雌激素对骨关节炎作用的研究进展

肖亚平 戴慕巍 田发明 王文雅 张 柳

(华北理工大学附属医院骨科，河北 唐山 063000)

雌激素对骨关节炎作用的研究进展

肖亚平1戴慕巍 田发明 王文雅2张 柳

(华北理工大学附属医院骨科，河北 唐山 063000)

骨关节炎;雌激素;软骨;软骨下骨;滑膜

骨关节炎(OA)是一种退化性关节疾病，导致关节软骨、软骨下骨、滑膜等关节组织的退变,造成关节软骨和软骨下骨破坏，晚期引起滑膜炎，加重关节破坏，最终导致关节功能障碍，严重者致残，使患者丧失劳动能力〔1〕。OA 主要的临床表现是疼痛和关节活动受限，严重影响患者的生活质量〔2〕。据推测，在2020年,OA将成为全球第4大致残疾病〔3〕。OA是一种多病因疾病，目前的研究表明机械因素和生物化学因素均参与OA 的发生发展〔4〕，其中雌激素(E)缺乏是 OA 发生发展的重要病原学之一。流行病学研究发现，女性在绝经后OA患病率显著增加，与体内 E 缺乏一致〔5～7〕。实验研究发现，关节组织存在 E 受体(ERs)〔8〕，进一步提示 E 可能参与OA发生发展〔7，9〕。Sniekers等〔10〕发现，E是一种保护性激素，阻止关节软骨破坏和软骨下骨退变，维持关节健康〔11〕。最近结合 E 和选择性 ERs调节剂苯卓昔芬组成的组织选择性E复合物在美国批准用于骨质疏松和更年期症状的治疗，减少了E治疗的副作用，同时增加E的治疗功效〔12〕。因此新型E复合物的出现为E应用于OA提供了可能。

1 E对OA的临床和基础研究

研究表明，E 与关节 ERs 结合，维持关节内稳态，对 OA 关节具有潜在的保护作用〔6,10,13〕。雌二醇(E2)是女性绝经前和围绝经期的主要 E，绝经后显著下降〔14〕，与此同时女性 OA 患病率显著增加，提示 E 可能参与关节健康的维持，E 缺乏可增加机体罹患 OA 危险性或易感性。Sowers等〔15〕通过队列研究也表明，血清 E 缺乏增加机体罹患 OA 的危险性，Hoegh-Andersen 等〔16〕用去势大鼠成功建立了大鼠绝经后 OA 实验模型，充分证实了 E 参与 OA 进程；此外，Cirillo 等〔17〕对妇女健康倡议队列的50～79岁的人群进行随机、双盲、安慰剂对照研究发现，激素替代疗法(HRT)逆转 OA 样关节改变，在一定程度上延缓实验动物和人类 OA 的发展。

关节组织中芳香化酶的发现，证实关节能够合成 E，通过与关节局部 ERs 相互作用，调节关节 ERs 的表达，从而调节 E 对靶组织的作用〔9〕；但关节液中的E水平并没有完全脱离循环中的E水平。Cirillo等〔17〕测定了21例绝经前后 OA 女性患者血液及关节液中的 E 水平，结果显示关节液中的 E 浓度与循环中的 E 浓度呈正相关。这些研究提示，关节合成的 E 可能是 E 合成的补充途径，同时受循环 E 水平的调节，两者共同参与维持关节液中 E 水平的稳定。Riancho等〔18〕通过对3 147例 OA 患者和2 381例正常人群进行芳香化酶基因(CYP19A1基因)和 ERs 基因(ESR1基因)检测发现，芳香化酶基因和 ERs 基因的遗传变异与下肢大关节重型 OA 的危险性密切相关，间接说明 E 参与维持关节健康，E 作用的缺失加重 OA。虽然 E 对 OA作用的不确定性在灵长类动物 OA 模型中已有报道〔1〕。在有些动物模型中卵巢切除术(OVX)的效果和 E 对关节退变的治疗效果不一致〔1，12，19〕。但众多研究结果支持 E 对 OA 关节的保护作用〔6，10，13，14，20〕。E 对关节作用的不确定可能是由于实验动物、E类型及剂量、治疗方法等试验因素异质性造成的〔1〕。

2 E对关节组织的作用机制

2.1E对关节软骨的作用机制 E 注射疗法〔21〕、HRT〔22〕等研究表明，E 维持关节软骨的完整性，减少软骨基质丢失，抑制 OA 对软骨的侵蚀，阻止软骨退变，延缓 OA 软骨改变，发挥对关节软骨的保护作用〔23〕。E 不仅在女性体内对软骨产生作用，而且也是男性体内软骨代谢的重要调节激素，研究表明，E 直接调节软骨细胞活动，也可调节软骨中基质金属蛋白酶(MMP)s/MMPs抑制剂(TIMPs)比率、细胞因子、生长因子、一氧化氮、活性氧等各种生物活性因子间接参与调节关节软骨的代谢和结构〔7〕。

2.1.1E对关节软骨的直接作用机制 E 与软骨 ERs 结合直接调节软骨细胞活性，促进其增殖和分化，增加基质分泌，特别是Ⅱ型胶原和蛋白多糖的分泌，维持软骨内稳态。而且 E 调节软骨细胞的内分泌功能，如胰岛素样生长因子(IGF)等生长因子的分泌，这些生长因子通过自分泌和旁分泌作用于软骨细胞本身和其他关节细胞，调节关节组织的代谢，参与关节内稳态的维持。 E 促进软骨细胞增殖及防止其凋亡可能是延缓 OA 的机制之一。软骨细胞凋亡在OA的病原学中起着重要作用，通过研究软骨细胞的凋亡机制以阻止软骨细胞凋亡被认为是治疗OA 的新策略。研究提示，软骨细胞内磷酸肌醇激酶/丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶(PI3K/Akt)途径是阻止软骨细胞凋亡的重要途径之一，Akt 磷酸化变成活化的磷酸化Akt(P-Akt)依赖 PI3K，抑制 P-Akt 的活性则阻止软骨细胞增殖和促进软骨细胞凋亡。Huang 等〔20〕在白细胞介素(IL)-1β诱导的大鼠 OA 软骨细胞模型中研究发现，E2 诱导PI3K/Akt 途径的激活可能是 E2 促进软骨细胞增殖的重要机制。E2 通过 PI3K 途径促进软骨细胞 P-Akt和Akt 的表达，特别是P-Akt 表达，激活的 PI3K/Akt 途径，促进软骨细胞增殖，防止其凋亡，维持软骨内稳态，延缓OA 软骨退变。

2.1.2E对关节软骨的间接作用机制 Claassen 等〔24〕通过在三维藻酸盐系统中培养 OA女性患者初级软骨细胞，分别用不同浓度的 E2 及 1% 乙醇进行干预，检测培养基中MMPs和TIMPs浓度发现，E2减少MMP-1、MMP-3、MMP-13的浓度，增加 TIMP-2 的浓度，MMPs 分解Ⅱ型胶原和蛋白多糖,导致软骨基质退变，最终造成软骨退变，而TIMPs则抑制MMPs的活性，对软骨起保护作用；研究表明 MMPs 和 TIMPs 比例失衡可能是导致 OA 软骨破坏的病原学之一，E2可能改善 MMPs 和TIMPs 比例失衡发挥对软骨的保护作用。此外，细胞因子、一氧化氮、活性氧、前列腺素等〔6，25，26〕也参与促进Ⅱ型胶原和蛋白多糖的降解和损伤软骨细胞，引起软骨基质和软骨退变，同时促进 MMPs 合成，诱发滑膜炎和软骨细胞凋亡。这些因素相互作用加速软骨分解代谢，促进关节软骨退变〔4〕。E 减少关节组织中这些分解代谢因子的产生，延缓 OA 关节软骨的破坏。

有趣的是，E 促进关节组织合成IGF、转化生长因子(TGF)等生长因子，这些生长因子单独或相互作用促进软骨合成代谢〔27〕。这些生长因子维持软骨稳定十分重要，它们促进软骨细胞增殖和分化，有利于软骨细胞合成和分泌Ⅱ型胶原和蛋白多糖，保持软骨成分的稳定，防止软骨退变〔28〕。TGF-β等除上述作用外，还能上调 TIMP-1 和 TIMP-3 的表达，拮抗 MMPs 对软骨基质的降解作用〔4〕。并且 TGF 与 IGF 相互作用加强两者对软骨的保护效能〔4〕。

2.2E对关节滑膜的可能作用机制 正常关节软骨无血管，营养物质主要通过渗透作用从关节腔穿过滑膜到达关节软骨，从而影响软骨代谢，调节软骨结构和生物学功能。E 调节滑膜通透性、滑膜生长因子和炎性因子合成、滑膜增殖及滑膜衬里巨噬细胞(SLM)活性，维持滑膜正常结构和滑液的内稳态，从而防止软骨和软骨下骨的退变。滑膜炎虽然不参与 OA 的发生，但滑膜炎是 OA 晚期的重要特征及病原学之一，加速晚期 OA 的发展。研究提示 E 抑制 OA 样滑膜增殖，延缓 OA 样滑膜结构改变，保护滑膜的正常结构和修复滑膜异常改变〔12〕；E 与滑膜 ER-β 结合，调节滑膜的通透性，减少炎性因子等细胞因子从血液透过滑膜进入滑液，同时 E 具有抗炎作用，减少滑膜细胞分泌炎性因子〔8〕。此外 OA 中滑膜细胞过多合成分泌细胞因子和生长因子，造成软骨损伤、纤维化、骨赘形成和软骨下骨转换增加、骨密度降低等OA样改变。E能调节滑膜的分泌功能，使其处于正常分泌状态，以维持关节内稳态。SLM在OA的病原学中具有重要作用，促进 OA 骨赘形成和纤维化，在许多试验性关节炎模型中 SLM 决定滑膜炎症和软骨损害的程度，选择性去除 SLM，滑膜炎症和软骨损害得到缓解，骨赘形成显著减少。SLM 的这些作用可能与 SLM 产生过多炎性因子、分解及合成代谢调节介质有关。Blom 等〔29〕研究 SLM 促进 OA 骨赘形成时发现：SLM 本身分泌同时促进关节组织分泌生长因子和细胞因子，从而使这些因子过多分泌，促进 OA 骨赘形成和纤维化；此外 SLM 能够分泌 MMPs，促进软骨基质退化。研究表明 E 可能减少 SLM 的数量和抑制 SLM 活性，从而抑制OA样骨赘形成和纤维化，逆转OA样改变。

2.3E对软骨下骨的作用机制 E 通过抑制破骨细胞活性，激活成骨细胞活性，抑制骨转换，减少骨重塑，维持软骨下骨处于平衡状态，阻止 OA 样软骨下骨的退变。软骨下骨退变与软骨退变相耦联，并且软骨下骨退变可能早于软骨改变，其中高软骨下骨转换在软骨下骨退变中起重要作用。

2.3.1E对软骨下骨的直接作用机制 OVX 动物模型所致的 E 缺乏和女性绝经后 E 水平降低均造成软骨下骨转换显著增加，而E治疗包括HRT降低软骨下骨转换，提示 E 维持女性软骨下骨内稳定起重要作用〔10〕；Vandenput 等〔30〕发现，E 也是成年男性调节骨代谢平衡的主要作用激素。E 具有直接的抗破骨细胞活性。Karsdal等〔28〕通过综述大量细胞培养，动物实验研究表明，E 下调破骨细胞溶酶体酶、组织蛋白酶 K 、酸性磷酸酶等溶骨作用酶的表达，这些酶的合成减少和活性降低，抑制破骨细胞的溶骨活性。另一方面，E 通过抑制破骨细胞前体细胞核转录因子(NF)-κB受体活化因子配体(RANKL)介导的c-Jun和c-Jun氨基末端激酶(JNK)基础活性，直接抑制多核破骨细胞的形成；同时也直接诱导破骨细胞凋亡，减少软骨下骨破骨细胞数量，从而抑制破骨细胞对骨的重塑作用；相反，E 促进成骨细胞增殖，有利于成骨前体细胞分化为成骨细胞及成骨细胞分化为骨细胞，同时促进成骨细胞分泌基质，基质沉积增多，促进成骨作用。

2.3.2E对软骨下骨的间接作用机制 E通过RANKL-骨保护素(OPG)轴间接调节骨转换〔28〕。妇女绝经后 RANKL 表达细胞包括骨髓基质细胞，T细胞，B细胞等增多，表达 RANKL 的这些细胞与骨吸收密切相关，是骨质疏松的重要病原学基础。E 治疗减少这些细胞数量；同时 E 治疗增加 OPG 表达细胞，减少 OPG 抑制因子，抑制破骨细胞形成和功能，从而阻止软骨下骨的重吸收。与破骨细胞相反，此轴促进成骨细胞增殖和分化，增加成骨细胞数量和活性，诱导成骨细胞分泌基质，促进软骨下骨沉积和矿化。因此 E 通过 RANKL-OPG 轴间接调节成骨和破骨细胞的活性，减少骨转换，发挥抗骨吸收的作用。

此外 E 调节关节肿瘤坏死因子(TNF)-α、IL-1β、IL-6 等细胞因子和 TGF-β、IGF-1 等生长因子的表达。总的来说，E 下调促破骨细胞活性因子和上调抗破骨细胞活性因子的表达，抑制破骨细胞活性，促进破骨细胞凋亡，拮抗骨吸收；激活成骨细胞活性，促进成骨作用。E减少炎性因子、活性氧、前列腺素等炎性因子产生，发挥抗炎作用，从而减少炎症对软骨下骨的破坏作用〔25〕。

3 E的新型治疗策略

目前研究表明，E 治疗可能增加患者罹患子宫内膜癌、乳腺癌、冠心病、血管血栓栓塞等疾病的风险，这就成为E治疗OA的限制因素。但有些研究表明短期应用E和间歇应用E模拟月经周期变化并不增加患者罹患这些疾病的风险。而且如前所述的新型组织选择性E复合物制剂的出现，有效减少E的副作用，同时提高E治疗效果。此类复合物选择性作用于靶组织ERs，避免E对非靶组织ERs作用，能够克服E治疗的副作用，给E治疗OA提供了新的前景〔31〕。因此通过这类药物干预E作用于ERs，使E尽可能选择性地作用于靶组织，减少对非靶组织的作用，从而减少E治疗的毒副作用，因此，这类药物与E组成的复合物制剂有望成为E治疗OA的新治疗策略。

综上，目前基础和临床研究表明，E通过调节关节软骨、软骨下骨、滑膜等关节组织的代谢，维持关节的内稳态；同时在一定程度上能够修复或抑制这些关节组织退变，延缓OA关节破坏。然而，由于E治疗OA实验模型、E治疗剂型等实验因素未进行标准化，目前得不出E治疗OA的确切效果。因此E与OA的关系仍需进一步研究，标准化实验因素可能使E的治疗作用趋向一致。随着组织选择性E复合物制剂的出现，这些新型E制剂有望成为有效的OA调修药。

1Sniekers YH,Weinans H,Bierma-Zeinstra SM,etal.Animal models for osteoarthritis:the effect of ovariectomy and estrogen treatment-a systematic approach〔J〕.Osteoarthritis Cartilage,2008;16(5):533-41.

2Lawrence RC,Felson DT,Helmick CG,etal.Estimates of the prevalence of arthritis and other rheumatic conditions in the United States.PartⅡ〔J〕.Arthritis Rheum,2008；58(1):26-35.

3Woolf AD,Pfleger B.Burden of major musculoskeletal conditions〔J〕.Bull World Health Organ,2003；81(9):646-56.

4Claassen H,Schicht M,Paulsen F.Impact of sex hormones,insulin,growth factors and peptides on cartilage health and disease〔J〕.Prog Histochem Cytochem,2011；45(4):239-93.

5Gao W,Zeng C,Cai D,etal.Serum concentrations of selected endogenous estrogen and estrogen metabolites in pre-and post-menopausal Chinese women with osteoarthritis〔J〕.J Endocrinol Invest,2010；33(9):644-9.

6Roman-Blas JA,Castaneda S,Largo R,etal.Osteoarthritis associated with estrogen deficiency〔J〕.Arthritis Res Ther,2009；11(5):241.

7Sniekers YH,Van Osch GJ,Ederveen AG,etal.Development of osteoarthritic features in estrogen receptor knockout mice〔J〕.Osteoarthritis Cartilage,2009；17(10):1356-61.

8Dietrich W,Haitel A,Holzer G,etal.Estrogen receptor-beta is the predominant estrogen receptor subtype in normal human synovia〔J〕.J Soc Gynecol Investig,2006；13(7):512-7.

9Schicht M,Ernst J,Nielitz A,etal.Articular cartilage chondrocytes express aromatase and use enzymes involved in estrogen metabolism〔J〕.Arthritis Res Ther,2014；16(2):R93.

10Sniekers YH,Weinans H,Van Osch GJ,etal.Oestrogen is important for maintenance of cartilage and subchondral bone in a murine model of knee osteoarthritis〔J〕.Arthritis Res Ther,2010；12(5):R182.

11Tsai CL,Liu TK.Osteoarthritis in women:its relationship to estrogen and current trends〔J〕.Life Sci,1992；50(23):1737-44.

12Lugo L,Villalvilla A,Largo R,etal.Selective estrogen receptor modulators(SERMs):new alternatives for osteoarthritis〔J〕?Maturitas,2014；77(4):380-4.

13Jochems C,Islander U,Erlandsson M,etal.Role of endogenous and exogenous female sex hormones in arthritis and osteoporosis development in B10.Q-ncf1*/*mice with collagen-induced chronic arthritis〔J〕.BMC Musculoskelet Disord,2010；11:284.

14Gao WL,Wu LS,Zi JH,etal.Measurement of serum estrogen and estrogen metabolites in pre-and postmenopausal women with osteoarthritis using high-performance liquid chromatography-electrospray ionization-tandem mass spectrometry〔J〕.Braz J Med Biol Res,2015；48(2):146-53.

15Sowers MR,Mcconnell D,Jannausch M,etal.Estradiol and its metabolites and their association with knee osteoarthritis〔J〕.Arthritis Rheum,2006；54(8):2481-7.

16Hoegh-Andersen P,Tanko LB,Andersen TL,etal.Ovariectomized rats as a model of postmenopausal osteoarthritis:validation and application〔J〕.Arthritis Res Ther,2004；6(2):R169-80.

17Cirillo DJ,Wallace RB,Wu L,etal.Effect of hormone therapy on risk of hip and knee joint replacement in the Women′s Health Initiative〔J〕.Arthritis Rheum,2006；54(10):3194-204.

18Riancho JA,Garcia-Ibarbia C,Gravani A,etal.Common variations in estrogen-related genes are associated with severe large-joint osteoarthritis:a multicenter genetic and functional study〔J〕.Osteoarthritis Cartilage,2010；18(7):927-33.

19Martin-Millan M,Castaneda S.Estrogens,osteoarthritis and inflammation〔J〕.Joint Bone Spine,2013；80(4):368-73.

20Huang JG,Xia C,Zheng XP,etal.17beta-estradiol promotes cell proliferation in rat osteoarthritis model chondrocytes via PI3K/Akt pathway〔J〕.Cell Mol Biol Lett,2011；16(4):564-75.

21Anderson GL,Limacher M,Assaf AR,etal.Effects of conjugated equine estrogen in postmenopausal women with hysterectomy:the Women′s Health Initiative randomized controlled trial〔J〕.JAMA,2004；291(14):1701-12.

22Imgenberg J,Rolauffs B,Grodzinsky AJ,etal.Estrogen reduces mechanical injury-related cell death and proteoglycan degradation in mature articular cartilage independent of the presence of the superficial zone tissue〔J〕.Osteoarthritis Cartilage,2013;21(11):1738-45.

23Linn S,Murtaugh B,Casey E.Role of sex hormones in the development of osteoarthritis〔J〕.PMR,2012；4(5 Suppl):S169-73.

24Claassen H,Steffen R,Hassenpflug J,etal.17beta-estradiol reduces expression of MMP-1,-3,and-13 in human primary articular chondrocytes from female patients cultured in a three dimensional alginate system〔J〕.Cell Tiss Res,2010；342(2):283-93.

25Afzal S,Khanam A.Serum estrogen and interleukin-6 levels in postmenopausal female osteoarthritis patients〔J〕.Pak J Pharm Sci,2011；24(2):217-9.

26Cake MA,Appleyard RC,Read RA,etal.Ovariectomy alters the structural and biomechanical properties of ovine femoro-tibial articular cartilage and increases cartilage iNOS〔J〕.Osteoarthritis Cartilage,2005；13(12):1066-75.

27Fernihough JK,Richmond RS,Carlson CS,etal.Estrogen replacement therapy modulation of the insulin-like growth factor system in monkey knee joints〔J〕.Arthritis Rheum,1999；42(10):2103-11.

28Karsdal MA,Bay-Jensen AC,Henriksen K,etal.The pathogenesis of osteoarthritis involves bone,cartilage and synovial inflammation:may estrogen be a magic bullet〔J〕?Menopause Int,2012；18(4):139-46.

29Blom AB,Van Lent PL,Holthuysen AE,etal.Synovial lining macrophages mediate osteophyte formation during experimental osteoarthritis〔J〕.Osteoarthritis Cartilage,2004；12(8):627-35.

30Vandenput L,Ohlsson C.Sex steroid metabolism in the regulation of bone health in men〔J〕.J Steroid Biochem Mol Biol,2010；121(3-5):582-8.

31Mirkin S,Komm BS.Tissue-selective estrogen complexes for postmenopausal women〔J〕.Maturitas,2013；76(3):213-20.

〔2016-11-09修回〕

(编辑 王一涵)

R684.3

A

1005-9202(2017)22-5704-04；

10.3969/j.issn.1005-9202.2017.22.099

国家自然科学基金项目(NSFC31171136)；河北省自然科学基金资助项目(H2013209257)

1 华润武钢总医院 2 华北理工大学基础医学院

张 柳(1963-)，男，教授，博士生导师，主要从事脊柱与关节研究。

肖亚平(1990-)，男，硕士在读，主要从事关节退变研究