骨关节炎发病机制研究进展

国家中医药管理局中西医结合临床重点学科国家中医药管理局“十一五”、“十二五”老年病重点专科全国综合医院中医药工作示范单位重庆市教委“十二五”中西医结结合重点学科重庆市中西医结合一级学科硕士学位授权点重庆市卫生局风湿免疫重点专科重庆市卫生局综合医院示范中医科第1页，共67页。1、概述骨关节炎（Osteoarthritis，OA）曾被称为骨关节病，退行性关节病，肥大性关节炎、老年性关节炎、软骨软化性关节病。是一种临床最为常见的风湿性疾病。骨关节炎是影响女性健康的第4位疾病，是影响男性健康的第8位疾病。第2页，共67页。1.1OA定义

OA是在机械性和生物性因素作用下，使关节软骨细胞、细胞外基质和软骨下骨的正常合成与降解失衡，导致关节软骨退变、纤维化、软骨下骨硬化、炎性变及骨赘形成，出现关节疼痛、活动受限，畸形为临床表现的一种疾病。

第3页，共67页。1.2OA发病率

45岁以下5%-10%55-65岁40%-60%75岁以上80%

全球OA总人数高达3.5亿以上。在亚洲平均每6个人中就有1人患本病。我国岁老龄化

的来临，OA患者逐年增多，估计达2亿左右。男女患病比例为1:2。第4页，共67页。1.3OA临床表现（1）起病隐匿，进展缓慢。（2）受累关节疼痛、压痛、肿胀、晨僵、关节摩擦音、关节积液、关节畸形、关节活动受限。（3）重者致残、严重影响生活质量。本病最常侵犯膝关节、髋关节、手关节及脊柱关节。如图示。

第5页，共67页。第6页，共67页。第7页，共67页。第8页，共67页。1.4OA分类

1.4.1按病因分原发性继发性

1.4.2按发病范围分局部性全身性

遗传性

1.4.3按发病机理分退行性侵蚀性

第9页，共67页。2、OA的病因

2.1原发性骨关节炎：原因不明

2.2继发性骨关节炎（1）关节损伤：负荷过重致软骨损伤。（2）全身性疾病：代谢性疾病或内分泌性疾病。（3）负荷减少，长期废用性活动减少。

2.3遗传性骨关节炎：与遗传基因相关。第10页，共67页。3、OA发病的危险因素

3.1年龄：老化的关节软骨改变了软骨细胞功能，而且对细胞因子和生长因子的应答发生变化。

3.2体重（肥胖）：肥胖超重造成关节过度负重。这与髋OA、膝OA有关联。

第11页，共67页。3.3性别：女性发生膝关节更为常见。女性发生手OA为男性2.6倍。

3.4职业：举重运动员发生髋OA。重体力劳动使膝OA发病率。棉纺织工人的手OA发病率。第12页，共67页。3.5骨密度：患膝OA的人的骨密度（BMD）比没有患膝OA人的BMD高；患髋OA的人，其脊柱和四肢部位的骨密度较高；患有双侧髋OA的女性和伴有髋关节骨赘的女性，其股骨颈BMD最高。第13页，共67页。3.6雌激素绝经后雌激素水平的下降和骨关节炎的发生密切相关。激素替代治疗，可保护关节免于发生OA。3.7损伤：研究表明：膝关节损伤者，膝OA发生率显著增高；髋关节损伤者，髋OA发生率显著增高。第14页，共67页。3.8遗传因素：人们通过对Heberden’s结节遗传性的研究，已经认识到遗传因素在OA发病中的重要作用。父母患有OA，其子女患OA的危险大大增高。

第15页，共67页。3.9畸形与手术：先天畸形致使关节受力分布异常，使关节面受力不均，致关节面有效负重面积减少，使单位面积的软骨压力增加，损害软骨而致OA的发生。长期石膏固定，缺乏锻炼，可使关节软骨出现先天性萎缩，蛋白多糖合成停滞，而使软骨变性。第16页，共67页。3.10营养：食物中的许多营养成份含有抗氧化剂，可以抵抗氧自由基对抗体的损伤，防止或延缓某些疾病的发生（OA）。食物中维生素C和维生素E是最有效的抗氧化剂。缺乏维生素C可使关节软骨代谢异常，影响胶原和蛋白多糖的合成。

第17页，共67页。4.OA的病理学

OA主要累及负重关节的关节软骨，其次是滑膜。

第18页，共67页。4.1关节软骨的构成及功能软骨主要由软骨细胞、细胞外基质构成。另有少量糖蛋白、纤维粘连蛋白及层粘连蛋白。第19页，共67页。4.1.1软骨细胞软骨细胞在关节软骨中大约占10%（湿重）。在成人仅占体积的2%左右。其功能是：分泌胶原蛋白、弹性蛋白、蛋白多糖以构成细胞外基质。第20页，共67页。4.1.2细胞外基质是一多水分的组织，水占总湿重的60-80%。剩余的20%-30%由胶原与蛋白多糖（聚集蛋白多糖）两种大分子物质构成。细胞外基质的功能（1）保持软骨的完整性和伸展性；（2）维持软骨张力，使软骨具有抗压特性。第21页，共67页。4.2OA的病理变化骨关节的所有组织均可受累，包括软骨，软骨下骨、滑膜、半月板、韧带及支持的神经肌肉组织。（如图）

第22页，共67页。正常第23页，共67页。正常异常第24页，共67页。4.2.1软骨早期：软骨弹性改变↓软骨表面变薄、变软、不光滑↓中期：顶部出现裂隙、糜烂、溃疡↓软骨片状剥脱→软骨下骨裸露↓晚期：软骨下骨重塑（软骨内骨形成、边缘骨赘、软骨下骨硬化及假囊肿形成）第25页，共67页。4.2.2滑膜

早期：滑膜充血、血管周围局限性淋巴细胞及浆细胞浸润。

晚期：滑膜呈绒毛样增生；并失去弹性、关节囊增厚（关节活动受限）。

第26页，共67页。5.OA的发病机理目前研究认为：

OA发病的中心环节是关节软骨的退变，而原因则是力学和生物学因素共同导致软骨细胞、细胞外基质及软骨下骨的降解与合成失衡。第27页，共67页。5.1OA的力学机制适当运动的力学刺激会限制软骨退变，而创伤及过度负荷会导致软骨破坏，发生OA。研究证明：力学刺激的种类、频率、持续的时间及强度对软骨细胞均有影响。第28页，共67页。5.1.1异常力学刺激对软骨基质的影响超生理限度的异常应力作用于软骨时，使胶原纤维网架松弛，超微结构破坏，胶原纤维断裂而发生软骨退变。第29页，共67页。5.1.2异常力学刺激对软骨细胞的影响低压应力导致软骨细胞的功能下降；高压应力导致软骨细胞功能代偿性增强；过度应力使软骨细胞表型改变，导致蛋白多糖代谢异常。第30页，共67页。5.1.3异常力学对软骨下骨的影响研究表明：压力性静水压能降低成骨指数，而具有维护软骨的作用；张力性静水压则增加成骨指数，而具有诱发软骨变性，破坏和促进骨化的作用。第31页，共67页。5.2OA的生物学机制当力学刺激作用于关节软骨时，软骨细胞将力学信号转化成生物学信号来调节其代谢活动。力学信号转化成生物学信号，一般有四种途径：（1）核转录因子信号传导（2）整合素途径（3）Ca途径（4）MAPK途径第32页，共67页。5.2.1基质金属蛋白酶（MMPs）和基质金属蛋白酶组织抑制剂（TIMPs）失衡（1）基质金属蛋白酶（MMPs）

MMPs在软骨基质大分子降解中起有重要作用；

MMP-1（胶原酶-1）可降解Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型胶原，Ⅲ型最有效；

MMP-8（胶原酶-2）降解Ⅱ型胶原较强，但认识有分歧；

MMP-13（胶原酶-3）是已知Ⅱ型胶原最强的降解酶。对蛋白多糖也具较强降解作用。第33页，共67页。

生理条件下，胶原酶生物活性受激动剂和抑制剂（TIMP）调控。OA时，关节软骨和滑液中TIMPs和MMPs失衡，TIMPs缺乏，引起MMPs活性升高，从而有利于MMPs发挥基质降解作用。第34页，共67页。

5.2.2分解性细胞因子和合成性细胞因子失衡维持软骨完整性有赖于分解代谢和合成代谢的动态平衡。分解性细胞因子诱导蛋白酶合成，增加软骨基质降解，导致蛋白多糖丢失；合成性细胞因子则增加软骨基质成份和基质金属蛋白酶组织抑制剂，拮抗分解性因子的效应。第35页，共67页。

软骨基质的正常结构与功能依赖于合成代谢和分解代谢的平衡，此平衡是通过细胞因子来调控的。

第36页，共67页。（1）促进基质合成，抑制分解的细胞因子

1）胰岛素样生长因子（IGF）

IGF-1可促进软骨细胞DNA合成，细胞分化增殖和提高细胞成熟度。研究表明IGF增高程度与软骨损害程度密切相关，认为IGF在促进软骨修复方面起有重要作用。第37页，共67页。2）转化生长因子（TGF）

TGF-β促进软骨细胞有丝分裂，拮抗

1L-I和TNF-α,刺激软骨细胞合成胶原。研究认为TGF-β在OA骨赘形成和滑膜增生中起有重要作用。第38页，共67页。（2）抑制基质合成、促进分解的细胞因子

1）白介素-1（1L-1）

1L-1对骨关节炎的影响是多靶点的。干扰软骨细胞正常代谢，诱导软骨细胞凋亡，抑制软骨细胞增殖；降解软骨基质；参与滑膜炎、刺激滑膜增生，产生胶原酶及前列腺素E2（PGE2）

OA时，1L-1受体拮抗剂（1L-1Ra）相对减少，不能充分抑制1L-1的过度反应，成为软骨降解的重要原因之一。第39页，共67页。

2）肿瘤坏死因子-α（TNF-α）

TNF-α的作用机制类似IL-1，通过增加MMPs活性来抑制基质中糖蛋白和胶原的合成，加速软骨基质的降解。

第40页，共67页。实验表明：①IL-1的效力是TNF-α的100-1000倍。②二者联用有协同作用，同时向关节腔内注射时，对软骨的破坏作用强于其中任何一种单独应用。③二者除了对分解代谢有效应外，也对软骨细胞合成代谢有作用。单独或联合应用，能抑制蛋白聚糖和Ⅱ型胶原的合成。第41页，共67页。5.2.3一氧化氮（NO）与自由基损伤（1）一氧化氮一氧化氮（NO）作为生物体内一种结构简单的多功能生物信息分子，在人体正常功能和许多疾病的发生发展（NO主要通过两种途径引起组织损伤）中起有重要作用。第42页，共67页。研究证明：过量的NO可抑制软骨细胞合成软骨基质，增加Ⅱ型胶原裂解；诱导细胞凋亡，抑制软骨细胞增殖。第43页，共67页。

在骨关节炎中，软骨细胞诱发型一氧化氮合酶（iNOS）表达上调，导致NO生成增加。进一步研究表明，抑制iNOS，可以减慢实验性OA的进程，提示NO介导了骨关节炎的发生与发展。第44页，共67页。（2）氧自由基氧自由基是在参与各种生物代谢过程中未被完全还原而产生的一系列不稳定的原子、离子、原子团和分子。主要包括超氧阴离子O2-、单线态氧、氢自由基等。第45页，共67页。

在生理情况下，由于机体具有强大的自由基防御系统，可将机体代谢所产生的自由基及时清除。在病理情况下，自由基生成增加，清除率下降，导致自由基堆积，继而自由基作用于多不饱和脂肪酸诱发脂质过氧化反应，使脂肪过氧化物生成增加，对局部组织产生破坏。第46页，共67页。

OA患者关节、滑膜、滑液中，常有白细胞、巨噬细胞聚集，其表面受到免疫复合物、补体等成份作用时，可释放大量自由基，如超氧阴离子O2-

，易于形成活跃的羟自由基（OH-）。研究发现：这些自由基可抑制关节软骨细胞DNA、基质蛋白多糖和胶原的合成；引起软骨细胞凋亡，造成软骨细胞大量减少。第47页，共67页。

研究还发现，这些自由基还可通过对细胞膜、蛋白质、核酸等的损伤，形成自身抗原，导致淋巴系统功能异常和自身免疫反应，引起软骨细胞形态，生长状态和功能发生改变，使胶原的分泌由Ⅱ型转为Ⅰ型，导致软骨的损伤与退变。第48页，共67页。5.2.4尿激酶型纤溶酶原激活物分泌增多尿激酶型纤溶酶原激活物（upA）主要作用于生理病理条件下的细胞迁移和组织修复，介导细胞周围基质蛋白的降解，它不仅可以激活其它蛋白酶，而且其自身也能直接降解细胞外基质基底膜。第49页，共67页。

在软骨基质降解酶中，upA系统起有重要作用。该系统主要包括：upA、upAR和PAI（纤溶酶原激活因子抑制物）。①upA与upAR结合后，可直接引起细胞外基质降解。②upA使纤溶酶原活化纤溶酶

MMPs活化基质降解。

第50页，共67页。

在OA中，软骨及滑膜中的纤溶酶原/纤溶酶原激活物活性明显升高，当肌肉注射PAI后，关节软骨退变明显减缓。进一步研究发现，upA水平与关节软骨破坏严重程度密切相关，说明upA系统在OA基质降解中发挥了重要作用。第51页，共67页。

在关节发生炎症时，滑膜及软骨等细胞分泌过多upA，致使upA系统（尿激酶型纤溶酶原激活物/纤溶酶原激活因子抑制物，upA/PAI）失调，导致关节软骨和骨破坏。第52页，共67页。5.2.5OA时滑液中透明质酸水平下降滑液是滑膜关节内的一种清晰的具有高粘性的液体，为关节提供了液态环境。它在滑膜内由滑膜衬里细胞分泌到关节腔内。它具有润滑软骨面的作用，对维持其低摩擦特性至关重要。它作为运输媒介向软骨细胞输送必需的营养物质。第53页，共67页。

滑液内有透明质酸和润滑素等物质，这两种物质是滑液粘滞性的主要决定因素。透明质酸是唯一的非硫酸化的氨基葡聚糖，它大量的存在于滑液中，其含量约为3.5mg/dl。透明质酸由氨基葡聚糖和葡萄糖醛酸，在透明质酸合酶作用下聚合而成，是关节液及软骨基质的主要组成成份。第54页，共67页。

通常在骨关节炎的关节里，普遍存在非侵蚀性的、局限性滑膜炎。研究发现与关节软骨直接相邻的滑膜，滑膜炎症状较为严重。

第55页，共67页。

同时，OA时关节软骨的磨损颗粒和其它物质的降解产物，可刺激滑膜细胞分泌前炎性细胞因子，从而增强了周边滑膜组织炎症，促进了滑膜纤维化，导致滑液中透明质酸被分解而缺乏或丧失，使其浓度降低。第56页，共67页。5.2.6软骨细胞病理性凋亡软骨细胞是关节软骨中唯一的细胞，它负责细胞外基质的合成与更新，维持基质的完整。细胞凋亡是一个正常的生理过程，是一种由基因调控，主动地去除非需要细胞的程序性死亡过程，然而过度凋亡则是病理性的和有害的。第57页，共67页。

正常人关节软骨细胞可出现凋亡，但检出率低，在骨关节炎病人则凋亡数量显著增加。有人(Heraud)检测了正常人和OA患者，髋关节软骨的软骨细胞凋亡率分别是2-5%和18-21%；Blanco报道为11%和50%；Hashimoto报道是6.7%和28.7%，说明骨关节患者存在着病理性凋亡。第58页，共67页。

其病理性凋亡主要分布于软骨受损后的浅表层及中层，这些区域是一氧化氮合酶（