软骨下骨病变在骨关节炎发病进程中的作用

韦 冰 李学飞 吴连国

骨关节炎是一种常见的慢性、退行性骨病之一，在全世界范围内骨关节炎患者高达5 亿人次，并呈逐年上升趋势[1]。骨关节炎的病理变化复杂，包括滑膜炎症、增生、关节软骨损伤、生物力学失衡、软骨下骨塌陷、硬化以及骨赘形成[2]。虽然骨关节炎长期以来被认为是一种滑膜和关节软骨相关的原发性疾病，但软骨下骨的稳态和重塑对骨关节炎发生、发展的贡献逐渐引起研究人员的兴趣[3]。显微成像技术的发展揭示了软骨下骨在骨关节炎早期骨丢失，骨小梁退化到骨关节炎晚期骨小梁硬化，软骨下骨骨囊肿、微骨折，并最终导致软骨破坏的这一动态过程[4]。了解软骨下骨在骨关节炎发生发展过程中的病理机制，为早期防治骨关节炎提供新的思路。

1 软骨下骨结构和功能

膝关节解剖呈现从关节面到骨骼的浅、中、深的层状结构，由浅入深粗略的分为关节软骨、钙化软骨和软骨下骨。软骨下骨位于钙化软骨下方，由浅入深又分为软骨下皮质骨和软骨下骨小梁[5]。软骨下皮质骨是一层薄薄的皮质骨板，它表面具有一定的通透性，使软骨下骨小梁中的血管、神经到达钙化软骨。软骨下皮质骨的功能主要是为关节软骨提供支撑作用以及连接软骨下骨小梁与钙化软骨的通道[6]。虽然作为支撑作用，但其硬度较低于四肢长干骨的皮质骨[3]。软骨下骨小梁位于软骨下皮质骨板以下，其空隙率较高，代谢旺盛，里面具有丰富的神经、血管和骨髓[7]。软骨下骨小梁的功能主要为吸收负荷和营养软骨等。正常关节中的关节软骨、钙化软骨、软骨下皮质骨和软骨下骨小梁共同构成了一个关节的“减震装置”，在关节运动期间负责支撑和吸收载荷作用。该“减震装置”能够动态适应施加在关节上的机械压力，但是关节软骨和软骨下骨的适应力差异较大，对于机械损伤，软骨下骨能通过骨重塑快速地由新骨替代破损骨而建立一个稳定的生理状态，关节软骨却不能较快地更新[8]。

2 骨关节炎中软骨下骨的病理改变

在骨关节炎中关节软骨与软骨下骨病理改变的先后一直备受争议。但二者在组织形态和病理改变中密切相关[9]。直到1984 年，Radin 教授以膝骨关节炎兔子为模型，通过骨扫描和生物标记技术观测骨关节炎早期关节软骨和软骨下骨的组织学、组织形态学变化，发现早期的软骨下骨变化先于关节软骨出现病理改变。在骨关节炎的不同阶段，软骨下骨的病理改变各不相同，主要包括软骨下骨微骨折，软骨下骨骨水肿，骨囊肿形成以及软骨下骨硬化等病理特征。在骨关节炎早期，主要病理变化为骨重塑主导的软骨下骨小梁的改变。以家兔构建骨关节炎模型发现在骨关节炎早期随着巨噬细胞浸润和破骨细胞的过度活化，软骨下骨小梁数量变少，结构出现明显改变，具体表现为骨小梁间距变大，空隙变多，在横截面观察骨小梁出现更多的间距和受损的网络，说明早期骨小梁发生了明显的骨折，此时的软骨下皮质骨板变得更薄，空隙率增加更明显，矿物质/基质比逐渐增加。使用扫描电镜发现软骨下皮质骨的胶原纤维表面粗糙，排列稀疏，间隙明显扩大[10-11]。早期的关节软骨形态结构改变不显著，仅表现为蛋白多糖，尤其是硫酸化糖胺聚糖含量的逐渐降低，但是早期骨关节炎关节软骨中白介素-1β（IL-1β）和金属蛋白酶-13（MMP-13）水平明显升高[11-12]。虽然尚未完全了解骨关节炎早期软骨下骨病理改变潜在机制，但与以成骨细胞介导的骨形成和以破骨细胞介导的骨吸收之间的失衡、软骨下毛细血管异常增加、软骨与软骨下骨串扰增强密切相关[3，13]。在骨关节炎晚期阶段，主要病理变化以软骨下骨硬化为主。微观结构以软骨下骨小梁变厚，间距变小，由原来的棒状骨小梁转变为板状骨小梁[14]。骨髓水肿被认为是在MR 中评估骨关节炎严重程度及预后的结构化指标[15]。随着骨体积分数的增加，软骨下皮质骨以下区域则逐渐出现骨髓水肿样改变。骨关节炎后期，骨髓水肿容易进展为软骨下骨囊肿。软骨下骨囊肿的出现原因目前认为可能与失衡的骨重塑和骨矿化增高有关。一项3D 模拟发现软骨下骨多发性囊肿通过增加骨应力效应和外周囊肿扩张趋势进一步恶化病情，增加膝关节置换风险[16]。此外，对膝关节置换后的标本进行研究发现晚期骨关节炎成骨细胞、破骨细胞、骨细胞中MMP-1 的表达有助于骨关节的病理组织重塑和软骨改变，与软骨下骨囊肿的形成密切相关。软骨下骨的一系列改变将加重关节软骨的破损。此外，尽管软骨下骨“硬化”，但这种“硬化”是一种假象，本质为快速的骨重塑：胶原比降低导致了软骨下骨的矿化不足，刚度下降，当承载机械负荷时软骨下骨更容易破坏。

3 软骨下骨相关通路

自从外科手术成功构建小鼠骨关节炎模型以来，对骨关节炎的病理机制研究更加透彻，如炎症反应、氧化应激、免疫、自噬、生物力学失衡、衰老、表观遗传等机制[17-19]，涉及主要分子和通路包括Notch 通路，NF-κB 通路，TGFβ 信号通路，Wnt/β-Catenin 信号通路以及MAPK 信号通路等[20-24]。在这里我们主要探讨两个多功能信号通路OPG/RANKL/RANK 通路和SDF-1/CXCR4 通路，以便阐明软骨下骨病变对骨关节炎发生发展的作用。

3.1 OPG/RANKL/RANK 信号通路与骨关节炎 骨保护素（OPG）/核因子kappa-B 配体的受体激活剂（RANKL）/NF-κB 受体激活剂（RANK）是肿瘤坏死因子（TNF）和TNF 受体超家族成员，与免疫、骨稳态、炎症、癌症等密切相关[25-26]。OPG 首先从小鼠骨髓基质细胞中发现，是一种二聚体形式的诱饵蛋白，目前认为其主要由成骨细胞、B 细胞分泌。在骨重塑过程中OPG 可以竞争性得与RANKL 结合，减少破骨细胞前体的成熟、分化，减少骨量丢失[27]。RANKL 是由成骨细胞谱系细胞产生的一种Ⅱ型膜蛋白，在骨重塑过程中RANKL 促进骨髓中破骨细胞提前的增值和全身循环的数量，另一方面，RANKL 促进破骨细胞提前在发炎的骨关节附近堆积，RANKL 与其受体RANK 结合导致骨关节软骨下骨破骨细胞前体分化为成骨破骨细胞，导致软骨下骨骨量丢失。RANK是位于破骨细胞前体或成熟破骨细胞表面的Ⅰ型跨膜蛋白，当RANKL 与RANK 结合成为RANKLRANK 复合体后将激活破骨细胞内部一系列因子，发挥成熟破骨细胞骨吸收的作用[28]。

肿瘤坏死因子受体相关因子（TRAF）家族是OPG/RANKL/RANK 信号通路下游重要因子，与软骨下骨病理改变引起的骨关节炎关系密切[29]。当RANKL 激活RANK 时破骨细胞内的TRAF 即被募集。TRAF6 是响应RANK 的关键信号因子，已经证明在破骨细胞内TRAF6 可激活有丝分裂原活化蛋白激酶（MAPK）p38/JNK[30]，Akt/PKB 以及响应RANK信号的典型NF-κB 通路。TRAF6 与MAPK 激 酶TAK1 的蛋白TAB2 构成TRAF6-TAB2-TAK1 三联体，进而激活MAPKs 诱导骨量减少和软骨破损。此外，TRAF6 增强c-Src 的激酶活性，导致下游信号分子（如c-Cbl）酪氨酸磷酸化，导致Akt/PKB 激活。长期以来，NF-kB 被认为是炎症信号通路，参与骨关节炎发病的关键信号因子[31]。

总之，OPG/RANKL/RANK 信号通路在骨关节炎的病理过程中通过多种途径调节软骨下骨的骨重塑，减少骨量丢失，对早期骨关节炎发生发展具有重要作用。

3.2 Wnt/β-Catenin 信号通路与骨关节炎 Wnt/β-Catenin 信号在骨关节炎进展过程中具有相反的双重作用。适当水平的β-Catenin 对于软骨稳态至关重要。对β-Catenin 信号的抑制或过度表达会扰乱软骨细胞表型，促进软骨细胞凋亡和软骨破坏。此外，人类骨关节炎软骨中Wnt 信号激动剂的表达增加可能通过上调MMP 和聚集蛋白聚糖酶来加速软骨降解。除了调节软骨细胞存活，Wnt/β-catenin 信号通路通过调节成骨细胞和破骨细胞功能来参与骨骼发育和体内平衡。研究表明，适当的机械负荷可通过激活Wnt/β-catenin 信号传导促进骨形成并增加软骨下骨厚度和骨小梁积分数。此外，抑制破骨细胞生成和破骨细胞活性可调节软骨下骨重建并改善异常的骨微观结构[20]。由此可以得出结论，Wnt/β-Catenin 信号的调节是软骨和骨代谢中的关键通路。

Wnt/β-catenin 通路中的关键调节因子-分泌蛋白-1（WISP1）。WISP1 通过作用于多个层面的病变来调节骨关节炎的发生和进展，具体如下：（1）加速MMP 和蛋白多糖的释放，随后导致软骨基质的破坏；（2）通过诱导破坏软骨的Smad1/5/8 信号通路促进软骨细胞向肥大表型的转变；（3）通过调节成骨和破骨细胞功能来刺激软骨下骨硬化和骨赘形成。这说明Wnt/β-catenin 信号通路与软骨下骨的骨代谢平衡密切相关。

4 小结与展望

骨关节炎是一种由多因素综合导致的慢性退行性疾病，对其发病机制的研究包括了滑膜、软骨和软骨下骨不同的解剖层面。目前研究主要认为软骨下骨首先发生骨代谢失衡，骨量减少，骨小梁破坏进而导致关节软骨以及滑膜的病理改变。异常的机械微环境导致非耦合软骨下骨重塑过程中的高骨转换，并促进软骨下骨板的孔隙率、微裂纹和血管生成，增加各种细胞因子的交换。这种生化分子串扰加速骨关节炎的发生和发展，其具体机制复杂，涉及多个信号通路，包括Wnt/β-catenin、RANK/RANKL/OPG 和TGF-β/Smad、MAPK 等信号通路。这有助于我们更好地了解骨关节炎的病理生理学并改进临床上现有的骨关节炎治疗方案。特别值得说明的是，软骨下骨的微环境是骨关节炎发展的主要调节因子。因此，今后的研究应关注软骨下骨微环境中病理性细胞相互作用促使软骨下骨破坏及加速骨关节炎性疼痛，以及借此进一步开发治疗软骨下骨微环境靶向的新药。