與骨關節炎發病相關的因子和信號通路及體外沖擊波治療骨關節炎機制的研究進展▲

翁華宏 李宏宇 葉來生 翁陳祎

(廣西骨傷醫院關節科,南寧市 530000，電子郵箱:wenghuahong@163.com)

【提要】 目前，關于骨關節炎的發病機制及治療方法的研究成果顯著，但是其具體發病機制尚未完全明確。研究表明，部分因子及信號通路的異常表達可以影響骨關節炎的發生、發展，而體外沖擊波可以通過影響這些因子及信號通路，起到治療骨關節炎的作用。本文基于相關因子及信號通路闡述骨關節炎的發病機制，在此基礎上闡述體外沖擊波治療骨關節炎的作用機制，為臨床應用體外沖擊波治療骨關節炎提供參考。

骨關節炎是臨床上最常見的肌肉骨骼疾病，嚴重危害人們的健康[1]。骨關節炎的致病因素較多，其發病與衰老、肥胖、性別、關節外傷、重復性損傷、內分泌疾病等相關，骨關節炎的臨床表現主要包括關節疼痛、功能活動受限、周圍韌帶肌肉的柔韌性下降等[2]。目前，中、早期骨關節炎的治療以口服藥物、中醫外治、功能鍛煉等非手術治療為主；晚期骨關節炎患者通常需行關節置換術治療，但其關節的原始功能始終無法恢復。因此，尋找一種能夠緩解疼痛、改善關節功能、延緩疾病進展的理想療法，具有重要的臨床意義。

體外沖擊波(extracorporeal shockwave，ESW)起初用于腎結石的治療，經過十多年的發展，現已廣泛應用于骨科及其他領域。研究表明，ESW可以緩解骨關節炎患者的疼痛、促進局部血液循環、抑制炎癥反應等[3-5]，其可能是通過激活細胞內絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)、Wnt、Smad、核因子κB(nuclear factor κB,NF-κB)等通路，影響基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)、白細胞介素1β(interleukin 1β,IL-1β)、一氧化氮、Ⅱ型膠原等因子的表達而發揮生物效應。因此，本文從上述通路及因子層面，闡述骨關節炎的發病機制，并在此基礎上簡述ESW治療骨關節炎的作用機制。

1 與骨關節炎發病相關的因子

1.1 一氧化氮 一氧化氮是一種廣泛分布于生物體內的分子，是骨關節炎進程中重要的生物信號。一氧化氮由一氧化氮合成酶(nitric oxide synthase,NOS)催化底物(L-精氨酸)產生，其中NOS可分為結構型NOS和誘導型NOS(inducible NOS,iNOS)。在正常生理狀態下，一氧化氮可以通過抑制NF-κB的表達來產生抗炎作用[6]。正常情況下，NF-κB處于一種休眠狀態，當接收到外界信號刺激時，NK-κB抑制蛋白激酶被活化后激活體內NF-κB，NF-κB才發生轉錄并誘導靶基因表達[7]。

在骨關節炎發病過程中，炎性因子激活NF-κB，進而誘導iNOS的表達，引起局部一氧化氮含量過高，使得MMP的活性被上調，從而抑制Ⅱ型膠原合成，引起軟骨的退化和破壞[8]。同時，一氧化氮也是一種強活化血管因子，可以擴張血管和促進血液循環，而過高含量的一氧化氮會過度擴張血管，使血管壁通透性增加而引起血管內大分子膠體滲出,導致滑膜腫脹，這是骨關節炎患者出現局部腫脹的原因之一[9]。除此之外，一氧化氮還可以通過激活MAPK信號通路，引起軟骨細胞的凋亡[10]。可見，當一氧化氮維持在一定水平時，可以抑制炎癥的發生，而當炎性因子激活iNOS使得一氧化氮的生成量增加時，這種相對穩定的水平被打破，此時一氧化氮則會對機體產生損害作用，促使骨關節炎的發展。基于此，抑制iNOS活性及調節一氧化氮含量成為目前骨關節炎療法的重點。

1.2 IL-1β IL-1β是一種促炎因子，主要由單核-巨噬細胞刺激產生的可以誘導炎癥反應和軟骨分解[11]。骨關節炎患者關節腔內IL-1β的表達水平較高，并且1L-1β的表達水平與炎癥的嚴重程度呈正相關[12]，其常被當作評估患者炎癥狀態的指標之一。IL-1β可以誘導多種因子表達，造成軟骨細胞及細胞外基質的破壞，影響軟骨細胞的修復，加快骨關節炎的進程[11]。此外，IL-1β還可以通過激活MAPK和NF-κB信號通路，影響骨性關節炎的發展。如IL-1β可通過激活p38MAPK通路[11]，誘導iNOS和環氧化酶2表達，使局部一氧化氮和前列腺素 E2的含量增加，從而促進軟骨細胞分解代謝，影響軟骨的修復[13]；IL-1β還可以激活NF-κB，促使NF-κB發生轉錄并誘導MMP表達上調[14]，從而對軟骨細胞的分化、增殖及修復造成負面的影響[15]。

1.3 腫瘤壞死因子α 腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)-α可由多種細胞(巨噬細胞、單核細胞等)產生。正常情況下，TNF-α可在一定程度上抑制炎癥、感染、損傷等病理狀態，從而對機體發揮有利的影響。但在骨關節炎發病過程中，TNF-α引起的炎性分子應答與IL-1β相似。TNF-α與細胞膜上的TNF受體結合，把生物信號傳導至細胞內以激活NF-κB信號通路，從而引起炎癥反應，促使細胞凋亡[16]；同時，NF-κB信號通路激活后又可增強TNF-α的表達，TNF-α與NF-κB之間存在正向調節關系[17]。不僅如此，TNF-α還可以與其他因子共同作用，加重炎性反應，例如其與IL-1β共同產生作用，激活MMP、抑制軟骨細胞的合成代謝、誘導軟骨細胞凋亡，最終引起軟骨的破壞[12]；而隨著軟骨細胞的凋亡，部分凋亡產物又可以增強IL-1β和TNF-α的表達，導致局部處于一個惡性循環的環境中，加速了骨關節炎的進展[12]。目前，部分研究者認為該惡性循環的核心是由炎性因子打破B細胞淋巴瘤2和 B細胞淋巴瘤2相關X蛋白的平衡所致[18]。

1.4 轉化生長因子β 轉化生長因子β(transforming growth factor β，TGF-β)最早是由de Larco和Todaro[19]發現，目前發現的TGF-β超家族成員有30多個[20]。在生物體內TGF-β的信號傳導較為復雜。在正常生理狀態下，TGF-β可以激活Smad通路，發揮相應的生物效應。當TGF-β在軟骨細胞外基質中被激活，其可與細胞膜上的受體結合形成復合物進入細胞內，Smad2、Smad3蛋白接收到這個信號后發生磷酸化并與Smad4結合，隨后進入細胞核內，從而傳導了TGF-β信號。這個由細胞內吞作用進入細胞內，與活化的Smad蛋白結合，從而把信號傳遞到胞內的過程，成為Smad的經典途徑[21]。

van der Kraan[22]研究發現，TGF-β處于一個相對穩定的水平時可以對組織的修復起到促進作用；當TGF-β與炎性因子的平衡被打破時，TGF-β可以激活Smad通路，引起滑膜纖維生成和軟骨細胞終末分化，對關節組織具有破壞作用。可見，在一定條件下，TGF-β促進軟骨組織合成代謝或修復，而促炎性因子IL-1β、TNF-α等促進軟骨組織分解代謝，兩者處于一種拮抗狀態，共同維持著關節軟骨的正常結構和功能的穩定。另外，TGF-β可誘導聚集蛋白聚糖和膠原蛋白基因表達，使得Ⅱ型膠原生成增多，從而對關節軟骨起到保護作用。還有研究發現，TGF-β對軟骨的保護作用與MAPK通路激活有關。例如Jin等[23]在動物實驗中發現TGF-β和Wnt-5a相關：TGF-β在刺激軟骨的過程中，Wnt-5a 的表達也明顯增強，Wnt-5a可以上調蛋白激酶C-α和激活MAPK信號通路，從而傳導TGF-β對軟骨的刺激，引起細胞凝結和軟骨形成。

綜上，TGF-β的作用與其表達水平相關，當TGF-β水平過低或過高時，均可導致異常的TGF-β信號通路激活表達，對軟骨功能產生危害[24]。這為治療骨關節炎提供了新思路，即可從引起TGF-β水平改變的因子著手，維持機體內各因子的平衡來治療骨關節炎。

2 與骨關節炎發病相關的信號通路

2.1 Wnt信號通路 Wnt信號通路廣泛分布于生物體內，可調控細胞的增殖和分化。Wnt信號通路可以分為經典的Wnt通路(Wnt/β-連環蛋白)和非經典的Wnt通路[Wnt/Ca2+、Wnt/平面細胞極性(planar cell polarity,PCP)]。正常生理狀態下，Wnt通路處于休眠狀態。β-連環蛋白參與細胞間和細胞基質相互作用的黏附連接結構形成過程以及β-連環蛋白-APC-Axin-糖原合成酶激酶3β(glycogen synthase kinase 3 beta,GSK3β)復合物的構成[25]。當Wnt信號通路被激活時，Wnt分泌的Wnt配體與細胞膜上的卷曲蛋白受體、低密度脂蛋白受體相關蛋白受體結合，其中卷蛋白受體接收到配體信號后，在細胞內募集并磷酸化細胞質內的蓬亂蛋白，蓬亂蛋白可以抑制GSK3β的磷酸化，減少β-連環蛋白-APC-Axin-GSK3β復合物的形成，引起β-連環蛋白在細胞內積累并向核內轉移，激活轉錄因子T細胞因子/淋巴增強因子，從而產生生物效應[26]。

在骨關節炎發病過程中，炎性因子激活Wnt通路后引起β-連環蛋白水平上調，從而產生破壞軟骨組織的生物效應：上調的β-連環蛋白可引起MMP表達增強，導致Ⅱ型膠原的表達水平顯著降低，從而加速軟骨細胞及細胞外基質的破壞[27]，同時，隨著MMP表達的增強，又可以進一步促進炎癥反應[28]；另外，當Wnt/β-鏈球蛋白通路被激活時，可以促使骨髓間充質干細胞成骨分化，使得RUNX家族轉錄因子2(Runx family transcription factor 2，RUNX2)表達增強，抑制了SRY核轉錄因子9(SRY-box transcription factor 9，sox9)[25]，促使軟骨干細胞向纖維化或成骨譜系轉化，從而抑制成軟骨過程。

骨關節炎的發病也涉及Wnt/Ca2+、Wnt/PCP通路的激活。Wnt/Ca2+通路激活后，引起胞內鈣離子水平升高，導致鈣調蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ和蛋白激酶C的活化及活化T細胞核因子的表達，從而對軟骨細胞產生不利影響；Wnt/PCP通路是較為特殊的通路，其常通過激活c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)與Wnt/Ca2+通路關聯，共同影響相應基因的表達，從而破壞軟骨細胞[29]。

綜上，Wnt信號通路與骨關節炎的發生密切相關，因此基于Wnt信號通路探索緩解或者治療骨關節炎的方法是可行的。但是Wnt信號通路存在著復雜的效應網，仍需進一步弄清其在骨關節炎進程中的具體作用機制。

2.2 MAPK信號通路 MAPK信號通路存在于真核細胞生物中，其包括MAPK-細胞外調節蛋白激酶(extracellular regulated protein kinase，ERK)、MAPK-JNK和p38MAPK通路，可以被IL-1β、TNF-α、TGF-β等因子激活。在正常生理狀態下，MAPK信號通路可以被TGF-β激活，參與軟骨的發生過程。Ma等[30]通過體外干細胞實驗發現，TGF-β可以激活p38，同時當p38信號受到抑制時，TGF-β也會受到抑制，說明兩者在軟骨發生過程中相互影響。此外，Li等[31]發現，在沒有TGF-β誘導的情況下，單純抑制p38也會影響SOX9的表達，認為p38MAPK通路可以影響TGF-β誘導成軟骨基因SOX9的表達，p38MAPK與TGF-β呈正向調節的關系。

在骨關節炎發病過程中，由于受到過量炎性因子的刺激，MAPK通路出現表達異常，與正常軟骨組織相比，骨關節炎患者的軟骨組織中p38和JNK的表達水平更高[32]。Hilgendorff等[7]研究發現，激活的p38MAPK信號通路可增加環氧合酶2和前列腺素E2的表達，使得RUNX2釋放增加，引起軟骨細胞肥大并抑制細胞外基質的合成，促使軟骨細胞發生凋亡，之后的研究結果也得出了類似的結論[33]。MAPK-ERK通路與p38MAPK通路的作用類似。一項動物實驗表明，通過抑制骨關節炎模型兔的ERK表達可以明顯減輕其關節炎癥[34]。MAPK-JNK通路主要與膠原酶基因表達相關[35]，該通路被炎性因子激活后，引起下游轉錄因子轉錄，促使 MMP表達，最終導致軟骨及細胞外基質被破壞，加快骨關節炎的進程。

由此可見，MAPK信號通路與骨關節炎的進程密切相關，過多的炎性因子刺激引起MAPK信號通路表達異常，加重炎癥反應并加快細胞外基質的降解，造成軟骨的破壞[36]。

3 ESW治療骨關節炎的機制

3.1 ESW抑制骨關節炎相關的細胞因子 早在2005年，就有學者利用ESW緩解骨關節炎患者的疼痛癥狀，并且取得了良好的臨床療效[37]。隨著研究的深入，研究者發現ESW還可以有效地抑制炎癥反應，減緩骨關節炎的進程。

在生物體內，一定生理量的一氧化氮不僅可以抑制炎癥反應，還可以上調血管內皮生長因子的水平，加速局部血液循環，有利于骨關節炎軟骨的修復[38]。發生骨關節炎時，機體內一氧化氮含量明顯高于正常值[39]，而ESW可以明顯地降低一氧化氮的含量，起到抗炎、保護軟骨的作用。綦惠等[40]采用低能量ESW刺激大鼠軟骨細胞，發現在炎癥環境下大鼠軟骨細胞中的一氧化氮以及iNOS的表達水平上調，給予低能量ESW刺激后，兩者的表達均受到抑制。隨著研究的深入，研究者發現ESW產生上述效應是通過特異性機械敏感性離子通道(mechanosensitive ion channel，MSIC)介導的，MSIC是一類感受細胞膜表面應力變化，實現細胞外機械信號向細胞內轉導的離子通道，當ESW作用于軟骨細胞時，可以刺激細胞膜上的MSIC，將機械信號轉化為生物信號[41]，抑制NF-κB表達，從而降低iNOS的活性，減少病理性一氧化氮的生成，從而對軟骨起到保護作用[42]。這進一步解釋了ESW發揮抗炎作用的機制。除此之外，ESW還可以降低IL-1β、TNF-α的表達水平，抑制MMP的活性，增強 TGF-β、血管內皮生長因子、骨形態發生蛋白的表達水平，促進軟骨細胞合成Ⅱ型膠原，從而對軟骨組織起到保護和修復的作用[18]。可見ESW抑制炎癥、緩解骨關節炎進程是一個多靶點相互作用的過程。

3.2 ESW抑制骨關節炎相關的信號通路 有研究表明，ESW可以影響MAPK信號通路的表達，進而調控下游相關因子，延緩關節軟骨的退變[43]。凌琳[4]研究發現，骨關節炎兔模型的膝關節軟骨中ERK蛋白活性增強，經ESW處理后，其ERK蛋白表達受到抑制，MMP的分泌減少，軟骨細胞的增殖能力增強，軟骨的破壞明顯減輕，這說明ESW可以通過MAPK 信號通路調控細胞的增殖和修復以延緩骨關節炎的進程。另外，有學者發現ESW還可以刺激細胞釋放三磷酸腺苷以激活嘌呤能受體，嘌呤能受體又可以誘導ERK激活[44]，從而促進骨形態發生蛋白表達和Smad磷酸化[45]，進而對軟骨起到保護作用。可見，ESW可以通過激活MAPK-ERK信號通路，從而發揮保護軟骨等生物效應[46]。

值得注意的是，使用ESW治療骨關節炎時，雖然一定能量的ESW可以影響MAPK的表達，對骨關節炎起到治療作用，但是選擇的ESW能量不同，所引起的MAPK效應和臨床療效可能存在差異，因此本文僅納入采用低能量ESW進行治療的研究進行總結分析。

4 小 結

骨關節炎的進展與MAPK、NF-κB 、Samd、Wnt等信號通路的異常表達相關：炎性因子(TNF-α、TGF-β、IL等)的刺激引起生物體內相關通路的表達以應對炎癥反應，打破了原有MAPK、NF-κB 、Samd、Wnt等信號通路的穩態，導致這些通路失去了其原有的生物效應，促使骨關節炎的發展。因此，維持局部內環境中的相關因子及通路的穩定，對于延緩骨關節炎的發展進程尤為重要。

ESW療法是一種安全有效的骨關節炎治療方法，其可通過MSIC把信號傳入細胞內，通過MAPK、NF-κB等信號通路，抑制炎癥反應；同時也抑制TNF-α、TGF-β、IL等因子的表達，減輕炎性因子對軟骨的破壞從而起到保護軟骨的作用。