白细胞介素类促炎因子在膝骨性关节炎发病机制中的研究进展

杨琛 李兴勇 黄琛 左鹏刚 杨浩 刘晨

1.甘肃中医药大学，甘肃 兰州730030；2.甘肃省人民医院，甘肃 兰州730030

膝关节骨性关节炎（knee osteoarthritis，KOA）是一种临床常见的进展缓慢但无法治愈的高发疾病［1］，其主要表现为关节疼痛、肿胀和行动受限等［2］。KOA好发于老年人，严重影响患者的膝关节功能与生活质量，更有甚者丧失了劳动能力与生活能力。我国的KOA患病率为8.1%，西北和西南地区发病率远高于其他地区［3］。了解KOA的病因及发病机理，对于预防和治疗KOA具有重要的临床意义。近年来，有学者发现KOA的发生和加重与致炎类因子有着密切的联系［4-7］，其中白细胞介素（interleukin，IL）类的促炎因子在整个KOA的进程中扮演着重要的作用，这类IL能促进软骨降解、滑膜炎症和软骨下骨的吸收［8］。白介素主要是由白细胞产生的作用于多个细胞的蛋白或信号分子，截止当前至少发现了38种白介素。白介素在传递信息，应激调节免疫细胞，增殖与分化B细胞和T细胞以及参与炎症反应过程中发挥着不可替代的作用。学者认为白介素是导致软骨降解及膝关节滑膜出现炎症的主要细胞因子：白介素类促炎因子通过对膝关节的刺激，加快了关节软骨退变的速度和炎症的生成，使膝关节的功能活动发生障碍，且慢性无菌性炎症难以做到完全清除，最终使膝关节周围出现反复疼痛和活动功能障碍［9］。本文就白细胞介素-1（IL-1）、白细胞介素-6（IL-6）、白细胞介素-17（IL-17）和白细胞介素-18（IL-18）在KOA发病机制的影响做一简单介绍。

1 IL-1

IL-1来源于破骨细胞、纤维母细胞、巨噬细胞、软骨细胞等，是机体发生感染时，体内各类细胞发生应激反应所产生的细胞因子。IL-1细胞因子家族由7个促炎激动剂（IL-1α、IL-1β、IL-18、IL-33、IL-36α、IL-36β、IL-36γ）和4个定义的拮抗剂［IL-1R拮抗剂（IL-1Ra）、IL-36Ra、IL-37和IL-38］组成。除IL-1Ra外，IL-1细胞因子不具有前导序列并且通过非常规途径分泌。此外，IL-1β和IL-18作为生物学惰性的前肽产生，其需要在其N-末端区域中被胱天蛋白酶-1切割以产生活性蛋白质。IL-36细胞因子的完全活性也需要N-末端加工。IL-1受体（IL-1R）家族包含10个成员，包括细胞因子特异性受体、共受体和抑制性受体。信号传导IL-1R与三个细胞外免疫球蛋白结构域和细胞内Toll样/IL-1R（TIR）结构域共享共同结构。IL-1细胞因子与其特异性受体结合，导致共同受体和细胞内信号传导的募集。IL-1细胞因子诱导有效的炎症反应，其活性受天然抑制剂的产生、蛋白质的加工和成熟、受体结合和受体后信号转导的严格控制。这些抑制剂中的一些是IL-1家族拮抗剂，而其他抑制剂是IL-1R家族成员，充当膜结合或可溶性诱饵受体。激动剂和拮抗剂水平之间的不平衡可导致夸大的炎症反应。

IL-1对KOA的主要影响包括对关节软骨细胞的影响、对滑膜的影响、对软骨基质的影响［2］。①对关节软骨细胞的影响。关节软骨细胞在维护膝关节软骨功能与活动方面发挥着重要的作用。当关节软骨细胞的功能出现异常时，也意味着KOA病理过程的开始。正常人体膝关节腔内含有少量的IL-1，而IL-1主要由IL-1β组成，IL-1β一方面可以破坏线粒体呼吸链，紊乱线粒体的功能，使供应关节软骨细胞的能量减少而导致活性下降；另一方面IL-1β还会使软骨细胞生长抑制剂-前列腺素E2的分泌增多，从而加速软骨细胞的凋亡。一般认为，软骨细胞的凋亡主要有两种途径。一种是由活性氮自由基的NO为媒介，当IL-1β浓度升高时可刺激NO合成酶（iNOS）产生大量NO而破坏软骨细胞，最终加速软骨的降解。另一种由FAS介导，参与滑膜炎症的反应［10］；②对滑膜的影响。KOA患者常伴有炎性的症状与体征，表现为关节的疼痛、肿胀与强直。过量的IL-1可刺激滑膜增生，产生胶原酶和前列腺素E2，进一步加重了KOA的病变；③对软骨基质的影响关节软骨中约99%为软骨基质，其主要组成为蛋白聚糖和Ⅱ型胶原。对软骨基质的代谢功能其决定性作用的是金属蛋白酶（matrixmetalloprote-inase，MMPs），其主要包含间质溶解素类、明胶酶类、胶原酶类和模型MMP类。正常人体生理状态下，软骨基软骨细胞损伤的软骨细胞能够高表达MMPs，打破了正常的平衡状态，软骨基质中的Ⅱ型胶原和蛋白聚糖便会被大量降解，导致软骨组织的破坏［11］。

2 IL-6

IL-6是由单核细胞、纤维母细胞、巨噬细胞等多种细胞自发的或在各种的应激条件下生成的细胞因子。其由α链和β链两条糖原链构成，α链的分子量为80KD，另一条β链的分子量为130KD，α链由于细胞内区缺少而与IL-6亲和性较低，其复合物又迅速地与β链以较高亲和性相结合来传递信息。IL-6具有多种生物活性，主要以内分泌、旁分泌、自分泌三种形式作用于不同的组织，其中包括炎症反应和免疫反应等［12］。IL-6具有多效性，对人体内大部分细胞的生长、分化以及基因表达等都有作用。IL-6对炎症具有促进作用，不仅可刺激炎症细胞聚集和激活炎症细胞，还可促进创伤后膝关节的疼痛及早期僵直的形成［13］。有学者通过检测KOA膝关节关节液内IL-6的浓度发现［14］，IL-6的浓度与KOA的严重程度无直线相关关系，早中期KOA患者关节液中IL-6含量较正常关节液明显升高，而晚期KOA患者关节液中IL-6含量较正常关节液呈下降趋势，因此IL-6虽然也是致炎因子，但是不能完全将IL-6作为辨别KOA严重程度和进展的指标［15-17］。但IL-6浓度在早中期KOA患者较正常人明显升高，因此可以作为临床诊断早中期KOA的参考指标之一。

3 IL-17

IL-17是由155个氨基酸构成的含有N-末端信号肽的同型二聚体。IL-17细胞因子家族包含6种结构相关的细胞因子（IL-17A至IL-17F）和5种受体（IL-17RA至IL-17RD和SEF）。IL-17通常是指IL-17A，它和IL-17F因子的活性最强。机体内大部分细胞都能产生IL-17。它可由一种独特的CD4+T辅助细胞亚群所产生，也可由多种自有免疫细胞刺激产生［18-20］。IL-17的序列与其他细胞因子序列的非同源性原因，导致IL-17与其受体的应激反应有一套独有的的信号传递系统。当IL-17受到刺激时，IL-17R与IL-17受体蛋白家族成员的中的Act1在特定区域发生结合，之后连续聚集转化生长因子β激活酶1和TNF受体相关因子-6，应激活化下游的转录因子NF-κB［21］。TNF受体相关因子-6是在小鼠胚胎成纤维细胞中发现，TNF受体相关因子-6是在IL-17介导的N端激酶和NF-κB的激活通路上关键的信号分子［22］。E3泛素与IKB激酶通过连接酶相关联，IKB激酶在参与IL-17诱导表达炎性分子的基因编码有不可缺少的作用，它通过间接介导IL-17信号通路而发挥其相应功能［23］。IL-17为引发KOA炎症反应和参与骨与软骨损伤的重要因子之一。Chen等［24］通过ELISA检测原发性KOA患者血清和滑液中IL-17浓度并结合MRI软骨病变分级评估膝关节损害程度，研究结果显示膝关节病情严重程度与IL-17浓度呈正比，IL-17浓度越高，膝关节骨性关节炎病情越重，表明滑液中IL-17的浓度可以作为反映KOA严重程度和进展的生化指标，潘勇等［25］也得到了类似的结果。

4 IL-18

IL-18最初被发现是一种增强抗CD3刺激的Th1细胞产生干扰素-γ的因子，尤其是在存在IL-12的情况下，在用银加IL-12刺激后，T细胞发展成表达Th1细胞的IL-18受体，从而增加干扰素-γ的产生，以响应IL-18刺激。β-三叶草型空间结构是其信号通路［26］。最原始的IL-18由无活性的前体分子合成，当出现炎症激活IL-1β转化酶后，酶作用于前体分子上Asp-X位置，产生了有活性的细胞因子［27］。IL-18的受体为同源二聚体，由具有结合作用的α链和仅负责信号传导的β链构成，这两条链在IL-18的信号传导过程中都是不可或缺的［28］。IL-18在膝关节腔内分布广泛，IL-18通过诱导T淋巴细胞作用于单核细胞使TNF-α升高和产生干扰素-γ，在关节液中的IL-6、一氧化氮和前列腺素E2经过干扰素-γ的刺激，最终导致KOA进一步加重［29］。有研究发现［30，31］，KOA的病情严重程度与IL-18值呈正比。陈琼等［32］通过检测KOA患者血清中IL-18水平，证实了IL-18在关节软骨破坏和滑膜炎症有至关重要的作用且阻断IL-18通路可改善KOA。

5 小结

KOA是中老年患者中最常见的慢性关节疾病之一，并且是慢性疼痛和残疾的重要原因。Georgiev等［33］确定了KOA的六大类可改变因素：肥胖和超重、合并症、职业因素、身体活动、生物力学因素和饮食与营养，但其具体的发病机制目前仍尚未完全明确。KOA的病情进展缓慢且无法完全治愈，其最终治疗方案为全膝关节置换术，这是目前最主要的一种治疗后期KOA的外科手术方法。但由于全膝关节置换术伴随有相关的并发症和漫长的康复过程，临床医师正试图在手术前通过多种非手术方式来控制KOA的症状。这些方法包括使用抗炎药物、物理疗法、皮质类固醇注射和黏性补充剂。

近年来，通过降低白细胞介素类致炎因子浓度来治疗KOA的研究取得了较大进展。大黄酸具有明显的抗炎作用，可有效抑制炎症反应和调节机体代谢异常的IL-1、IL-1β、IL-1RA、IL-6浓度［34］，双醋瑞因主要成分就是大黄酸，在临床中使用可以持续发挥消炎、止痛的作用，从而有效缓解和改善患者的关节症状和功能活动［35］。

IL-1、IL-6促炎因子作用增强，引起MMPs和TIMPs失衡，导致细胞外基质降解在膝关节骨性关节炎病变过程中发挥重要作用。IL-6是重要的促炎因子之一，在TNF-α和IL-1诱导下由单核巨噬细胞产生，能够刺激软骨基质的分解。IL-6还能刺激IL-1的产生，从而促进MMPs的生成，抑制蛋白聚糖、软骨糖蛋白的合成，促进细胞外基质降解，加速关节及软骨破坏。TNF受体相关因子-6是激活IL-17通路上的关键信号分子。IL-18通过使TNF-α升高和产生干扰素-γ，在关节液中的IL-6、一氧化氮和前列腺素E2经过干扰素-γ的刺激，最终导致KOA的病情进一步加重。

综上所述，白细胞介素类致炎因子与KOA关系密切，基于此，未来的研究工作应当从以下两方面开展：一方面，应当从白细胞介素类致炎因子中筛选出对KOA的灵敏度和特异度高的白介素，针对筛选出的白介素进一步做大量的临床实验数据研究，探求白介素浓度与KOA的关系以更精准的评估KOA的严重程度，从而为KOA患者提供最佳的治疗方案；另一方面，应着重从细胞分子学水平来研究本病，从关节内软骨细胞的增殖与凋亡，软骨基质的代谢及细胞因子调控的信号传导通路入手着手，进一步深入探讨及研究其发病的详细机制和具体作用机理，为临床上治疗膝关节骨性关节炎提供新的靶点和方向。