炎性介质与骨关节炎

炎性介质与骨关节炎炎性介质与骨关节炎 在创伤和骨关节炎等疾病所致关节软骨破坏的病理过程中，有多种炎性介质参与软骨 基质降解，如白细胞介素(IL)、肿瘤坏死因子、肿瘤坏死因子 （TNF-） 、基质金属蛋白酶（、基质金属蛋白酶（MMPs） 、 氧自由基、一氧化氮氧自由基、一氧化氮(NO)等，多种炎性介质的持续存在可能破坏其余正常软骨，甚至引起 新的缺损。另一类参与免疫炎症反应的调节因子为白三烯类、前列腺素类白三烯类、前列腺素类(PGE2、PGI2)和和 组织胺组织胺等 ,它们主要参与炎症早期过程。 一、前炎性细胞因子一、前炎性细胞因子 近年来肿瘤坏死因子 ()已被公认为一种参与免疫及炎症反应的重要细胞因 子 ,与白细胞介素 1(-1 )、白细胞介素 6(-6)及白细胞介素 8(-8)一起被认为是 前炎性细胞因子，它们主要调节炎症中多种相关细胞的相互反应并参与损伤后的修复过程。 这些细胞因子并非独立行使功能 ,它们有相互重叠的生物学活性 ,而且彼此间形成信号网络 30。 1.1 肿瘤坏死因子肿瘤坏死因子 实验性 OA 的早期 ,TNF- 是滑液中最先出现的细胞因子 ,并与关节软骨的降解相关 2。TNF- 可促进成纤维细胞和软骨细胞分泌 PGE2 和多种胶原酶，对软骨细胞及基质有 损伤作用。TNF- 既协同 IL-1 的作用 ,又可激活 IL -6 基因、诱导 IL -6 的生成 ,在 OA 的发生、发展中有可能起着决定性作用 4。一般认为 TNF- 可来源于由单核细胞等浸润 的炎性滑膜组织及变性软骨细胞。然而 ,本研究发现 ,除变性的软骨细胞等因素外 ,晚期 OA 与其滑液中 TNF- 含量增加相关的滑膜组织并非表现为明显的炎性病变 ,而以 A、B 型滑膜细胞功能异常活跃为主。因此可以认为，滑液中 TNF- 的异常升高主要归因 于滑膜 A、B 型细胞的功能异常。 肿瘤坏死因子（TNF）主要由单核/巨噬细胞产生，以往对 TNF 的研究多侧重于在类 风湿性关节炎中的致病作用。近年来的研究表明，实验性 OA 早期，关节滑液中几乎全部 可检测出 TNF- 活性物质，且患侧滑液中的 TNF- 的含量较健侧高 1.5-3.5 倍2。骨 关节炎关节滑液中含有高水平的 TNF-，并与其滑膜组织的纤维化程度相关1。 由于- 既协同-1 的作用 ,又可激活-6 基因、诱导-6 生成 ,在骨 关节炎()的发生、发展中有可能起着决定性的作用4。何耀华35证实，TNF- 诱 导滑膜细胞、软骨细胞分泌 IL-1,在 OA 的发病中与 IL-1 起着协同作用。 或许- 通过诱导滑膜细胞的增殖与变性 ,导致滑膜组织纤维化、改变关节的 力学特征及软骨细胞的生活微环境 ,而作为参与关节软骨退变的途径之一。邓廉夫等 5认为，- 以促滑膜成纤维细胞样细胞增殖作用为主，并因其增强滑膜细胞 的表达功能 ,而可能成为滑膜组织纤维性变及滑液中细胞因子水平异常升高的诱导 因素之一 ,从而改变关节软骨的生活微环境、促进的发生、发展。邓廉夫等3的研究 结果表明，晚期 OA 滑液中含有高水平的 TNF-，OA、慢性关节内创伤患者血清中亦含有 高水平的 TNF-，而急性关节内创伤患者仅滑液中含高水平的 TNF-。提示关节滑液中 TNF- 的来源，除因年龄增长可能存在的体循环单核/巨噬细胞对脂多糖 （lipopolysaccharide, LPS）反应性异常和对 TNF- 清除机制缺陷而导致血清中 TNF- 水平升高外，滑膜细胞的功能异常乃至变性，是造成晚期 OA 和急性关节内创伤的滑液中 TNF- 水平升高的主要原因之一。 1.2 白细胞介素（白细胞介素（IL） 1.2.1 白细胞介素白细胞介素-1(IL-1) IL-1 是典型的炎症调节剂，是调节炎症的始动因素。早在“20 世纪 70 年代，Howell 等 在体外培养巨噬细胞时发现其上清液能促进软骨的降解，并促进软骨细胞分泌金属蛋白酶。 IL-1 可由多种细胞如巨噬细胞、软骨细胞、滑膜细胞等产生，有 IL-1 和 IL-!两种亚型 10。有报道，对膝关节滑膜细胞培养后，其上清液所含的 IL-1 主要 IL- 以为主11， 是构成胞外 IL-1 的主要成分。炎症情况下，粒细胞巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)水平 升高，它也能促进 IL-1 的产生，增加 IL- 的合成；此外，关节滑膜细胞也可分泌 IL- 。Pelletier 等12发现，即使在 AO 早期，应用免疫组化技术也能发现 IL- 存在于关节 滑膜衬里层细胞，并在深层组织也可测到。Shinmei 等13报道，IL- 存在于关节软骨细 胞中，而在外周血管翳以及淋巴细胞聚集的地方则较少。IL- 能促进软骨和滑膜组织金 属蛋白酶的表达，包括基质溶酶、胶原酶、组织纤维蛋白溶酶激活剂等；能辅助 c 细胞生 长、诱导内皮细胞黏附因子的表达；能抑制软骨细胞型前胶原 mRNA 的表达、型胶原 和蛋白多糖的合成，具有骨吸收作用。 白细胞介素白细胞介素 1 ( 1 )作为一种发现最早的细胞因子 ,有证据其在骨关节炎的发生发展中 发挥了重要作用14,20。IL-1 及 TNF 均可作用于软骨细胞及成纤维细胞，抑制基质大分 子如型胶原及蛋白多糖聚合体的合成；同时还可刺激朙降解酶（包括中性蛋白酶及胶原 酶） ，以及倡导前列腺素（PGE2）的合成汲分泌，从而导致软骨破坏、骨吸收。陈游等20 的研究结果显示关节滑液中 IL-1 水平与病变程度呈正相关，表明 IL-1 水平的不断升 高是 OA 软骨进行性退变的重要原因之一。 IL-1 可由多种细胞产生，如软骨细胞、滑膜细胞、巨噬细胞等，有 IL-1 和 IL-1 两种 亚型，IL-1 是细胞外 IL-1 的主要成分。IL-1 受体的表达在 OA 的软骨细胞上要高于正 常的软骨细胞，提示 OA 可能与 IL-1 作用有关。目前研究证实34，IL-1 能刺激成纤维 细胞、软骨细胞和滑膜细胞分泌前列腺素 E2（PGE2） 、胶原酶和基质金属蛋白酶，加速软 骨基质中蛋白多糖和型胶原的降解，并抑制蛋白多糖和型胶原的合成，抑制型前胶 原 mRNA 的表达，参与了病变软骨的破坏。 TNF- 可促进成纤维细胞和软骨细胞分泌 PGE2 和多种胶原酶，对软骨细胞及基质有损伤 作用。与 IL-1 的生物学效应类似， ，但其生物学活性却比 IL-1 低约 100 倍 1.2.2 白细胞介素白细胞介素 6(IL-6) 近 20 年来，一系列的研究表明白细胞介素 6（IL-6）j 关节破坏及炎症的重要介质18。 目前 ,人们对 IL-6 在发病中的作用尚存在争论。Mohtai 等发现 IL-6 可以诱导正常软 骨细胞表达 IL-6 ,因而认为 IL-6 在病程中起分解细胞因子的作用。但是 ,IL- 6 能刺激合成金属蛋白酶组织抑制剂(TIMP),通过负反馈作用减弱 MMP 对软骨的破坏 ,因 此可以认为，Il-6 可正向调节 TIMP 的含量，维持 MMP/TIMP 的平衡 ,起到保护软骨的作 用17。IL-6 与 IL-1 及 TNF 不同，虽然不能刺激软骨细胞及滑膜细胞产生 PGE2及胶原 酶，但可增强 IL-1 及 TNF 在关节疾病中的作用。此外，IL-6 还具有较强的刺激 B 淋巴 细胞产生抗体的能力，在免疫调节中发挥主要作用19。陈游等20的研究发现，IL-6 的 水平在早期轻度颊滑液中已明显高于正常，而 IL-1 在晚期重度病变颊滑液中明显增设。 表明当某种原因如损伤、劳损、制动或感染等导致关节软骨损害，而使软骨成分暴露时可 诱发抗自身软骨的自身免疫反应。IL-6 介导了这一过程，IL-6 增高诱导 IL-1 及其他细胞 因子的产生，并增强其作用。 1.2.3 白细胞介素白细胞介素-8(IL-8) 二、金属蛋白酶二、金属蛋白酶 目前认为滑膜炎在 OA 发病中起着重要作用，它可加速软骨基质的分解代谢和软骨的 退变。已证明软骨基质的破坏和退变与蛋白水解酶，如金属蛋白酶活性的增高密切相关， 而滑膜分泌的细胞活素，如 IL-1 和 TNF- 等对金属蛋白酶和其他蛋白水解酶的合成起着 重要的调节作用9。金属蛋白酶（金属蛋白酶（matrixmatrix metaloproteinases,MMPsmetaloproteinases,MMPs） MMPs 可由软骨 细胞、滑膜细胞及成纤维细胞等产生。管剑龙等的研究表明，OA 软骨细胞产酶以 MMP-9 为主，其次为 MMP-2，而 OA 滑膜细胞则仅产生 MMP-2，说明 MMP-9 和 MMP-2 的细胞来源和 酶活性的影响因素不同。MMP-9 的作用底物为型胶原和蛋白聚糖以外的微小细胞外基质 成分。IL-1 能抑制软骨细胞合成蛋白聚糖和型胶原，为降解朙细胞外基质的重要炎症介 质，其破坏作用可能与刺激 MMPs 合成或活性有关37。IL-1 和 TNF- 等细胞因子可能 与膜相关受体结合后，通过共同的信号传导途径介导 MMPs 产生，从而参与 OA 软骨破坏。 生理状态下，参与 MMPs 的调节因素构成精密的调节网络，以保证机体细胞的正常功能和细 胞外基质的重建；如果 MMPs 的调节机制紊乱，MMPs 的产量增多或活性增强，细胞外基质 降解增加，则引起骨关节炎等疾病的发生36。 氧自由基氧自由基 许鹏等24的研究发现，在创伤性关节炎患者的关节液中存在高水平自由基， NO 和氧自由基在创伤性关节炎的发病机制中具有重要的作用。 自由基在病变过程中扮演了重要角色 , 患者体内氧自由基代谢发生了紊乱。 Bukhard 等16发现氧自由基可抑制关节软骨细胞合成 ,破坏软骨细胞膜结构。 关节软骨的退变是导致 OA 的最直接原因 ,多种因素多种机制参与软骨的破坏机制。近年 来 ,氧自由基 (Oxygen free radicals OFR)与 OA 的关系已引起人们的密切关注。目前已有 许多实验证明 ,中性粒细胞、巨噬细胞通过“呼吸爆发”产生的 OFR 是引起某些炎性关节 病，关节软骨损伤的重要原因 , OFR 可能参与 OA 的病理过程31。Bukhardt 等32在离 体实验研究中发现自由基 (Free radicals FR)可抑制软骨基质蛋白多糖 (Proteoglycan PG)的 合成 ,促进 PG 和胶原的降解。宫明智等33研究结果表明 OA 患者体内存在着 OFR 代谢 紊乱。本实验测定结果表明兔患侧膝滑膜组织中同样存在着 OFR 代谢紊乱 ,机体清除 OFR 能力降低 ,OFR 生成增多。 康一凡等21的研究认为，在膝骨关节炎的患膝关节滑液中 ,存在氧自由基相关物质的变化。 氧自由基对软骨细胞的损害可能是多方面的 ,可能通过抑制软骨细胞 DNA 的合成 ,破环蛋 白多糖和胶原分解合成代谢 ,从而破环软骨细胞的合成能力 ,引起软骨细胞损伤。氧自由基 在膝骨关节炎的病理过程中损害作用的确切机制尚需进一步研究。 自由基对关节软骨的损害作用主要表现在以下两个方面：(1)氧自由基破坏胶原纤维，一方 面使蛋白多糖发生流失，另一方面由于失去了正常弹性，因而不能有效地保护软骨细胞； (2)氧自由基损伤软骨细胞，不但改变细胞形态和生长状况，更重要的是改变细胞功能。另 有实验提示氧自由基可改变蛋白多糖和胶原蛋白的合成与分泌功能，同时使软骨细胞分泌 透明质 酸减少，滑液粘蛋白解聚22。 研究表明，膝骨性关节炎机体内氧自由基代紊乱，血清 SOD 活性下降，脂质过氧化物 (LPO)含量明显升高，提示病变局部组织细胞清除自由基能力受到抑制。过量的氧自由基 可以 破坏关节软骨纤维，损伤软骨细胞，从而导致软骨的损伤23。 一氧化氮一氧化氮(NO) 在体内 ,NO 是一种活泼的自由基分子，由一氧化氮合成酶(niteic oxide synthase, NOS)作用于 L-精氨酸产生的。NOS 有结构型 (cNOS)和诱导型 (iNOS)之分。 iNOS 的特点是可以被细胞因子诱导产生。软骨细胞 ,在细胞因子 IL - 1 等作用下可以产生 NO28,而 NO 抑制软骨细胞蛋白多糖的合成 ,促进软骨细胞合成金属蛋白酶(MMPs)及 PGE2 ，增加型胶原的裂解，这些因素 ,在软骨细胞退变及基质的破坏中起重要作用。 金大地等27的研究表明，NO 可能是多种细胞因子的信号分子，介导它们发挥生物学作用。 正常情况下，NO 起着宿主防疫作用，查过量的 NO 可导致各种慢性炎症25,26。彭丹等 29的研究表明，NO 是引起实验性 OA 中软骨细胞凋亡的重要介质之一，并推论 NO 可能 通过以下四个方面的机制使细胞发生凋亡：抑制三羧酸循环中乌头酸酶的活性，使细胞 氧化代谢和呼吸受到干扰，糖原分解，导致糖原衰竭；直接与某些含亚铁原卟啉的铁离 子结合形成亚硝酰络合物，造成线粒体损害；引起核酸亚硝酰化，破坏 DNA 双螺旋结 构；影响细胞内的其他靶分子，调节第二信使，诱导非依赖于基因组 DNA 损伤的细胞 凋亡。软骨细胞凋亡的诱导有两个独立通路，一是 NO 依赖通路，二是 Fas 介导的非 NO 依赖通路 ,在 OA 中，NO 依赖通路更重要总之，OA 病人存在软骨细胞凋亡，而凋亡与 NO 升高相关，抑 制 NO 的产生，可以抑制凋亡的产生。 白三烯类白三烯类是花生四烯酸经 5-脂氧酶途径生成的一族脂类介质 ,广泛参与生物体的病理生理 过程 ,如炎症、哮喘、脑缺血再灌损伤、创伤和休克等。 花生四烯酸代谢物花生四烯酸代谢物 PGE2 是公认的强有力的炎症介质之一。当细胞受某些机械、化学等物 质的刺激 ,细胞膜中磷脂酶 A2被激活 ,使磷脂水解释出花生四烯酸 ,然后在一系列酶作用 下生成 PGE2 等产物。PGE2 能诱发炎症 ,促进局部血管扩张、毛细血管通透性增加、白 细胞渗出等 ,导致炎症反应。PGE2 不但具有极强的致炎作用 ,而且具有直接的致痛作用和 增加神经伤害性感受器对其他致痛物质的敏感性。 组织胺组织胺 由于青滕碱是一种较强的组织胺释放剂 ,组织胺释放所致的不良反应为本药的唯 一缺陷 , 有文献曾提到”组织胺组织胺具有抑制免疫反应及抗炎作用 ,使用组织胺拮抗剂可能会促 进炎症进展及改变免疫反应”。 1 TNF- 邓兼夫，柴本甫，李慧，等。骨关节炎滑液中肿瘤坏死因子- 活性检测及滑 膜组织的超微结构观察。中华外科杂志，1998，36：77-79 2 Venn G, Nielfeld JJ, Duits AJ,et al. Elevated synovial fluid levels of interleukin-6 and tumor necrosis factor associated with early experimental canine osteoarthritis. Arthritis Rheum, 1993,36:819-826 3 邓廉夫，柴本甫，杨庆铭。骨关节炎滑膜细胞分泌肿瘤坏死因子的生物学特征研究。 中华骨科杂志，1999,19（12）：726-729 4 邓廉夫 ,柴本甫.-1、和-6 与骨关节炎.国外医学创伤与外科基本问题分 册 ,1 996 ;1 7:1 0 2 6 5 邓廉夫，柴本甫，杨庆铭。肿瘤坏死因子 对骨关节炎滑膜细胞增殖和表达 的影响。中国药理学通报，1998,14（6）:506-508 6 Howell DS. Pathogensis of osteoarthritis. Am JMed,1 986 ,80 :2 4- 2 8 7 Meek WD,Raber BT,Mc Clain OM,et al. Fine structure ofthe human synovial lining cell in osteoarthritis:its prominentcytoskeleton. Anat Record,1 991 ,2 3 1 :1 45- 1 55 8 Walker ER,Boyd RD,Wu DD,et al. Morphologic and morphometric changes in synovial membrane associated with mechanically induced osteoarthrosis. Arthitis Rheum,1991,34:515-52 4 9 Altman R, Asch E, Bloch D, et al. Development of criteria for the classification and reporting of osteoarthritis. Classification of osteoarthritis of the knee. Diagnostic and therapeuticc criteria comm.ittee of the American rheumatism association. Arthritis Rheum, 1986,29(8):1039-1049 10 Westacott CI, Whicher JT, Barnes IC, et al. Synovial fluid concentration of five different cytokines in rheumatic diseases. Am Rheum Dis, 1990, 49(9): 676-680 11 Pelletier JP, Mccollum R, Cloutier R, et al. Synthesis of metaloproteases and interleukin 6(IL-6) in human osteoarthritic synovial membrane is an IL-1 mediated processs. J Rheumatol,1995, 22(Suppl 43):109-14 12 Pelleteier JP, Faure MP, Dibattsta JA, et al. Coordinate synthesis of stromelysin, interleukin- 1, and oncogene proteins in experimental osteoarthritis. An immuneohistochemical study. Am J Pathol,1993,142(1):95-105 13 Shinmei M, Msuda K, Kikuchi T, et al. Interleukin 1, tumor necrosis factor and interleukin 6 as mediators of cartilage destruction. Semin Arthritis Rheum, 1989,18(Supple 1):27-32 14 Pelletier JP, Kibattista JA, Roughtey D, et al. Cytokines and inflammation in cartilage degradation. Rheum Kis Clin of North Am, 1993,19:545-569 15 Mohtai M, Gupta MK, Donlon B, eta al. Expression of interleukin-6 in osteoarthritic chondrocytes and effects of fluid induced shear on this expression in normal human chondrocytes in vitro. J Orthop Res, 1996, 14:67-73 16 Bukhardt H, Schwingel M, Menninter H, et al. Oxgen radicals as effectors of cartilage destruction. Arthritis Rheum, 1986,29:379-382 17 邵俊杰，蒋卓，张先龙，等。白介素 6 和转化生长因子 1 在膝骨关节炎发病中的 作用。上海医学，2002,25，增刊：10-12 18 王梅，于长隆。老年骨性关节炎。中国临床康复，2002,6（1）：25-26 19 卫晓恩。骨关节炎的遗传学因素。中国临床康复，2002,6（1）：89 20 陈游，孙材江，方建珍，等。不同程度膝骨关节炎颊滑液中几种细胞因子水平变化。 中国临床康复，2002,6（10）：1426-1427 21 康一凡，逄育。氧自由基与膝骨关节炎关系的实验及临床研究。第二军医大学学报， 2001,22(10)：947=948 22 黄涛,黄昌林。运动对兔膝制动后血氧自由基的影响。中国运动医学杂志，2 0 0 0，19(3)：317-319 23 谢林，周酋谦，孙达武。丹紫康膝冲剂对膝关节退行性骨关节患者氧自由基代谢的影 响。中国中医骨伤科杂志，1997,5(2)：8-10 24 许鹏，靳卫章，姚建锋，等。创伤性关节炎颊血清和关节液中自由基水平及意义。实 用骨科杂志，2001,7(3)：186-188 25 钏慈声，孙安阳。一氧化氮的生物医学，第 1 版。上海：上海医科大学出版社， 1997,784-785。 26 Hauselmann HJ, Stefanovic-Racc M, Michel BA, et al. Differences in nitric oxide production by superficiall and deep human articular chondrocytes: implications for proteoglycan tumover in inflammartory joint diseases. J Immunol, 1998,160:1444-1448 27 金大地，孙炜，王吉兴，等。一氧化氮合酶抑制剂对骨关节炎的潜在治疗意义。中华 骨科杂志，2002,22(6)：367-371 28 裴明，曲绵域，于长隆。诱导型一氧化氮合酶和白介素-1 受体拮抗剂在骨关节炎滑 膜和软骨中的表达及意义。中国运动医学杂志 2000，19(3)：246-248 29 彭丹，孙材江，周江南。一氧化氮在实验性骨关节炎软骨细胞凋亡中的作用。中华风 湿病学杂志，2000,4(4)：232-234 30 Henrotin YE, De Groote DD, Labasse AH, et al. Effects of exogenous IL-1beta, TNF alpha, IL-6, IL-8 and LIFon cytokine production by human articular chondrocytes. Osteoarthritis Cartilage, 1996,4:163-168 31 孙材江 ,王慧 ,杨锡兰 ,等。退行性膝关节炎患者氧自由基代谢的观察。中华骨科杂 志 1 992 ;1 2 (6 ):43 3 32 Bukhardt H,Schwingel M,Menninter H,etal. Oxygen radicals aseffector of cartilage destruction. Arthritis Rheum 1 986 ;2 9:3 79 33 宫明智 ,马中亮 ,李心河 ,等。微量元素、氧自由基在慢性膝关节炎的变化。微量元 素与健康研究 1 995;1 2 (3 ):1 3 34 Goldring MB, Birkhead J, Sandell IJ, et al. J Clin Invest, 1998, 82(6):2026 35 何耀华，翁习生，邱贵兴. 中华骨科杂志，1999,5：281-284 36 Woes