骨关节炎发病机制研究进展

1、概述 骨关节炎（Osteoarthritis，OA）曾被称 为骨关节病，退行性关节病，肥大性关节炎、 老年性关节炎、软骨软化性关节病。是一种临 床最为常见的风湿性疾病。骨关节炎是影响女 性健康的第4位疾病，是影响男性健康的第8位 疾病。
1.1 OA定义
OA是在机械性和生物性因素作用下，使关 节软骨细胞、细胞外基质和软骨下骨的正常合 成与降解失衡，导致关节软骨退变、纤维化、 软骨下骨硬化、炎性变及骨赘形成，出现关节 疼痛、活动受限，畸形为临床表现的一种疾病。
4.2 OA的病理变化
骨关节的所有组织均可受累，包括软骨， 软骨下骨、滑膜、半月板、韧带及支持的神 经肌肉组织。（如图）
正常
正 常
异 常
4.2.1 软骨
早期：软骨弹性改变 ↓ 软骨表面变薄、变软、不光滑 ↓ 中期：顶部出现裂隙、糜烂、溃疡 ↓ 软骨片状剥脱 → 软骨下骨裸露 ↓ 晚期：软骨下骨重塑（软骨内骨形成、边缘 骨赘、软骨下骨硬化及假囊肿形成）
骨关节炎发病机理研究进展
重庆医科大学附属第一医院 李荣亨 二O一一年十月
国家中医药管理局中西医结合临床重点学科 国家中医药管理局“十一五”
、“十二五”
老年病重点专科 全国综合医院中医药工作示范单位 重庆市教委“十二五”中西医结结合重点学 科 重庆市中西医结合一级学科硕士学位授权点 重庆市卫生局风湿免疫重点专科 重庆市卫生局综合医院示范中医科
适当运动的力学刺激会限制软骨退变，而 创伤及过度负荷会导致软骨破坏，发生OA。 研究证明：力学刺激的种类、频率、持续 的时间及强度对软骨细胞均有影响。
5.1.1
异常力学刺激对软骨基质的影响
超生理限度的异常应力作用于软骨时，使 胶原纤维网架松弛，超微结构破坏，胶原纤维 断裂而发生软骨退变。
5.1.2
滑液内有透明质酸和润滑素等物质，这 两种物质是滑液粘滞性的主要决定因素。 透明质酸是唯一的非硫酸化的氨基葡聚 糖，它大量的存在于滑液中，其含量约为 3.5mg/dl。 透明质酸由氨基葡聚糖和葡萄糖醛酸， 在透明质酸合酶作用下聚合而成，是关节液 及软骨基质的主要组成成份。
（1）促进基质合成，抑制分解的细胞因子 1）胰岛素样生长因子（IGF） IGF-1可促进软骨细胞DNA合成，细胞分 化增殖和提高细胞成熟度。研究表明IGF增高 程度与软骨损害程度密切相关，认为IGF在促 进软骨修复方面起有重要作用。
2）转化生长因子（TGF） TGF-β促进软骨细胞有丝分裂，拮抗 1L-I和TNF-α,刺激软骨细胞合成胶原。研 究认为TGF-β在OA骨赘形成和滑膜增生中 起有重要作用。
软骨主要由软骨细胞、细胞外基质构成。 另有少量糖蛋白、纤维粘连蛋白及层粘 连蛋白。
4.1.1 软骨细胞
软骨细胞在关节软骨中大约占10%（湿重）。 在成人仅占体积的2%左右。 其功能是：分泌胶原蛋白、弹性蛋白、蛋 白多糖以构成细胞外基质。
4.1.2 细胞外基质
是一多水分的组织，水占总湿重的6080%。剩余的20%-30%由胶原与蛋白多糖（聚 集蛋白多糖）两种大分子物质构成。 细胞外基质的功能 （1）保持软骨的完整性和伸展性； （2）维持软骨张力，使软骨具有抗压特性。
1.2 OA发病率 45岁以下 5% -10% 55-65岁 40% - 60% 75岁以上 80% 全球OA总人数高达3.5亿以上。在亚洲平 均每6个人中就有1人患本病。我国岁老龄化 的来临，OA患者逐年增多，估计达2亿左右。 男女患病比例为1:2。
1.3 OA临床表现 （1）起病隐匿，进展缓慢。 （2）受累关节疼痛、压痛、肿胀、晨僵、 关节摩擦音、关节积液、关节畸形、关节活动 受限。 （3）重者致残、严重影响生活质量。 本病最常侵犯膝关节、髋关节、手关节 及脊柱关节。如图示。
3.7 损伤：
研究表明： 膝关节损伤者，膝OA发生率显著增高； 髋关节损伤者，髋OA发生率显著增高。
3.8 遗传因素：
人们通过对Heberden’s结节遗传性的研 究，已经认识到遗传因素在OA发病中的重要 作用。 父母患有OA，其子女患OA的危险大大增高。
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3.9 畸形与手术：
先天畸形致使关节受力分布异常，使关 节面受力不均，致关节面有效负重面积减少， 使单位面积的软骨压力增加，损害软骨而致 OA的发生。 长期石膏固定，缺乏锻炼，可使关节软骨 出现先天性萎缩，蛋白多糖合成停滞，而使软 骨变性。
4.2.2
滑膜
早期：滑膜充血、血管周围局限性淋巴 细胞及浆细胞浸润。
晚期：滑膜呈绒毛样增生；并失去弹性、 关节囊增厚（关节活动受限）。
5. OA的发病机理
目前研究认为： OA发病的中心环节是关节软骨的退变，而 原因则是力学和生物学因素共同导致软骨细胞、 细胞外基质及软骨下骨的降解与合成失衡。
5.1 OA的力学机制
3、OA发病的危险因素 3.1 年龄：
老化的关节软骨改变了软骨细胞功能， 而且对细胞因子和生长因子的应答发生变化。
3.2 体重（肥胖）：
肥胖超重造成关节过度负重。 这与髋OA、膝OA有关联。
3.3
性别：
女性发生膝关节更为常见。 女性发生手OA为男性2.6倍。
3.4
职业：
举重运动员发生髋OA 。 重体力劳动使膝OA发病率 。 棉纺织工人的手OA发病率 。
3.10 营养：
食物中的许多营养成份含有抗氧化剂，可 以抵抗氧自由基对抗体的损伤，防止或延缓某 些疾病的发生（OA）。 食物中维生素C和维生素E是最有效的抗氧 化剂。缺乏维生素C可使关节软骨代谢异常， 影响胶原和蛋白多糖的合成。
4.OA的病理学
OA主要累及负重关节的关节软骨， 其次是滑膜。
4.1 关节软骨的构成及功能
2）肿瘤坏死因子-α（TNF-α） TNF-α的作用机制类似IL-1，通过增 加MMPs活性来抑制基质中糖蛋白和胶原的合 成，加速软骨基质的降解。
实验表明： ① IL-1的效力是TNF-α的100-1000倍。 ② 二者联用有协同作用，同时向关节腔 内注射时，对软骨的破坏作用强于其中任何一 种单独应用。 ③ 二者除了对分解代谢有效应外，也对 软骨细胞合成代谢有作用。单独或联合应用， 能抑制蛋白聚糖和Ⅱ型胶原的合成。
1.4
OA分类
1.4.1 按病因分 原发性 继发性
1.4.2 按发病范围分
局部性 全身性
1.4.3 按发病机理分
遗传性 退行性 侵蚀性
2、OA的病因
2.1 原发性骨关节炎：原因不明 2.2 继发性骨关节炎 （1）关节损伤：负荷过重致软骨损伤。 （2）全身性疾病：代谢性疾病或内分泌性 疾病。 （3）负荷减少，长期废用性活动减少。 2.3 遗传性骨关节炎：与遗传基因相关。
（2）抑制基质合成、促进分解的细胞因子 1）白介素-1（1L-1） 1L-1对骨关节炎的影响是多靶点的。干扰 软骨细胞正常代谢，诱导软骨细胞凋亡，抑制 软骨细胞增殖；降解软骨基质；参与滑膜炎、 刺激滑膜增生，产生胶原酶及前列腺素E2（PGE2） OA时，1L-1受体拮抗剂（1L-1Ra）相对减 少，不能充分抑制1L-1的过度反应，成为软骨 降解的重要原因之一。
在骨关节炎中，软骨细胞诱发型一氧化氮 合酶（iNOS）表达上调，导致NO生成增加。进 一步研究表明，抑制iNOS，可以减慢实验性OA 的进程，提示NO介导了骨关节炎的发生与发展。
（2）氧自由基 氧自由基是在参与各种生物代谢过程中未 被完全还原而产生的一系列不稳定的原子、离 子、原子团和分子。主要包括超氧阴离子O2-、 单线态氧、氢自由基等。
3.5 骨密度：
患膝OA的人的骨密度（ BMD ）比没有 患膝OA人的BMD高； 患髋OA的人，其脊柱和四肢部位的 骨密度较高； 患有双侧髋OA的女性和伴有髋关节 骨赘的女性，其股骨颈BMD最高。
3.6 雌激素
绝经后雌激素水平的下降和骨关节炎的 发生密切相关。 激素替代治疗，可保护关节免于发生OA。
在关节发生炎症时，滑膜及软骨等细胞分 泌过多upA，致使upA系统（尿激酶型纤溶酶原 激活物/纤溶酶原激活因子抑制物，upA/PAI） 失调，导致关节软骨和骨破坏。
5.2.5 OA时滑液中透明质酸水平下降
滑液是滑膜关节内的一种清晰的具有高粘 性的液体，为关节提供了液态环境。它在滑膜 内由滑膜衬里细胞分泌到关节腔内。它具有润 滑软骨面的作用，对维持其低摩擦特性至关重 要。它作为运输媒介向软骨细胞输送必需的营 养物质。
5.2 OA的生物学机制
当力学刺激作用于关节软骨时，软骨细胞 将力学信号转化成生物学信号来调节其代谢活 动。 力学信号转化成生物学信号，一般有四种 途径： （1）核转录因子信号传导 （2）整合素途径 （3）Ca 途径 （4）MAPK途径
5.2.1 基质金属蛋白酶（MMPs）和基质金属 蛋白酶组织抑制剂（TIMPs）失衡 （1）基质金属蛋白酶（MMPs）
5.2.2 分解性细胞因子和合成性细胞因子失 衡 维持软骨完整性有赖于分解代谢和合成代 谢的动态平衡。 分解性细胞因子诱导蛋白酶合成，增加软 骨基质降解，导致蛋白多糖丢失； 合成性细胞因子则增加软骨基质成份和基 质金属蛋白酶组织抑制剂，拮抗分解性因子的 效应。
软骨基质的正常结构与功能依赖于合 成代谢和分解代谢的平衡，此平衡是通过 细胞因子来调控的。
在生理情况下，由于机体具有强大的自由 基防御系统，可将机体代谢所产生的自由基及 时清除。 在病理情况下，自由基生成增加，清除率 下降，导致自由基堆积，继而自由基作用于多 不饱和脂肪酸诱发脂质过氧化反应，使脂肪过 氧化物生成增加，对局部组织产生破坏。
OA患者关节、滑膜、滑液中，常有白细胞、 巨噬细胞聚集，其表面受到免疫复合物、补体 等成份作用时，可释放大量自由基，如超氧阴 离子O2- ，易于形成活跃的羟自由基（OH-）。 研究发现：这些自由基可抑制关节软骨细 胞DNA、基质蛋白多糖和胶原的合成；引起软 骨细胞凋亡，造成软骨细胞大量减少。
MMPs在软骨基质大分子降解中起有重要作用； MMP-1（胶原酶-1）可降解Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型胶原， Ⅲ型最有效； MMP- 8（胶原酶-2）降解Ⅱ型胶原较强，但认 识有分歧； MMP- 13（胶原酶-3）是已知Ⅱ型胶原最强的降 解酶。对蛋白多糖也具较强降解作用。
生理条件下，胶原酶生物活性受激动剂 和抑制剂（TIMP）调控。OA时，关节软骨和 滑液中TIMPs和MMPs失衡，TIMPs缺乏，引起 MMPs活性升高，从而有利于MMPs发挥基质降 解作用。
5.2.3 一氧化氮（NO）与自由基损伤
（1）一氧化氮 一氧化氮（NO）作为生物体内一种结构简 单的多功能生物信息分子，在人体正常功能和 许多疾病的发生发展（NO主要通过两种途径引 起组织损伤）中起有重要作用。
研究证明： 过量的NO可抑制软骨细胞合成软骨基质， 增加Ⅱ型胶原裂解；诱导细胞凋亡，抑制软骨 细胞增殖。
在软骨基质降解酶中，upA系统起有重要 作用。该系统主要包括：upA、upAR和PAI（纤 溶酶原激活因子抑制物）。 ① upA与upAR结合后，可直接引起细胞 外基质降解。 ② upA 使纤溶酶原活化 纤溶酶 MMPs 活化 基质降解。
在OA中，软骨及滑膜中的纤溶酶原/纤溶 酶原激活物活性明显升高，当肌肉注射PAI 后，关节软骨退变明显减缓。进一步研究发 现，upA水平与关节软骨破坏严重程度密切相 关，说明upA系统在OA基质降解中发挥了重要 作用。
异常力学刺激对软骨细胞的影响
低压应力导致软骨细胞的功能下降； 高压应力导致软骨细胞功能代偿性增强； 过度应力使软骨细胞表型改变，导致蛋 白多糖代谢异常。
5.1.3 异常力学对软骨下骨的影响
研究表明：压力性静水压能降低成骨指 数，而具有维护软骨的作用； 张力性静水压则增加成骨指数，而具有诱 发软骨变性，破坏和促进骨化的作用。
研究还发现，这些自由基还可通过对细胞 膜、蛋白质、核酸等的损伤，形成自身抗原， 导致淋巴系统功能异常和自身免疫反应，引起 软骨细胞形态，生长状态和功能发生改变，使 胶原的分泌由Ⅱ型转为Ⅰ型，导致软骨的损伤 与退变。
5.2.4 尿激酶型纤溶酶原激活物分泌增多 尿激酶型纤溶酶原激活物（upA）主要作 用于生理病理条件下的细胞迁移和组织修复， 介导细胞周围基质蛋白的降解，它不仅可以激 活其它蛋白酶，而且其自身也能直接降解细胞 外基质基底膜。