作者：兰州大学第一医院骨科 黄鹏飞
细胞因子和趋化因子
促炎细胞因子 在OA发生过程中，白介素-1β（IL-1β）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、IL-6、IL-15、IL-17、IL-18、IL-21、IL-22等为有效的促炎因子。IL-1β参与了许多疾病的发病机制，它通过与I型IL-1受体I（IL-1RI）结合来实现其作用，与受体结合后，IL-1β会激活几种信号通路，首先IL-1β通过丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号传导，并且通过MAPK信号通路诱导软骨降解。其次，IL-1β在OA中还会激活NF-κB信号通路，导致II型胶原表达受到抑制。基质金属蛋白酶（MMP）、血小板反应蛋白解整合素金属肽酶（ADAMTS）、环氧化酶-2（COX-2）、诱导型
TNF-α是一种有效的促炎细胞因子，它主要参与细胞的分化、增殖与凋亡。在OA发病过程中，TNF-α不仅会阻断软骨细胞合成蛋白聚糖成分和II型胶原，还可以像IL-1β通过诱导MMP和ADAMTS产生导致细胞外基质（ECM）降解。此外，激活与IL-1β相同的信号通路还会导致IL-1β和TNF-α协同促进OA的发生。IL-6是一种对白细胞之间通讯至关重要的蛋白质，据研究表明，在离体软骨细胞中单独使用IL-6可诱导基质金属蛋白酶抑制剂（TIMP-1）产生。动物研究表明，IL-6关节内注射可诱导OA样软骨病变，并且使用抗IL-6进行全身治疗还可缓解小鼠的实验性OA。所以IL-6在OA中的确切作用很难确定，但目前的研究还是更趋向于把IL-6作为一个促炎因子来对待。IL-15在OA中也具有促炎作用，目前的研究表明，IL-15可增强MMP的产生，如膝关节滑液中IL-15的浓度与MMP-1和MMP-3的浓度成正比例关系，血清中IL-15的浓度也与血清中MMP-7的浓度成正相关。
IL-17，又称IL-17A，其通过与其受体（IL17RA和IL17RC）结合可以激活下游的NF-κB、MAPK和C/EBP途径。此外，研究发现，IL-17还可上调OA患者软骨细胞中的分解代谢因子（MMP1、3和13）和合成代谢因子（TIMP3、II型胶原基因A1（COL2A1）和SOX9），并诱导牛外植体软骨降解。并且研究还表明，IL-17可以增加OA中IL-6和TNF-α的产生。IL-18是一种主要被确定为γ干扰素（IFN-γ）诱导因子的细胞因子，其导致OA的发生机制多样复杂，例如：IL-18可以诱导软骨细胞表面受体数量的增加以及金属蛋白酶MMP-1、MMP-3和MMP-13的合成，还可以上调IL-6和TNF-α等促炎因子表达并与其相互作用，导致炎症加重的恶性循环。IL-21在OA中的潜在免疫机制目前仍有待确定，由Scanzello和Shan等最近的一项研究发现，软骨变性患者的大多数滑液样本中，IL-21和IL-21滤泡辅助性T细胞的水平升高与OA严重程度相关，这表明IL-21可作为OA的潜在生物标志物。IL-22主要由辅助性T细胞10（Th10）和自然杀伤细胞（NK）产生的IL-17家族的成员。当存在活动性滑膜炎症时，关节滑液中IL-22浓度会升高，这是RA的常见表现，但在OA中也被发现。
抗炎细胞因子 IL-4是免疫系统的一种有效调节剂。研究表明，IL-4具有明显的软骨保护作用，它可以抑制MMPs金属蛋白酶的分泌，还抑制OA过程中关节软骨中蛋白多糖的降解。Silvestri等的研究发现，与健康对照组相比，所有OA患者的血清可溶性白细胞介素-4受体（sIL-4R）浓度显示更高，并且滑液和滑液细胞内的IL-4浓度也升高。此外，单独使用IL-4或与IL-10联合使用可防止血液诱导的软骨损伤，并抑制软骨细胞和成纤维样滑膜细胞（FLS）的凋亡。另一种具有多效性抗炎特性的细胞因子是IL-10，其结构与干扰素相似。在OA病程中，IL-10通过与其受体IL-10R（由IL-10R1和IL-10R2亚基组成的异二聚体）结合来抑制巨噬细胞和树突状细胞中促炎细胞因子的表达，进而直接抑制CD4T细胞的活化和细胞因子分泌来抑制炎症反应，同时，IL-10还可以促进调节性T细胞的表达和扩增来实现对炎症反应的抑制。
趋化因子 趋化因子，也称为趋化细胞因子，是具有在多种细胞中诱导趋化性的小分子，其广泛作用影响细胞反应的增殖、分化和激活。与OA发展最相关的趋化因子（CCL）为CCL2、CCL3、CCL4和CCL5，例如：CCL2可以与CCR2受体结合而募集记忆T淋巴细胞（TM）和NK细胞。此外，有研究表明，膝关节损伤患者和膝关节OA患者的滑液中CCL2、CCL3，CCL4和CCL5水平上调。同时，Takabe等还发现CCR5缺陷小鼠可以部分免受创伤后的软骨侵蚀。总之，趋化因子最主要的是对免疫效应细胞运输和引导到感染或炎症部位的作用，现阶段对于趋化因子的研究还不够细致，尚需更深层次的研究来阐述其发病机制与靶向药物。OA的发病机制很大程度上取决于促炎和抗炎介质的失衡，这也是软骨退化、骨重塑和滑膜增殖的原因，学者通过对多种细胞因子的研究阐述了其与OA的发病机制之间的关系，但对于其治疗靶点以及炎症介质间的相互作用，本研究仍然有限，还需要进一步的研究来充分了解其在OA中的作用。
金属蛋白酶引起ECM降解
基质金属蛋白酶 MMP是锌依赖性细胞外基质重塑内肽酶家族，具有降解ECM几乎所有成分的能力。例如：在OA中，关节细胞和免疫细胞会产生许多炎症介质，如TNF-α、IL-1和IL-7，这些炎症介质会刺激MMP的产生，而MMP会降解ECM。研究表明，MMP-1和MMP-13在OA中起主要作用，这两者都可以降解胶原蛋白，并且MMP-13还可以降解蛋白多糖分子聚集聚糖，从而在基质破坏中起到双重作用。此外，其他MMP，如MMP-2、MMP-3和MMP-9的表达在关节炎中也升高，这些酶会降解关节的非胶原基质成分。总之，MMP被认为是降解ECM主要发挥作用的酶，未来研究更多的抑制MMP的靶向药物可能有助于控制OA的发生和进展。
ADAMTS金属蛋白酶 ADAMTS金属蛋白酶是一种分泌型锌内肽酶，其与多种疾病有关，包括遗传性疾病、关节炎、心血管疾病和癌症。Wang等研究表明，ADAMTS-1在OA软骨和骨赘中表达增强。此外，研究还发现，ADAMTS-4和ADAMTS-5在OA进展过程中参与软骨和聚集聚糖的降解。综上所述，ADAMTS金属蛋白酶也作为致病细胞因子参与OA发生的多种生理和病理过程。
炎症介质酶
诱导型NO合酶 NO的产生由一氧化氮合酶（iNOS）催化。研究表明，OA患者软骨中的NO水平升高，并且在滑液中也发现了NO依赖性氧化损伤的标志物—硝基酪氨酸浓度升高。也有研究表明，与OA患者的滑膜细胞相比，软骨细胞中发现iNOS的表达更加增强。所以笔者得出结论，软骨是OA关节中NO的主要来源，控制软骨及滑液中NO的产生，可避免软骨细胞的氧化损伤和细胞凋亡，进而阻止OA的进展。
COX COX的活化可以增强MMP-3的产生，刺激前列腺素（PG）的合成和软骨细胞的凋亡。在关节软骨的炎症发生状态中，机体会产生和释放许多COX酶产物，包括PGE2、PGD2、PGF2a、血栓素和PGI2。在这些介质中，PGE2被认为是关节炎疾病炎症性疼痛的主要因子，它通过多种前列腺素E受体（EP）发挥其作用，如EP1、EP2、EP3、EP4等。有研究表明，PGE2在人类成人关节软骨稳态中具有重要作用，机制如下：PGE2利用EP2和EP4受体诱导其下游信号对软骨产生分解代谢作用，并且当与分解代谢细胞因子IL-1结合时，PGE2还可以在体外协同上调IL-6和iNOSmRNA水平。因此，COX的活化是导致OA发展的重要原因，抑制其活化可成为未来治疗策略的潜在靶标。总之，iNOS和COX-2活化会使MMP-3产生增强，并且阻碍蛋白质多糖与胶原的形成，从而引发软骨细胞凋亡。现阶段我国大部分医院将iNOS与COX-2抑制剂用于膝关节骨关节炎患者的初始治疗，但目前还没有完善评估其使用疗效的体系，尚需使用长期的数据进一步评估和治疗。
其他相关因子
神经生长因子 神经生长因子（NGF）作为一种神经营养因子，通常在炎症后传递疼痛信息。研究表明，在转化生长因子β-1（TGF-β1）诱导的牛软骨细胞中，NGF的上游因子激活素受体样激酶5（ALK5）和Smad2/3蛋白表达增强，并且当ALK5-Smad2/3抑制剂（SB-505124）与TGF-β1诱导下的奶牛外植体共培养时，ALK5-Smad2/3和NGF的表达受到抑制。所以，NGF可能是OA发生的重要介质。
缺氧诱导因子 缺氧诱导因子（HIF）是诱导缺氧基因和修复细胞氧环境的核心调节因子。HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α是人类HIF-α蛋白家族的3个成员，它们在正常氧气条件下几乎不表达，但在缺氧应激下的表达显著上调。例如：在处于正常空气状态时，HIF-1α会被快速降解，但在缺氧条件下，它的降解过程就会被阻碍，并且会出现更高水平的表达，然后进入细胞核并与相应的亚基结合形成活性HIF-1α转录因子，进而引起软骨细胞自噬及凋亡。此外，HIF能利用VEGF和EPO对免疫系统中的炎症状况产生双向的影响，一方面可以促进软骨细胞适应缺氧环境，而另一方面，能刺激软骨细胞中分解代谢酶的提高并增强Fas（一种促使组织衰退、坏死的关键分子）的表达，促进软骨细胞的凋亡，加剧炎症反应，从而导致关节软骨的破坏。所以，对于HIF靶向药物的应用，未来还需要进一步的研究，更有效的治疗膝关节骨关节炎。
成纤维细胞生长因子 成纤维细胞生长因子（FGF）是一个广泛分布的基因家族，其信号转导途径对许多生命活动具有重要影响，例如细胞增殖、迁移和分化。在OA发展过程中，FGF主要与FGF受体（FGFR1、FGFR2、FGFR3）结合而发挥作用，例如，FGF与FGFR3结合可以激活STAT1/p21下游信号通路诱导STAT1的核易位、p21的表达和细胞的生长停滞，触发软骨细胞的过早凋亡，进而导致OA的发生，此外，FGFR3激酶结构域激活环中Lys650突变为Glu，还可以导致致命的人类骨骼综合征II型发育不良。综上所述，FGF信号传导紊乱在膝关节骨关节炎发病过程中起着重要的作用。
Runt相关转录因子2 Runt相关转录因子2（Runx2）是一种含有缺失结构域的转录因子。研究表明，在OA患者的半月板、滑膜和软骨下骨等各种关节组织中，Runx2因子的表达均上调。此外，Runx2还参与成骨细胞分化，例如：小鼠Runx2纯合子缺乏可导致新生鼠致死，并且会完全缺乏骨骼的骨化，而杂合子Runx2缺乏可导致颅骨发育不良，其特征是锁骨和颅骨形成缺陷。综上所述，Runx2的表达对骨骼发育和骨骼重塑至关重要。
微小RNA（miRNA） miRNA是一种内源性非编码RNA，在OA发展过程中，其通过调控软骨细胞自噬相关基因的表达而起到促进或抑制OA发展的作用。此外，miRNA还可以通过调控炎症相关信号通路来调控OA的发生发展，与之相反，Tao等报告，miRNA-106可以通过激活Wnt3a/β-catenin信号通路，使IL-1β、IL-6和TNF-α表达上调，进一步促进OA的进程。综上所述，miRNA参与OA调控机制不一，未来开发miR⁃NA的小分子药物可以为OA的治疗提供新的思路。除以上所述因子外，还有
小结与展望
OA是一种非常复杂的关节疾病，其起始因素多种多样，包括过度的机械负荷、炎症因子、衰老等，这些因素使得早期OA具有独特的分子信号特征。总之，相比于在OA晚期进行药物治疗或关节置换手术，在OA的早期阶段对于这些致病分子信号进行干预将是一种更有效的策略，但目前对OA的细胞和分子机制的研究仍处于起步阶段，未来还需进一步探索OA关键分子的靶向治疗。
来源：中国矫形外科杂志2025年1月第33卷第1期
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