骨关节炎与软骨下骨研究进展

常亮 秦江辉 史冬泉 蒋青

（南京鼓楼医院运动医学与成人重建外科，南京 210008）

骨关节炎（osteoarthritis,OA)又称为退行性关节炎，是由于年龄增长、肥胖、创伤、劳损、关节畸形、遗传易感性等诸多因素引起的一种慢性退行性骨关节病。OA以缓慢发展的关节肿痛、僵硬、关节畸形及活动受限为临床特征，多发于老年患者。该病目前尚无根治手段，给患者、家庭和社会带来了沉重的经济负担。OA的病理性改变主要表现为关节软骨破坏、软骨下骨硬化及滑膜增生等，其中软骨下骨的病理性改变在OA的发生和发展过程中可能起到了重要的作用。软骨下骨是构成关节结构和功能的基本单位之一，维持软骨正常结构和功能。近年来，关于软骨下骨在OA发病过程中的作用越来越受到重视，大量以软骨下骨为OA治疗靶点的研究正在展开。本文就软骨下骨在OA中的研究进展进行综述。

1 软骨下骨损伤与OA进展

软骨下骨在OA的早期和晚期具有不同的病理性改变，其中早期出现软骨下骨骨质流失，而晚期典型的病理性改变则为软骨下骨硬化，骨小梁和软骨下骨骨板增厚。但是，上述软骨下骨的病理性改变与OA进展之间的关系尚不明确。

有研究者在OA大鼠模型上进行观察发现，采用前交叉韧带切断术（anterior cruciate ligament transection,ACLT）或内侧半月板失稳术（destabilization of the medial meniscus,DMM）对大鼠进行OA造模后，术后2周钙化软骨层厚度开始增加；术后4周非钙化软骨层厚度开始显著降低，软骨退变；软骨下骨体积在术后2周时显著降低，至术后4周时又出现回升，术后10周达到最大值；关节内骨赘面积于术后4周开始显著增加[1,2]。因此，对于创伤后OA来说，软骨下骨的早期损伤是先于软骨退变和骨赘形成出现的，主要以骨吸收加强为主，表现为骨体积减少，钙化软骨层增厚；晚期损伤则以骨形成为主，表现为软骨下骨硬化，且该过程与OA典型病理性改变如软骨退变、关节间隙变窄等同步。此外，还有研究者在比格犬动物模型上进行了软骨下骨结构改变与OA进展之间的研究，发现软骨下骨缺陷可以显著诱导软骨退变的发生，而将软骨下骨缺陷填充骨水泥后则可延缓OA的进展，这表明软骨下骨早期骨质流失导致的结构改变可能是OA发病的关键因素[3]。也有研究报道，ACLT患者的膝关节软骨下骨结构相较正常膝关节出现了显著的改变，如软骨下骨板增厚、松质骨流失等[4]，这些改变与OA中软骨下骨出现的结构变化相一致，可能与临床上ACLT患者易继发OA密切相关。

目前的研究多认为，软骨下骨结构改变引发OA的主要原因是关节生物力学特性的改变，这一点已经在ACLT-OA动物模型中得到证实[5]。除了生物力学方面，软骨下骨与软骨之间信号通路的分子机制也受到了广泛关注。Jung等[6]提出，OA早期软骨下骨骨吸收，破骨细胞活性提高，分泌大量钙-磷酸盐复合物，这种复合物可进入软骨层，并促进软骨细胞分泌基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase,MMP）-3、13等分解代谢酶，引发软骨退变。Lu等[7]则提出了软骨下骨与软骨之间基于雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin,mTOR）C1通路和血管形成的正反馈调节机制，该机制中OA期间软骨下骨新生血管侵入软骨，可刺激软骨细胞mTORC1通路激活，分泌更多的血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor,VEGF）-A，反过来又加剧了软骨下骨的结构改变，使OA迅速发展。此外，转化生长因子（transforming growth factor,TGF）-β 通路和Wnt/βcatenin通路在OA软骨和软骨下骨中均存在异常激活，也可能是重要分子机制[8]。

2 软骨下骨损伤机制

2.1 危险因素

2.1.1 遗传易感性：Ⅱ型胶原α1链、Ⅰ型胶原α1链、软骨寡聚基质蛋白、溶质转运体26A家族、MMP2、带有血小板凝血酶敏感蛋白样模体的解整链蛋白基质金属蛋白酶10、蛋白聚糖、转运蛋白颗粒复合体2、生长/分化因子5、原纤蛋白1等基因缺陷均可造成软骨下骨结构不完整[9]。

2.1.2 年龄：关节软骨微结构有明显的年龄相关性，其特征是随着年龄增加、骨小梁减少、软骨下骨厚度和骨体积分数增加及潮线扩张。

2.1.3 性别：雌激素对软骨下骨结构有明显的维持作用，绝经后女性OA发病率显著提高，经雌激素替代治疗后可有效减少软骨下骨重塑，缓解OA。

2.1.4 肥胖：肥胖可能通过影响炎症因子、异常脂肪酸和脂肪因子水平来影响软骨下骨结构[10,11]。

2.1.5 关节损伤、错位、变形：关节内骨折、半月板撕裂、韧带损伤和创伤性软骨损伤等都可造成软骨下骨结构的病理性改变；而关节错位如关节外翻、内翻等均可造成软骨下骨磨损，微裂隙增加，软骨下骨异常重塑；关节变形如髋关节发育不良等则可造成股骨头和髋臼部位软骨下骨骨折及硬化。

2.2 分子机制

2.2.1 骨保护素（osteoprotegerin,OPG）/核因子κB配体受体致活剂（receptor activator ofnuclear factor κB ligand,RANKL）比率：OA早期，软骨下骨中MMP-13、白介素（interleukin,IL）-1β、肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor,TNF）-α 等细胞因子水平增加，导致成骨细胞分泌RANKL水平显著增加，OPG/RANKL比率降低，成骨抑制并促进软骨下骨骨吸收。OA中后期，成骨细胞分泌OPG水平显著提高，使OPG/RANKL比率增加，成骨促进，又引发了软骨下骨增生硬化[12]。

2.2.2 Wnt/β-catenin通路：OA期间软骨下骨及软骨中β-catenin表达水平均显著增加，Wnt/β-catenin通路激活[13]。其中软骨下骨中该通路激活可显著促进成骨细胞分化、增殖、成熟并抑制其凋亡，促进骨形成[14]。此外，Wnt/β-catenin通路激活还可促进成骨细胞分泌OPG，降低OPG/RNAKL比率，进而抑制骨吸收。使软骨下骨由早期的骨吸收为主转变为骨形成为主，加速OA进展[15]。

2.2.3 TGF-β 通路：OA病程期间，软骨和软骨下骨中TGF-β 表达水平均显著提高，其中软骨下骨中TGFβ 通路的异常激活，促进了软骨下骨硬化及骨赘形成，加速OA进展[16]。

2.2.4 软骨细胞转分化：软骨细胞具备转分化为成骨细胞的能力，是机体软骨内成骨过程中成骨细胞的重要来源之一[17]。已有研究表明，β-catenin在软骨细胞转分化为成骨细胞过程中扮演着重要作用[18]，而OA过程中软骨层内β-catenin表达水平显著提高[19]，这提示软骨细胞转分化很可能在软骨下骨增生硬化中扮演重要角色，并与软骨细胞肥大化及软骨退变密切相关。尚需进一步研究对该领域有一个更清晰的认识。

2.2.5 雌激素：雌激素具备诱导OPG和TGF-β 表达的作用，可促进成骨活性，抑制骨吸收，对于软骨下骨和软骨代谢的维持均具有重要意义，绝经后妇女OA发病率显著提高[20]。

2.2.6 软骨下骨祖细胞异常：有研究表明，OA软骨下骨中的祖细胞较正常祖细胞有更强的成骨分化潜力，可能是OA软骨下骨增生硬化的诱发因素[21]，可作为潜在的OA治疗靶点。

2.2.7 软骨下骨血管形成：OA软骨下骨中IL-6、IL-1β、TNF-α等细胞因子水平增高，使VEGF表达增加，软骨下骨血管异常增生，软骨下骨增生硬化。但也有研究指出，只有TNF-α在OA软骨下骨血管生成中扮演重要作用，而非IL-1β、IL-6，具体机制为TNF-α可诱导静脉内皮细胞分泌富亮氨酸α2糖蛋白1（leucine-rich-α-2-glycoprotein1,LRG1），促进软骨下骨血管形成和MSCs迁移，使软骨下骨增生硬化，加剧OA发展[22]。

3 以软骨下骨为靶点的OA治疗研究

基于上述对软骨下骨在OA中作用及损伤机制的认识，许多软骨下骨相关的OA临床前研究已经开展，并取得了较为理想的结果。现汇总介绍目前涉及以软骨下骨为靶点的OA治疗方案及其研究现状。

3.1 雌激素

雌激素对软骨下骨骨代谢的稳定具有重要作用，目前研究认为雌激素主要通过调节OPG和TGFβ 水平，影响软骨下骨结构，进而参与OA过程[23]。此外，也有研究表明雌激素缺乏可显著诱发骨细胞凋亡[24]，并与软骨及软骨下骨中促炎因子表达水平的增加有关[25]。雌激素相关的治疗方案主要包括两种，一是雌激素替代治疗，二是选择性雌激素受体激动剂治疗。前者临床前研究结果的一致性较差，且有研究表明可能会损伤软骨、增加心血管病变及乳腺癌发生率[26]；后者对OA症状缓解的效果较好，且一致性、安全性、耐受性均较佳[27]。

3.2 降钙素

降钙素是目前临床上治疗骨质疏松的常用药物，可通过与破骨细胞上的降钙素受体结合，抑制骨吸收，从而治疗骨质疏松。近些年的报道指出，临床上应用降钙素对OA也有一定治疗效果，可能与降钙素能够调控软骨下骨骨重塑，改善软骨下骨结构有关。目前已有动物实验证明降钙素对于OA软骨的保护作用[28]，其临床疗效尚需进一步研究确认。

3.3 雷尼酸锶

金属元素锶在人体内几乎全部沉积于骨中，具有显著的促进成骨及抑制破骨作用，已成为临床抗骨质疏松的一线用药。近些年有报道指出，临床上应用雷尼酸锶对OA也有较好的治疗效果。研究发现，临床应用雷尼酸锶可显著影响软骨下骨骨代谢，抑制骨重塑过程[29]。此外，临床试验中证明了雷尼酸锶可以缓解OA症状[30,31]，尤其对伴有骨髓水肿样变的OA患者疗效更佳[32]。但也有学者指出雷尼酸锶可能造成关节骨赘的过度增生[33]，其副作用还包括心肌梗死、静脉血栓、肺水肿等，因此需严格把控用药剂量。

3.4 OPG

OPG又称为破骨细胞抑制因子，具有抑制破骨细胞的功能，临床可用于治疗骨质疏松。目前动物实验已证实OPG可以通过降低OPG/RANKL比率，抑制软骨下骨骨吸收，保护软骨下骨结构，进而缓解OA进展[34,35]。目前关于OPG治疗OA疗效的报道很少，尚需进一步研究。

3.5 阿仑膦酸钠（alendronate，ALN）

ALN是一种二膦酸盐，具有抑制骨质流失的作用，在临床上广泛用于骨质疏松症的治疗。目前，关于ALN与OA的动物实验发现，ALN可以通过抑制软骨下骨骨质流失，显著抑制软骨退变和骨赘形成，延缓OA进展[36]。且ALN对OA的治疗效果还表现为对软骨中促炎因子的显著下调，包括MMPs、IL-1β、Ⅹ型胶原蛋白（collgagen Ⅹ,COL-Ⅹ）、VEGF等，因此对软骨细胞也有较好的保护作用[37]。然而，目前关于ALN的临床试验的一致性较差。一篇meta分析报告指出，口服ALN治疗对于OA患者关节疼痛的缓解没有显著改善[38]。但也有研究表明，ALN治疗对于OA患者疼痛的缓解和关节结构的改善均有显著疗效[39]。此外，有报道指出对于伴有骨髓水肿样变的OA患者，ALN治疗的效果极佳[40]。因此，ALN可能更适用于软骨下骨损伤较严重的OA患者，尤其是那些伴有骨髓水肿样变、软骨下骨囊肿等软骨下骨特征性病理性改变的患者。

3.6 体外冲击波（extracorporeal shock-wave，ESW）

ESW是一种兼具声、光、力学特性的机械波，临床可用于组织损伤再修复、镇痛、控制感染、松解组织粘连和刺激微血管再生等。研究表明，ESW能够促进骨形成，治疗骨质疏松；且能显著下调软骨组织中促炎因子水平，抑制软骨细胞凋亡，保护软骨细胞[41]。目前动物研究已证实ESW干预能显著改善软骨下骨结构，抑制软骨退变，延缓OA进展[42,43]。与此同时，临床试验同样证明了低能量的ESW治疗可以显著缓解OA症状，抑制软骨退变，延缓OA进展[44]。除了ESW，研究者还发现脉冲超声波、全身振动、电磁脉冲场等物理治疗也对OA有较好的治疗效果[45-47]。总之，ESW等物理疗法在治疗OA方面具有较大的应用潜力。

3.7 Wnt/β-catenin通路抑制剂

Wnt/β-catenin信号通路的激活可促进成骨细胞增殖，使骨形成增加，同时抑制骨吸收过程。因此，抑制该信号通路的激活可保护软骨下骨结构。Dickkopf-1（DKK-1）和硬骨素（sclerostin,SOST）是Wnt/β-catenin信号通路的两个内源性拮抗蛋白，已有研究表明，OA患者软骨下骨中的DKK-1和SOST表达水平随病情发展越来越低，而β-catenin的表达水平则越来越高，Wnt/β-catenin通路呈逐渐激活状态[13]。目前已有研究指出，通过调控DKK-1水平抑制OA小鼠软骨下骨中Wnt/β-catenin通路的激活可以显著缓解OA进展[48]。此外，关节腔内注射Wnt/β-catenin通路小分子抑制剂SM04690也可显著改善OA症状[49]。上述研究均提示，软骨下骨中Wnt/β-catenin通路是治疗OA的重要潜在靶点，具有重要研究价值。

3.8 TGF-β抗体和TGF-β受体I抑制剂

TGF-β 在软骨代谢和骨代谢中均扮演重要作用，如在软骨中TGF-β通过调控Smad2/3和Smad1/5/8通路来影响软骨细胞的代谢平衡[50]，而在骨中则可显著促进骨形成[51]。已有研究表明，在OA的软骨下骨中TGF-β 信号通路异常激活，促进了软骨下骨硬化及骨赘形成，加速OA进展。动物实验中也证明了使用TGF-β 抗体（1D11）或TGF-β 受体I抑制剂（SB505124）抑制软骨下骨中TGF-β 信号通路的异常激活可以显著延缓OA进展[52,53]。也有研究报道，常山酮和异甘草素均可通过抑制TGF-β 通路激活缓解OA进展[54,55]。但上述研究均无相关的临床试验，其转化疗效尚需进一步研究。

3.9 基质细胞衍生因子-1（stromal cell-derived factor 1，SDF-1）/趋化因子受体4（chemokine receptor 4，CXCR4）通路抑制剂

SDF-1在软骨代谢和骨代谢中均具有重要作用。早期研究表明，OA软骨中SDF-1表达水平增高，可显著促进软骨分解代谢，破坏软骨[56]。而随着研究的深入，研究者们发现SDF-1对软骨下骨也有显著影响，其可促进间充质干细胞成骨分化，加剧软骨下骨增生硬化，使OA加重。OA动物模型的结果显示，使用SDF-1/CXCR4通路抑制剂AMD3100可以显著改善OA软骨下骨结构改变，并缓解软骨退变[57,58]。但该方案的临床研究尚未见相关报道。

3.10 神经内分泌肽

神经内分泌肽主要包括阿黑皮素原（proopiomelanocortin,POMC）类的促黑素细胞激素（melanocytestimulating hormone,MSH）、内源性阿片β 内啡肽，交感神经肽类的神经肽Y、血管活性肠肽（vasoactive intestinal peptide,VIP）等。近年来的研究表明，神经内分泌肽对软骨下骨的代谢可能有着重要影响，有望用于治疗OA。如α-MSH可能通过促进软骨下骨骨吸收延缓OA进展[59]；腹腔注射VIP则被证实对风湿性关节炎（rheumatoid arthritis,RA）有较好的疗效，VIP具有很好的抗炎和软骨保护作用，其表达水平也与OA发展密切相关[60,61]。但神经内分泌肽也有着巨大的不足，比如药物半衰期较短，可能导致痛觉过敏等，因此更为适宜的载药方式还需探究。

3.11 干细胞治疗

由于OA软骨下骨中的祖细胞具有异常的增殖分化特性，可能导致了软骨下骨的结构改变，因此针对软骨下骨干细胞的治疗方法也引起了关注。在以往的研究中，关节腔内注射自体骨髓或脂肪间充质干细胞已在临床试验中被证明了具有较好的缓解OA患者疼痛及延缓软骨退变的疗效[62-64]，而对于软骨下骨的影响并未得到重视。Parrilli等[65]的一项研究指出，关节腔内注射自体脂肪干细胞在延缓OA软骨退变的同时，也显著延缓了软骨下骨的病理性改变[65]。Hernigou等[66]则指出将自体骨髓间充质干细胞注射至晚期OA患者的软骨下骨中也可显著缓解OA退变及软骨下骨损伤，且术后并发症较少，明显优于全膝关节置换术[66]。但是，关于关节腔注射和软骨下骨内注射间充质干细胞哪种疗效更好仍有待研究。

4 总结

软骨下骨在OA的发生发展过程中扮演重要角色，其主要的病理性改变为OA早期骨质流失，以骨吸收为主；OA晚期软骨下骨硬化，骨赘生成，以骨形成为主。上述软骨下骨的骨重塑过程可显著诱发OA软骨退变，其潜在机制可能为软骨下骨结构变化导致的生物力学特征改变，也可能是软骨下骨骨代谢变化与软骨代谢之间的交互影响。正因为软骨下骨损伤在OA过程中扮演着如此重要的作用，其在OA治疗方面的价值亟待挖掘。目前的研究重点多集中在维持OA软骨下骨代谢平衡，进而保护软骨下骨结构，延缓OA进展。相应的治疗药物在动物实验的疗效较好，但其临床转化还需更深入研究探讨。本文经过对软骨下骨方面的研究回顾，认为除了上述已有研究涉及的治疗靶点外，软骨细胞转分化在软骨下骨重塑和软骨退变中扮演的角色目前还不明确，可能具有较大的研究价值，值得更加深入的探讨。