骨關節炎的發病機制及其藥物治療進展

許 穎，范凱健，王婷玉

0 引言

骨關節炎(Osteoarthritis，OA)是臨床上最常見的一種慢性關節炎，隨著年齡的增長患病率逐漸增加。OA影響了全球24 000萬人的生活，嚴重威脅著人類的健康。據世界衛生組織統計，在全球60歲以上的老年人中，約9.6%的男性和18%的女性患OA，在發達國家中，25%的OA患者伴有殘疾[1]。OA主要表現為關節疼痛、功能障礙，嚴重者可致畸。目前研究普遍認為，OA與遺傳、老化、肥胖等有關。OA致病因素及發病機制復雜，針對OA的病因病理機制尋找防治該病的有效手段一直是研究者努力的方向。目前，OA的治療方式包括有氧運動、減輕體重、藥物和手術治療，主要目的是減輕疼痛、減少僵硬和改善關節功能。本文對近年來OA的發病機制及治療藥物的新進展進行綜述，為OA的發病機制研究及臨床診療提供參考。

1 OA的發病機制

1.1 軟骨細胞凋亡 軟骨細胞是關節軟骨中唯一的細胞，關節軟骨的穩定依賴于軟骨細胞，而軟骨細胞又可以維持細胞外基質的平衡，因此，損害軟骨細胞的功能和存活將會導致關節軟骨的損害。軟骨細胞負責胞外基質的合成和更新，維持基質的完整。軟骨細胞凋亡是關節軟骨退行性改變的病理因素之一[2]。細胞凋亡是細胞程序性死亡的類型之一，包括一系列形態學改變，如細胞核固縮、核裂解、質膜出泡。此外，還伴隨一系列生化特征的改變，如線粒體外膜的通透化，caspase效應分子的激活，以及代謝酶的激活[3]。細胞凋亡是一種高度節制性的調節方式，參與細胞的發育、穩態、衰老和死亡的過程。細胞凋亡的失調將導致病理狀態，如癌癥和一些退行性疾病等。細胞凋亡的機制分為細胞內信號誘導的內源性或線粒體通路，以及由細胞外信號觸發的外源性或死亡受體通路，包括死亡受體家族的激活。研究表明，死亡受體Fas或TNFR1、細胞因子、機械力學、理化等因素能夠觸發軟骨細胞凋亡。凋亡信號啟動后，通過許多蛋白、酶的參與激活多種信號傳導途徑，包括MAPKs、MEK/ERK、JNK、PI3K/AKT、JAKs/STAT1等信號通路[2]。p53能夠誘導促凋亡因子Bax上調而引起細胞凋亡，異位表達的p53還能增強NO供體誘導的細胞死亡。細胞松弛素D介導肌動蛋白阻斷NO誘導的軟骨細胞去分化、凋亡、COX2及PEG2的產生，抑制下游信號NF-κB、p53、caspase-3的表達[4]。軟骨細胞線粒體釋放的細胞色素C和AIF，可以誘發細胞凋亡[5]。活性氧(Reactive oxygen species，ROS)和氧化壓力與促進OA進程密切相關[6]。氧化壓力能夠干擾抗氧化系統的平衡，而ROS的產生可以通過氧化還原信號通路導致細胞凋亡和損傷。因此，細胞凋亡途徑為研制OA治療藥物提供了潛在的靶點。此外，自噬和細胞凋亡之間的相互關系，以及miRNA在凋亡調控中的新發現等都將為OA的干預和治療提供新的思路。軟骨細胞凋亡是一個多細胞因子、多信號傳導通路共同參與的復雜病理過程，其在OA發生發展中的作用仍然有待闡明。

1.2 基質蛋白酶 關節軟骨是覆蓋在關節內骨表面的一層軟骨組織，主要由軟骨細胞和細胞外基質(Extracellular matrix，ECM)組成。ECM主要由組織液、Ⅱ型膠原(Type Ⅱ collagen，CⅡ)和蛋白多糖組成。OA的發生主要是由軟骨細胞凋亡和ECM降解引起，且二者密切相關。ECM在關節軟骨生理病理變化中具有重要作用，參與調節軟骨的合成和分解代謝平衡。

在OA中，軟骨細胞等會產生多種導致關節軟骨代謝平衡的細胞因子。這些細胞因子會影響軟骨細胞的代謝平衡，促進蛋白水解酶的分泌，從而促進關節炎的進程。蛋白水解酶包括基質金屬蛋白酶(Matrix metalloproteinases，MMPs)和蛋白聚糖酶(A disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs，ADAMTS)。MMPs是一類廣泛存在于各種結締組織中，在ECM的降解過程中起重要作用的蛋白酶超家族。在關節炎中，MMPs的表達增加與關節炎的進程有明顯的相關性，通過抑制MMPs的表達可以減緩其發展。MMP-13是MMPs中最重要的一種，是靶向降解軟骨的主要酶。臨床研究顯示，伴有關節軟骨損傷的OA患者，軟骨細胞會大量表達MMP-13[7]。動物實驗表明，在MMP-13基因過表達的轉基因小鼠體內，小鼠會自發產生OA樣表型[8]。ADAMTS是另一種重要的降解酶。ADAMTS-4、ADAMTS-5是蛋白多糖降解的關鍵因子[9]。研究表明，在人和鼠的軟骨細胞中，炎癥因子TNF-α能夠誘導ADAMTS-4和ADAMTS-5酶mRNA表達水平的增加，而ADAMTS-4和ADAMTS-5能夠分別負責降解膠原和蛋白多糖[9]。Yang等[10]研究發現，IL-1β誘導的miR-34a上調會抑制Cyr61的表達，并通過ADAMTS-4來調節OA軟骨細胞增殖。此外，有報道，小鼠ADAMTS-5 基因被敲除后，軟骨細胞的破壞作用明顯減輕[11]。因此，抑制ADAMTS可能會成為治療OA的藥物設計靶點[12]。

1.3 細胞因子 OA是由多種因素引起的，多種細胞因子在疾病的發生發展中起著重要的作用。軟骨細胞在軟骨內成骨化中受到多種關鍵的生長因子和轉錄因子的緊密調節，包括轉化生長因子β (Transforming growth factor β，TGF-β)、成纖維細胞生長因子(Fibroblast growth factors，FGFs)等。TGF-β能抑制軟骨細胞肥大和成熟，因此，TGF-β信號傳導的喪失與軟骨損傷有一定的相關性。Zhen等[13]的研究也為這一結論提供了新的證據，因此，可以針對TGF-β靶點來開發藥物以預防和緩解疾病。此外，Shang等[14]發現，神經生長因子(Nerve growth factor，NGF)在OA患者關節部位發揮了重要作用。抑制NGF能夠緩解OA和慢性腰背疼等引起的慢性疼痛。胰島素樣生長因子(Insulin-like nerve factors，IGFs)可以刺激軟骨細胞產生基質蛋白、阻止軟骨細胞凋亡，從而維持關節軟骨穩態[15]。IGF-1與受體的結合受胞外IGF結合蛋白(IGFBPs)的調節，研究提示，對于OA患者的軟骨修復，IGFBPs是一個潛在的治療靶點。

炎性細胞因子主要包括TNF-α、白細胞介素(IL-1β、IL-6、IL-15、IL-17、IL-18)、淋巴因子等，在OA的發生和發展過程中發揮了重要作用。IL-1β是OA中最重要的促炎因子之一，其可以通過抑制軟骨細胞的代謝活性、促進炎性介質及活性氧的產生而改變軟骨細胞的代謝平衡[16]。IL-1β能夠顯著上調MMPs的表達，而MMPs能夠影響OA患者軟骨退化，加快軟骨退變。IL-1β還能誘導炎性介質的產生，如NO和PGE2，導致相應的臨床反應。因此，阻止IL-1β誘導產生MMPs及炎性介質可能是治療OA潛在的策略[17]。TNF-α通過阻斷軟骨細胞中蛋白多糖、結合蛋白和Ⅱ型膠原的合成而起作用。此外，IL-1β和TNF-α可以通過c-Jun N末端激酶-p38絲裂原激活激酶-NF-κB信號通路促進軟骨細胞肥大[18]。因此，IL-1β和TNF-α的抑制劑可能是一個比較可行的治療OA的方法。現已證實IL-1受體拮抗劑(IL-1Ra)對OA的關節炎癥和關節破壞有保護作用[19]。

1.4 適應性免疫 有報道，在OA患者滑膜組織中出現單核細胞浸潤，并顯示主要含有CD3+T細胞。研究還發現，T淋巴細胞在滑膜中會出現早期、中期和晚期的活化標記[20]。這些結果表明，在大多數OA患者中存在細胞介導的免疫應答。在一項前十字韌帶橫切誘導的OA小鼠實驗中發現，CD4+T細胞在OA中表達突出，且這些細胞會促進MIP-1γ的表達，進而導致滑膜中巨噬細胞的浸潤增加，從而增加MMP-9的表達[21]。除了T細胞，在OA滑膜中的細胞浸潤還包括活化的B細胞及其他細胞類型。此外，在OA的動物模型中檢測到了自身抗體。因此，體液免疫和細胞免疫在OA的發展中均具有重要的作用。

1.5 基因遺傳性 OA是一種多因素疾病，具有很強的遺傳成分，遺傳概率為40%～65%，且與關節部位有關。與OA相關基因的鑒定將有助于揭示其發病機制，并為OA的基因靶向治療提供方向。研究者對大量OA患者及正常人進行了相關基因的全基因組關聯分析研究(Genome wide association study，GWAS)，結果顯示，在OA患者中，有近80個基因發生突變或出現單核苷酸多態性(Single nucleotide polymorphism，SNPs)的改變。其中一些基因是重要的結構或是與ECM相關的因子，如Wnt通路中關鍵的信號分子Sfrp3，骨形態基因蛋白(Bone morphogenetic protein，BMP)通路中的Gdf5和TGF-β信號通路中的Smad3[22]。此外，在表觀遺傳學中發現，一些miRNA也調節軟骨細胞中基因的表達。目前已發現的與OA相關的miRNA有miR-125、miR-127b、miR-21、miR-148a等，其可能是潛在的藥物靶標[23]。因此，今后可以整合遺傳學、基因組和表觀遺傳學來研究OA發病的具體信號通路和調節機制。

2 OA的治療藥物

2.1 抗炎鎮痛藥 2000年，歐洲風濕病防治聯盟(European league against rheumatism，EULAR)在OA的治療指南中，將對乙酰氨基酚和非甾體抗炎藥作為OA的一線治療藥物。NSAID類藥物具有鎮痛和抗炎的作用。NSAIDs在關節滑液中具有較長的半衰期，使藥物容易在髖關節處累積。在OA患者中，NSAIDs主要緩解患者癥狀，如疼痛、腫脹和僵硬等[24]。NSAIDs通過抑制環氧化酶(Cyclooxygenase，COX)-1、COX-2的活性發揮鎮痛作用，該兩種酶能夠催化花生四烯酸轉化成前列腺素H2 (Prostaglandin H2，PGH2)。PGH2作為分子前體能夠轉化成具有致痛作用的前列腺素如PGE1、PGE2、PGF2α，從而發揮一系列生理功能。此外，NSAIDS還能抑制白細胞的聚集，減少緩激肽形成和血小板凝集，進而發揮消炎鎮痛的作用[25]。除了NSAIDS外，研究人員發現某些局麻藥物也具有治療OA的作用。Yao等[26]發現，在OA大鼠模型中，羅哌卡因除了具有鎮痛和抗炎作用外，還能有效逆轉關節軟骨合成和分解代謝過程中的不平衡，其中鈣調磷酸酶/NFAT1信號傳導途徑發揮了關鍵作用。

2.2 氨基葡萄糖和軟骨素 氨基葡萄糖(Glucosamine，GL)和軟骨素(Chondroitin，CH)作為營養補充劑已獲得廣泛應用，是兩類潛在的軟骨保護劑和OA治療藥物[27]。GL大量表達于關節軟骨、關節液中，其作為一種天然氨基單糖衍生物，是軟骨基質中合成蛋白聚糖必需的成分。GL參與透明質酸和聚氨基葡萄糖的合成，是健康關節軟骨的組成成分，其能促進軟骨基質膠原蛋白合成，刺激軟骨細胞產生蛋白多糖，抑制MMPs的表達，維持軟骨代謝平衡[28]。GL還影響炎性因子介導的炎癥相關信號通路，減少關節滑液中IL-1的水平，抑制代謝酶的激活，通過清除自由基發揮抗氧化、抗炎作用，抑制受損關節軟骨中基質金屬蛋白酶和磷脂酶A2，減少損傷軟骨細胞中超氧化物自由基的產生，減輕軟骨損傷。CH硫酸鹽是一種硫酸化的葡萄糖氨基葡聚糖，是關節軟骨胞外基質重要的組成成分。CH的主要作用是產生一定的滲透壓，便于基質的傳播和產生膠原網絡[29]。體內外研究結果表明，在OA發病早期，GL和CH能夠抑制OA發病進程，此外，GL和CH還具有安全性高、起效快、不良反應少等特點。但關于二者是否能改善OA病情仍存在爭議，2012年ACR指南與2014年OARSI認為二者對于緩解OA的癥狀不明顯；而2014年ESCEO認為結晶型硫酸氨基葡萄糖對OA有效，可作為OA治療的一線藥物[27]。因此，根據最新版骨關節炎診療指南(2018版)，建議對有癥狀的OA患者可選擇性使用。

2.3 糖皮質激素 糖皮質激素治療OA具有雙重作用[30]：一方面，糖皮質激素能夠降低毛細血管通透性，減輕OA患者因炎性反應造成的病灶處充血、炎性細胞浸潤及組織液滲出；通過抑制炎性因子(如IL-6、TNF、INF等)的釋放，降低血管內皮細胞對白細胞的黏附；還能生成皮質素與脂調素等特異性蛋白，抑制磷脂酶A2活性，減少PGE2和白三烯的合成與釋放，從而減緩炎癥進程。另一方面，糖皮質激素能夠抑制軟骨細胞增殖、促進軟骨細胞凋亡而導致關節損傷；影響軟骨基質細胞新陳代謝，破壞軟骨下骨生理環境；還能抑制關節內神經末梢的本體感覺和痛覺傳導，導致關節在患病情況下繼續負重，加重病情。

2.4 透明質酸(Hyaluronic acid，HA) HA是構成關節軟骨和關節滑液的主要成分，其分布于細胞間質，具有潤滑、可降解、生物相容性、黏性及抗炎等作用。研究表明，關節內注射HA可以減少軟骨細胞凋亡并促進軟骨細胞增殖；HA可以改變軟骨下骨的密度和厚度，使關節順應性增強，減緩軟骨受到的沖擊負荷；HA通過抑制IL1-β、IL-8、IL-6、PGE2和TNF-α等炎癥因子的產生而發揮抗炎作用；HA通過作用于關節游離神經末梢，調控痛覺傳感器的敏感性，減輕疼痛；促進軟骨蛋白多糖的合成，抑制軟骨退變[31]。雖然HA可以通過多種途徑發揮保護OA的作用，但在臨床上的作用還存在爭議。因此，根據最新版骨關節炎診療指南(2018)，建議根據患者個體情況使用。

2.5 降鈣素(Calcitonin) 降鈣素是調節體內鈣和磷酸鹽平衡的激素，作為抗骨吸收劑，長期以來一直用于治療骨質疏松癥和高鈣血癥。Dong等[32]研究發現，降鈣素基因相關的肽段可作為預測膝OA進展和診斷的一個生物標志物。隨著研究的深入，Sondergarrd等[33]發現，降鈣素對軟骨細胞具有直接作用，研究證實其能抑制IL-1β誘導的關節軟骨細胞p38信號通路的激活，從而抑制MMP-13的產生，進而減少MMP-13對Ⅱ型膠原的降解，改善OA患者軟骨細胞的炎性反應，從而減緩軟骨損傷。以上研究也提示了降鈣素可能會成為延緩OA進程和緩解OA癥狀的一個潛在的治療靶點。

3 OA的其他治療方法

3.1 干細胞療法 通過軟骨生成細胞或軟骨組織移植替換損傷的關節軟骨是治療OA的一條潛在途徑。研究表明，誘導人類多能干細胞向軟骨生成細胞分化具有可行性，干細胞療法是治療OA的新型療法[34]。TGF-β與Wnt協同能夠刺激成骨細胞和軟骨細胞分化，Craft等[35]發現，在多功能干細胞(Pluripotent stem cells，PSCs)衍生的軟骨祖細胞中激活TGF-β信號通路，能夠促進軟骨細胞發育，這種TGF-β處理的細胞能夠在體外和免疫缺陷小鼠體內形成穩定的軟骨組織。人類骨髓間質細胞(Marrow stromal cells，MSCs)具備造血和免疫調節功能，還包含小部分促進骨骼分化的干細胞。James等[36]從MSCs集落形成細胞(CD317+IL-7hi)鑒別出了可以進行組織、軟骨及骨質再生的單一細胞，該研究或可幫助組織再生及修復，為后期開發安全、高效的治療OA新型療法帶來幫助。

3.2 靶向治療 靶向療法是指在治療的過程中有目的地針對某一特定目標或部位，使藥物準確到達病變區域，從而減少藥物用量及降低不良反應。應用的技術有單克隆抗體靶向治療等。抑制NGF能夠緩解OA和慢性腰背疼等引起的慢性疼痛，美國再生元公司研發出一種單抗藥物Fasinumab，可通過靶向結合NGF蛋白，阻斷其活性，從而減輕OA患者疼痛。Fasinumab與安慰劑相比具有顯著療效，臨床上用于對當前鎮痛療法治療不耐受且伴有髖關節或膝蓋中重度骨關節炎患者[37]。

此外，還有其他潛在靶向治療OA的療法。如通過靶向抑制疼痛相關分子來減緩OA患者痛苦。GPCRs在所有細胞中參與了外周和中心疼痛通路的組成，是最具成藥性的靶標；肉毒神經毒素A1和B1可以改變疼痛過程；對大麻素系統的調控也是治療OA疼痛的重要研究內容。此外，一些炎性因子的釋放能夠促使神經敏感性增加，臨床上某些炎性因子抑制劑也被用來靶向抑制OA引起的疼痛[38]。

3.3 基因療法 基因療法中，最關鍵的步驟是找到促進軟骨恢復的過表達蛋白和基因，通過基因轉染技術將基因或序列導入細胞中，取代或矯正缺陷基因，實現治療遺傳性疾病的目的。臨床研究表明，基因療法能夠改變OA患者代謝和炎癥的平衡，可能成為關節軟骨和軟骨修復潛在的治療策略。基因療法可以誘導治療因子的過表達或抑制關節退行性病變相關基因的表達。基因療法分為以下幾個類型：生長因子，轉錄因子，抗炎因子，軟骨細胞增殖、分化、成熟相關的信號蛋白，胞外基質蛋白和胞外基質蛋白受體[39]。韓國TissueGene公司研發了全球首個針對退行性關節炎的基因治療藥物Invossa，利用逆轉錄病毒載體在同種異體的軟骨細胞中表達TGF-β1蛋白，將被基因工程改造和未被改造的軟骨細胞混合后注入患者關節內，表達并釋放TGF-β1來促進軟骨細胞組織的修復和再生，且能降低疼痛及延緩關節惡化[40]。最近研究證實，一些miRNA能夠調節軟骨細胞分化，可用于基因治療，但目前僅僅處于體外研究階段。如MiR-23b和miR-140在間充質干細胞表達能夠促進軟骨細胞功能[41]。

4 展望

OA是一種由多種因素導致的關節疾病，發病機制復雜。目前OA治療的重點在于緩解癥狀，而不是預防或治療，臨床上大多使用NSAIDs藥物。除此之外，OA患者還可以選擇關節置換手術，但由于價格不菲，并且伴隨手術帶來的風險，因此不是治療的首選。關節軟骨細胞對維持關節軟骨的正常生理結構和功能起著關鍵的作用。最近的研究表明，關節軟骨細胞穩態可以被多種因素破壞，包括異常機械負荷和老化等。此外，一些信號傳導途徑中的遺傳改變也可以破壞關節軟骨中合成和分解代謝平衡，并導致細胞外基質的降解。在大多數OA小鼠模型中，MMP-13和ADAMTS-5的表達都會上調，表明這些酶可以作為調節OA進展的潛在治療靶標。綜上，我們應該更深入地研究OA的致病機制，探究新型的治療手段，特別是干細胞療法、基因治療等方法的引入，有望使今后對OA的治療和預防更具針對性。