癥中的各種類型的細胞產(chǎn)生。IL-8 基因的5'側(cè)翼區(qū)域包含多個核因子結(jié)合位點，NF-κB 與AP-1或C/EBP 結(jié)合協(xié)同激活IL-8 基因以響應IL-1 和TNFα，從而促使軟骨降解［23］。此外，IL-8 信號傳導促進主要效應子磷脂酰肌醇-3 激酶或磷脂酶C 的激活，促進Akt 和MAPK 信號級聯(lián)的激活［24］。MAPK信號可導致軟骨損傷，而PI3K/AKT 信號通路可促進細胞增殖，抑制軟骨細胞凋亡。并且有研究顯示：IL-8 通過CXCR2 介導的PI3k/Akt 信號通路在體內(nèi)增強軟骨生成［25］。因此，ACL 損傷后IL-8 因子對軟骨細胞的作用是雙重的，目前大多對IL-8 因子研究主要在于腫瘤方面的影響，未有研究明確顯示IL-8 因子與PTOA 形成的關系，相信未來研究會在此方面有所突破。

綜上所述，ACL 損傷后會導致關節(jié)腔內(nèi)炎癥因子的急劇上升，并通過相關信號通路（如PkB/Akt、MAPK、NF-κB 等信號通路）或相關分子機制促使關節(jié)的形態(tài)變化，如軟骨變性，骨贅形成和其他炎癥變化。若在該韌帶損傷后通過調(diào)節(jié)炎癥因子之間的平衡或者抑制相關信號通路，是否可以更好的避免PTOA 的形成。近年來，已有許多研究發(fā)現(xiàn)miRNA 參與IL-1β、TNF-α 等炎癥因子引起的軟骨穩(wěn)態(tài)破壞過程［26］，表明可通過調(diào)控相關miRNA 可抑制OA 的發(fā)生。同時，還包括對各信號通路的研究，如Ge 等［27］通 過IL-1β 誘 導PKDI 蛋 白 表 達，使p38 磷酸化，導致細胞凋亡，結(jié)果顯示PKDI 可能通過p38 MAPK 信號通路促使細胞凋亡。但目前未有報道顯示在ACL 損傷后可通過該蛋白發(fā)揮作用促使OA 形成。此外，還有許多基因介導的信號通路尚未被研究或者正在研究中。如Gremlin-1 基因介導的NF-κB 通路在ACL 損傷后的作用。因此，對于ACL 損傷后導致PTOA 形成的機制有著更好的了解之后，可對其進行深入研究，挖掘相關基因或因子介導的機制，為ACL 損傷后預防PTOA 的發(fā)生提供新治療策略。

2 滑液中蛋白成分的變化與PTOA 的關系

據(jù)相關研究表明，ACL 損傷后導致滑液中相關蛋白成分的增加如基質(zhì)金屬蛋白酶（MMP）、骨膜素、半 胱 天 冬 酶3 等［28，29］。這 些 蛋 白 成 分 主 要 是 由滑膜細胞、軟骨細胞和其他關節(jié)內(nèi)組織被激活后通過炎癥介質(zhì)促使產(chǎn)生的，可促進導致軟骨基質(zhì)降解以及膠原蛋白破壞。

2.1 基質(zhì)金屬蛋白酶

OA 的特征性體征是軟骨進行性破壞，最終導致軟骨細胞完全喪失。負責軟骨退行性變化的關鍵酶是基質(zhì)金屬蛋白酶，特別是MMP-13。MMP目前被認為是參與ECM 降解的主要蛋白酶［30］。先前研究提出的觀點表示MMP 發(fā)揮作用機理主要是由于MMP 可在特定肽鍵上切割聚集糖的糖胺多糖（GAG）并釋放相關片段。蛋白水解裂解過程具有破 壞 性 作 用，導 致 基 質(zhì) 中GAG 的 損 失［31］，同 時，MMP 對聚集糖的末端具有分解代謝作用，這可能會加速關節(jié)軟骨中基質(zhì)聚集聚糖的損失。此外，MMP 還具有膠原酶活性，可直接降解細胞外基質(zhì)（ECM）中膠原蛋白［32］。因此，MMP 水平升高會導致關節(jié)ECM 降解，包括GAG、蛋白聚糖和膠原蛋白，從而引發(fā)MMP 的進一步激活，從而形成正反饋循環(huán)［33］。值得注意的是。關節(jié)軟骨中蛋白聚糖和膠原蛋白的丟失是一種顯著的改變，且膠原蛋白一旦丟失，軟骨就無法修復［34］。由此可以看出，MMP可導致軟骨發(fā)生不可逆的改變。

2.2 骨膜蛋白

骨膜蛋白（POSTN）屬于一種分泌的母細胞蛋白，已被證明在多種結(jié)締組織中表達，例如骨和骨膜、肌腱等［35］，有研究表明。據(jù)目前研究POSTN 蛋白在軟骨基質(zhì)降解和骨關節(jié)炎的作用的機制尚未明確。有相關研究表示骨膜蛋白可以誘導NF-κB信號通路對軟骨基質(zhì)的降解，還可通過促使p65 核易位和誘導ADAMTS5 過表達，ADAMTS5 蛋白具有細胞外基質(zhì)降解酶活性，可通過降解促使OA的發(fā)生，目前ADAMTSs 與OA 之間的關系日益受到醫(yī)學界的重視［36］。同時，也有研究使用外源性骨膜蛋白處理軟骨細胞，則發(fā)現(xiàn)POSTN 會增加MMP13 的表達，進而促進軟骨降解，但并不改變骨膜蛋白mRNA 表達［34］。因此，ACL 損傷后滑液骨膜蛋白增加會導致軟骨的降解風險。

2.3 Caspase-3 及各種蛋白

含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶（Caspase）是細胞凋亡發(fā)生的重要蛋白，其中Caspase-3 是細胞凋亡過程中最主要的終末剪切酶。研究表明其主要機制是由各種信號的誘導下，啟動caspases，該蛋白啟動后與輔助因子結(jié)合發(fā)生激活，即可發(fā)揮水解蛋白作用，同時繼續(xù)激活下游的效應型caspases，一旦效應caspase 被激活，便可大范圍的水解細胞內(nèi)的相關物質(zhì)，從而降解細胞內(nèi)蛋白，最終使細胞發(fā)生凋亡［37］。此外，ACL 損傷后關節(jié)腔內(nèi)發(fā)生變化的蛋白還包括載脂蛋白A1，α-2-巨球蛋白、結(jié)合珠蛋白30 多種蛋白等等［38］，但目前對這些蛋白與OA 的關系研究較少，因此未來還需更多的研究來完善，以期能更好地評估PTOA 發(fā)生的風險。

綜上所述，ACL 損傷后可促進關節(jié)腔內(nèi)滑液中相關蛋白升高導致軟骨基質(zhì)及軟骨細胞的破壞，進而影響OA 的進展。對于以上蛋白對關節(jié)軟骨的影響，其最重要的是MMP。目前針對于MMP 抑制劑的研究比較熱門，由于MMP 抑制劑在韌帶損傷后重塑細胞外基質(zhì)起著至關重要的作用，如Malemud［39］在動物實驗中發(fā)現(xiàn)通過PI3Kδ，γ 抑制劑進行抑制了MMP，從而降低了MMP 基因表達，減少蛋白水解酶對軟骨的降解。該類抑制劑分類有多種，但均會對患者產(chǎn)生疼痛和關節(jié)僵硬等副作用，稱為肌肉骨骼綜合征（MSS）［40］，而MMP-13 抑制劑可避免出現(xiàn)這種不良反應。目前選擇性MMP-13 抑制劑受到了相當大的關注。相信特異性MMP-13 抑制劑最終將會產(chǎn)生突破性的治療，在不久的將來能為OA 緩解病情進展。

3 軟骨細胞損傷與降解

軟骨損傷與降解是形成OA 病因的核心，軟骨細胞是一種具有分泌細胞外基質(zhì)（ECM）如膠原和蛋白多糖進而形成的軟骨組織細胞。若ECM 過度降解和軟骨細胞分化及降解則會引起OA，其降解基質(zhì)結(jié)構成分（主要是聚集聚糖和膠原蛋白）主要由滑液中蛋白酶及細胞因子介導。由于在ACL 損傷后，關節(jié)腔內(nèi)環(huán)境發(fā)生巨大變化（圖2），引起膠原酶、細胞因子以及軟骨細胞末端分化相關基因（如COL10A1，MMP-13，MMP-9 等）分泌增加，影響到軟骨細胞的生長以及導致軟骨細胞的壞死，有研究表示，ACL 損傷后關節(jié)腔內(nèi)炎癥、分解代謝因子水平的增加與軟骨細胞凋亡有關，并可能導致軟骨退化和骨關節(jié)炎的發(fā)展［41］。具體來說，ACL 損傷后導致軟骨的降解與細胞因子以及滑液中蛋白的變化密切相關。許多研究已被證實，細胞因子的失衡以及蛋白的增加會通過多種信號通路促使關節(jié)軟骨的形態(tài)發(fā)生退化［42］。因此，ACL 損傷后由于關節(jié)腔內(nèi)微環(huán)境的改變導致軟骨細胞發(fā)生凋亡以及軟骨基質(zhì)的降解。

圖2 ACL 損傷后，導致關節(jié)腔內(nèi)細胞因子平衡紊亂以及蛋白酶的增加，致使膠原蛋白丟失以及軟骨細胞的損傷Fig 2 Injury to the anterior cruciate ligament leads to a disturbance in the cytokine balance in the joint cavity and an increase in proteases， resulting in loss of collagen and damage to cartilage cells

ACL 損傷后通過相關分子機制作用促使PTOA 的發(fā)生，而PTOA 的形成過程是逐漸惡化的，目前臨床治療方法主要通過非甾體抗炎藥、止痛藥等。然而，這些方法只能減輕骨關節(jié)炎患者的疼痛和延緩OA 過程，而不能改變由關節(jié)軟骨不可逆變性引起的OA 病程。如今尚未有相關藥物能夠?qū)筆TOA 的潛在干預措施，理論上是可以在早期階段進行干預的，以防止疾病的進展。

4 討論

既往有ACL 損傷病史的患者PTOA 的發(fā)病率較高。若伴有關節(jié)內(nèi)損傷的患者則PTOA 的發(fā)生率更高。ACL 損傷較重且通過手術治療的患者可以重新穩(wěn)定膝關節(jié)，以減輕膝關節(jié)旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，抑制脛骨前平移，恢復功能［43］，術后進行康復的訓練可以很大的改善結(jié)構性、機械系及神經(jīng)肌肉上的缺陷。而在生物學方面術后患者關節(jié)腔內(nèi)仍然處于炎癥環(huán)境階段，對于加劇PTOA 有一定的影響。此外，針對于ACL 損傷較輕可以通過保守治療的患者，該韌帶損傷之后對于PTOA 形成是多種因素的［44］，并且具有一定的復雜性，因此給當前治療的帶來了一定的局限性。術前術后的患者若通過改善關節(jié)腔內(nèi)微環(huán)境狀態(tài)來看是有益的，在未來的研究方向可致力生物學方面研究，目前藥物治療的效果也在動物研究中得到了廣泛的研究。隨著我們對ACL 損傷引發(fā)的生物學機制的了解增加，對動物研究中對炎癥趨化因子（如IL-1 和TNF-α）的選擇性抑制顯示出預防損傷關節(jié)退化的潛力［45］。但目前來看，通過藥物預防PTOA 進展只是基于動物實驗方面。在人體方面的預防尚未清楚。此外，PTOA 的發(fā)展是一種慢性以及漸進性疾病，應當早期階段檢測PTOA，監(jiān)測OA 進展以及嚴重程度，并評估相關治療的有效性。最后，應當更好地了解關節(jié)腔內(nèi)環(huán)境變化對于韌帶損傷后進行干預是至關重要。

5 問題與展望

ACL 損傷發(fā)生OA 的由多種因素所致，對于生物學方面的影響主要是由于韌帶損傷后關節(jié)腔內(nèi)物質(zhì)發(fā)生了變化，致使促炎因子與抗炎因子失衡、蛋白分解酶增多以及軟骨細胞損傷等，通過潛在的重要因子和信號通路從而導致OA 的發(fā)生。目前分子及蛋白的藥物開發(fā)極少，預防OA 的發(fā)生比較艱巨。而PTOA 是屬于關節(jié)結(jié)構的慢性損傷性疾病。在晚期，膝關節(jié)的改變是不可逆的。只能通過手術的方式進行改善。因此，早期預防以及發(fā)現(xiàn)OA 對于指導治療和防止膝關節(jié)無法修復的損傷是值得必要的。并且在于未來的研究方向應當致力于靶向因子或者蛋白分解酶方向研究，開拓新的藥物研發(fā)，減少OA 的發(fā)生。

作者貢獻度說明：

周塏：主要進行文獻查找，翻閱，記錄，寫作等工作。王廣積：文章整體把控，文章內(nèi)容審校。杜秀潘：課題組成員，提供所在領域文獻和相關領域修改意見。

所有作者聲明不存在利益沖突關系。