任志伟　俞永林　姜建元（复旦大学附属华山医院骨科）
  关键词：骨关节炎　软骨退变 细胞因子

  骨关节炎(OA)是一种退行性关节病变，表现为进行性关节软骨破坏及骨赘形成，并伴有不同程度的滑膜炎症。从细胞层次讲，关节软骨的退变可能是由于软骨细胞表型不稳定而形成的各种细胞反应模式的结果，这些反应模式包括细胞去分化、释放基质降解酶、细胞肥大和细胞凋亡。关节软骨主要由软骨细胞和细胞外基质(ECM)组成。在生理状况下，软骨细胞在合成代谢和分解代谢之间保持着平衡，并调节着ECM结构和功能上的完整。OA时软骨细胞合成代谢和分解代谢活动的调节失衡，导致了ECM成分的进行性丢失和软骨细胞结构和功能的破坏。软骨细胞的这些反应主要是软骨细胞释放的一些细胞因子造成的。
  调节OA软骨细胞功能的细胞因子，大致可以分为：①促软骨细胞分解代谢的因子，如IL-1、17、18、TNF-α、趋化因子、抑瘤素M(OSM)等；②促合成代谢的因子，如胰岛素样生长因子(IGF)、转化生长因子(TGF)-β、BMP-2、4、6、7、9、13等；③抑制或阻止软骨细胞分解代谢的因子，如IL-4、10、13、IL-1受体阻滞剂(IL-lra)等；④ 调节其他细胞因子作用的调节因子，如IL-6、白血病抑制因子(LIF)、IL-11等。
  1 促分解性细胞因子
  1.1  IL-1、TNF-α的作用及其联合作用
IL-1是OA发病过程中重要的炎性细胞因子。Fell等最早提出了IL-1是调节软骨细胞功能活动的因子，它能促使软骨细胞分解周围的软骨基质。此后，IL-1的纯化和克隆进一步确认了这种细胞因子的来源及作用。IL-1作用于软骨细胞的机制包括：诱导基质金属蛋白酶(MMP)、促分解代谢因子和其他炎症因子基因的表达。研究表明，在关节软骨的表面，IL-lα和MMP-1、3、13共同表达，引起软骨基质的降解，并能抑制软骨细胞合成具有透明软骨特性的蛋白多糖和Ⅱ型胶原，促进生成有纤维母细胞特性的I型胶原，从而使软骨细胞变性。另外也有研究表明IL-1参与了OA的ECM丢失的病理过程，动物实验也证明了这一点，如关节内注射IL-1能诱导蛋白多糖的丢失，IL-1受体阻滞剂(IL-lra)、IL-1受体类似物能够延缓动物模型OA软骨的破坏。
  TNF-α在OA软骨退变中也起到重要作用。TNF-α的作用机制类似于IL-1,包括促使MMP的生成，抑制软骨基质的合成等。近期研究表明，它是通过MEK1/2和核因子(NF)-KB的途径来抑制Ⅱ型胶原和连接蛋白基因表达的，进而干扰了关节软骨的合成和重建。
在克分子浓度的基础上，IL-1的效力作用是TNF-α的100～1 000倍，然而，当两种因子联合应用时能产生很强的协同作用。例如：将重组IL-1注射到大鼠或家兔的关节内能够刺激关节软骨的破坏，与TNF-α联合注射时，则促使软骨破坏的程度远远超过单独注射IL-1所引起的效果。一般来说，TNF-α引起急性炎症的发生，而IL-l则在炎症的维持及软骨的破坏中起重要作用，这已经在类风湿性关节炎(RA)动物模型实验中得到了证实。是否在OA中也有相同的机制，尚需进一步证实。
  除了具有促分解代谢的作用外，IL-1和TNF-α也具有抑制软骨细胞合成代谢作用。研究表明，这些细胞因子单独或联合应用能够抑制蛋白多糖和Ⅱ型胶原的合成。它们诱导软骨细胞合成前列腺素(PG)E2、一氧化氮(NO)及其他产物，通过自分泌的形式调节软骨细胞的合成和分解代谢活动。IL-1通过环氧化酶(COX) -2的增加促进PGE2生成，而PGE2则能通过下调I型胶原而刺激Ⅱ型胶原基因表达的负反馈机制，对抗IL-1抑制关节软骨基质合成作用。对于软骨细胞，这可以说是一种积极的反馈机制。近来研究发现，IL-1能促使软骨细胞释放BMP-2，而后者是软骨细胞合成活动强有力的活化剂，其调节与TGF-β和BMP信号传导的抑制因子Smad蛋白6/7相关。
  一方面，软骨细胞在IL-1和TNF-α环境中的合成代谢和分解代谢活动都加快了，最终使得ECM更新率增加。长时间暴露于这些炎症因子的最终结果，是促使软骨的进行性退变。另一方面，IL-1和TNF-α所诱导的ECM更新率的加快，为受损后退变的软骨基质提供一个修复机制，以适应因机械应力或其他环境因素所造成的关节软骨损伤或病变。
  l.2 趋化因子
  除了典型的炎症因子IL-1、TNF-α外，最近发现趋化因子在OA软骨退变中也起着重要的作用。趋化因子是一类具有趋化作用的小分子多肽，能吸引免疫细胞到局部产生免疫应答。根据其结构不同,可分为CXC、CC、CX3C和C4个亚族。主要的趋化因子是CXC和CC两大类，它们以及相应的受体在人类的软骨细胞都有表达，而且在OA关节软骨中表达增多。在基因芯片分析OA关节软骨和正常软骨时发现，前者有明显的趋化因子家族的基因上调；并在细胞培养中发现，OA软骨细胞内CXCL8/IL-8、CCL2/
MCP-1的浓度要高于IL-1和TNF-α，这些都表明趋化因子参与了OA的病理生理过程。
  趋化因子通过诱导产生一些相关的酶来参与软骨的破坏，主要是N-乙酰-D-氨基葡萄糖苷酶（NAG）和MMP。NAG是OA滑液中主要的溶酶体糖苷酶，具有催化水解氨基葡糖多聚糖的作用而造成软骨的破坏。对OA起作用的MMP中，主要是MMP-1、3、13。MMP的主要作用是引起Ⅱ型胶原结构的变化，有利于其他水解酶的作用，其中以MMP-13的活性最强。Hsu等发现CCR-2和CCR-5配体能够诱导MMP-3的表达；另有研究表明，软骨细胞在SDF-1/CXCL12的作用下的MMP-1和MMP-3释放，能增加3倍以上（与正常组相比较）。此外，CXCL-9、 12、13及CCL20都是MMP-13强有力的诱导剂，CXCL-12、13还能促使软骨细胞生成组织蛋白酶B，后者不仅是去分化软骨细胞的标志，而且维持着OA时软骨的退变，抑制其修复，并能抑制基质金属蛋白酶组织抑制剂（TIMP）的活性。
  另外，MCP-1/CCL-2以及RANTES/CCL-5能够抑制蛋白多糖的合成，并促使蛋白多糖从软骨细胞中释放出来。
  l.3 其他促分解因子
  IL-17和IL-18是另外两个促软骨细胞分解代谢的强力诱导剂，它们在人软骨细胞中都能促使IL-1表达，并能刺激IL-6、iNOS、COX-2、MMP生成。IL-17可能通过蛋白多糖聚合酶(aggrecanases)促使软骨退变，抑制蛋白多糖合成。另有研究表明，IL-17通过分裂原激活的蛋白激酶(MAPK)和NF-kB传导途径促使软骨细胞生成NO，进一步促进软骨细胞的退变；IL-18则能促进PGE2的生成，从而造成OA软骨的退变。在动物模型中，IL-18缺乏或被其抗体所中和，能够减少软骨的破坏和炎症反应，且能随着炎症反应的程度而变化。然而，这只是炎性关节疾病模型的实验结果，其在OA中的作用有待进一步论证。OSM是巨噬细胞和活化T细胞的产物，能够单独或和IL-1协同作用刺激软骨细胞产生MMP和蛋白多糖酶。
  2 促合成性细胞因子
  OA中促合成性细胞因子不仅修复被分解性因子损伤的组织，而且在OA发病机制中起着重要作用。目前研究较多的是IGF、TGF-β、BMP、成纤维细胞生长因子(FGF)等。
  软骨细胞的培养中发现，IGF-1能刺激软骨细胞合成Ⅱ型胶原和蛋白多糖，还能刺激软骨细胞集落形成和细胞增殖。在OA软骨细胞中，IGF和IGF结合蛋白(IGFBP)都比正常组增高，而且在软骨的表面、中间和深层都有发现。另外，IGF增高的程度与软骨损害的程度相关，可以看作是机体对损伤的一种积极反应。
  TGF-β能促进软骨细胞有丝分裂，拮抗IL-1和TNF-α作用，刺激软骨细胞合成胶原，并上调TIMP。它对骨形成和吸收具有双重的作用，最终结果取决于它与其他细胞因子的平衡。有研究表明，TGF-β在OA骨赘和滑膜增生中起了重要的作用，因此在今后的OA治疗中可能成为一种新的切人点。
  BMP能诱导组织中间充质细胞增殖并分化为成软骨细胞，再继续分化为成熟软骨细胞，形成软骨组织，也能进一步促进软骨内骨化过程，其中以BMP-2、4、6最为重要。研究表明BMP-6能促使软骨细胞蛋白多糖合成，而且在OA其他细胞因子和BMP的作用下，BMP抑制因子的基因表达上调。
  3 抑制性细胞因子
  有些细胞因子具有抑制分解代谢和对抗致炎细胞因子的作用。这些因子包括IL-4、1O、13，IL-lra也归属于此类，因为它能竞争性与IL-1的受体结合，抑制IL-1的作用。这些因子的抗炎特性包括减少IL-1、TNF-α及MMP的产生，并能上调IL-lra及TIMP，抑制PGE2释放等。在体外试验中，IL-4与IL-10能抑制软骨降解的蛋白酶，并能抵抗促分解代谢细胞因子的某些作用。在体内试验中，它们具有协同作用并抑制关节软骨的破坏。除此之外，作为拮抗剂，IL-4、1O、13的作用是通过OA滑液中的纤维母细胞或软骨细胞来减少促分解代谢细胞因子的生成。另外，体外试验中IL-lra能阻滞IL-1的活性，是最早被用来对抗细胞因子而治疗RA的因子之一。有趣的是，IL-lra由许多相同的能分泌IL-1的细胞产生，其中包括关节软骨细胞，而且在OA中，IL-lra的量相对减少，同时伴有IL-1R量上调。IL-lra可阻断OA病理过程中的许多效应，如滑膜细胞的PGE2合成、软骨细胞胶原酶产生以及软骨基质的降解。研究表明，IL-4、IL-10及IL-13能增加IL-lra的量，并与它们阻止关节破坏的效能相关，在某种程度上取决于它们促进IL-lra的程度。
  4 调节性细胞因子
  IL-1和TNF-α也能诱导软骨细胞产生另外一些炎性细胞因子，如IL-6。IL-6在软骨退变中似乎起着一个双重的调节作用，既能够促进生成IL-lra、可溶性TNF受体(STNFR)及MMP的阻滞剂(TIMP)以下调炎症反应，又能提高免疫细胞的功能和炎症反应，促使IL-17释放。尽管IL-1能够诱导IL-6合成和释放，IL-6对软骨细胞的直接作用却是双向的，这可能与水溶性IL-6α受体(sIL-6Rα)有关，sIL-6Rα具有协同IL-1、IL-6刺激胶原酶生成的作用。
  IL-11和IL-6具有许多共同点，在关节软骨细胞及滑膜成纤维细胞中不能促进MMP的产生，但能诱导TIMP的体外合成，而且还能减少OA滑膜成纤维细胞对PGE2的释放。这表明，IL-11能阻止滑膜炎症诱导的胞外基质过度退变。
  LIF调节软骨、骨的代谢，且诱导骨的吸收与形成，并能通过人软骨细胞诱导胶原酶及MMP的表达。在OA滑液中，LIF参与调节IL-1、IL-17诱导的关节软骨的退变，并能促进IL-6的生成；它刺激软骨蛋白多糖的吸收及NO产生，却不影响TIMP的产生。
  5 细胞因子在骨关节炎中的作用
  综上所述，软骨细胞能够产生IL-1和TNF-α，以及其他炎症因子。在损伤和炎症的部位，机械应力或软骨基质的降解产物能够直接诱导局部的软骨细胞释放细胞因子，通过自分泌或旁分泌形式作用于软骨细胞，引起进一步的反应。这形成一个独特的系统来调节局部环境对软骨细胞及ECM的作用；另外，某些机械应力或软骨基质的降解产物和IL-1、TNF-α诱导相同的信号传导通路，而且这些应力引导的通路可能也会促使编码细胞因子的基因表达。从这一机制看，致炎性细胞因子在OA软骨的破坏中充当着次级的调控者。
  OA是力学和生物学因素作用下软骨合成和降解耦联失衡的结果。这说明细胞因子学说目前并不能解释OA软骨破坏的全部原因，但是我们必须认识到，不论软骨的哪个部分以哪种方式发生退变，都不能完全脱离几种类型细胞因子的作用，而且外界应力引起软骨退变可能只起启始和触发的作用，也脱离不了细胞因子的参与和调节。
  6 展望 
  在OA中，软骨细胞合成和分解代谢之间的平衡受破坏，导致了软骨基质成分的丢失及关节软骨在成分、结构和功能特性方面的改变。在过去的3O年间，体内外大量试验表明，细胞因子在生理和病理条件下对软骨细胞的活动起着调节作用。虽然研究者应用不同来源的关节软骨和离体的软骨细胞，但结果却非常地相似：致炎性细胞因子如IL-1、TNF-α造成了软骨细胞功能上的失调，并最终导致进行性软骨基质破坏和关节功能的丧失。人的OA关节软骨比健康的软骨可能对IL-1更敏感些。
  细胞因子在OA软骨退变中的具体机制还不很清楚。随着分子生物学及细胞因子研究的不断深人，OA的药物治疗和生物学治疗有了一定的进步，如转基因获得的IL-Ira、TIMP-1和TGF-βl的抑制剂已经应用于动物试验甚至临床试验中，并取得了良好的效果。NF-KB作为软骨细胞微环境中重要的整合因子也被人们认识，并且发现现有的大部分治疗方法都可能与其相关。这也为治疗OA提供了途径。详细分析正常软骨和OA软骨中细胞因子及其受体的基因表达、基质降解酶的诱导生成，以及它们下游信号传导通路的机制，将为OA的治疗提供更好更新的途径。
参考文献（略）
摘自《国外医学•骨科学分册》2005年7月第26卷第4期》

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