膝骨關節炎滑液脂質代謝特點的研究進展

姚放鳴 何敏聰，2 何曉銘，2 魏秋實，2 何偉，2

1廣州中醫藥大學第三臨床醫學院（廣州 510145）；2廣州中醫藥大學第三附屬醫院（廣州 510145）

膝骨關節炎（KOA）是一種長期困擾中老年人群的慢性關節疾病，主要表現為膝關節疼痛、活動受限、關節畸形和肌肉萎縮［1］。一項meta 分析［2］顯示：2000-2018 年KOA 在中國中老年人群的總體發病率為21.51%。此外，另一項關于瑞典青年人的隊列研究［3］指出，膝關節創傷后KOA 發病風險將增長約6 倍。KOA 的確切發病機制尚不完全清楚，目前的觀點主要有機械和代謝兩方面的因素。機械方面，主要由長期過度負重、關節過度勞損以及各種原因導致的關節不穩定等危險因素誘發；代謝方面，脂質代謝紊亂被認為是KOA 的重要致病因素。代謝綜合征（MetS）或肥胖都可能使身體長期保持高代謝和炎癥狀態，最終誘導KOA的發病。既往與脂質代謝相關的研究多集中于全身（血漿）脂質代謝方面，而關于關節局部（滑液）脂質代謝的研究還相對較少。與血漿不同，關節滑液（SF）是膝關節局部代謝的重要載體，在一定程度上直接參與了KOA 的發生發展進程并反映局部炎癥代謝情況。因此，相對于全身（血漿）脂代謝，SF 脂質代謝的研究或許可以更好地揭示脂質代謝與KOA 的關系。本文以KOA 患者膝關節SF（下簡稱KOA-SF）的脂質代謝研究為切入點，對KOA 與SF 脂質代謝相關性進行綜述，為從SF脂代謝角度預測KOA 發病，調控KOA 進展提供思路。

1 生理狀態下的膝關節滑液脂質代謝

SF 直接參與膝關節功能構成，同時也是其他關節代謝物質的溶劑和載體。SF 主要由關節滑囊和腱鞘的滑膜分泌，同時也有部分來源于血漿超濾液（圖1）。它不僅有潤滑關節、保護關節軟骨面的作用，同時也維持著關節能量和物質代謝，對調節關節軟骨代謝具有重要作用。由于滑膜細胞及毛細血管壁的超濾作用，血漿中的大分子脂質較少滲透進SF 中，因而造成SF 中的脂質成分要遠低于血漿水平。因此SF 中的脂質成分如磷脂酰膽堿（PC）等可能大部分由關節內的滑膜細胞和軟骨細胞等合成并分泌［4］。此外，髕下脂肪墊等關節周圍組織也是SF 中代謝產物的來源之一。

圖1 健康膝關節的滑液來源及其脂質構成Fig.1 Synovial fluid sources and lipid composition of healthy knee joints

一項病例對照研究［5］對無關節炎等關節病史的死后供體的SF 進行成分分析，發現這些健康SF中含有肉豆蔻酸、棕櫚酸、硬脂酸等飽和脂肪酸（SFA），以及神經酸、油酸等單不飽和脂肪酸（MUFA），還有二十碳五烯酸（EPA）、二十二碳六烯酸（DHA）、α-亞麻酸、二高-γ-亞麻酸等ω-3 多不飽和脂肪酸（PUFA）及花生四烯酸（AA）、亞油酸等ω-6PUFAs，但該研究未對其進行定量分析。KOSINSKA 等［6］的一項對照研究發現，在健康人SF 中總磷脂（PL）含量約100～500 nmol/mL，其中PC 占絕大多數，其次也含有不同比例的溶血磷脂酰膽堿（LPC）、神經酰胺（Cer）、鞘磷脂酰膽堿等。這些磷脂類物質能與透明質酸協同輔助關節潤滑和活動。PRETE 等［7］采用密度漂浮技術測量SF中的脂蛋白含量，發現其中高密度脂蛋白（HDL）含量相對較高，此外還含有少量的乳糜微粒（CM）、極低密度脂蛋白（VLDL）和低密度脂蛋白（LDL）。健康SF 中除了PC、LPC 外，還測出了微量的鞘磷脂（SM），濃度為1.3～1.5 mg/dL，還有微量載脂蛋白A1（ApoA1）和載脂蛋白B（ApoB）。膽固醇（TC）在正常滑液中也處于低濃度，約為0.6～0.75 mg/dL。這些脂蛋白可能是由血漿超濾而來，幫助關節表面的潤滑和營養，同時載脂蛋白還能參與調解滑膜組織炎癥反應。

2 KOA 患者膝關節滑液脂質代謝

2.1 SFA脂肪酸（FA）依據其碳鏈的雙鍵數量可以分為SFA、MUFA 及PUFA。其中PUFA 又可以依據雙鍵的位置分為ω-3PUFA、ω-6PUFA 等多種類型［8］。SFA 過高是導致肥胖、高血脂以及MetS 的主要原因，因此通常被認為與高代謝水平的炎癥相關［9］。但近期的部分研究也表明了十五烷酸、丙酸和丁酸等SFA 可能具有緩解炎癥和抑制破骨的作用。

一項關于SFA 的細胞實驗［10］驗證了棕櫚酸的促炎途徑，棕櫚酸通過Toll 樣受體4（TLR4）-ERK1/2-c-Jun 信號轉導通路顯著增加了人關節軟骨細胞中的IL-26 誘導的促炎作用和基質金屬蛋白酶（MMP）表達，從而促進關節軟骨細胞的降解。一項研究［11］對比早期和晚期的KOA-SF 發現，甘油、肉豆蔻酸、油酸、十七烷酸和癸酸等FA 在晚期KOA-SF 中水平更高。然而另一項研究［12］發現十五烷酸在血漿和SF 中的濃度與KOA 進展呈負相關，這表明十五烷酸與十七烷酸、癸酸等不同，其作為SFA 也可能具有抑制炎癥或緩解KOA 進展的作用。MUSTONEN 等［13］發現KOA-SF 中的十四碳烯酸、十六碳烯酸、亞油酸等不飽和脂肪酸，以及肉豆蔻酸、十七烷酸、二十二烷酸、二十四烷酸等SFA 水平均較對照組下降。一項動物實驗［14］發現丙酸和丁酸等短鏈SFA 可以通過使破骨細胞代謝向糖酵解轉移，下調TRAF6 和NFATC1 等破骨細胞基因，從而降低破骨細胞活性，以此來促進骨量。這表明SFA 可延緩KOA 進展，但相關結論仍需要更多高質量研究驗證。盡管既往研究發現多種SFA 對KOA-SF 有促炎作用，但上述研究結果也表明SFA 與KOA 之間可能存在多樣化聯系，尚需要更多針對單種SFA 的深入研究來明確二者關系。

2.2 PUFA 及其氧化脂質在目前關于PUFA 的研究中，研究較深入的是ω-3PUFA 和ω-6PUFA。前者以EPA 和DHA 為代表，后者以AA 為代表。EPA 和DHA 可以通過促分解脂質介質（SPM）途徑表現出抗炎特性，而AA 則表現為促炎/抗炎的雙向氧化脂質代謝途徑［15-16］。

MUSTONEN 等［17］對比健康對照組、KOA 組和類風濕性關節炎（RA）組SF 中的脂肪酸水平，發現KOA-SF 的ω-6PUFA 比例相對下降，ω-3PUFA也呈總體下降趨勢，而總MUFA 比例增加。此外，KOA-SF 中ω-3PUFA 的產物/前體比、總平均鏈長和雙鍵指數均降低。炎癥刺激下磷脂酶A（PLA）活性升高，所以部分ω-6PUFA 可能向短壽命的脂質介質轉化，從而表現為ω-6PUFA 降低。盡管目前廣泛認為ω-6PUFA 具有促炎作用，但研究表明AA 可能也具備促炎癥消退途徑。AA 可以通過15-LOX 途徑合成15-HETE，即血栓素A4（LXA4）的前體，LXA4 對于急性炎癥的消退有重要作用［15-16］。此外，另一項研究［18］表明，長鏈及富含PUFA 的磷脂雙分子層有利于降低關節面的摩擦系數。這也能佐證MUSTONEN 報道的總平均鏈長和雙鍵指數在KOA-SF 中降低的現象。

DE VISSER 等［19］的一項動物實驗中，4 種氧化脂質（5，6-EET、15-HETE、8，9-DHET 和17R-分解素D1）在KOA 大鼠SF 中明顯改變。由AA 衍生的5，6-EET 在高脂肪飲食組中比標準飲食組水平更高，同樣為AA 代謝產物的15-HETE、8，9-DHET在軟骨缺損手術的大鼠SF 中低于未手術組。而17R-分解素D1 則在KOA 模型大鼠SF 中更高。15-HETE 的抗炎活性前文已提及。而17R-分解素D1 屬于D 系列分解素，有研究［20］表明其可以消除IL-1b 誘導的p38/MAPK、JNK1/2 和NF-jB/p65 信號通路的激活以抑制炎癥。同為抗炎活性物質，15-HETE 和17R-分解素D1 的分布水平卻呈相反趨勢。前者可能是由于高脂飲食誘導AA 代謝偏向促炎代謝途徑，后者水平升高則是針對炎癥的代償性調節。

VALDES 等［21］納入了58 例KOA 患者，采集他們患側膝關節的SF 與健側關節SF 及健康對照組的SF 進行對比，結果發現在KOA 患者中，AA 衍生的氧化脂質11，12-DHET 和14，15-DHET 在患側膝蓋中的水平高于健側，并與KOA 的影像學進展呈正相關。然而上述動物實驗中提到的5，6-EET、15-HETE、8，9-DHET 等氧化脂質在研究中均未發現統計學差異，這可能是由于研究樣本量偏小、炎癥環境的差異、物種的差異以及氧化酶的效能不同等引起，還需要更大樣本量的臨床研究進一步驗證。

正常情況下炎癥具有自限性，其關鍵就是上文提及的SPM。SPM 包括分解素、保護素，以及一種名為maresins 的新型抗炎癥脂質介質家族［22］。分解素中的E 系列為EPA 衍生物，而D 系列分解素、保護素以及maresins 則由DHA 衍生。SANO等［20］在KOA-SF 中檢測到上述因子，并且觀測到它們可以減輕滑膜炎癥。SPM 途徑是一條常規存在的通路，但在肥胖人群的持續炎癥代謝狀態中，SPM 水平與促炎因子水平不能平衡，因而SPM 途徑并不足以抵擋炎癥的進展，更容易發生KOA 等慢性持續性炎癥疾病。如何提高SPM 通路表達或許是KOA 新型治療方案中的一個關鍵問題。

2.3 FA 與線粒體能量代謝FA 作為一種能量儲備物質，可以通過β-氧化途徑分解為機體供給能量。這一途徑涉及肉堿、酮體等多種中間產物，并與局部組織的氧含量相關。一項研究［11］發現與早期KOA 相比，在晚期KOA 組中，檸檬酸鹽、琥珀酸鹽和延胡索酸鹽等三羧酸循環中間產物水平呈上升趨勢。一項KOA-SF 的代謝組學［23］分析顯示，與健康對照組相比，KOA-SF 中的輔酶A 代謝、肉堿轉運活動均有減少。另有研究者［24-25］也提出乙酰肉堿在晚期KOA 患者的血漿水平比對照組更低。KOA-SF 中肉堿代謝活動的減少提示脂肪β-氧化途徑的減弱和線粒體功能的障礙，這種障礙也導致了三羧酸循環中間產物的堆積。這些能量代謝的改變可能與SF 中不同脂質的增減相關。鑒于早期和晚期KOA 之間可能存在的這種能量代謝變化，針對FA 能量代謝的中間產物進行進一步研究，可能有助于加深對KOA 病理狀態的闡釋，并探索新的KOA 進展標志物。

2.4 磷脂健康SF 中會含有少量PL，它們與透明質酸一起幫助關節潤滑，減輕摩擦。尤其是PC，它可以與透明質酸結合，形成一個高度潤滑的邊界層［26］。而在KOA-SF 中，過量的PL 可能意味著關節局部組織的破壞和疼痛加重。

在KOA-SF 中，有研究［27-28］表明總PL 包括甘油磷脂含量會異常升高。下面兩項臨床研究也表明幾種不同的LPC 亞型在KOA 關節中水平均有升高。JACQUOT 等［29］的臨床試驗發現在KOA 關節中LPC（尤其是LPC16：0）濃度比對照組更高。同時該研究者的動物實驗證明了LPC16：0 可以通過酸感應離子通道3（ASIC3）誘導KOA 關節疼痛，加重各類關節炎患者臨床癥狀。另一位研究者［30］也發現牛的膝關節SF 中的LPC（18：0、18：1、18：2、18：3）濃度按對照組、早期KOA 組、晚期KOA 組的順序依次升高。NIEMINEN 等［31］的一項對照試驗也發現磷脂酰乙醇胺、LPC 在原發性KOA 患者SF中升高。一項KOA-SF的代謝組學［32］分析發現PC、LPC、Cer 等物質濃度在KOA-SF 中濃度升高。與以上研究不同，ROCHA 等［33］對KOA 關節滑膜的脂質組學分析發現LPC 的水平低于對照組組織，而PC、FA和溶血磷脂酸（LPA）的水平則有升高。

針對以上研究結果，一位研究者提出KOA-SF中PL 的普遍升高可能與PLA 的過表達和局部組織中細胞膜破壞有關［34］。由于PLA 的過表達，IL-1β、TNF-α 可以借此促進KOA 中成纖維細胞樣滑膜細胞（FLS）釋放PL，并導致膜磷脂成分中的PC、磷脂酰絲氨酸（PS）等分別向LPC 和溶血磷脂酰絲氨酸（LPS）等過度轉化并釋放至SF 中［27］（圖2）。因此，針對PLA 進行靶向調控可能有助于KOA 患者病情的緩解。此外，LPC 的升高除了提示局部組織的破壞外，其本身也能促進軟骨損傷。HWANG 等［35］發現LPC 可以招募吞噬細胞向損傷部位聚集，并增加軟骨細胞凋亡。

圖2 磷脂酶分解磷脂生成溶血磷脂導致關節疼痛Fig.2 Phospholipase decomposes phospholipids to produce lysophospholipids，leading to joint pain

2.5 脂肪因子脂肪因子是參與調節糖脂代謝及炎癥狀態的一組蛋白類物質，主要包括脂聯素、瘦素、抵抗素、內臟脂肪素等。脂肪細胞和單核細胞是許多脂肪細胞因子和促炎細胞因子（如IL-6、IL-1、TNF-α）的共同來源，其中大多數都會促進KOA 的進展［36］。脂肪因子調控失常引起的糖脂代謝紊亂還可能影響關節滑膜的增殖代謝，抑制透明質酸的分泌，增加細胞衰老［37］。抵抗素和瘦素可通過MAPK、NF-κB 等代謝通路促進炎癥因子釋放，而脂聯素則是脂肪因子中唯一的抗炎劑，同時瘦素也具有緩解軟骨破壞的良性作用（圖3）。

圖3 脂肪因子的炎癥相關代謝途徑Fig.3 Inflammatory metabolic pathways of adipokines

抵抗素在KOA 患者血清、SF 及滑膜中濃度均高于健康對照組，并增加促炎因子的釋放，以促進軟骨基質的降解［38］。宋永周等［39］的臨床研究也支持這一結論，并且發現SF 的抵抗素水平與K&L 分級正相關。另一項動物實驗［40］表明KOA 犬SF 中的抵抗素水平與健康犬SF 相當。因此該研究者認為抵抗素可能不參與KOA 的發病機制。但也有研究發現了抵抗素的促炎通路：抵抗素通過MEK/ERK 信號抑制miR-149 的表達，增強了KOASF 中FLS 對TNF-α 和IL-1β 的表達［38］，同時也能通過與Toll 樣受體4（TLR4）和腺苷酸環化酶相關蛋白1 受體結合，然后激活p38-MAPK、PKA、NF-κB等多種信號通路以激活炎癥反應［41］。

在肥胖患者體內以及KOA 患者SF 中瘦素濃度均升高［42］。SF中的瘦素水平與KOA 軟骨損傷及疼痛等臨床癥狀加重有關，并在KOA 晚期到達最高濃度［43］。一項研究［44］對合并/不合并MetS 的OA患者進行分組并對比分析。結果表明與nMetS-OA組相比，MetS-OA 組的SF 瘦素水平更高，且疼痛等臨床癥狀更嚴重。KLEINE 等［45］的動物實驗結果與這一結論相符，KOA 犬SF 中的高瘦素水平與關節疼痛和功能障礙相關。瘦素總體來講具有促炎作用，瘦素可以激活人關節軟骨細胞中的NF-κB、ERK、JNK 等促炎通路，導致MMP-3、MMP-13 和ADAMTS4 等表達增加，同時也可以刺激FLS 及軟骨細胞分泌IL-6、IL-1 等［46］，但一方面這種效應被EPA 和DHA 抑制［47］，另一方面瘦素本身也具有雙向作用。瘦素本身具有軟骨保護作用，它可以通過促進轉化生長因子（TGF-β）和促生長因子（IGF-1）表達從而促進軟骨蛋白聚糖的合成，并增加軟骨細胞的增殖［42］。瘦素具有抑制食欲、增加能量消耗的作用，肥胖可能導致瘦素水平因負反饋調節而升高。長期升高的瘦素水平以及肥胖狀態下的炎癥水平升高導致了普遍存在的瘦素抵抗，而這又反過來促使機體維持更高濃度的瘦素水平，并加重炎癥水平。

脂聯素是脂肪因子中唯一的抗炎劑。近幾年關于脂聯素的臨床研究較少，研究［48］表明脂聯素的SF 水平與KOA 的K&L 分級呈負相關，并且與WOMAC 疼痛評分、關節功能相關［49］。脂聯素能通過脂聯素受體1 和受體2（adipoR1 和R2）信號傳導機制減少各種細胞類型的炎癥［50］。此外還具有調節巨噬細胞的增殖分化、抑制MMP 分泌、促進FA 及脂蛋白代謝等多種作用［51］。這些功能皆有利于對炎癥的抑制。

內臟脂肪素是B 淋巴細胞前體的生長因子，是一種促炎癥的脂肪因子。既往的動物研究表明其是2 型糖尿病的獨立危險因素，且與動物個體肥胖程度呈正相關，這表明內臟脂肪素與糖脂代謝紊亂密切相關，從而間接影響KOA 相關代謝［52］。已有研究發現內臟脂肪素在OA 患者血清中升高，但目前關于其SF 水平變化的研究還較少［53］。

3 展望

SF 作為直接參與KOA 局部代謝的物質之一，分析SF 中脂質的代謝水平對于預防、診斷及干預KOA 具有重要意義。而關于SF 脂代謝的研究重點集中在部分SFA、AA 對炎癥的雙向作用、脂肪因子的促炎作用以及PLA 作用下溶血磷脂類物質對關節內組織的破壞作用，這些脂質的促炎作用多需通過JNK、NF 以及MEK/ERK 等經典炎癥信號通路傳導。進一步明確基于上述炎癥通路的SF 脂代謝——骨關節炎代謝關系有助于闡釋KOA 發病的局部代謝機制。此外，目前的研究結果也支持EPA、DHA、SPM 途徑、脂聯素等的抗炎特性及對KOA 進展的緩解作用，但尚缺乏相應的高質量臨床試驗證據。總之，SF 脂代謝是關于預防和緩解KOA 的一個極具潛力的方向，上述研究的進一步深入可能會為臨床治療KOA 提供新的選擇，從而改善當前以對癥支持治療為主的臨床現狀。