作者：内蒙古医科大学第二附属院创伤外科中心 常家乐
OA是一种累及整个关节的疾病，包括关节软骨、
OA中软骨细胞的死亡类型
关节软骨是关节中非常关键的组成部分，它的主要功能包括：提供光滑的关节表面，确保关节活动的顺畅；帮助承担和分散负重压力保护骨头不受撞击等。软骨细胞是关节软骨中惟一的细胞类型。人体软骨有3种类型：透明软骨、纤维软骨和弹性软骨。OA进展过程中3种软骨细胞均表现为数量减少，这表明软骨细胞死亡在OA进展过程中起着重要的作用。细胞死亡在人体生命活动、能量代谢中，起着不可替代的作用，而在OA的发展过程中，正常软骨细胞死亡过程的平衡往往会被打破，通常伴随着软骨细胞过度死亡。根据细胞死亡的调控过程，可分为程序性死亡和非程序性死亡两种形式。
程序性细胞死亡：程序化介导的细胞死亡又可以分为溶解性和非溶解性细胞死亡。溶解性细胞死亡通常包括坏死性凋亡和焦亡，这两种形式都会导致细胞内成分泄露，促进炎症细胞因子的释放，并引发后续的炎症反应，故又称为炎症性细胞死亡。非溶解性细胞死亡就是通常所说的细胞凋亡和自噬，其特点是细胞在被巨噬细胞清除时，不引发炎症反应。此外还有一种由铁依赖性脂质过氧化作用驱动的新型程序性细胞死亡，称为铁死亡。其特征表现为线粒体表型改变、线粒体萎缩和膜密度增加。
非程序性细胞死亡：非程序性细胞死亡指的是在物理损伤或化学刺激下引起的不可逆转的细胞损伤和死亡过程，其特征包括细胞膜破坏、细胞器
软骨细胞死亡的分子机制
关节软骨细胞凋亡相关机制：软骨细胞凋亡是一种高度调控的程序化软骨细胞死亡过程，可以通过内源性和外源性途径触发，由DNA损伤和细胞死亡相关受体的激活引起。这两种途径最终都会导致半胱氨酸蛋白酶(caspases)的激活，这是一类负责细胞解体的蛋白酶。参与凋亡过程的caspase有两种形式，即启动型caspase(caspase2、8、9和10)首先被凋亡相关的信号通路激活，然后效应型caspase(caspase3、6和7)参与相关蛋白和细胞器的降解。先前研究表明，与OA软骨中的空泡现象及细胞密度降低有关的软骨细胞死亡在OA发展中起关键作用。进一步研究揭示了人类OA软骨中存在高水平剪切型caspase-3软骨细胞，表明凋亡可能是OA中一种重要的软骨细胞死亡形式。实际上，凋亡软骨细胞的数量和caspase-3的表达已被证实与OA中软骨损伤的程度呈正相关。OA中激活软骨细胞凋亡主要有以下几个因素。
(1)线粒体功能障碍介导的软骨细胞凋亡：OA软骨细胞有很大比例会出现线粒体功能障碍，其特点具体表现为电子传递链(ETC)受损、线粒体DNA(mtDNA)改变、线粒体表面结构损伤和线粒体生物合成减少。高龄是OA的危险因素，线粒体功能障碍可作为衰老标志，随着人年龄增加，线粒体功能障碍的表现也日趋明显，线粒体的ETC效率下降，活性氧(ROS)增多。增多的ROS进一步通过破坏自由基和抗氧化剂清除剂之间的平衡促进氧化应激。多项研究都证实氧化应激是细胞凋亡的重要因素。同时增多的ROS还会导致DNA损伤，DNA损伤的结果可能使p53激活，引发软骨细胞的细胞周期停滞，进而造成促凋亡蛋白(Bax，Bak)和抗凋亡蛋白(Bcl-2，Bcl-xL)比例失衡，一旦两者比例失衡就会引发级联反应最终使效应型caspase增加，进入细胞凋亡程序。OA软骨细胞中的线粒体功能障碍也可能源自于mtDNA的损伤，因缺乏组蛋白包装，mtDNA极易发生突变，突变的mtDNA使ETC相关蛋白无法完成正常转录，随后ROS生成增加，进一步损害了mtDNA，由此形成恶性循环，不断触发软骨细胞的凋亡。
(2)内质网应激介导的软骨细胞凋亡：在真核细胞中，外分泌蛋白质在传递到细胞外环境之前，需要在内质网(ER)中折叠和组装。折叠不良的蛋白质被保留下来并成为降解的目标。由于ER管腔内异常蛋白质合成和错误折叠蛋白质过度积累，下调蛋白翻译的ER蛋白折叠酶和分子伴侣会增加，如果ER蛋白质折叠能力、异常蛋白清除能力失代偿将会导致未折叠蛋白反应(UPR)的激活，称为内质网应激。其中影响蛋白翻译过程，降低蛋白质的合成量，负调控内质网应激的蛋白包括蛋白激酶RNA样ER激酶(PERK)、
(3)炎症介导的软骨细胞凋亡：炎症介质通过激活包括核因子κB(NF-κB)在内的多条信号通路，促进了基质降解酶和促炎细胞因子的表达增加，软骨细胞凋亡增多，加剧了软骨的损伤。研究表明，在所有与OA相关的炎症介质中，肿瘤坏死因子-α(TNF-α)和白介素-1β(IL-1β)是主要参与者。TNF-α与炎症反应有关，而IL-1β可能参与软骨破坏。在OA患者的滑膜、滑膜液和软骨中，相较正常组织、细胞，TNF-α和IL-1β的水平明显升高。这两种促炎细胞因子主要由软骨细胞、滑膜、成骨细胞和单核细胞分泌，能够诱发炎症和软骨分解因子的产生；TNF-α可以通过激活不同的分子途径以诱导凋亡或炎症。TNF-α能够与两种不同的膜结合受体，即TNF-R1和TNF-R2发生结合，其中TNF-R1既能在其溶解形态也能在膜结合形态中有效触发，而TNF-R2仅在膜结合形态下活化。就目前研究而言，TNF-R1对于软骨损伤的作用似乎超过TNF-R2。当TNF-α与TNF-R1结合时，会促使(TRADD)适配蛋白与其它适配蛋白(包括TRAF
cIAP1、cIAP2及RIP1)发生互作，由此形成的复合体接下来通过RIP1的泛素化，并且与TAK1、TAB1及TAB2结合，共同作用导致kappaB抑制因子激酶(IKK)磷酸化，进而激活NF-κB通路，从而刺激炎症反应，诱导缺氧诱导因子-2(HIF-2)介导的细胞凋亡。除此之外TNF-α还可以激活p38MAPK、细胞外信号调节激酶(ERK)和JNK的信号通路。激活后的信号通路共同作用使基质降解酶(如基质降解金属蛋白酶家族(MMPs)增多，促进软骨细胞凋亡发生。IL-1β也可通过上述通路促进软骨细胞凋亡，而且IL-1β还可通过上调miR-98诱导细胞凋亡，具体分子机制是在IL-1β干预下，miR-98表达水平上调，抗凋亡因子Bcl-2表达降低。除此之外，IL-1β和TNF-α也刺激NO的产生，NO可通过增加细胞内ROS水平、caspase-3含量间接促进软骨细胞死亡。综上所述，线粒体功能障碍、ER应激和炎症是导致软骨细胞凋亡的重要因素。然而细胞凋亡的过程通常十分迅速，相比之下，软骨细胞高凋亡率理论上会在较短的时间内导致基质降解，这与OA的慢性过程不相匹配。因此，软骨细胞凋亡是不是OA软骨细胞死亡的主要病理机制还有待商榷。
关节软骨细胞焦亡相关机制：焦亡是一种由焦亡体在细胞质膜破裂前触发的程序化细胞死亡形式。焦亡的细胞具有独特的形态学和分子特征，先是在胞膜上形成特殊孔洞继而胞膜破裂最终细胞内容物释放溶解。焦亡炎性小体是由多种蛋白组成的复合物，在先天免疫防御过程中调节caspase-1的活化，促进促炎因子的成熟和分泌。GSDMD蛋白和NLRP3炎性小体是经典的细胞焦亡物标志物。现代研究已明确表明，细胞焦亡在OA软骨和滑膜细胞的病变过程中，扮演着重要的调控角色。Bostan等通过使用脂多糖(LPS)和三磷酸
关节软骨细胞铁死亡相关机制：铁死亡是一种新型的铁依赖性程序化细胞死亡方式。它通过铁离子或酯氧合酶的作用，催化细胞膜上高度表达的不饱和脂肪酸的脂质过氧化，诱导细胞死亡。此外铁死亡的特征还表现为抗氧化系统(
关节软骨细胞坏死性凋亡相关机制：坏死性凋亡(necroptosis)是在极端物理或化学刺激下快速发生的细胞死亡类型。它的激活途径与程序化细胞死亡相似，可以由炎症介质、γ干扰素、过度的ATP消耗、缺血-再灌注损伤和病原体触发。坏死性凋亡的细胞形态特征包括胞质变清、细胞器肿胀、溶酶体和细胞膜通透性增加、细胞体积扩大和染色质浓缩。从分子机制上来看，坏死性凋亡与其它形式的细胞死亡又有着明显区别，它不依赖于caspase调控，而是由RIP1/RIP3和MLKL介导，在不同病理条件的刺激下激活。最近的研究已明确，RIP1/RIP3途径与OA进展中软骨细胞的坏死性凋亡密切相关。氧化应激和机械压力促进OA进展中的软骨细胞坏死性凋亡。机械压力应激通过调节RIP1途径促进下颌软骨细胞的凋亡和坏死性凋亡，并且上调的RIP1加剧了细胞外基质的降解。表达增多的RIP1通过靶向BMP7诱导软骨细胞坏死性凋亡，换句话说，激活的RIP1/BMP7促进了软骨细胞坏死性凋亡，加剧了退变进程。此外，过去有研究发现，过量饮酒会使RIPK1/RIPK3/MLKL信号激活，体内成骨细胞坏死性凋亡增加，成骨分化和骨形成减少，最终导致OA、骨质疏松症的发生。由此可见，软骨细胞坏死性凋亡不同于细胞经历的正常衰老和变性，它往往是由异常的物理和化学刺激引起的被动死亡过程。
关节软骨细胞自噬性死亡相关机制：不同于其它细胞死亡类型，自噬是一种调节细胞生长和分化的细胞内稳态机制，涉及真核细胞能量循环的分解代谢过程。它由多种刺激诱导，如代谢应激和缺氧等，在细胞死亡和炎症的调节中起着关键作用，自噬在促进细胞死亡中的作用是依赖于细胞内、外环境的，它在促进细胞存活和细胞死亡方面有不同的机制，受不同的信号分子调节。在既往研究中，自噬标志物LC3-Ⅱ在OA患者的软骨细胞和软骨中表达明显上调，表明自噬与软骨退变之间存在关联，一方面自噬表现出对软骨细胞的保护作用，在OA关节软骨和动物OA模型中发现自噬现象减少，在OA早期自噬激活保护软骨细胞并减少细胞死亡。在自噬抑制剂处理的软骨细胞中，caspase-3和MMP-13水平上调，表明自噬能维护软骨细胞存活，增强细胞外基质合成，同时保护细胞免受蛋白质聚集体积聚的毒性作用。此外通过自噬清除功能异常的线粒体也可以阻止ROS的释放，阻断线粒体功能障碍介导的软骨细胞凋亡程序。另外，过度的自噬也可能导致软骨细胞死亡，Ma等研究发现，在小鼠ATDC5软骨细胞系中，
OA软骨细胞不同死亡模式之间的相互作用
虽然OA软骨细胞不同死亡模式有各自的调控网络，但它们之间也存在不同程度的相互作用。某些蛋白、环磷酸腺苷、自由基等可以同时调节软骨细胞的死亡。在关节软骨细胞的死亡机制中，自噬和凋亡不仅作为程序化细胞死亡的主要方式，还与坏死性凋亡、细胞焦亡和铁死亡等其它细胞死亡形式存在复杂的相互调控关系。这些相互作用对于理解关节软骨退变、OA的发病机制以及寻找新的治疗策略具有重要意义。
细胞自噬在调节关节软骨细胞死亡中可能扮演着双刃剑的角色，一方面，自噬可以促进细胞存活，避免凋亡；另一方面，过度自噬可能最终会导致细胞死亡。按照OA进展的不同时期来说，早期OA中自噬作为一种保护机制，避免了浅层软骨细胞凋亡。晚期OA中自噬的参与甚至可能加速软骨细胞凋亡。自噬这种双重作用在坏死性凋亡中也同样存在，但是目前缺乏足够的证据来确定自噬是否对OA软骨细胞的凋亡性坏死有促进或抑制作用。许多研究者认为，自噬可以通过负向调节细胞焦亡发挥作用，其可能的分子机制被认为是自噬能够抑制焦亡炎症小体的激活。Li等的研究进一步表明中等强度运动，通过激活P2X7受体，促进NLRP3炎症小体的自溶酶体靶向降解，从而有效抑制焦亡。有关自噬与铁死亡的互作关系研究较为明确。自噬通过分解铁蛋白来增加关节软骨细胞内铁水平。这种增加的铁会激活芬顿反应，进而引发氧化损伤诱导的铁死亡。相应地，抑制自噬过程能够有效抑制铁死亡。
关于凋亡和坏死性凋亡的研究表明两者之间似乎是相互调节的，这两种死亡形式可以单独发生、顺序发生或同时发生。在先前的机械压力负荷刺激造模的颞下颌关节OA软骨中，除了发现凋亡细胞外，还证实了坏死性凋亡的存在。RIPK1和RIPK3是坏死性凋亡的关键调节激活因子，而RIPK3的失活会促进凋亡；caspase-8的活性会阻断RIPK3的激活，所以激活caspase-8会促进细胞凋亡，抑制caspase-8的活性则会导致细胞发生坏死性凋亡。在特定情况下，凋亡和焦亡细胞可以相互转换，两者拥有重叠的细胞信号调节网络。GSDMD是焦亡细胞的底物。当GSDMD失活或缺失时，caspase-1激活caspase-3和caspase-7以诱导凋亡；反之，caspase-3和caspase-7在凋亡过程中可以使GSDMD失活，从而阻止细胞焦亡。凋亡与铁死亡之间也具有特异性联系：铁死亡的诱导剂能够触发内质网应激，这一过程进而促使p53上调的凋亡调节因子(PUMA)的表达增加，导致凋亡现象的增强。软骨中存在多种细胞死亡形式，如自噬、铁死亡和凋亡等，在这些细胞死亡方式中哪一种占据主导地位，学术界目前尚未达成共识。
针对软骨细胞死亡的OA治疗前景
在OA的病理机制研究中，软骨细胞死亡的角色越来越受到重视。软骨细胞的凋亡、自噬、铁死亡及焦亡等多种死亡形式在OA发展中起着关键作用。研究的深入不仅揭示了这些细胞死亡形式的分子机制，也为开发新的治疗策略提供了可能性。首先，细胞凋亡作为一种程序化的细胞死亡方式，在OA软骨细胞中的异常活化引起了广泛关注。研究发现，通过调节特定信号通路和分子，如抑制过度激活的caspase家族蛋白，能够有效降低软骨细胞的凋亡率，缓解OA病理状况。例如，针对细胞凋亡的小分子药物、基因编辑技术以及RNA干扰策略等，为减缓OA进展提供了新思路。其次，自噬作为一种细胞内降解过程，在维持细胞内稳态中发挥着重要作用。在OA中，适当的自噬活动对保护软骨细胞、延缓软骨退化具有积极影响。因此，通过激活自噬相关信号通路，如AMPK/mTOR、Beclin-1等调节软骨细胞的自噬活性，成为另一治疗OA的策略。同时，细胞坏死及与炎症密切相关的焦亡和铁死亡，在OA的发展中也扮演着重要角色。研究表明，通过抑制与这些死亡途径相关的信号分子，如RIPK1、RIPK3、MLKL、NLRP3炎症小体等，可以减少炎症反应和软骨细胞的非程序化死亡，为OA治疗提供了新的目标。
有针对性地预防和控制程序性坏死相关因素可能是治疗OA的有效途径。例如现有的研究表明microRNA、LncRNA和circRNA相关药物可以通过抑制软骨细胞死亡靶基因的表达，调控下游通路，抑制软骨细胞死亡；天然植物药和祖国医学的中药、蒙药、藏药中方剂的有效成分也是靠抑制软骨细胞死亡发挥OA软骨保护作用；除了分子和细胞层面的治疗策略外，干细胞疗法和组织工程技术的应用，如利用间充质干细胞或诱导多能干细胞修复受损软骨，也为OA治疗开辟了新天地。这些方法不仅能够促进受损软骨的再生，还可以通过分泌的生长因子和外泌体等介导的旁分泌效应，影响周围环境，减少细胞死亡。最后，随着纳米医学和智能药物递送系统的发展，精准递送治疗分子至特定的细胞或组织，改善药物的生物利用率和靶向性，成为治疗OA的又一发展方向。此外，非侵入性的细胞凋亡检测技术的日趋成熟，如分子成像和生物标志物鉴定，有望实现OA的早期诊断和监测。
小结
OA是一种严重影响人类健康和生活质量的骨关节病。近年来，关于OA的研究逐渐揭示了软骨细胞死亡在其发病机制中的核心作用。OA的病理进程涉及多种类型的细胞死亡方式，包括凋亡、自噬、焦亡、坏死性凋亡和铁死亡等。这些死亡机制不仅相互独立，而且存在交叉和相互作用。因此，针对性地调控这些细胞死亡途径可能为阻止或减缓OA的进展提供新的治疗策略，如线粒体功能障碍、内质网应激、炎症反应等因素在促进软骨细胞凋亡中发挥着重要作用。这为开发新型治疗药物，通过精准靶向这些分子机制来抑制软骨细胞死亡，提供了理论基础。
另外，炎症反应是OA中软骨细胞死亡的重要触发因素。TNF-α和IL-1β等炎症因子的上调，可以通过多条信号通路促进软骨细胞死亡。因此，针对这些炎症因子及其相关信号通路的干预，可能成为治疗OA的有效策略之一。目前针对OA的治疗方法主要还是保守治疗和手术治疗，未来的研究需要聚焦于开发能够直接影响软骨细胞死亡机制的新治疗方法，如小分子药物、基因治疗和细胞疗法等。同时，精准医疗技术的发展也将为个体化治疗OA提供更多可能。
来源：中国骨与关节杂志2025年1月第14卷第1期
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