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骨关节炎关节软骨退变机制的研究进展

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导读骨关节炎关节软骨退变机制的研究进展
匡兰筮述垫!Q生!旦筮!垒鲞筮!!魍丛鲤i型曼壁业i世坐,叁竖!!!Q:∑尘:!垒:堕!:!墨TGF・2259・betas.BMPs。/GFI,Msza,fibroneetin,ostoonectinandbonesialoproteingeneexpressionduringnormalandinvitro—induceded—ontoblast323-332.[13]Tissier・SetaP。MuechielliML。MarkM,矗a1.Barxl,abomeodomainmesenehymetranscriptionntanqmouseeeto--differentiation[J].IntJDevBiol,1994,38(3):factorexpressedineranio—facial柏5420.[73NakashimaM,Nagazawatransformingprotein--4onandthestomach[J].MechDev,1995,51(1):3-15.ofH,YomadaY,eta/.Regulatoryroleofprotein-2[14]DassuleHR.McMahonAP.AnalysisteractionsDevinepithelial—mesenehymalin-growthfactor-beta,bonemorphogeneticgeneexpressionandtheinitialmorphogenesisofthemammaliantooth[J].non-dentalepitheli-ofextracelularmatrixproteinsanddif-Biol。1998,202(2):215-227.M.KollarEJ.Theinduefionofferentiationofdentalpulpcells[J].DevBiol,1994,162(1):on[15]Minaedontogenesismandibularin18_28.mesenchymecombinedwithearlycaninemurinearch[8]NakashimaM.Induetionofdentinformationpulpamputatedum[J].ArchOralBiol,1987,32(2):123—127.byrecombinanthumanbonemorphogenetieproteins-2and-,*[16]BeiM.M∞sR.FGFsandBMP4induceMsxl—dependentbothMsxl—independent[J].JDenRes,1994,73(9):1515—1519.andandden一signalingpathwaysinearlytoothdevelopment[9]NagatomosionKJ。TompkinsKA,FoIlgresultsinH,da1.Transgenicoverexpres-ofgremlindevelopmentaldefectsinenamel[17][J].Development,1998,125(21):43254333.KettumenP.ThesleffI.ExpressionandfunctionofFGFs4,-8。and-9suggest[10]曲inmice[J].ConnectTissueRes,2008,49(6):391-400.KriangkraiR,IsekiS,EtoK,甜a1.Dualodontogenicoriginsdevel・叩attheearlystagedevelopment[JJ.Analfunctionalredundancyandrepetitiveuseasepithelialsig-of删m∞岫incisornals268.duringtoothmorphogenesis[J].DevDyn,1998,21l(3):256—inEmbryol(Bed),2006,21l(2):101-108.[11]NeubuserA。PetersH,BallingsR,eta1.Antagonisticinteractions[18]VaahtokariA,AbertT,11le8k丘I.ApoptosisassociationthedevelopingtoothbywithanembryonicsignalingcenterandsuppressionbetweenFGFandBMP4signalingpathways:amechanismforposi・fioningthesitesoftoothformation[J].ce儿,1997,90(1):147.155.[19][12]StAmandtwecnmmrseBMP4TR,ZhnngY,SeminaEV,eta/.Antagonisticsignalsbe.andFGF8definetheexpressionofpitxlandpitx2inandFGF-4[J].Development,1996,122(1):121—129.PalmerRM,LumsdenAG.Developmentofperiodontalligamentandalveolarboneinbemograftedrecombinatiormofenamelorgansandpapillary,pulpalandfollicularmesenehymeinthemouse[J].EGFArchOraltoothforminsanlage[J].DevBid,2000,217(2):Bi01.1987,32(3):28l-289.收稿只期:2010旬2-25修回日期:2010-06-04骨关节炎关节软骨退变机制的研究进展谭玉林△(综述),鲍同柱※(审校)(三峡大学第一临床医学院.宜昌市中心人民医院骨科,湖北宜昌443003)中国分类号:II.684..3文献标识码:A文章编号:1006-2084{2010)154259-04摘要:近年来研究表明,关节软骨退变在骨关节炎的发病中起着重要作用。软骨退变是多因素综合作用的结果,如关节所处的力学环境、自身激素代谢的水平、软骨细胞的凋亡、相关细胞因子及基质金属蛋白酶的作用等。阐明这些因素在关节软骨退变中的机制,将有利于提高对骨关节炎的认识,从而为临床治疗骨关节炎提供新的理论依据。关键词:骨关节炎;关节软骨;退变机制Researchlin,BAO1物理因素的影响关节软骨为覆盖关节表面的一层光亮的结缔组织,富有弹性,摩擦系数小,能够通过变形扩大关节负重,传递载荷,缓冲震荡,是机体重PrO踯sOll恤eDegenerationMechanismofArticularCartilageinOsteoarthritls删玩一Tong-zhu.(mCollegeofclinicalMedicalScietwe,ChinaThreeGorgesCentralPeople’sHospital,Yichan9443003,China)FirstUniters蚵,DepanmemofOrthopaedics,YichangAI_straet:Inrecentyears.studieshaveshownthatarticularcartilagedegenerationplayedanimportantroleintllepathogenesisofOsteoarthritis.Cartilagedegenerationwastheresuhofmultiplefactors.suchasthejointdynamicenvironment。theleveloftheirownhormonemetabolism,ehondroeyteapoptosis。relatedcyto-kinesandtheroleofmatrixmetalloproteina.∞s.Elucidatingthesefactorsmechanisminthearticularcartilagedegeneration要的力学器官之一,与体内力学环境有密切的关系。虽然关节软骨在组成和形态结构上有良好的力学适应性,但是超过生理限度的异常机械应力仍可导致关节软骨形willprofittoraiserealizationoftheosteoarthritis.contributeofosteoarthritis.toprovideanewtheoreticalbasisfortheclinicalKeytreatmentwords:Ostooarthritis;Articularearlilag。;Degenerationmechanism骨关节炎(osteoarthritis,OA),以关节软骨退变为主,进行性的软骨变性和丢失是其主要病理表现。态及功能异常,诱发关节软骨退变。大量流行病学及实验研究资料表明,关节软骨退行性疾病的发生与异常应力载荷密切相关。对离正常的关节软骨光滑,富有弹性和耐磨特性,在关节内起传导载荷、吸收震荡、润滑关节的作用,从而维持关节的结构与功能稳定,处于一种精妙的动态平体牛肩关节软骨施加单次低应变速率的应力负荷后发现,当应力峰值>9MPa时,死亡细胞几乎分布于软骨全层。高应力首先导致软骨基质破坏,使胶原纤维网架断裂,蛋白多糖丧失,正常的微环境破坏,导致软骨细胞的的退变,反过来加重基质的损害,形衡中。一旦关节的这种平衡被打破,最终将导致OA的形成,而导致这种平衡破坏的机制很多。现就OA关节软骨退变机制的研究进展综述如下。万方数据匡堂堡述!Q!!生!旦筮!§鲞筮!!翅丛鲤i型曼墼箜韭坠堕!,叁蟠!Q!Q,y垡:!鱼,盟!:堕成恶性循环…。动物实验亦证明,兔膝关节内侧半月板切除后,发现关节软骨标本的蛋白多糖改变,并随着时间的延长加重,最后导致软骨表面破溃,胶原断裂,OA的发生。OA的发生也与负重力线和肌肉力学性质方面的改变有关,其导致关节软骨磨损、变薄、消失,最终关节软骨出现退化。2激素代谢异常国内曾有文献报道,有女性在初潮前有膝部骨性关节炎症状,测其雌激素水平很低,在初潮后雌激素水平升至正常,关节炎症状则很快消失。绝经后妇女比同龄男性更易出现髋、膝骨性关节炎的症状。对女性患者的血清雌二醇水平进行测定,发现骨性关节炎与雌二醇水平的降低有密切的关系拉j。流行病学调查也证实,雌激素减退有增加患骨性关节炎的可能性‘3I。目前已经证实,包括人在内的许多动物的关节软骨细胞和生长板软骨细胞上都存在雌激素受体(estrogenreceptor,ER)一Ot、ER—BH’5J,这充分说明关节软骨是雌激素的靶组织。ER一仅或ER—B基因剔除后的小鼠表型证实,两种受体对生殖的成熟有不同的作用,说明雌激素不同受体可能具有不同的功能,所以阐明雌激素对软骨代谢的作用可能要从不同的受体机制出发。有学者认为,ER—Ot基因多态性与膝关节放射学骨性关节炎有关,尤其是与骨赘关系密切,考虑ER—Ot基因变异可能与骨性关节炎有关∞J。相关的ER—Ot基因多态性研究结果也显示,遗传因素可能影响软骨对雌激素的敏感性。其他激素如骨钙素和甲状旁腺激素相关肽也与OA有关,前者提示OA可能与局部骨转换增高及骨代谢异常有关,后者有可能参与了OA的病理生理过程,其表达升高可能是关节软骨本身对OA病理变化的一种自身保护性反应。3生物活性蛋白分子生物活性蛋白分子是由免疫细胞和某些非免疫细胞刺激而合成分泌的,它们介导细胞之间的信息交换与相互调节,参与免疫应答与炎性反应过程。近年来,随着研究的深入,在分子水平上对OA有了新的认识,发现生物活性蛋白分子在其发病过程中起着重要作用。3.1细胞因子的作用细胞因子是一类生物活性蛋白质分子,它们介导细胞之间的信息交换与调节,参与免疫应答与炎性反应过程。近年来,随着对OA发病过程研究的不断深入,发现细胞因子在OA的发病过程中起主要作用。其中白细胞介素(intedeukin,IL)1及肿瘤坏死因子q(tumornecrosisfactor.仅,TNF—a)是参与关节病变的主要细胞因子和炎性介万方数据质,是炎性反应的重要调节剂¨o。IL.1、TNF—d与OA的关系是多方面的,IL一1作用主要表现为抑制透明软骨特征性Ⅱ、Ⅸ型胶原蛋白的合成,破坏软骨基质的胶原纤维网;促进I、Ⅲ型胶原的合成而使软骨细胞变性,抑制软骨细胞增殖和合成蛋白多糖;促进软骨细胞合成与分泌基质金属蛋白酶(matrixmetalloproteinases,MMPs)而促进软骨降解悼1;刺激软骨细胞释放炎性介质一氧化氮(nitricoxide,NO)与地诺前列酮,导致关节软骨的破坏【90;IL—l能调节软骨细胞BaxmRNA的表达,通过对细胞凋亡的调控参与OA关节软骨的破坏。而TNF-Ot的作用与IL一1类似,刺激滑膜产生地诺前列酮,介导关节软骨组织破坏,使软骨细胞呈成纤维细胞样变。其他许多细胞因子也被认为在OA中起作用。如IL-6被认为在OA关节炎症和软骨退变中发挥重要作用;自血病抑制因子可能参与OA滑膜炎症和异常的增殖过程;转化生长因子具有促进细胞增殖分化和细胞外基质合成的作用,参与骨与软骨的形成;碱性成纤维生长因子在软骨的生长、发育、分化、骨化中具有重细胞因子对软骨细胞破坏的后续作用,是对软骨基质的影响。基质中的胶原纤维类型的变异,胶原酶对胶原的降解,MMPs对基质蛋白多糖的消化及由此引起的基质水分的丧失。基质的构成改变使软骨细胞生存环境恶化,软骨细胞无法从基质中获得养分,进一步使软骨细胞受损,从而导致关节软骨的退变。因子,它们在维护机体内环境稳定以及在免疫系统中都具有重要作用。趋化因子网络异常激活可以导致一些炎症性关节炎疾病的产生。已有证据表明,在OA的发病机制中有趋化因子的参与。在OA的关节滑液中能检测出趋化因子,而且在靠近软骨的细胞(如软骨下成骨细胞、滑膜细胞)中都表达趋化因子。Borzi等¨刨证实,软骨细胞表面有cc趋化因子的受体(CCRI和CCR3)以及CXC趋化因子的受体(CXCRl、CXCR4),同时发现OA患者的软骨细胞中CCRl、CCR3、CCRS、CX.CRl的表达过量。此外,MCP-1和RANTES可以诱导软骨细胞表达MMP-3,而且这些因子同单核细胞炎性蛋白1仅和单核细胞炎性蛋白lB一样,可以抑制蛋白多糖的合成,加速软骨细胞释放蛋白多糖。Alaaeddine等¨u报道,RANTES和IL—lB还具有刺激软骨细胞表达MMP一1的作用。上述事实说明,趋化因子及其受体的作用可能是人类关节炎时软骨分解代解的又一条通路,它最终将导致软骨基质成分的破坏。3.2趋化因子的作用趋化因子是一类小的细胞医堂绽述垫!Q笙§旦筮!鱼鲞筮!§翅丛鲤i型垦堡箜塑世坐:叁强垫!Q:!垡:!垒:堕!:!皇・2261・3.3CD吲的作用CD吲作为四跨膜超家族中新近发现的癌基因,在细胞的增殖、融合,肿瘤的生长、迁移、血管生成¨纠及MMPs的活化中起重要作用。Fu—j妇等¨列研究发现,OA软骨全部有CDl51mRNA的表达,推测CD蚓有可能通过对MMPs的活化,破坏关节软骨的结构。4蛋白酶的降解作用近年发现,OA软骨细胞外基质合成与降解失衡是造成软骨变性的重要原因之一,其中MMPs可能起决定性作用。MMPs是水解所有细胞外基质的一种蛋白水解酶,被认为是机体生理重建和病理破坏的主要基础因素之一,在软骨基质大分子(包括二型胶原和黏多糖)细胞分裂中起重要作用,破坏关节软骨细胞外基质结构和功能的完整性。在OA中MMPs具有降解变性I、Ⅱ、m型胶原明胶的特异能力,切割天然Ⅳ、V、Ⅶ、Ⅺ型胶原,对纤维结合素、弹性蛋白也有一定作用¨“。软骨的局部损伤导致了细胞缺氧和代谢产物的堆积,使局部显现出酸性环境,导致软骨组织破坏。5细胞凋亡研究发现,软骨细胞的凋亡过度是关节软骨退变发展成OA的重要原因。关节软骨细胞增殖和凋亡在正常情况下处于动态平衡,使关节软骨在总体上保持其细胞数量及形态和功能的稳定。然而,过度凋亡则是病理性的和有害的。研究表明,多种因素可引起关节软骨细胞的凋亡,关节软骨细胞凋亡的异常会引起OA【l5l。现已发现两条诱导关节软骨凋亡的途径:一条为NO途径,另一条为Fas途径。软骨细胞外基质各成分平衡是维持各层软骨细胞活性的重要条件,凋亡与基质崩解密切相关。在关节软骨中多种癌基因表达增强,提示癌基因通过对OA软骨细胞凋亡的调控,参与OA的发生、发展。连续切片显示,OA患者关节软骨富含凋亡细胞的区域伴有大量蛋白多糖降解,表层软骨细胞凋亡最多,且基质降解最严重¨6|。Ⅱ型胶原缺陷的转基因小鼠内可见关节软骨细胞大量凋亡,推测Ⅱ型胶原缺乏的软骨细胞间基质不能供养软骨细胞而促进其凋亡。在骨性关节炎中,软骨细胞外基质的降解,可使细胞生存环境及生存信号丧失而导致软骨细胞凋亡,而细胞结构的破坏可使基质合成减少,随之发生的凋亡也限制了基质的修复。而细胞外基质的降解产物亦可影响凋亡,蛋白多糖聚合物的降解产物之一G.结构域由于与透明质酸的结合不易进入循环系统,易在滑液和软骨中积累,通过降低细胞问黏附诱导软骨细胞凋亡。研究表明,NO对软骨基质主要成分胶原和蛋白万方数据聚糖均有重要影响。Studer等¨7o将诱导型一氧化氮合酶(inducednitricoxidesynthase,iNOS)基因转入软骨细胞,发现软骨细胞产生的大量NO能抑制软骨基质蛋白聚糖合成,促进蛋白聚糖和胶原蛋白降解。MMPs是促进关节软骨基质降解的最重要物质。有研究认为高浓度NO可通过激活MMPs活性来增加胶原和蛋白聚糖裂解。也有研究¨副表明,NO可通过减少Ⅱ型胶原仅l链mRNA的表达来抑制Ⅱ胶原合成,同时激活MMPs,促进胶原和蛋白聚糖降解和地诺前列酮升高,从而导致软骨基质破坏。但是也有人持不同意见。Cletnents等¨钊在OA动物模型中剔除iNOS基因,发现关节软骨退变加速,认为NO可能对维持软骨基质内环境稳定具有重要意义。这表明NO在软骨基质中可能存在复杂的双重作用机制。由于OA发病是一个复杂的病变过程,NO在OA中的作用与其他细胞因子紧密联系。关节内NO生成需要其他细胞因子刺激,研究表明,OA中IL—lB、TNF一仅、干扰素1等可通过与iNOS基因启动子上的相应结合位点结合而激活iNOS表达,可产生大量NO,从而在OA中发挥重要作用。OA是一种复杂的关节软骨退行性疾病,随着研究技术的不断进步和对OA的深入研究,认为其发生可能是一种或多种机制联合作用的结果,其发生机制以及各机制之间相互作用的关系仍不十分清楚,所以对这些问题的进一步探讨将会对OA的发病机制更加明确,同时为临床治疗OA提供新的理论依据。参考文献[1]顾延,戴越戎,裘世静,等.异常高应力导致荚节软骨退变机理的形态学研究[J].中华外科杂志,1995,33(10):597-600.[2]张康乐。吴必,马慎谨.退行性骨关节炎患者血清雌二醇测定及其意义[J].中国运动医学杂志,2001,20(1):37-38.[3]ParazziniF.Menopausalstatus,hormonereplacementtherapyugeandriskofself-reportedphysician—diagnosedosteoarthritisinwomenattendingmenopauseclinicsinItaly[J].Maturitas,2003,46(3):207-212.[4]RichmondRS,CarlsonCS,Rc6sterTC,eta1.Functionalestrogenreceptorsinaduharticularcartilage:estrogenreplacementthempyincreaseschondrocytesynthesisofproteoglycansandinsulin・likegrowthfactorbindingprotein2[J].ArthritisRheum,2000,43(9):2081-2090.[5]ClⅫsenH,HasseupflugJ,SchtlnkeM,da/.1mmunohistoehemicaldetectionofestrogenreceptoralphainarticularchondrocytesfromCOWS,pigsandhumans:insituandinvitror船ults[J].AnnAnat,2001,183(3):223-227.[6]BerginkAP,VanMeursJB,LoughlinJ,村a/.Estrogenreceptoral-phageuehaplotypeisassociatedwithradiographicosteoarthritisofthekneeinelderlymenandwomen[J].ArthfitisRheum。2003。铝(7):1913-1922.[7]LittleCB,FlanneryCR,HughesCE。eta/.Cytokineinducedmetal・iopmteinaseexpressionandactivitydoesnotcorrelatewithfocalsusceptibilityofarticularcartilagetodegeneration[J].Osteoarthri—tisCartilage,2005,13(2):162—170.[8]陈延文,王艾林,周建平,等.关节软骨细胞凋亡[J].中国医学科学院学报。2000。22(4):364-365.・2262・匡堂堡述2Q!Q生!旦筮!i鲞筮!!魍丛鲤i型曼丝墅i垒些堕:△竖垫!Q。!堕:!§:№:!皇tedin[9]GoldringMB.Themhofeytokinesasinflammatorymediatorsinosteoarthritis:lts80n8fromanimalmadeh[J].ConnectTi¥ueRes,1999.40(1):l—11.BorziRM,MazzettiI。CattiniL,eta1.Humanchondracytesfunctionalchemokinezymesinresponsetoreceptorsexpresscn—jointdiseases[J].EquineVetJ,1999,3l(4):324.in[15][16]KimHA。LeeYJ.SeongSC,eta/.Apoptoticchondrocytedeathhumanosteoanhritis[J].JRhcummd,2000,27(2):455-462.a/.Linkageofchondracyteapop-cartilagedegradationinhumanosteoarthritis[J].ArthritisM,et[10]HashimotoS,JachsR,Lotstosisandreleasematrix—degradingandC.X.CandC.Cehemokines[J1.ArthritisRheum,1998.4l(9):1632—1638.Rheum,2000,43(8):1734.1741.[17]inStuderR,Jaffur,D,StelanovirRacieM。da1.Nitricoxideinoateo-[11]AhaeAdineN.OleeT,HashimotoS.et耐.Productionofthechew.o-kineRANTESbyarticularchondrocytesandrolecartilagedegra-arthritis[J].OsteearthfitisCartilage,1999,7(4):37%379.[18]dation[J3.ArthritisRhenm,2001,44(7):1633-1643.[12]YauchRL,Ka∞∞vAR。Desaibetweena3B。eta1.Directextracellularcontactpr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