細胞代謝與骨關節炎發生發展的研究進展

王婧 薛松 馬金忠

骨關節炎 （ osteoarthritis，OA ） 是以關節軟骨損毀或丟失為主，涉及關節軟骨、軟骨下骨、韌帶、關節囊、滑膜等關節結構的炎癥性疾病[1]。OA 根據病因可分為原發性及繼發性兩類，前者無明顯的發病誘因，發病機制不明，年齡及肥胖或為其主要危險因素，后者可由于創傷、機械應力、先天異常、代謝性疾病及其它原有關節疾病等所誘發。然而兩者在發展過程中存在著相同的代謝機制，即關節機械負荷、炎癥介質及免疫共同推動了關節軟骨的損毀，這三者又可在不同程度上受到機體代謝因素的影響，從而進一步造成骨代謝紊亂，破壞關節軟骨。

代謝綜合征 （ metabolic syndrome，MS ） 是包括肥胖、血脂異常、高血壓和糖代謝紊亂在內的一組癥候群，可能導致 2 型糖尿病、心血管疾病、脂肪肝等疾病[2]；MS 與OA 有著高度相關的共同發病基礎，是 OA 的危險因素之一。肥胖通過關節機械負荷的增加及脂肪因子誘導的全身低度慢性炎癥促使 OA 的發生。脂代謝紊亂通過脂質堆積破壞軟骨，導致骨密度及骨量的減少。2 型糖尿病也與OA 的發生相關，說明了高糖在 OA 中的重要影響。

在 OA 條件下的軟骨及相關組織又因異常關節力學、高表達炎癥介質及過度固有免疫發生骨代謝紊亂，進一步促進 OA 的發展。在軟骨細胞代謝中，腺苷酸活化蛋白激酶 （ adenosine 5’-monophosphate -activated protein kinase，AMPK ） 及沉默信息調節因子 1 （ silent mating type information regulation 2 homolog 1，SIRT1 ） 活性降低和哺乳動物雷帕霉素靶蛋白 （ mammalian target of rapamycin，mTOR ） 的活性增強，引發軟骨細胞的線粒體功能障礙、氧化應激和炎癥，使軟骨細胞更新凋亡、組織結構和功能受損[3]。發生炎癥反應的滑膜組織會產生更多的蛋白水解酶，釋放多種骨吸收相關代謝物。骨吸收與骨形成為骨代謝中的兩大生理過程，兩者形成動態平衡保持機體的骨穩態，任一方面異常均可導致骨代謝平衡的紊亂，促進 OA的發生發展。

一、脂代謝

脂代謝主要從脂肪因子引發全身低度慢性炎癥及膽固醇堆積造成細胞損傷兩方面促進 OA 的發生發展。

瘦素是由脂肪組織產生的一種蛋白質，瘦素及其受體主要調控進食及能量消耗，同時參與機體的代謝、炎癥及免疫反應。瘦素通過介導白細胞介素-1 （ interleukin-1，IL-1 ）、IL-6 的上調，參與機體的炎癥反應；同時，通過誘導基質金屬蛋白酶 1 （ matrix metalloproteinase 1，MMP1 ）、MMP13 的表達，瘦素可以激活信號傳導及轉錄激活蛋白 （ signal transducer and activator of transcription，STAT ）、絲裂原活化蛋白激酶 （ mitogen-activated protein kinase，MAPK ）、蛋白激酶 B 和核因子 κB （ nuclear factor κ-B，NF-κB ） 信號通路，促進軟骨的分解代謝[4]。在免疫系統中，瘦素可以促進 T 細胞分化，調節免疫功能，參與OA 的發展。在小鼠模型中，瘦素或其受體基因缺陷小鼠被證實在極度肥胖狀態下患 OA 的風險仍然不會增加[5]，證明了瘦素在 OA 發展中的重要作用。對于 OA 患者的研究發現，患者血清瘦素水平與 OA 具有相關性[6]。同時，OA 患者的關節滑液瘦素水平與影像學嚴重程度相關[7]，提示瘦素或可應用于評估 OA 進展。

膽固醇是脂代謝紊亂中促進 OA 發生發展的重要危險因素。高膽固醇會引發慢性炎癥反應，并誘發線粒體功能障礙，造成軟骨細胞的氧化應激，促進軟骨細胞的損傷。體外培養人 OA 軟骨細胞的實驗中，他汀類藥物阿托伐他汀的添加可降低 MMP13 水平，減少軟骨降解[8]。在動物 OA 模型中，他汀類藥物延緩 OA 發展的作用也被證實[9-11]。Clockaerts 等[12]的研究表明，他汀類藥物與膝骨關節炎 （ knee osteoarthritis，KOA ） 進展的減少相關。可以此為基礎進一步進行他汀類藥物治療 OA 的臨床試驗。

過氧化物酶體增殖因子激活受體 （ peroxisome proliferators-activated receptors，PPAR ） 主要由 PPARα、PPARγ 和 PPARβ/δ 3 種亞型組成，差異分布于機體不同部位進行脂代謝的調控。其中 PPARγ 參與調節以膽固醇為主的脂代謝，通過肝 X 受體 （ liver X receptor，LXR ）增加腺苷三磷酸結合盒轉運子 A1 （ ATP-binding cassette transporter，ABCA1 ） 的表達，促進軟骨細胞膽固醇外流，從而避免脂質沉積、保護軟骨[13]。此外，PPARγ 可抑制體內的炎癥反應，減少高糖環境對軟骨細胞的破壞。Zhu 等[14]的研究中，OA 患者和內側半月板失穩小鼠的關節軟骨表現出明顯的 PPARγ 抑制，而使用脫甲基劑恢復PPARγ 表達后軟骨損傷減輕。PPARγ 激動劑如冬凌草甲素、芒果苷也可降低軟骨細胞中 IL-1β 介導的炎癥反應，對 OA 的治療有著積極作用[15-16]。

此外，ω-3 多不飽和脂肪酸也與軟骨的組成相關。攝入 ω-3 多不飽和脂肪酸可能通過改善在 OA 關節升高的ω-6 與 ω-3 比例從而對 OA 具有保護作用[17-18]。其療效仍有待臨床進一步研究。

二、糖代謝

糖代謝紊亂對 OA 有著促進作用，高糖主要通過氧化應激、胰島素抵抗及晚期糖基化終末產物 （ advanced glycation end products，AGEs ） 的積累，上調炎癥因子、水解蛋白酶，對關節造成損傷[19-20]。

薈萃分析中，2 型糖尿病顯示了與 OA 的正相關性[21]。胰島素抵抗會在局部促進炎癥，并誘發全身低度炎癥狀態，促進 OA 的發展。同時，胰島素抵抗常作為肥胖的并發因素與之共同推動 OA 的發展。但胰島素對于 OA的作用尚存爭議。高胰島素血癥會導致甲狀腺激素下調，從而抑制軟骨細胞的分化[22]。而 Al-Jarallah 等[23]的研究中，接受胰島素治療的 2 型糖尿病患者 OA 骨贅生成進展有所延緩。另一項基于 1 型糖尿病大鼠的研究也顯示胰島素和釩的合用可減少糖尿病誘導的 OA 的發生[24]。

AGEs 是非酶糖基化反應的終末產物，隨年齡增長在機體中累積，與多種老年退行性疾病相關。在 OA 中，AGEs 通過降低軟骨膠原結構彈性、上調促炎因子水平、降低金屬蛋白酶分解等作用加速軟骨的磨損[25]。針對晚期糖基化終末產物受體 （ receptor of advanced glycation endproducts，RAGE ） 的研究中發現 OA 軟骨中 RAGE 增加，進而上調軟骨細胞 MAPK 和 NF-κB 活性，并增加了MMP13 的表達[26]。Li 等[27]的兔 OA 模型表明，AGEs 升高可加重運動引起的軟骨降解，而吡格列酮治療對其有效。AGEs 抑制劑在隨機雙盲對照研究中也顯示出減輕患者疼痛及炎癥，恢復其活動功能的療效[28]。

三、骨代謝

骨吸收與骨形成是機體調節骨代謝的兩大生理過程，在正常生理情況下兩者的動態平衡有助于機體的骨穩態，在 OA 的病理生理條件下，骨吸收與骨形成在疾病的不同階段分別被激活或抑制，導致骨代謝平衡的紊亂，加劇OA 的發展。

1. 骨形成代謝：骨保護素 （ osteoprotegerin，OPG ） 可與核因子 κB 受體活化因子配體 （ receptor activator for nuclear factor-κB ligand，RANKL ） 競爭性結合核因子 κB 受體活化因子 （ receptor activator for nuclear factor-κB，RANK ），調節骨吸收。在 OA 早期，RANKL 占據主要地位，破骨增強，表現為骨及軟骨破壞；在 OA 晚期，OPG 的表達增加，破骨被抑制，表現為骨增生。Tat 等[29]的研究表明，雷奈酸鍶可通過降低人 OA 成骨細胞吸收活性，抑制 OA 過程中軟骨下骨的再選擇。同樣，Zhang 等[30]的研究發現阿侖磷酸鹽可以通過抑制破骨細胞，增強骨質量，發揮軟骨保護作用。因此，可以在 OA 早期以降低骨吸收作為 OA 的靶向治療思路。

骨鈣素 （ osteocalcin，OCN ） 不僅對機體鈣的生成與維持具有重要作用，同時也參與了機體抗衰老的過程。OCN可以通過降低如腫瘤壞死因子-α （ tumor necrosis factor-α，TNF-α ）、IL-1 等炎癥因子的水平發揮抗感染功能。同時OCN 通過促進胰島 B 細胞增生及胰島素分泌降低血糖，減少 AGEs 的累積。瘦素及脂聯素等脂肪因子也受到 OCN的刺激上調，從而參與 OA 的發展。研究表明 OA 患者的OCN 伴隨 OA 進展而升高[31]，并且在手部 OA 患者中 OCN的濃度與其嚴重程度呈正相關[32]，但也有研究表明 OCN與 OA 無顯著相關性甚至有相反的結果[33-34]，需要對其進一步的研究。

透明質酸 （ haluronic acid，HA ） 可以促進軟骨的生成和修復。但有證據表明透明質酸與 CD44 結合可促進細胞外基質的降解及軟骨的退化[35]。雖然 HA 在 OA 進展中的機制目前尚不明朗，但已有注射 HA 對于 OA 療效的研究，證實 HA 或可以作為早期 OA 的治療方式之一[36-37]。盡管美國骨科醫師學會指南和國際骨關節炎研究學會指南都不建議將 HA 作為 OA 的治療方式，但由于大部分研究缺乏系統定量和統一標準，HA 對于 OA 的療效仍值得更廣泛的系統評估。

2. 骨吸收代謝：Ⅰ 型膠原 C 末端肽 （ C-terminal cross linked peptide-Ⅰ，CTX-Ⅰ ） 是 Ⅰ 型膠原的分解產物，是檢測骨吸收的指標之一。Cibere 等[38-39]的研究中，尿液中CTX-Ⅱ 升高增加 KOA 的風險，其濃度被證明與 OA 進展呈正相關，且其與軟骨合成指標的比值能更好地判斷 OA的進展[38]。但尿液中 CTX-Ⅱ 的特異性尚有待提升，可以作為輔助標志物與其它標志物如甲殼質酶蛋白-40 綜合對早期 OA 進行診斷評估[40]。在應用層面，Park 等[41]開發了氟微球引導芯片用以測定血清和尿液中的 CTX-Ⅱ，有助于 CTX-Ⅱ 在診斷 OA 的實際應用。

MMPs 是一類可以降解細胞外基質的蛋白酶，多種亞型可在 OA 中引起軟骨細胞外基質中 Ⅱ 型膠原蛋白的降解。亞洲人群中，MMP1，MMP2 和 MMP9 蛋白的表達增加可能與 OA 的發病有關[42]。上調 MMP13 的表達會提高KOA 的易感性，加劇 OA 的嚴重程度[43]。Baragi 等[44]的研究中，選擇性 MMP13 抑制劑在 OA 大鼠模型中顯示出軟骨保護作用并可能緩解疼痛。組蛋白脫乙酰基酶抑制劑也可通過下調 MMP13 的表達減緩 OA 中的軟骨降解[45]。

3. 鈣磷代謝：鈣磷代謝通過調控骨骼及血中鈣、磷的分布，參與調節骨形成及骨吸收的動態平衡。

降鈣素 （ calcitonin，CT ） 可抑制機體的破骨活性、增強成骨活性，促進鈣鹽沉積。在 OA 大鼠模型中，CT 通過增加轉化生長因子-β1 （ transforming growth factor-β1，TGF-β1 ） 的表達減弱了 OA 的發展，并降低疼痛[46]；CT也可能通過阻止 IL-1β 作用，保護大鼠軟骨細胞[47]。兩項隨機雙盲多中心對照試驗評估了口服鮭魚降鈣素 （ salmon calcitonin，sCT ） 在 OA 患者中的療效，結果顯示其療效無統計學意義[48]。但有研究顯示，sCT 聯合 ω-3 脂肪酸在動物 OA 模型中具有較好的療效[49]，體現了 sCT 作為聯合治療用藥的潛力。

甲狀旁腺激素 （ parathyroid hormone，PTH ） 是甲狀旁腺分泌的多肽激素，可使血鈣水平升高，血磷水平下降。PTH-1-34 治療可以通過增加自噬、減少軟骨細胞的終末分化和凋亡，減輕大鼠 OA 進展[50]。Morita 等[51]的研究表明，PTH 的使用減少了大鼠軟骨下骨中肥大細胞的數量，改善了軟骨下骨微結構，從而延緩了 OA 的進展。也有不同意見認為 PTH-1-34 引起鈣化軟骨層變寬，導致骨關節炎性軟骨變性，可能引發早期 OA[52]，其在 OA 不同階段具體機制仍有待進一步探索。

維生素 D 可促進體內鈣、磷的吸收，有利于骨形成。缺乏維生素 D 會增加患 KOA 的風險；而 1,25-二羥基維生素 D3 通過降低 MMP 的表達，可促進軟骨損傷愈合。多項研究證實了維生素 D 對 OA 有著積極的治療作用。Manoy等[53]的研究顯示，KOA 患者在接受維生素 D2 治療后疼痛減輕并得到握力和身體功能的改善。一項觀察性隊列研究顯示，在維生素 D 補劑治療后，血清 1,25-二羥基維生素 D3 水平較低的患者在 OA 嚴重程度和疼痛評分、整體健康方面均得到改善[54]。

四、其它代謝

葉酸在 OA 的發展中有著一定推動作用。通過對其作用機制的研究發現，葉酸缺乏會導致同型半胱氨酸的累積，前后兩者可共同導致氧化應激、細胞內鈣超載，后者還可造成破骨活性上調，成骨活性下降，以及骨基質的直接破壞[55]。Hsu 等[56]的研究證實葉酸缺乏會阻礙滑膜細胞生長并促進其凋亡，同時，緩解葉酸缺乏可降低活性氧過剩，減少細胞內鈣的釋放并減弱滑膜細胞的凋亡，證明了葉酸缺乏在 OA 發展中的推動作用。

腺嘌呤通過對于自噬的影響促進 OA 的發生發展。OA兔模型顯示自噬在 OA 早期增強，而在晚期則減弱，而自噬特異性抑制劑 3-甲基腺嘌呤顯著促進了軟骨細胞和軟骨的變性[57]。同樣，腺苷可通過介導炎癥的抑制、抑制分解代謝蛋白 MMP13 減緩 OA 的進展[58]。Corciulo 等[59]的研究顯示，采用關節內注射含腺苷的脂質體懸浮液、置換腺苷的治療方法可防止大鼠 OA 的發展；細胞外腺苷水平的降低會促進 OA 的發展，故靶向腺苷受體或可成為預防、治療 OA 的靶點。

SIRT 的表達與年齡相關，并主要通過與自噬相關基因 7 作用調節自噬，參與 OA 的進程。SIRT1 的缺乏會導致軟骨細胞肥大和軟骨基質丟失。SIRT1 敲除的小鼠表現出更快的 OA 進展[60]，且有研究表明 SIRT1 表達與 KOA的嚴重程度呈負相關[61]，提示了 SIRT1 的保護作用。在炎性應激的軟骨細胞中，SIRT1 會被裂解為無活性的 N 末端（ N-terminal，NT ） 多肽和 C 末端 （ C-terminal，CT ） 分段，而早期 OA 患者中血清 NT / CT SIRT1 比升高[62]，提示其可以作為早期 OA 的診斷標志。Guo 等[63]的研究中，褪黑素可分別在體外及體內通過抑制 SIRT1 依賴性煙酰胺磷酸核糖轉移酶和高滲誘導因子信號轉導，下調 IL-1β 誘導的 MMP 生成。白藜蘆醇可激活 SIRT1 從而抑制缺氧誘導因子-2α （ hypoxia inducible factor-2α，HIF-2α ） 表達，預防OA 軟骨的破壞[64]。二甲雙胍可通過激活 AMPKα / SIRT1信號，抑制小鼠 OA 模型中的細胞外基質降解，延緩 OA進展[65]。上述實驗均顯示了 SIRT1 作為 OA 治療靶點的可能性。

五、討論

OA 作為一種好發于中老年的失能性疾病，在如今老齡化的社會需要得到更多的關注。目前 OA 在疾病的早期檢測與治療方面均無較高的特異性，無法有效地滿足患者的需求。OA 的診斷大多依賴于臨床癥狀，影像放射檢查往往滯后于臨床進展；而其治療主要著重于鍛煉、減輕體重等非藥物治療及非甾體類抗炎藥 （ nonsteroidal antiinflammatory drugs，NSAIDs ） 或一些補劑的對癥治療，并無通用的靶向治療方案。現有研究表明細胞代謝在 OA的發生發展中發揮了重要的作用，對不同類型的代謝物進行進一步篩查及研究或可有助于在早期更準確地診斷疾病，針對相關靶點進行精確化治療，并對患者的預后做出準確判斷。然而，機體的代謝是有機調控的網絡，單一代謝通路或代謝物在 OA 的發生發展中可能在不同階段產生多重作用。依據單一的代謝通路或代謝物進行診斷、治療和預后判斷是不可取的，需要結合多條代謝通路及相關代謝物進行研究，按照 OA 的病理生理進程分階段進行診斷、治療及預后判斷的優化，達到更好的臨床應用效果。