翁華宏 李宏宇 葉來生 翁陳祎

(廣西骨傷醫(yī)院關(guān)節(jié)科,南寧市 530000，電子郵箱:wenghuahong@163.com)

【提要】 目前，關(guān)于骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機(jī)制及治療方法的研究成果顯著，但是其具體發(fā)病機(jī)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(dá)可以影響骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生、發(fā)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(guān)節(jié)炎的作用。本文基于相關(guān)因子及信號通路闡述骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機(jī)制，在此基礎(chǔ)上闡述體外沖擊波治療骨關(guān)節(jié)炎的作用機(jī)制，為臨床應(yīng)用體外沖擊波治療骨關(guān)節(jié)炎提供參考。

骨關(guān)節(jié)炎是臨床上最常見的肌肉骨骼疾病，嚴(yán)重危害人們的健康[1]。骨關(guān)節(jié)炎的致病因素較多，其發(fā)病與衰老、肥胖、性別、關(guān)節(jié)外傷、重復(fù)性損傷、內(nèi)分泌疾病等相關(guān)，骨關(guān)節(jié)炎的臨床表現(xiàn)主要包括關(guān)節(jié)疼痛、功能活動(dòng)受限、周圍韌帶肌肉的柔韌性下降等[2]。目前，中、早期骨關(guān)節(jié)炎的治療以口服藥物、中醫(yī)外治、功能鍛煉等非手術(shù)治療為主；晚期骨關(guān)節(jié)炎患者通常需行關(guān)節(jié)置換術(shù)治療，但其關(guān)節(jié)的原始功能始終無法恢復(fù)。因此，尋找一種能夠緩解疼痛、改善關(guān)節(jié)功能、延緩疾病進(jìn)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(jié)石的治療，經(jīng)過十多年的發(fā)展，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于骨科及其他領(lǐng)域。研究表明，ESW可以緩解骨關(guān)節(jié)炎患者的疼痛、促進(jìn)局部血液循環(huán)、抑制炎癥反應(yīng)等[3-5]，其可能是通過激活細(xì)胞內(nèi)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(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)、白細(xì)胞介素1β(interleukin 1β,IL-1β)、一氧化氮、Ⅱ型膠原等因子的表達(dá)而發(fā)揮生物效應(yīng)。因此，本文從上述通路及因子層面，闡述骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上簡述ESW治療骨關(guān)節(jié)炎的作用機(jī)制。

1 與骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病相關(guān)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(nèi)的分子，是骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)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(chǎn)生，其中NOS可分為結(jié)構(gòu)型NOS和誘導(dǎo)型NOS(inducible NOS,iNOS)。在正常生理狀態(tài)下，一氧化氮可以通過抑制NF-κB的表達(dá)來產(chǎn)生抗炎作用[6]。正常情況下，NF-κB處于一種休眠狀態(tài)，當(dāng)接收到外界信號刺激時(shí)，NK-κB抑制蛋白激酶被活化后激活體內(nèi)NF-κB，NF-κB才發(fā)生轉(zhuǎn)錄并誘導(dǎo)靶基因表達(dá)[7]。

在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病過程中，炎性因子激活NF-κB，進(jìn)而誘導(dǎo)iNOS的表達(dá)，引起局部一氧化氮含量過高，使得MMP的活性被上調(diào)，從而抑制Ⅱ型膠原合成，引起軟骨的退化和破壞[8]。同時(shí)，一氧化氮也是一種強(qiáng)活化血管因子，可以擴(kuò)張血管和促進(jìn)血液循環(huán)，而過高含量的一氧化氮會過度擴(kuò)張血管，使血管壁通透性增加而引起血管內(nèi)大分子膠體滲出,導(dǎo)致滑膜腫脹，這是骨關(guān)節(jié)炎患者出現(xiàn)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(xì)胞的凋亡[10]?？梢姡?dāng)一氧化氮維持在一定水平時(shí)，可以抑制炎癥的發(fā)生，而當(dāng)炎性因子激活iNOS使得一氧化氮的生成量增加時(shí)，這種相對穩(wěn)定的水平被打破，此時(shí)一氧化氮?jiǎng)t會對機(jī)體產(chǎn)生損害作用，促使骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展?；诖?，抑制iNOS活性及調(diào)節(jié)一氧化氮含量成為目前骨關(guān)節(jié)炎療法的重點(diǎn)。

1.2 IL-1β IL-1β是一種促炎因子，主要由單核-巨噬細(xì)胞刺激產(chǎn)生的可以誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)和軟骨分解[11]。骨關(guān)節(jié)炎患者關(guān)節(jié)腔內(nèi)IL-1β的表達(dá)水平較高，并且1L-1β的表達(dá)水平與炎癥的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)[12]，其常被當(dāng)作評估患者炎癥狀態(tài)的指標(biāo)之一。IL-1β可以誘導(dǎo)多種因子表達(dá)，造成軟骨細(xì)胞及細(xì)胞外基質(zhì)的破壞，影響軟骨細(xì)胞的修復(fù)，加快骨關(guān)節(jié)炎的進(jìn)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(guān)節(jié)炎的發(fā)展。如IL-1β可通過激活p38MAPK通路[11]，誘導(dǎo)iNOS和環(huán)氧化酶2表達(dá)，使局部一氧化氮和前列腺素 E2的含量增加，從而促進(jìn)軟骨細(xì)胞分解代謝，影響軟骨的修復(fù)[13]；IL-1β還可以激活NF-κB，促使NF-κB發(fā)生轉(zhuǎn)錄并誘導(dǎo)MMP表達(dá)上調(diào)[14]，從而對軟骨細(xì)胞的分化、增殖及修復(fù)造成負(fù)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(xì)胞(巨噬細(xì)胞、單核細(xì)胞等)產(chǎn)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(tài)，從而對機(jī)體發(fā)揮有利的影響。但在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病過程中，TNF-α引起的炎性分子應(yīng)答與IL-1β相似。TNF-α與細(xì)胞膜上的TNF受體結(jié)合，把生物信號傳導(dǎo)至細(xì)胞內(nèi)以激活NF-κB信號通路，從而引起炎癥反應(yīng)，促使細(xì)胞凋亡[16]；同時(shí)，NF-κB信號通路激活后又可增強(qiáng)TNF-α的表達(dá)，TNF-α與NF-κB之間存在正向調(diào)節(jié)關(guān)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(yīng)，例如其與IL-1β共同產(chǎn)生作用，激活MMP、抑制軟骨細(xì)胞的合成代謝、誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞凋亡，最終引起軟骨的破壞[12]；而隨著軟骨細(xì)胞的凋亡，部分凋亡產(chǎn)物又可以增強(qiáng)IL-1β和TNF-α的表達(dá)，導(dǎo)致局部處于一個(gè)惡性循環(huán)的環(huán)境中，加速了骨關(guān)節(jié)炎的進(jìn)展[12]。目前，部分研究者認(rèn)為該惡性循環(huán)的核心是由炎性因子打破B細(xì)胞淋巴瘤2和 B細(xì)胞淋巴瘤2相關(guān)X蛋白的平衡所致[18]。

1.4 轉(zhuǎn)化生長因子β 轉(zhuǎn)化生長因子β(transforming growth factor β，TGF-β)最早是由de Larco和Todaro[19]發(fā)現(xiàn)，目前發(fā)現(xiàn)的TGF-β超家族成員有30多個(gè)[20]。在生物體內(nèi)TGF-β的信號傳導(dǎo)較為復(fù)雜。在正常生理狀態(tài)下，TGF-β可以激活Smad通路，發(fā)揮相應(yīng)的生物效應(yīng)。當(dāng)TGF-β在軟骨細(xì)胞外基質(zhì)中被激活，其可與細(xì)胞膜上的受體結(jié)合形成復(fù)合物進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，Smad2、Smad3蛋白接收到這個(gè)信號后發(fā)生磷酸化并與Smad4結(jié)合，隨后進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)，從而傳導(dǎo)了TGF-β信號。這個(gè)由細(xì)胞內(nèi)吞作用進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，與活化的Smad蛋白結(jié)合，從而把信號傳遞到胞內(nèi)的過程，成為Smad的經(jīng)典途徑[21]。

van der Kraan[22]研究發(fā)現(xiàn)，TGF-β處于一個(gè)相對穩(wěn)定的水平時(shí)可以對組織的修復(fù)起到促進(jìn)作用；當(dāng)TGF-β與炎性因子的平衡被打破時(shí)，TGF-β可以激活Smad通路，引起滑膜纖維生成和軟骨細(xì)胞終末分化，對關(guān)節(jié)組織具有破壞作用?？梢?，在一定條件下，TGF-β促進(jìn)軟骨組織合成代謝或修復(fù)，而促炎性因子IL-1β、TNF-α等促進(jìn)軟骨組織分解代謝，兩者處于一種拮抗?fàn)顟B(tài)，共同維持著關(guān)節(jié)軟骨的正常結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定。另外，TGF-β可誘導(dǎo)聚集蛋白聚糖和膠原蛋白基因表達(dá)，使得Ⅱ型膠原生成增多，從而對關(guān)節(jié)軟骨起到保護(hù)作用。還有研究發(fā)現(xiàn)，TGF-β對軟骨的保護(hù)作用與MAPK通路激活有關(guān)。例如Jin等[23]在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)TGF-β和Wnt-5a相關(guān)：TGF-β在刺激軟骨的過程中，Wnt-5a 的表達(dá)也明顯增強(qiáng)，Wnt-5a可以上調(diào)蛋白激酶C-α和激活MAPK信號通路，從而傳導(dǎo)TGF-β對軟骨的刺激，引起細(xì)胞凝結(jié)和軟骨形成。

綜上，TGF-β的作用與其表達(dá)水平相關(guān)，當(dāng)TGF-β水平過低或過高時(shí)，均可導(dǎo)致異常的TGF-β信號通路激活表達(dá)，對軟骨功能產(chǎn)生危害[24]。這為治療骨關(guān)節(jié)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(jī)體內(nèi)各因子的平衡來治療骨關(guān)節(jié)炎。

2 與骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病相關(guān)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(nèi)，可調(diào)控細(xì)胞的增殖和分化。Wnt信號通路可以分為經(jīng)典的Wnt通路(Wnt/β-連環(huán)蛋白)和非經(jīng)典的Wnt通路[Wnt/Ca2+、Wnt/平面細(xì)胞極性(planar cell polarity,PCP)]。正常生理狀態(tài)下，Wnt通路處于休眠狀態(tài)。β-連環(huán)蛋白參與細(xì)胞間和細(xì)胞基質(zhì)相互作用的黏附連接結(jié)構(gòu)形成過程以及β-連環(huán)蛋白-APC-Axin-糖原合成酶激酶3β(glycogen synthase kinase 3 beta,GSK3β)復(fù)合物的構(gòu)成[25]。當(dāng)Wnt信號通路被激活時(shí)，Wnt分泌的Wnt配體與細(xì)胞膜上的卷曲蛋白受體、低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白受體結(jié)合，其中卷蛋白受體接收到配體信號后，在細(xì)胞內(nèi)募集并磷酸化細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的蓬亂蛋白，蓬亂蛋白可以抑制GSK3β的磷酸化，減少β-連環(huán)蛋白-APC-Axin-GSK3β復(fù)合物的形成，引起β-連環(huán)蛋白在細(xì)胞內(nèi)積累并向核內(nèi)轉(zhuǎn)移，激活轉(zhuǎn)錄因子T細(xì)胞因子/淋巴增強(qiáng)因子，從而產(chǎn)生生物效應(yīng)[26]。

在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病過程中，炎性因子激活Wnt通路后引起β-連環(huán)蛋白水平上調(diào)，從而產(chǎn)生破壞軟骨組織的生物效應(yīng)：上調(diào)的β-連環(huán)蛋白可引起MMP表達(dá)增強(qiáng)，導(dǎo)致Ⅱ型膠原的表達(dá)水平顯著降低，從而加速軟骨細(xì)胞及細(xì)胞外基質(zhì)的破壞[27]，同時(shí)，隨著MMP表達(dá)的增強(qiáng)，又可以進(jìn)一步促進(jìn)炎癥反應(yīng)[28]；另外，當(dāng)Wnt/β-鏈球蛋白通路被激活時(shí)，可以促使骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化，使得RUNX家族轉(zhuǎn)錄因子2(Runx family transcription factor 2，RUNX2)表達(dá)增強(qiáng)，抑制了SRY核轉(zhuǎn)錄因子9(SRY-box transcription factor 9，sox9)[25]，促使軟骨干細(xì)胞向纖維化或成骨譜系轉(zhuǎn)化，從而抑制成軟骨過程。

骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病也涉及Wnt/Ca2+、Wnt/PCP通路的激活。Wnt/Ca2+通路激活后，引起胞內(nèi)鈣離子水平升高，導(dǎo)致鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ和蛋白激酶C的活化及活化T細(xì)胞核因子的表達(dá)，從而對軟骨細(xì)胞產(chǎn)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(guān)聯(lián)，共同影響相應(yīng)基因的表達(dá)，從而破壞軟骨細(xì)胞[29]。

綜上，Wnt信號通路與骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生密切相關(guān)，因此基于Wnt信號通路探索緩解或者治療骨關(guān)節(jié)炎的方法是可行的。但是Wnt信號通路存在著復(fù)雜的效應(yīng)網(wǎng)，仍需進(jìn)一步弄清其在骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)程中的具體作用機(jī)制。

2.2 MAPK信號通路 MAPK信號通路存在于真核細(xì)胞生物中，其包括MAPK-細(xì)胞外調(diào)節(jié)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(tài)下，MAPK信號通路可以被TGF-β激活，參與軟骨的發(fā)生過程。Ma等[30]通過體外干細(xì)胞實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，TGF-β可以激活p38，同時(shí)當(dāng)p38信號受到抑制時(shí)，TGF-β也會受到抑制，說明兩者在軟骨發(fā)生過程中相互影響。此外，Li等[31]發(fā)現(xiàn)，在沒有TGF-β誘導(dǎo)的情況下，單純抑制p38也會影響SOX9的表達(dá)，認(rèn)為p38MAPK通路可以影響TGF-β誘導(dǎo)成軟骨基因SOX9的表達(dá)，p38MAPK與TGF-β呈正向調(diào)節(jié)的關(guān)系。

在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病過程中，由于受到過量炎性因子的刺激，MAPK通路出現(xiàn)表達(dá)異常，與正常軟骨組織相比，骨關(guān)節(jié)炎患者的軟骨組織中p38和JNK的表達(dá)水平更高[32]。Hilgendorff等[7]研究發(fā)現(xiàn)，激活的p38MAPK信號通路可增加環(huán)氧合酶2和前列腺素E2的表達(dá)，使得RUNX2釋放增加，引起軟骨細(xì)胞肥大并抑制細(xì)胞外基質(zhì)的合成，促使軟骨細(xì)胞發(fā)生凋亡，之后的研究結(jié)果也得出了類似的結(jié)論[33]。MAPK-ERK通路與p38MAPK通路的作用類似。一項(xiàng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，通過抑制骨關(guān)節(jié)炎模型兔的ERK表達(dá)可以明顯減輕其關(guān)節(jié)炎癥[34]。MAPK-JNK通路主要與膠原酶基因表達(dá)相關(guān)[35]，該通路被炎性因子激活后，引起下游轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄，促使 MMP表達(dá)，最終導(dǎo)致軟骨及細(xì)胞外基質(zhì)被破壞，加快骨關(guān)節(jié)炎的進(jìn)程。

由此可見，MAPK信號通路與骨關(guān)節(jié)炎的進(jìn)程密切相關(guān)，過多的炎性因子刺激引起MAPK信號通路表達(dá)異常，加重炎癥反應(yīng)并加快細(xì)胞外基質(zhì)的降解，造成軟骨的破壞[36]。

3 ESW治療骨關(guān)節(jié)炎的機(jī)制

3.1 ESW抑制骨關(guān)節(jié)炎相關(guān)的細(xì)胞因子 早在2005年，就有學(xué)者利用ESW緩解骨關(guān)節(jié)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(fā)現(xiàn)ESW還可以有效地抑制炎癥反應(yīng)，減緩骨關(guān)節(jié)炎的進(jìn)程。

在生物體內(nèi)，一定生理量的一氧化氮不僅可以抑制炎癥反應(yīng)，還可以上調(diào)血管內(nèi)皮生長因子的水平，加速局部血液循環(huán)，有利于骨關(guān)節(jié)炎軟骨的修復(fù)[38]。發(fā)生骨關(guān)節(jié)炎時(shí)，機(jī)體內(nèi)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(hù)軟骨的作用。綦惠等[40]采用低能量ESW刺激大鼠軟骨細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)在炎癥環(huán)境下大鼠軟骨細(xì)胞中的一氧化氮以及iNOS的表達(dá)水平上調(diào)，給予低能量ESW刺激后，兩者的表達(dá)均受到抑制。隨著研究的深入，研究者發(fā)現(xiàn)ESW產(chǎn)生上述效應(yīng)是通過特異性機(jī)械敏感性離子通道(mechanosensitive ion channel，MSIC)介導(dǎo)的，MSIC是一類感受細(xì)胞膜表面應(yīng)力變化，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞外機(jī)械信號向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)導(dǎo)的離子通道，當(dāng)ESW作用于軟骨細(xì)胞時(shí)，可以刺激細(xì)胞膜上的MSIC，將機(jī)械信號轉(zhuǎn)化為生物信號[41]，抑制NF-κB表達(dá)，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(hù)作用[42]。這進(jìn)一步解釋了ESW發(fā)揮抗炎作用的機(jī)制。除此之外，ESW還可以降低IL-1β、TNF-α的表達(dá)水平，抑制MMP的活性，增強(qiáng) TGF-β、血管內(nèi)皮生長因子、骨形態(tài)發(fā)生蛋白的表達(dá)水平，促進(jìn)軟骨細(xì)胞合成Ⅱ型膠原，從而對軟骨組織起到保護(hù)和修復(fù)的作用[18]?？梢奅SW抑制炎癥、緩解骨關(guān)節(jié)炎進(jìn)程是一個(gè)多靶點(diǎn)相互作用的過程。

3.2 ESW抑制骨關(guān)節(jié)炎相關(guān)的信號通路 有研究表明，ESW可以影響MAPK信號通路的表達(dá)，進(jìn)而調(diào)控下游相關(guān)因子，延緩關(guān)節(jié)軟骨的退變[43]。凌琳[4]研究發(fā)現(xiàn)，骨關(guān)節(jié)炎兔模型的膝關(guān)節(jié)軟骨中ERK蛋白活性增強(qiáng)，經(jīng)ESW處理后，其ERK蛋白表達(dá)受到抑制，MMP的分泌減少，軟骨細(xì)胞的增殖能力增強(qiáng)，軟骨的破壞明顯減輕，這說明ESW可以通過MAPK 信號通路調(diào)控細(xì)胞的增殖和修復(fù)以延緩骨關(guān)節(jié)炎的進(jìn)程。另外，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)ESW還可以刺激細(xì)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(dǎo)ERK激活[44]，從而促進(jìn)骨形態(tài)發(fā)生蛋白表達(dá)和Smad磷酸化[45]，進(jìn)而對軟骨起到保護(hù)作用?？梢姡珽SW可以通過激活MAPK-ERK信號通路，從而發(fā)揮保護(hù)軟骨等生物效應(yīng)[46]。

值得注意的是，使用ESW治療骨關(guān)節(jié)炎時(shí)，雖然一定能量的ESW可以影響MAPK的表達(dá)，對骨關(guān)節(jié)炎起到治療作用，但是選擇的ESW能量不同，所引起的MAPK效應(yīng)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(jìn)行治療的研究進(jìn)行總結(jié)分析。

4 小 結(jié)

骨關(guān)節(jié)炎的進(jìn)展與MAPK、NF-κB 、Samd、Wnt等信號通路的異常表達(dá)相關(guān)：炎性因子(TNF-α、TGF-β、IL等)的刺激引起生物體內(nèi)相關(guān)通路的表達(dá)以應(yīng)對炎癥反應(yīng)，打破了原有MAPK、NF-κB 、Samd、Wnt等信號通路的穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致這些通路失去了其原有的生物效應(yīng)，促使骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展。因此，維持局部內(nèi)環(huán)境中的相關(guān)因子及通路的穩(wěn)定，對于延緩骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展進(jìn)程尤為重要。

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