細胞凋亡在膝骨性關(guān)節(jié)炎半月板損傷中的作用研究*

李盛華，吳獻毅，周明旺，葉丙霖，郭鐵峰，付志斌

1甘肅省中醫(yī)院，甘肅 蘭州 730050；2甘肅中醫(yī)藥大學(xué)；3甘肅省中醫(yī)藥研究院

膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎(knee osteoarthritis，KOA)是一種以關(guān)節(jié)軟骨降解為主要特征的退變性骨關(guān)節(jié)疾病，不僅損害關(guān)節(jié)軟骨，亦對半月板、關(guān)節(jié)周圍肌肉、韌帶、滑囊等軟組織產(chǎn)生不利影響，最終導(dǎo)致關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和功能的完整性破壞［1］。膝關(guān)節(jié)是人體的主要負重關(guān)節(jié)，是發(fā)生關(guān)節(jié)炎的常見部位，KOA極大地影響了人們的生活質(zhì)量，尤其是目前社會人口老齡化嚴重，退變性骨關(guān)節(jié)炎使得部分老年人喪失活動能力，導(dǎo)致老年人生理機能衰退，進而轉(zhuǎn)化為嚴重的社會問題，值得注意。有研究指出，造成膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和功能退變的主要原因之一是膝關(guān)節(jié)半月板的損傷［2］。膝關(guān)節(jié)半月板損傷和關(guān)節(jié)軟骨損傷是常見的關(guān)節(jié)疾患，造成關(guān)節(jié)軟骨損傷與退變的原因有很多，如人體自身內(nèi)環(huán)境的變化、關(guān)節(jié)腔滑液成分的改變、關(guān)節(jié)軟骨營養(yǎng)的缺失以及軟骨細胞在關(guān)節(jié)軟骨相互摩擦過程中的逐漸凋亡等。半月板損傷多系運動傷，但少部分嚴重的半月板損傷是一個長期慢性累積的過程，可能與半月板軟骨細胞過度凋亡有關(guān)［3］。筆者就細胞凋亡在KOA半月板損傷中作用研究做一綜述，以期為KOA的預(yù)防及治療提供一定的借鑒和參考。

1 細胞凋亡

細胞的死亡和更新是真核生物整個生命過程

中不可或缺的環(huán)節(jié)，可以及時地清除體內(nèi)多余和受損傷的細胞，對各組織器官的發(fā)育及免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)發(fā)揮了重要的作用［4］。

1.1 細胞凋亡的概念 細胞調(diào)亡是一個被周密調(diào)控的復(fù)雜過程，凋亡作為第一個被認定的程序性細胞死亡(programmed cell death，PCD)，是一種由遺傳決定并且進化保守的生理性細胞自殺。細胞凋亡是以細胞內(nèi)Caspase的激活為起點，死亡細胞的內(nèi)容物由功能完整的細胞膜包裹形成凋亡小體進而被其他細胞吞噬，通常沒有死亡細胞內(nèi)容物的遺漏和炎癥。在真核生物中，細胞凋亡對于機體自身的發(fā)育和穩(wěn)定具有重要的作用，但當(dāng)?shù)蛲稣{(diào)控機制失衡時，可引起細胞凋亡不足或者凋亡過度，導(dǎo)致相關(guān)疾病發(fā)生，比如凋亡不足可以引起腫瘤、自身免疫性疾病；凋亡過度可以引起心血管疾病、病毒感染、神經(jīng)元退行性疾病及關(guān)節(jié)軟骨退變；當(dāng)細胞凋亡不足與過度并存時則產(chǎn)生動脈粥樣硬化等。

1.2 細胞凋亡的途徑 目前發(fā)現(xiàn)真核細胞主要經(jīng)外部凋亡途徑、內(nèi)部凋亡途徑、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激途徑及B粒酶介導(dǎo)的細胞凋亡途徑來介導(dǎo)細胞發(fā)生凋亡。

1.3 細胞凋亡的意義 細胞凋亡在生理條件下是機體平衡細胞群生長消亡的重要方式，與細胞增殖一起，共同維持機體細胞群自身的穩(wěn)定，具有重要的生理意義：確保機體正常的生長發(fā)育；維持內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定——清除受損、突變或者衰老的有害細胞；發(fā)揮積極的防御功能——清除受病毒感染的細胞。

2 半月板的生理功能、損傷機制及分類

2.1 半月板的生理功能 半月板是膝關(guān)節(jié)內(nèi)特有的生理性填充組織，主要由纖維軟骨細胞組成，具有不可替代的功能和地位，有滑潤關(guān)節(jié)、加深關(guān)節(jié)、吸收震蕩、緩沖壓力、傳遞負荷、保護關(guān)節(jié)軟骨和維持關(guān)節(jié)穩(wěn)定等重要作用，以及防止股骨前滑、防止膝關(guān)節(jié)過伸過屈和過度旋轉(zhuǎn)。總之，半月板有維持膝關(guān)節(jié)正常生理功能的穩(wěn)定性和靈活性的重要作用［5］。

2.2 半月板的損傷機制 近年來，因運動創(chuàng)傷及交通事故所致的半月板損傷越來越多，已經(jīng)成為臨床常見病和多發(fā)病。膝關(guān)節(jié)在運動過程中通過屈、伸、旋、展、收等一系列動作完成各種承負功能，雖然膝關(guān)節(jié)承受負荷的閾值還無法確定，但過度負荷后較易引起關(guān)節(jié)局部組織細胞疲勞而致勞損［6］。適度負荷可以增強膝關(guān)節(jié)的解剖應(yīng)力及功能，但過度會使膝關(guān)節(jié)的承受能力下降，從膝關(guān)節(jié)微觀結(jié)構(gòu)分析，膝關(guān)節(jié)經(jīng)反復(fù)多次過度刺激后，神經(jīng)元興奮性降低，血液供給產(chǎn)生障礙，關(guān)節(jié)內(nèi)微細結(jié)構(gòu)產(chǎn)生紊亂進而導(dǎo)致各組織細胞疲勞［6］。如若不及時糾正負荷或再加強承載負荷，膝關(guān)節(jié)會因負擔(dān)過重而引起整個關(guān)節(jié)的代謝紊亂，維持膝關(guān)節(jié)功能活動的能量得不到及時補充易導(dǎo)致相應(yīng)功能區(qū)的變性，如韌帶附著區(qū)增厚鈣化、關(guān)節(jié)腔積液等。因關(guān)節(jié)內(nèi)微細結(jié)構(gòu)紊亂導(dǎo)致疲勞的組織細胞大量積累，引起各組織代償性的改變，導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)損傷。半月板有吸收和消除肢體下傳的沖擊力的作用，在膝關(guān)節(jié)屈伸和扭轉(zhuǎn)的過程中，半月板的運動產(chǎn)生不一致的矛盾，致使半月板在脛骨平臺與股骨髁之間發(fā)生劇烈研磨，這是半月板發(fā)生損傷的主要生理學(xué)因素［7］。半月板損傷后關(guān)節(jié)軟骨面之間失去了緩沖、減震的作用，損傷的半月板關(guān)節(jié)面受到磨損、剪切應(yīng)力的破壞，關(guān)節(jié)軟骨細胞發(fā)生凋亡、脫落、壞死等改變。關(guān)節(jié)表面軟骨的損傷同時也加重半月板的損傷，多種因素的相互作用可能進一步加重膝關(guān)節(jié)功能的減退。

2.3 半月板的損傷分類 半月板損傷多由劇烈運動或強大暴力造成，起病較急，損傷人群主要以青壯年為主；少數(shù)損傷由半月板軟骨退變所致，甚至可以沒有明顯的外傷，以老年患者居多。根據(jù)臨床實踐中最為常用的鏡下發(fā)現(xiàn)半月板損傷類型而制定的O′Connor［8］分類法大體分為縱向撕裂和水平撕裂。縱向撕裂是指因垂直暴力致徑向膠原纖維斷裂導(dǎo)致環(huán)狀膠原纖維之間彼此分離，這種損傷多見于青壯年，特征性癥狀是膝關(guān)節(jié)伸直位易致關(guān)節(jié)絞鎖［9］。半月板水平撕裂的撕裂線與上下關(guān)節(jié)面平行，將半月板分為上下兩部分，故又稱“魚嘴樣撕裂”，這種損傷多見于老年患者，損傷的主要原因在于老年患者半月板硬度及彈性均有不同程度下降。水平撕裂不嚴重時，患者癥狀往往不很明顯，因此在致傷因素的反復(fù)作用下，水平撕裂可以衍變成復(fù)雜性撕裂及退變性撕裂，至此，患者才會逐漸出現(xiàn)較嚴重的關(guān)節(jié)絞鎖和疼痛等癥狀。

3 細胞凋亡與半月板損傷

生理狀態(tài)下的細胞凋亡對于維持半月板的正常結(jié)構(gòu)及功能具有非常重要的意義，但當(dāng)機體受到各種內(nèi)外因素的刺激引起細胞凋亡調(diào)控機制失衡進而使細胞凋亡過度時，則可引起半月板軟骨細胞的退變，進而導(dǎo)致半月板損傷的發(fā)生。Li Y等［10］研究認為，至少有兩種凋亡途徑參與了軟骨細胞的凋亡，一種是由NO介導(dǎo)的與滑膜炎癥無關(guān)的途徑，另一種是由Fas介導(dǎo)的同滑膜炎癥相關(guān)的途徑。當(dāng)KOA內(nèi)不存在明顯的炎癥反應(yīng)時，以NO介導(dǎo)的細胞凋亡途徑為主；當(dāng)有炎癥反應(yīng)產(chǎn)生時，則通過Fas途徑加速軟骨細胞凋亡和關(guān)節(jié)破壞。賀斌等［11］在研究中證實了NO及其產(chǎn)物可以誘導(dǎo)軟骨細胞凋亡并且抑制蛋白多糖和膠原的合成而促進其分解。由于蛋白多糖的減少，軟骨基質(zhì)中的水分含量也相應(yīng)下降，軟骨由光滑半透明變得干澀無光澤。膠原蛋白的缺乏使得軟骨彈性降低，缺少對抗正常活動的應(yīng)力而致磨損破裂。由于軟骨的蛋白多糖及膠原蛋白抗原決定簇暴露易誘發(fā)免疫反應(yīng)，產(chǎn)生炎癥介質(zhì)如TNF-α、IL-1β等，又可刺激軟骨細胞內(nèi)iNOS激活產(chǎn)生大量NO，形成惡性循環(huán)。而且炎癥反應(yīng)造成Fas途徑參與，也加劇了關(guān)節(jié)軟骨的破壞。Kim HA等［12］對比正常人和KOA患者的關(guān)節(jié)軟骨，發(fā)現(xiàn)正常人的半月板軟骨內(nèi)幾乎找不到凋亡細胞，而在KOA患者中，受損區(qū)半月板軟骨細胞的凋亡數(shù)明顯高于未受損區(qū)，F(xiàn)as在受損傷區(qū)的表達高于未受損傷區(qū)，提示Fas表達可誘導(dǎo)軟骨細胞凋亡。王文志［13］在探討膝關(guān)節(jié)退變過程中半月板軟骨細胞產(chǎn)生內(nèi)皮素(Endothelin,ET)和一氧化氮(Nitric oxide,NO)表達情況的研究中分為3個組：骨關(guān)節(jié)炎組、關(guān)節(jié)損傷組和正常對照組。研究發(fā)現(xiàn)：骨性關(guān)節(jié)炎患者的半月板組織有軟骨細胞數(shù)量減少、膠原組織減少、不同程度鈣化、表面欠光滑及顏色暗淡等表在KOA患者半月板組織中高表達；ET在KOA的半月板中表達明顯，考慮ET影響了半月板組織的血運，促進了軟骨細胞凋亡。同時他還指出ET和NO在關(guān)節(jié)損傷組和正常對照組中含量表達無明顯差別，均顯著低于骨關(guān)節(jié)炎組，說明關(guān)節(jié)損傷半月板撕裂不引起軟骨細胞過量分泌ET和NO。由此看來在KOA患者中，軟骨細胞更容易發(fā)生凋亡等病理改變，繼而細胞凋亡與KOA之間又相互促進，形成惡性循環(huán)，加重癥狀。對于半月板損傷的治療，陳績［14］指出用自體富血小板血漿(PRP)移植到膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)，能夠刺激半月板損傷區(qū)域的軟骨細胞增生，促進損傷的無血供區(qū)半月板的愈合，如果這一研究成熟并在臨床推廣，將具有非常重要的臨床意義。郭鐵峰等［15］指出轉(zhuǎn)化生長因子β1可通過不同途徑促進細胞外基質(zhì)合成，促進軟骨細胞增殖分化，增強軟組織自身再生能力，只是這一研究雖取得成果，但還存在許多問題需要進一步探討而暫時沒應(yīng)用于臨床，不過這有望對治療各種軟骨損傷及骨的退行性變提供新的治療思路。

4 半月板損傷與KOA

半月板損傷日久可以導(dǎo)致KOA，KOA患者也多數(shù)伴有半月板的損傷，所以彼此間的因果關(guān)系，誰為因，誰為果，或者互為因果，尚需進一步觀察和探討，本文主要從以下兩方面對半月板損傷與KOA之間的關(guān)系進行簡要闡述。

4.1 半月板損傷→KOA半月板在關(guān)節(jié)鏡下進行修整可使之形態(tài)得以完整或大部分保留，這對維持膝關(guān)節(jié)的正常力學(xué)性能、緩解關(guān)節(jié)軟骨的壓力及磨損程度非常重要。否則損傷的半月板由于遷延失治即可造成關(guān)節(jié)軟骨的退變和凋亡，導(dǎo)致KOA的發(fā)生［16］。經(jīng)過長期臨床觀察，人們開始逐漸認識到，損傷的半月板如若切除將導(dǎo)致關(guān)節(jié)不穩(wěn)和載荷傳遞功能紊亂，切除致使膝關(guān)節(jié)術(shù)后接觸應(yīng)力增大易引起關(guān)節(jié)軟骨退行性變進而促使KOA的發(fā)生。吳向陽等［17］在其研究的半月板切除對急性關(guān)節(jié)軟骨損傷的試驗研究中發(fā)現(xiàn)損傷的半月板切除后，膝關(guān)節(jié)之間的應(yīng)力增高，高應(yīng)力誘發(fā)了新生軟骨細胞的凋亡，凋亡的軟骨細胞不能生成軟骨下基質(zhì)，基質(zhì)減少導(dǎo)致修復(fù)組織表層的軟骨被破壞，久之易導(dǎo)致KOA。所以如何修復(fù)已損傷的半月板并防止KOA等并發(fā)癥的發(fā)生已經(jīng)引起臨床醫(yī)學(xué)界的廣泛重視，因此人們又開始把目光轉(zhuǎn)移到半月板損傷后的修復(fù)的問題上［18］。半月板的微循環(huán)狀況直接影響到半月板損傷后的修復(fù)，改善損傷區(qū)的微循環(huán)障礙是半月板損傷愈合的關(guān)鍵，因此有必要對損傷區(qū)的微循環(huán)特征進行更深入的研究［19］。

4.2 KOA→半月板損傷 KOA患者往往伴有半月板損傷，老年患者較常見，由KOA引起的半月板損傷多為破裂傷，且形式多樣、破碎不規(guī)則，容易嵌頓于關(guān)節(jié)間隙內(nèi)形成絞鎖。這種損傷基本沒有修復(fù)的可能和必要，需要在關(guān)節(jié)鏡下將破碎的半月板部分或者完全切除，殘余部分給予修整，破裂嚴重者只能將損傷的半月板完全切除，這對緩解癥狀會有一定作用，但半月板的缺失對KOA本身以及患者自身不利。況且半月板切除后再生半月板不能完全行使正常半月板的生物力學(xué)性能，即使部分切除也可導(dǎo)致KOA的發(fā)生，如關(guān)節(jié)軟骨退化、關(guān)節(jié)腔狹窄、骨贅形成等［20］。陳軍［21］研究 KOA 與半月板損傷及軟骨下脊髓水腫嚴重程度的相關(guān)性實驗中發(fā)現(xiàn)KOA的分度與半月板損傷和脊髓損傷程度呈正相關(guān)，可以根據(jù)半月板損傷和脊髓水腫程度判斷KOA的發(fā)展和預(yù)后以及為KOA的防治提供依據(jù)。時劍輝等［22］在研究的關(guān)節(jié)鏡下膝骨關(guān)節(jié)炎伴發(fā)半月板損傷的臨床報道中指出，半月板退變性撕裂在老年KOA患者中較多見，但門診及術(shù)前診斷率偏低，提醒我們在診斷KOA，尤其是病程較長的患者時，應(yīng)考慮到并發(fā)半月板損傷的可能。在依賴影像學(xué)檢查的同時，也不能忽視物理查體，尤其是麥氏試驗及研磨試驗對診斷半月板損傷有一定的參考意義。

5 細胞凋亡與KOA

生理情況下的細胞凋亡是一個正常的過程，但如果凋亡過度則是病理性和有害的。目前在許多疾病中均發(fā)現(xiàn)了細胞過度凋亡的證據(jù)，如阿爾茲海默癥、心血管疾病、神經(jīng)元退變性疾病等，近年來不斷有研究顯示，軟骨細胞的凋亡可能在KOA的發(fā)病過程中產(chǎn)生了重要的影響。張洪等［23-24］在研究中指出，凋亡相關(guān)基因、凋亡抑制蛋白及Caspase酶系等在KOA中均有高表達。說明軟骨細胞過度凋亡是關(guān)節(jié)軟骨退變發(fā)展為KOA的重要原因之一。同時KOA患者的關(guān)節(jié)軟骨細胞也更容易發(fā)生凋亡等改變［11］。喬斌等［25］、張嘉美等［26］在研究中發(fā)現(xiàn)，Wnt/β-catenin信號通路與軟骨代謝相關(guān)性時指出Wnt信號通路在骨骼的發(fā)育、軟骨及骨生物學(xué)中起著重要作用，同時對不同部位、不同生長階段軟骨形成起著正負雙向調(diào)節(jié)作用。那么是否可以通過調(diào)節(jié)Wnt相關(guān)信號通路而實現(xiàn)抑制關(guān)節(jié)軟骨細胞的過度凋亡，進而阻止或者減緩半月板損傷導(dǎo)致KOA發(fā)生的進程，還有待研究，如果這一設(shè)想成立并取得一定成果，將為KOA的治療提供新的途徑，為研發(fā)防治KOA的有效藥物開辟新的思路，意義重大。

6 結(jié)語與展望

細胞凋亡對于維持機體正常正常生理功能具有重要作用，但如果其凋亡通道中某一信號通路異常將使凋亡調(diào)控機制失衡，引起軟骨細胞過度凋亡致使KOA的發(fā)生，在隨后一段時期內(nèi)KOA、半月板損傷與細胞凋亡相互影響，致使病情進一步加重，形成惡性循環(huán)。所以了解細胞凋亡對KOA以及半月板損傷的調(diào)控機制及具體的信號通路，對過度凋亡及過度增殖的細胞進行有效干預(yù)，有望對KOA及其他與細胞凋亡有關(guān)的疾病防治提供一種新的思路。

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