姚佳煒， 邱波

武漢大學(xué)人民醫(yī)院骨關(guān)節(jié)外科，武漢430060

骨關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）是一種關(guān)節(jié)軟骨變性疾病，其病理特征是進行性關(guān)節(jié)軟骨的退化、骨贅形成及軟骨下骨硬化［1］。OA 的病因主要與年齡、肥胖、關(guān)節(jié)過度勞損、關(guān)節(jié)畸形等因素有關(guān)［2］。研究表明，OA 的主要發(fā)病機理為軟骨細胞外基質(zhì)的降解和軟骨的破壞和退變。近年來，研究顯示，滑膜組織中炎性細胞的聚集及炎性介質(zhì)的表達也是OA 發(fā)病的重要因素，且關(guān)節(jié)滑膜的慢性炎癥會促進OA 的發(fā)生和進展［3］。OA 患者滑膜炎的組織學(xué)標(biāo)志是滑膜內(nèi)皮細胞的增生、中度炎性細胞的浸潤及新生血管的形成，且滑膜組織的增生厚度與炎性細胞浸潤的程度明顯相關(guān)［4］。有研究表明，相比OA 晚期，OA 早期階段巨噬細胞在關(guān)節(jié)內(nèi)浸潤更顯著，其巨噬細胞分泌的細胞因子及炎癥因子，如IL-1、Il-6、TNF、血管內(nèi)皮生長因子可通過滑液擴散到軟骨中，促進軟骨細胞的凋亡與新生血管在軟骨組織內(nèi)的侵入，導(dǎo)致軟骨細胞的破壞與降解，加重關(guān)節(jié)磨損，并最終導(dǎo)致OA 的進展［5］。OA 患者關(guān)節(jié)液、血清等體液中均含有大量的滑膜細胞及軟骨細胞代謝的產(chǎn)物，這些產(chǎn)物與OA 發(fā)病和進展相關(guān)，總結(jié)這些滑膜細胞及軟骨細胞代謝的標(biāo)志性產(chǎn)物有助于醫(yī)學(xué)研究者早期診斷OA 滑膜病變并及時給予干預(yù)，抑制OA 的進一步發(fā)展［6］。本文對膠原蛋白降解產(chǎn)物、C 反應(yīng)蛋白降解產(chǎn)物、細胞因子、糖蛋白等與OA滑膜病變相關(guān)的生物學(xué)標(biāo)志物進行綜述，以期為未來開發(fā)相應(yīng)的骨關(guān)節(jié)炎生化檢測手段和治療藥物提供理論依據(jù)。

1 蛋白及代謝產(chǎn)物

1.1 膠原蛋白降解產(chǎn)物

Ⅰ型膠原蛋白存在于大多數(shù)結(jié)締組織中，其由Ⅰ型 膠 原 蛋 白α1（collagen type Ⅰalpha 1，COL1A1）和Ⅰ型膠原蛋白α2（collagen type Ⅰalpha 2，COL1A2）組成，是細胞外基質(zhì)的關(guān)鍵組成成分［7］。Ⅲ型膠原蛋白是一種重要的結(jié)構(gòu)蛋白，占人體全部膠原蛋白含量的5%～20%，也是細胞外基質(zhì)的組成成分之一［8］。當(dāng)基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）過度表達時，Ⅰ型與Ⅲ型膠原蛋白可在軟骨及滑膜細胞內(nèi)被裂解成C1M 和C3M 膠原降解片段并被釋放于人體血清和關(guān)節(jié)滑液中。研究表明，具有滑膜炎的OA患者體內(nèi)血清C1M 和C3M 的含量均升高，且升高水平與關(guān)節(jié)滑膜的炎癥程度相關(guān)，可作為反映OA關(guān)節(jié)滑膜炎癥程度的參考指標(biāo)［9］。Kjelgaard-Petersen 等［10］通過離體細胞培養(yǎng)實驗發(fā)現(xiàn)，正常成纖維滑膜細胞中未見CM1 和CM3，而在TNF-α 與ILβ 等炎性介質(zhì)刺激下，OA 患者滑膜細胞分泌CM1 和CM3 的含量顯著升高，表明OA 患者血清、滑液中的CM1 和CM3 在炎性條件下由滑膜組織釋放，膠原蛋白降解產(chǎn)物CM1 和CM3 在一定程度上有助于醫(yī)學(xué)研究者評估OA 患者滑膜組織病變的嚴(yán)重程度。

1.2 C反應(yīng)蛋白降解產(chǎn)物

C 反應(yīng)蛋白作為人體一種炎癥標(biāo)志物，是一種急性期感染或炎癥反應(yīng)產(chǎn)物，其可由肝臟或其他組織中釋放并與蛋白受體結(jié)合，聚集于炎癥部位，且在MMPs 的作用下分解成CRP 片段（MMPderived fragment of CRP，CRPM）。CRP 不能特異性反映關(guān)節(jié)滑膜、軟骨等特異組織的炎癥，但可運用酶聯(lián)免疫吸附試驗測定MMPs裂解CRP 所產(chǎn)生的CRPM，更好地反映關(guān)節(jié)滑膜或軟骨組織的炎癥情況［11］。Siebuhr等［9］采用酶聯(lián)免疫吸附法測定342 例有癥狀的膝關(guān)節(jié)炎患者血清中hsCRP、CRPM、CM1、CM3 的含量，發(fā)現(xiàn)OA 患者血清中CRP、CRPM、CM1、CM3 均升高，且CRPM 較其他指標(biāo)升高更顯著。Petersend 等［12］以疼痛視覺量表（visual analog scale，VAS）、膝關(guān)節(jié)壓力疼痛閾值（pressure pain thresholds，PPTs）評估OA 疼痛情況，對58 例伴有關(guān)節(jié)疼痛癥狀的膝關(guān)節(jié)炎（knee osteoarthritis，KOA）患者和33 例KOA 無疼痛癥狀患者行核磁共振掃描，采用波士頓利茲骨關(guān)節(jié)炎評分（Boston Leeds osteoarthritis score，BLOKS）評估OA 患者滑膜炎程度，并測定了兩組患者血清中CRPM 蛋白含量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，OA 患者疼痛評分較高，膝關(guān)節(jié)滑膜炎癥程度較嚴(yán)重，且體內(nèi)血清CRPM 蛋白含量明顯升高，并認為CRPM 可作為反映OA 患者關(guān)節(jié)內(nèi)慢性炎癥情況的指標(biāo)，而炎癥程度加重會導(dǎo)致關(guān)節(jié)內(nèi)炎癥因子進一步釋放，破壞關(guān)節(jié)內(nèi)正常的生理機構(gòu)，導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎的進展。以上研究表明，CRPM 與骨關(guān)節(jié)患者的滑膜炎癥情況及疼痛癥狀相關(guān)，因此，測定血清中CRPM 的含量對于了解關(guān)節(jié)內(nèi)滑膜及軟骨組織慢性炎癥程度及OA 進展程度具有一定的指導(dǎo)作用。

2 低分子透明質(zhì)酸

透明質(zhì)酸（hyaluronic acid，HA）是糖胺聚糖（glycosaminoglycans，GAGs）家族成員，而糖胺聚糖是細胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）的主要組成部分。HA 化學(xué)結(jié)構(gòu)是由D-葡萄糖醛酸和N-乙?；?D-葡萄糖胺結(jié)合β-糖苷鍵組成，這種簡單的分子單元重復(fù)結(jié)合而形成的線性聚合物其分子量可達5×106kD［13］。線性聚合物HA 受到透明質(zhì)酸酶1和透明質(zhì)酸酶2的控制與調(diào)節(jié)，可被其分解為低分子HA 片段，隨后通過胞吞的方式傳遞到溶酶體中被進一步分解［14］。低分子的HA 降解產(chǎn)物可誘導(dǎo)各種促炎反應(yīng)，如促進白介素-8（interleukin-8，IL-8）、IL-12 及巨噬細胞炎性蛋白MIP-1α、MIP-1β 單核細胞趨化因子-1等多種炎性細胞因子的表達，從而使局部組織發(fā)生炎癥反應(yīng)［13］。Turan 等［15］通過酶聯(lián)免疫吸附法測定58 例OA 患者與40 名健康人群血清HA 水平，采用雙膝X 射線以Kellgren-Lawrence（KL）評分系統(tǒng)評估OA 活動指數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，血清HA 水平與OA 患者的膝關(guān)節(jié)變窄程度相關(guān)，晚期、活動期OA 或滑膜炎程度較重的患者體內(nèi)HA 血清水平顯著增高，以上研究表明，血清HA 水平可作為OA 疾病活動期的標(biāo)志評估參數(shù)。此外，一項前瞻性研究對444 例OA 患者血清透明質(zhì)酸（serum hyaluronic acid，sHA）水平與膝關(guān)節(jié)X 射線影像學(xué)表現(xiàn)進行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)血清內(nèi)具有高水平sHA 患者相比于低水平sHA患者，骨關(guān)節(jié)炎KL評分系統(tǒng)的等級增高，且關(guān)節(jié)間隙變窄的進程加重，表明sHA 可能是評估膝關(guān)節(jié)炎進展情況的有效預(yù)測指標(biāo)［16］。

3 細胞因子

3.1 血管內(nèi)皮生長因子

血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）是一種重要的促血管生成活性的生長因子，具有促進內(nèi)皮細胞有絲分裂和抗凋亡的作用。VGEF 家族由VGEF-A、VGEF-B、VEGF-C、VEGF-D、VEGF-E、VEGF-F、胎盤生長因子（placenta growth factor，PIGF）及血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，EG-VEGF）組成，這些VEGF 家族成員可與3 種類型的受體絡(luò)氨酸激酶（receptor tyrosine kinases，RTKs）結(jié)合從而參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程［17］。關(guān)節(jié)滑膜中巨噬細胞等炎性細胞的浸潤可增強VEGF 的表達，進一步促進血管細胞和感覺神經(jīng)的生長，而感覺神經(jīng)與新生血管的生長可穿透未鈣化的關(guān)節(jié)軟骨與半月板等關(guān)節(jié)區(qū)域，最終發(fā)展成伴有疼痛的骨關(guān)節(jié)炎［18］。段鑫等［19］采用免疫組織化學(xué)方法檢測了30例骨關(guān)節(jié)炎患者（骨關(guān)節(jié)炎組）、20例急性外傷性滑膜炎患者（急性滑膜炎組）與10 名健康人群（正常組）的滑膜組織中缺氧誘導(dǎo)因子-1α（hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α）、VEGF 的表達情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，正常組滑膜組織未見HIF-1α、VEGF 的表達，骨關(guān)節(jié)炎組與急性滑膜炎組中HIF-1α、VEGF 的表達水平明顯升高，且骨關(guān)節(jié)炎組高于急性創(chuàng)傷性滑膜炎組，同時，骨關(guān)節(jié)炎組與急性滑膜炎組中HIF-1α 與VEGF 的表達呈正相關(guān)，說明兩者與骨關(guān)節(jié)炎中的滑膜病變密切相關(guān)，均 可 促 進 骨 關(guān) 節(jié) 炎 的 發(fā) 展。Demg 等［20］將Sprague-Dawley（SD）大鼠隨機分為3 組，在采用雙側(cè)前交叉韌帶橫斷法（anterior cruciate ligament transection，ACLT）對OA 組造模4 周后，給予OA組大鼠局部膝關(guān)節(jié)注射100 μL VEGF 溶液，對照組膝關(guān)節(jié)注射100 μL 0.9%氯化鈉溶液，空白對照組未做任何處理，4 周后采用番紅固綠染色病理檢測3 組大鼠膝關(guān)節(jié)軟骨，蛋白質(zhì)印跡法測量軟骨中細胞外基質(zhì)成分聚集蛋白聚糖、Ⅱ型膠原蛋白、基質(zhì)金屬蛋白酶-3（matrix metalloproteinase，MMP-3）、MMP-9、MMP-13、血小板反應(yīng)蛋白基序的金屬蛋白酶（A disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs-1，ADAMTS）及轉(zhuǎn)化生長因子-β（transforming growth factor-β1，TGF-β）的蛋白表達含量，結(jié)果顯示，VEFG 可促進基質(zhì)蛋白酶MMP、ADAMTS、TGF-β 的表達，減少軟骨細胞外基質(zhì)聚集蛋白聚糖和Ⅱ型膠原蛋白的含量，從而破壞關(guān)節(jié)內(nèi)的軟骨組織，且TGF-β過度上調(diào)會使滑膜細胞纖維化，造成KOA 的進一步惡化。以上研究表明，VEGF 與骨關(guān)節(jié)炎中的滑膜病變和軟骨細胞的降解密切相關(guān)，在骨關(guān)節(jié)炎進展機制中有重要作用。

3.2 白細胞介素與腫瘤壞死因子

IL-1β 和腫瘤壞死因子-α（tumour necrosis factor alpha，TNF-α）是炎癥反應(yīng)中主要的促炎細胞因子，可以調(diào)節(jié)如IL-6、IL-8 等促炎因子的產(chǎn)生，引發(fā)關(guān)節(jié)的炎癥聯(lián)級反應(yīng)。Ozler 等［21］比較了42例3 級膝骨關(guān)節(jié)炎患者和42 例4 級膝骨關(guān)節(jié)炎患者血清和滑液中TNF-α、MMP-13 的水平，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，TNF-α 的血清和關(guān)節(jié)滑液水平與OA 等級有關(guān)，且4 級OA 的TNF-α 含量高于3 級OA，即滑膜炎程度越嚴(yán)重其滑液中TNF-α 的水平越高。IL-1β、IL-4、IFN-γ 等細胞因子可誘導(dǎo)浸潤在滑膜中的巨噬細胞產(chǎn)生白介素1 受體拮抗劑（interleukin 1 receptor antagonist，IL-1Ra）。一項為期24 個月的以111 例有臨床癥狀的膝關(guān)節(jié)炎患者做為研究對象的前瞻性研究發(fā)現(xiàn)，血清中IL-1Ra 與OA 放射影像學(xué)的嚴(yán)重程度相關(guān)，血清高水平IL-1Ra 可促進膝關(guān)節(jié)炎的進展，提示IL-1Ra 可作為預(yù)測OA 進展的標(biāo)志物［22］。IL-6 是一種由TNF-α 和IL-1β 調(diào)節(jié)的促炎介質(zhì)，且其可抑制軟骨細胞外基質(zhì)Ⅱ型膠原蛋白的合成。Yang 等［23］對骨關(guān)節(jié)炎患者滑膜成纖維細胞中IL-6的表觀遺傳修飾研究發(fā)現(xiàn)，OA 患者的滑膜成纖維細胞中IL-6 的表達增強，通過抑制滑膜成纖維細胞IL-6 的表達可減輕OA 的癥狀，表明IL-6 與OA 的發(fā)病機理相關(guān)。IL-8 又稱為血管生成趨化因子，是一種與血小板因子-4 化學(xué)結(jié)構(gòu)相似的細胞因子，可由暴露于炎性刺激下的吞噬細胞產(chǎn)生。IL-8可激活中性粒細胞在局部的聚集并發(fā)揮其胞吞和胞吐作用［24］。已有研究證明IL-8的血清水平與膝關(guān)節(jié)炎的嚴(yán)重程度及臨床癥狀呈正相關(guān)，特別是中重度膝關(guān)節(jié)炎患者（KL≥Ⅱ級），KL≥Ⅱ級患者血清IL-8 水平高于KL 0級或KLⅠ級患者［25］。此外，與正常膝關(guān)節(jié)相比，膝關(guān)節(jié)炎患者的關(guān)節(jié)滑液中IL-8 的水平也有升高的現(xiàn)象［26］。IL-2和IL-4是目前骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病機理研究中的重點，Mabey 等［27］在OA 患者的血漿中觀察到IL-2與IL-4的水平升高，且IL-4與OA的放射學(xué)報告的嚴(yán)重程度相關(guān)。以上研究表明，炎性細胞因子在骨關(guān)節(jié)炎滑膜炎病變中可發(fā)揮重要作用，影響骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生和發(fā)展，因此，檢測OA患者體內(nèi)血清和關(guān)節(jié)滑液的白介素、腫瘤壞死因子水平對于評估OA的進展程度具有積極意義。

3.3 高遷移率族蛋白B1

高遷移率族蛋白B1（high-mobility group box-1，HMGB1）也稱為兩性霉素，是一種存在于細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)。HMGB-1 是一種新型的炎癥細胞因子，當(dāng)細胞壞死、損傷時，釋放于細胞外，也可由巨噬細胞或中性粒細胞主動釋放，引起大量炎性細胞的聚集［28］。據(jù)文獻［29］報道，HMGB-1 可誘導(dǎo)滑膜成纖維細胞的增生，并促進NF-kB/IL-6 信號通路的激活，導(dǎo)致滑膜組織中IL-6 等炎性因子聚集和表達增強。Kokkola 等［30］通過免疫組織化學(xué)染色分別對SPF 級健康大鼠滑膜組織、結(jié)核分歧桿菌誘導(dǎo)的滑膜炎大鼠的滑膜組織、OA及類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎（rheumatoid arthritis，RA）患者滑膜組織進行定位分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在正常大鼠滑膜細胞中，HMGB-1 主要局限于細胞核中，而在OA、RA 患者及滑膜炎大鼠滑膜組織中，HMGB-1 除了分布于細胞核中，還大量沉積于細胞外基質(zhì)，且蛋白免疫印跡實驗發(fā)現(xiàn)，HMGB-1 大量存在于OA 與RA 患者滑液中。Ke 等［31］收集了74 例膝關(guān)節(jié)炎患者的滑膜組織（疾病組）和34 例半月板急性損傷患者的滑液標(biāo)本（對照組），通過免疫組織化學(xué)分析確定了HMGB-1 在滑膜組織中的位置，并采用免疫蛋白印跡法及酶聯(lián)免疫吸附實驗測定兩組標(biāo)本中HMGB-1 的含量，采用KL 評分系統(tǒng)和WOMAC 評估量表評估OA 患者的放射學(xué)與臨床癥狀嚴(yán)重程度，并在顯微鏡下對OA 患者的滑膜進行分級以評估滑膜炎的進展程度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，疾病組細胞核和細胞質(zhì)具有HMGB-1蛋白分布的滑膜細胞占比以及HMGB-1 蛋白水平明顯高于對照組；滑膜及滑液中HMGB-1 蛋白水平與患者疼痛評分、膝關(guān)節(jié)X線狹窄程度、滑膜炎進展程度呈正相關(guān)［31］。以上研究表明，HMGB-1蛋白在OA 患者的滑膜組織中過表達，患者關(guān)節(jié)滑液內(nèi)的HMGB-1 含量與OA 患者進展和滑膜炎程度密切相關(guān)，OA 患者關(guān)節(jié)內(nèi)滑液HMGB-1 的水平可作為評估OA 進展及滑膜病變程度的一項生物學(xué)標(biāo)志產(chǎn)物。

4 糖蛋白YKL-40

糖蛋白YKL-40 又稱人類軟骨糖蛋白39（human cartilage glycoprotein-39，HC-gp-39）或乳房消退蛋白39（breast regressing protein 39，BRP-39），是一種最新發(fā)現(xiàn)的分子量高達40 kD 的糖蛋白，YKL-40可由軟骨細胞、滑膜細胞、肝星狀細胞、中性粒細胞等多種細胞分泌，與肥胖癥、慢性炎癥和胰島素抵抗等疾病有關(guān)［32］。一項病理學(xué)研究表明，YKL-40蛋白存在于OA患者的軟骨細胞、滑膜細胞及侵襲于滑膜組織的巨噬細胞中，且滑膜炎的程度越嚴(yán)重，滑膜組織含有YKL-40蛋白的細胞（YKL-40 陽性細胞）越多；OA 滑膜炎患者關(guān)節(jié)滑液中的YKL-40水平遠高于血清水平，兩者存在一定的因果關(guān)系，血清中的YKL-40 來源于OA 患者滑膜病變。若采取關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射糖皮質(zhì)激素的干預(yù)措施，可以緩解OA 患者的臨床癥狀，并且可降低體內(nèi)血清中的YKL-40 蛋白含量，YKL-40 可能參與骨關(guān)節(jié)炎的病理過程［33］。Johansen 等［34］通過檢測健康兒童受試者、健康成年人受試者、晚期膝部骨關(guān)節(jié)炎患者、早期膝部骨關(guān)節(jié)炎患者、急性交叉韌帶撕裂患者和半月板撕裂患者的血清和滑液中YKL-40蛋白水平，發(fā)現(xiàn)晚期膝部骨關(guān)節(jié)炎患者血清和關(guān)節(jié)滑液中YKL-40水平明顯升高，且滑液中YKL-40 水平是血清的10 倍，YKL-40 蛋白與Ⅲ型膠原蛋白片段呈顯著正相關(guān)，而早期膝部骨關(guān)節(jié)炎、急性交叉韌帶撕裂和半月板撕裂患者體液中未見YKL-40 升高，表明滑液和血清中YKL-40水平可反映骨關(guān)節(jié)炎及滑膜病變的進展程度。以上研究表明，YKL-40參與OA滑膜炎的發(fā)病過程，可作為了解滑膜病變程度的生物標(biāo)志物。

5 展望

骨關(guān)節(jié)炎既是一種退行性疾病，也是一種常見的風(fēng)濕性疾病，其特征是軟骨損壞和滑膜炎癥，而滑膜炎與關(guān)節(jié)腫脹、炎性疼痛等臨床癥狀密切相關(guān)。檢測滑膜炎的金標(biāo)準(zhǔn)為活檢關(guān)節(jié)滑膜組織，并聯(lián)合超聲、核磁共振等輔助學(xué)檢查。早期的滑膜炎在超聲、核磁、CT 等輔助檢查顯影中并不明顯，因此，在血清、滑液等體液中探尋與骨關(guān)節(jié)炎滑膜病變相關(guān)的敏感性、特異性生物學(xué)標(biāo)志物具有重要意義，有助于早期診斷骨關(guān)節(jié)炎滑膜炎及評估進展。膠原蛋白降解產(chǎn)物（CM1 與CM3）、CRPM、HA、細胞因子（VEFG、IL-1Ra、IL-2、IL-4、IL-6、IL-8、HMGB-1）及糖蛋白YKL-40 等組織代謝產(chǎn)物與骨關(guān)節(jié)炎及滑膜的病變密切相關(guān)，并且其血清或關(guān)節(jié)腔滑液的蛋白水平可反映OA 滑膜炎的嚴(yán)重程度，有利于研究者評估骨關(guān)節(jié)炎滑膜炎的病情，也為未來開發(fā)相應(yīng)的藥物提供理論依據(jù)。雖然已有上述各類存在于血清或滑液的生物標(biāo)志物與骨關(guān)節(jié)炎相關(guān)性的報道，但仍需要更多的試驗和臨床研究證實。血清及關(guān)節(jié)腔等體液中的生物學(xué)標(biāo)志物與骨關(guān)節(jié)炎疾病程度密切相關(guān)，但仍需醫(yī)學(xué)研究者進行一系列的臨床研究。未來可將標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化檢測體液的生物學(xué)標(biāo)志物與影像學(xué)檢查結(jié)合，進行OA 病情進展的評估和療效評價，從而進一步提高OA的診療效果。