大骨节病病因与发病机制的研究进展

王继成 易智

作者单位：710068 西安医学院研究生院 ( 王继成 )；710068 西安，陕西省人民医院骨科病院 ( 易智 )

大骨节病 ( Kashin-Beck disease，KBD ) 是一种地方性、慢性和变形性骨关节病，主要发生于儿童管状骨干骺端闭合以前的四肢骺软骨、骺板软骨及关节软骨，致其变性和深层细胞坏死。大骨节病在临床上表现为多发性、对称性关节受累，患者多在 5 岁甚至更早出现手指、脚趾及邻近关节变形，甚者腿部畸形及类骨关节炎症状[1-2]。该病所引起的病理改变是全身性的，包括关节、四肢、脊柱等。大骨节病区别于其它骨关节病的主要病理变化为软骨的深层细胞坏死而表层细胞正常[3]。与正常人相比，大骨节病患者关节软骨破坏严重，由大量坏死软骨细胞簇构成坏死区，导致骨骺生长板局灶性坏死，管状骨纵行生长受到抑制，造成大骨节病患者骨骼发育不良、身材矮小及骨端膨大。本病在我国主要分布于东北、西北、内蒙古、河南等地的潮湿寒冷山谷地区，而平原则较少见。

目前对于大骨节病发病机制的研究众多，国内外学者提出各种大骨节病环境病因假说[3-6]，如低硒学说、粮食真菌毒素污染学说和饮水中有机物中毒学说等。但至今尚无一种较为完善的发病机制学说。多数研究认为，硒的缺乏和谷物污染是大骨节病的主要环境风险因素，多个环境和遗传因素同时相互作用与大骨节病病因相关。现对大骨节病发病机制的研究综述如下，以期为大骨节病的预防及治疗提供新的方向。

一、发病机制

1. 微量元素缺乏：流行病学研究表明[7]：我国大骨节病分布从东北至西南呈斜形条带状分布，这个分布带与我国硒元素缺乏的分布带是相吻合的。因此，考虑大骨节病的发病可能与硒元素有关。Li 等[8]研究发现，大骨节病流行地区硒元素缺乏广泛存在。王权等[9]进行大骨节病病区与非病区硒元素含量 Meta 分析，结果显示大骨节病病区饮用水、土壤、小麦、玉米等中的硒元素低于非病区，同时大骨节病病区患者全血、血清、尿和毛发硒水平均低于病区健康人。Lv 等[10]对大骨节病流行地区土壤样品中的硒浓度进行测定，结果显示在典型大骨节病病区内土壤样品中硒浓度在 0.08～0.215 μg / g，表明在大骨节病流行区，其土壤中硒的含量较非病区明显减少。因此，硒元素不足被认为是大骨节病重要的环境危险因素，这为研究大骨节病病因及发病机制提供了新的证据。硒是一种人体必需的微量元素，在人体中作为谷胱甘肽氧化酶活性中心，其作用包括维护细胞膜稳定性、消除脂质过氧化物及自由基等[11]。陈静宏等[12]用 T-2 毒素 1～20 ng / ml 在体外对胎儿软骨细胞进行干预，发现能明显诱导软骨细胞的凋亡相关蛋白表达，通过加入不同浓度的硒，可有效降低 Bax /Bcl-2 比率，从而对软骨细胞的生长有保护作用[13]。段琛等[14]研究发现，适宜的补硒质量浓度 0.10～0.25 mg / L 对大骨节病软骨细胞具有一定的保护生长作用，降低细胞死亡率，但补硒质量浓度＞0.25 mg / L 时正常细胞死亡，表明大骨节病软骨细胞具有较高的耐受力。有研究表明[15]，硒具有抗氧化作用，且对真菌毒素具有拮抗作用。该团队与中国农业大学和军事医学科学院合作，采用中国农业大学培育的小型猪进行实验，结果表明 T-2 毒素能致中国小型猪关节软骨深层发生类似人类大骨节病的关节软骨损害，并引起软骨基质胶原和蛋白聚糖含量降低，补硒可减轻 T-2 毒素引起的关节软骨损伤病变的严重程度，改善软骨基质生化代谢[16]。最近有研究表明[17]，脱碘酶作为一种重要的硒蛋白，在骨发育及功能中具有重要作用。有研究表明[18]：通过在病区儿童人群中预防性地补充硒能够预防儿童干骺端病变，降低大骨节病的发病率。综上所述，适当补硒能够保护软骨细胞，为大骨节病防治工作提供了一条新的途径。

2. 毒素：流行病学研究[19]显示，除硒缺乏外，T-2毒素的作用与大骨节病发病机制相关。T-2 毒素是谷物、谷类产品以及动物饲料霉变过程中的主要由拟枝孢镰刀菌代谢产生的有毒次级代谢产物[20]，是 A 族单端孢霉烯族毒素中毒性最强的毒素，可通过污染粮食和饲料危害人畜健康，故受到国内外学者的广泛重视[21-22]。

T-2 毒素是由 Bamburg 等[23]在 1968 年首次分离提纯并确认化学结构，具有广泛的生物学活性。T-2 毒素主要作用于细胞分裂旺盛的组织器官[24]，如胸腺、骨髓、肝、脾、淋巴结、生殖腺及胃肠黏膜等，抑制这些器官细胞蛋白质和 DNA 合成。有研究表明[25]，T-2 毒素可导致软骨细胞的结构和功能改变、细胞变性和坏死，具有极强的软骨细胞毒性，对软骨细胞可造成确切损伤。研究发现, 在软骨细胞生长发育早期和分裂增殖旺盛时期，T-2 毒素影响了软骨细胞的分裂增殖，也破坏了基质合成代谢和分解代谢的平衡[26]。既往研究表明[22]，T-2 毒素是大骨节病的致病因子。

既往研究发现，低硒条件下 T-2 毒素可致大鼠关节软骨深层发大骨节病类似的病理改变，而病变关节的表中层正常，提示低硒条件下 T-2 毒素中毒与大骨节病的病因学关系[27]。有研究表明[19]，在 ATDC5 软骨形成细胞中，T-2 毒素通过活性氧 ( ROS ) / 核因子-kB ( NF-kB ) / 低氧诱导因子 -2α ( HIF-2α ) 途径增强分解代谢并损伤 ATDC5软骨形成细胞。Guan 等[28]、Chen 等[29]对大鼠进行体内实验，在低硒条件下，不同 T-2 毒素水平同时作用于实验组大鼠，结果显示低水平和高水平 T-2 毒素加硒缺乏饮食组大鼠的膝关节软骨深层均出现类似人类大骨节病坏死的表现，同时伴有蛋白多糖和抗氧化剂水平下降。但最近一项研究表明[30]，低硒条件下 T-2 毒素中毒可引起大鼠关节软骨死亡，且中层死亡形式以凋亡为主，坏死性凋亡为辅，与大骨节病关节软骨中层病理改变相似。其 HE 切片显示关节软骨深层有红色影子细胞和无细胞区域，且软骨基质淡染，但深层是否存在坏死，尚需使用坏死金标准－电镜作进一步验证。

目前研究认为，T-2 毒素致软骨细胞凋亡与凋亡调控相关蛋白的表达有关。细胞凋亡相关基因大致可分为凋亡促进基因和凋亡抑制基因。细胞凋亡的发生，严格受基因的控制。其中最受关注的凋亡相关基因包括 P53、半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶 -3 ( caspase-3 )、B 细胞淋巴瘤 -2( Bcl-2 ) 基因家族[31-32]。还有研究认为，软骨细胞一氧化氮 ( NO ) 合成及凋亡相关蛋白 Fas 表达也参与了 T-2 毒素致软骨细胞凋亡的机制[33]。

关节软骨由软骨细胞和细胞外基质组成，软骨细胞的功能是合成和降解胶原及蛋白多糖。细胞外基质主要由蛋白聚糖、胶原及水组成，其中胶原的主要成分为 II 型胶原[34]。有研究认为[35]，T-2 毒素可以超诱导软骨细胞炎性细胞因子白细胞介素 -1β ( IL-1β )、白细胞介素 -6 ( IL-6 )和肿瘤坏死因子 -α ( TNF-α ) 分泌。所谓超诱导是指在细胞中，由于某种诱生剂和大分子合成抑制物的适当作用，一种诱生蛋白合成增加的现象。IL-1β 与 IL-6 促进软骨基质的分解代谢，抑制软骨细胞的合成代谢，T-2 毒素可以抑制软骨聚集蛋白聚糖的合成，促进蛋白聚糖酶和促炎细胞因子的表达和蛋白聚糖降解[36]。陈静宏等[37]研究发现，T-2 毒素通过影响软骨细胞中蛋白聚糖和 II 型胶原 mRNA的转录水平，使软骨细胞蛋白聚糖和 II 型胶原合成减少，反过来影响软骨细胞自身的生存，使软骨细胞进一步发生过度凋亡和死亡，导致关节软骨损伤。有研究表明[38-39]，T-2 毒素作用会导致软骨细胞 IL-1β、TNF-α 和 MMP-13表达水平升高，而硒会抑制软骨细胞合成 MMP-13。

3. 基因组学与蛋白组学：近期研究发现，大骨节病的分布呈现一定的家族聚集性，估算的大骨节病遗传率达到41.76%[40]，提示某些基因可能参与调控大骨节病的易患性。已有研究证实，硒蛋白 GXP1 基因的多态性与大骨节病的患病风险显著相关[40]。IL-1β 基因的多态性也与大骨节病呈现显著关联[41]。因此，大骨节病家族聚集可能主要归因于环境及基因，环境与基因共同作用成为大骨节病的重要发病机制之一。

大多数疾病的发生是由与之相关联的个体基因、遗传与环境之间复杂的相互作用所致。任何疾病都是由易感基因与环境因素相互作用所导致，环境应答基因会影响人体对环境因素的易感性。Zhang 等[42]研究发现，ABI3BP 基因为大骨节病的新型易感基因。Wang 等[43]研究发现，与正常人相比，在培养的大骨节病关节软骨细胞中存在55 个上调基因和 24 个下调基因，这些基因共同参与细胞代谢、凋亡、增殖和基质降解等过程。Zhang 等[44]采用全基因组基因通路关联分析发现补体系统相关的 Complement and coagulation cascades 基因通路与大骨节病显著相关，并且 C5补体基因在大骨节病患者外周血中的表达水平显著高于正常对照。以上结果首次证明凝血级联通路相关补体系统与大骨节病发病机制相关。有研究表明[45]，MMP-3在儿童大骨节病发病中起重要作用，rs679620 基因型 T / T和 rs591058 基因型 T / T 与儿童大骨节病易感性有关。

既往研究发现大骨节病软骨损伤相关的基因、蛋白表达异常，例如软骨基质相关的 II 型胶原和 X 型胶原[46]，软骨生长、发育和分化相关的转化生长因子 β ( TGFβ )、成纤维细胞生长因子 ( bFGF ) 和血管内皮生长因子 ( VEGF )，软骨细胞凋亡相关的 BCL-2、BCL-2 相关 X 蛋白 ( BAX )和 Fas 死亡受体 ( Fas )[47]。武世勋等[48]采用免疫组化染色法检测程序化细胞死亡分子 ( PCD ) -5 和早期生长反应蛋白 ( EGR ) -1 在大骨节病软骨损伤中的表达情况，结果发现大骨节病软骨深层 PCD-5 显著上调，软骨表层和深层EGR-1 显著高表达，推测此两种因子在大骨节病软骨破坏过程中发挥重要作用。Ma 等[49]利用串联飞行时间质谱蛋白质分析技术，比较了大骨节病关节软骨和正常软骨的蛋白谱差异，鉴别出大骨节病软骨细胞 27 个异常表达蛋白，包括热休克蛋白 -1β、过氧化还原酶 ( PRDX ) -1、肌动蛋白、丝切蛋白-1、调宁蛋白和接头蛋白 C-CRK 等，功能涉及细胞氧化－还原平衡、外环境压力反应和糖酵解等。有研究表明[50]，PI3K / AKT 信号通路在大骨节病的发生发展中具有重要作用。在一项关于硒蛋白 S1 基因多态性与 PI3K / AKT 信号通路的病例对照研究中，发现 SEPS1与中国人群大骨节病发病风险具有一定的关联性，并且这种基因多态性能够影响 PI3K / AKT 信号通路的表达[51]。以上研究表明，大骨节病软骨细胞的细胞代谢、亚细胞定位和分子功能均存在异常。

二、结语与展望

大骨节病是一种地方性、慢性和畸形性骨关节病，主要发生于儿童管状骨干骺端闭合以前的四肢骺软骨、骺板软骨及关节软骨，致其变性和深层细胞坏死，因其较高的致残率，严重危害人民身心健康。目前，虽然大骨节病发病率下降明显，但鉴于致病因子的存在，还要继续加强大骨节病的科学研究，进一步明确大骨节病病因和发病机制。近年来随着基因组学与蛋白组学的兴起，对大骨节病的病因及发病机制有了新的发现，为大骨节病早期诊断和治疗提供了新思路。