低氧微環境與骨性關節炎發生和發展的研究新進展

馬　鑠，王文波(綜述)，劉　寧(審校)

(哈爾濱醫科大學附屬第一醫院骨三科，哈爾濱 150001)

?

低氧微環境與骨性關節炎發生和發展的研究新進展

馬鑠△，王文波※(綜述)，劉寧(審校)

(哈爾濱醫科大學附屬第一醫院骨三科，哈爾濱 150001)

摘要：骨性關節炎(OA)是骨骼系統最常見的慢性疾病。近年來，隨著人口老齡化的增長及肥胖人群的增加，其發病率也逐年增高。然而,導致OA發生的確切機制目前尚不明確。正常情況下，關節腔處于一種生理性低氧環境之中，這種低氧環境對關節軟骨的正常生理功能及軟骨細胞的生存具有重要的意義，但在OA患者的關節腔內的氧含量是明顯降低的。有研究顯示關節腔內病理性低氧與OA發生、發展中的各個病理變化密切相關。因此，正確的認識和了解關節腔內低氧微環境的變化可以對骨性關節炎發生、發展機制的探究起到更好的指導和幫助。

關鍵詞：骨性關節炎；低氧；軟骨；滑膜；低氧誘導因子

骨性關節炎 (osteoarthritis, OA) 是骨骼系統最常見的慢性疾病。隨著人口老齡化的增長及肥胖人群的增加，OA的發病率也逐年增高。根據統計顯示，全球60歲以上的人群中至少有10%的OA患者[1]。該疾病可以引起整個關節結構的改變，其中以關節軟骨破壞、軟骨下骨硬化、滑膜炎及骨贅生成為主要病理特征[2]。一般認為OA的發生、發展可能與外傷、炎癥及代謝異常等因素有關，這些因素均能導致關節中各組織的合成分解代謝失衡，最終導致關節功能喪失，但其確切機制目前尚不明確。氧是生物體最基本的分子，保持氧氣的自我平衡是多細胞生物生存的重要條件。而低氧已被證實在許多疾病的病理學中起到了至關重要的作用，例如心肌梗死、癌癥、腦卒中和慢性肺部疾病等[3]。同樣，OA患者的關節腔內的氧含量也是明顯降低的。Schneider等[4]通過活體測量技術證明，在骨關節炎關節中氧水平大幅度地減少。因此，低氧被認為與OA發生及發展有著密不可分的聯系?，F就目前低氧微環境與OA的相關研究進展予以綜述。

1低氧與關節軟骨代謝

1.1低氧影響軟骨細胞外基質代謝關節腔是一個密閉低氧的環境，關節軟骨細胞對關節腔內低氧環境有良好的適應能力，而且能夠利用這種特殊的條件來促進自身的組織特異性功能[5]。然而，在關節腔內氧分壓過低的情況下同樣會影響關節軟骨細胞的生存。研究顯示，OA關節中的氧分壓明顯低于正常關節中的氧分壓[4]。而極低的氧環境能夠導致和加劇關節軟骨細胞的分解代謝反應，因此認為病理性缺氧不但是關節軟骨細胞破壞不可或缺的條件，而且也是重要的誘發因素之一。Malpeli等[6]在關節軟骨的體外培養研究中發現，在每個細胞和培養基中，膠原蛋白和氨基葡聚糖的水平在低氧分壓下較少，特別是在1%氧濃度中,細胞外基質的氨基葡聚糖成分達到一個相對穩定的水平,在以后的2周內沒有增加，然而在20%氧濃度中，細胞外基質的氨基葡聚糖成分隨時間而增加。由此可見，氧濃度對細胞外基質的合成有著重要影響。

在所有多細胞生物的細胞中，低氧誘導因子(hypoxia-inducible factors，HIFs)是對于低氧應答反應的協調和控制最主要的轉錄因子[3]。關節軟骨細胞可以通過HIFs來維持自身的組織特異性功能，從而很好地適應關節腔內長期的低氧環境[7-9]。但當關節腔內氧分壓的進一步降低時，HIFs卻有著不利于軟骨細胞正常生存的，甚至破壞其結構的作用。研究顯示，在低氧環境下，HIF-2α作為軟骨細胞分解代謝重要的調節劑，可以通過上調軟骨細胞中基質降解酶的水平，從而引起關節軟骨細胞的破壞[10-11]。Siyoung等[12]通過體外實驗研究發現，尼克酰胺磷酸核糖轉移酶作為HIF-2α最主要的靶基因，在接受HIF-2α靶向作用后可以明顯上調基質金屬蛋白酶3和基質金屬蛋白酶13的合成水平，同時抑制蛋白聚糖的表達，因此在軟骨細胞破壞的過程中起到了決定性的作用。

OA發生時，對于關節腔內嚴重缺氧的應答反應，HIF-1α可誘導血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)大量生成。作為促進血管生成的最重要因子，VEGF能夠特異性結合血管內皮細胞、促進內皮細胞生長、增加血管通透性，從而促進血管生成。然而，大量的新生血管形成侵襲性的血管翳，使得關節軟骨侵襲受損破壞。帥明等[13]在動物實驗中發現，在OA關節腔低氧環境下，關節軟骨細胞中HIF-1α 誘導的VEGF表達明顯增高，且與OA的嚴重程度呈正相關。Hong等[14]研究顯示，在氧含量降至1%時，HIF-1α可誘導白細胞介素(interleukin,IL)1β、活性氧類和IL-8的表達上調，說明病理性缺氧可以促使軟骨細胞的分解代謝，增強軟骨細胞的促炎癥反應，從而使軟骨細胞受到破壞。

1.2低氧影響軟骨細胞能量代謝在關節腔內低氧環境下，不但軟骨細胞外基質的合成分解代謝受到影響，而且軟骨細胞的能量代謝也同樣受到了嚴重的影響。Beverley等[15]將處理過的豬關節軟骨細胞分別于1%、 5%和20%環境中培養，發現軟骨細胞ATP的合成量在氧含量為1%組中明顯低于氧含量為5%和20%組，而IL-1誘導的一氧化氮水平和腺苷酸活化蛋白激酶蛋白水平卻遠遠高于其他兩組。由此可見，關節腔內軟骨細胞的能量代謝同樣也受到了低氧環境的嚴重影響，使軟骨細胞的破壞進一步加重。

2低氧與關節滑膜組織代謝

2.1低氧促進滑膜增生和血管生成隨著對OA研究和認識的不斷深入，Wenham和Conaghan[16]研究證實了OA的發生、發展與關節滑膜增生及滑膜炎的生成密不可分。而關節滑膜的增生及滑膜炎的發生、發展與關節腔內低氧環境有著直接聯系。OA發生時關節腔內氧分壓明顯降低，在這種情況下滑膜組織會代償性的增生及產生大量的新生血管以應對極低的氧環境，血管生成的同時血液循環中促炎因子在趨化作用下會大量遷移并浸潤至滑膜組織，從而一系列病理生理過程就這樣在低氧的起始因素下發生、發展。Strunk等[17]發現，慢性滑膜炎的滑膜中有大量的新生血管產生，而新生血管導致的滑膜充血是早期滑膜炎的最早可見的病理學改變。Ruiz-Romero等[18]研究發現，在低氧時細胞因子介導的滑膜組織增生過程中滑膜組織增生速度明顯超出了相應血管生長速度，導致關節腔缺氧程度進一步加劇，進而引起滑液中氧分壓明顯降低?？梢姷脱醮龠M滑膜組織增生和血管生成的同時又明顯加劇了缺氧，形成關節腔內缺氧的惡性循環。

2.2低氧促進滑膜炎性因子浸潤與氧化性損傷雖然關節腔內滑膜組織的增生及大量血管的生成是對于關節腔內缺氧的應答反應，然而這種反應也同時促進了炎性細胞浸潤，在滑膜炎的慢性持續性過程中起到了重要的作用。Ng等[19]研究發現，低氧環境下，循環血液中T細胞(CD3、CD68)和單核細胞趨化進入滑膜組織，同時大量的炎性細胞因子(如腫瘤壞死因子α、IL-1β和干擾素等)滲入滑膜組織，說明低氧可以通過趨化炎性因子的轉移，從而引起滑膜組織的慢性炎癥反應。關節腔缺氧在促進滑膜組織血管增殖和加重炎癥反應的同時也可以使得滑膜組織的脂質產生過氧化反應和增加滑膜中血管周圍線粒體的功能損害[20]。研究顯示，隨著關節的活動，關節腔內滑膜組織始終處于缺氧-氧灌注-缺氧的動態改變，因此在OA患者滑膜炎發生時滑膜組織可能受到了不同程度的氧化損傷。Chenevier-Gobeaux等[21]將OA患者的關節滑膜組織于特定的缺氧/氧氣再灌注環境中培養后發現，這種特殊的缺氧過程可明顯調節滑膜組織中由IL-β和腫瘤壞死因子α誘導的一氧化氮合酶和氮氧化物等氧化應激反應，也證明了關節腔內病理性缺氧與OA中滑膜組織的氧化損傷有著密不可分的聯系。

3低氧與軟骨下骨硬化

OA的主要特征之一是軟骨下骨的改變[22]。骨贅形成、軟骨下骨磨損及硬化是診斷OA的決定性影像學改變。這些骨的改變以前多認為是發生在病程的終末期。然而近年來，越來越多的學者認為軟骨下骨的病理改變很有可能早于軟骨退變的發生[23]，這些發現使得對OA發病的起始因素有了新的認識。軟骨下骨區域具有豐富的血管系統，能夠很好地提供給軟骨氧和必需的營養，而OA的軟骨下骨中血管常常是功能紊亂的，因此可以導致軟骨下骨局部缺氧[24]，Warren等[25]研究顯示，低氧可以調節成骨細胞基因的表達。Utting等[26]在大鼠模型的研究中同樣證實了成骨細胞的表達受低氧調控。Chang等[27]通過長期的研究證實了低氧可以在多方面影響和調節OA軟骨下骨的硬化及骨贅生成，例如低氧可以調節軟骨下骨的重塑，降低堿性磷酸酶的作用，調節IL-6、IL-1、趨化因子(C-X-C基序)配體12等炎性因子及環加氧酶2的表達，促進前列腺素E2的生成，促進VEGF、牛血管生成素樣蛋白4基因、人內皮素1等調節血管生成的基因表達，調節可以介導成骨細胞表型的HIF-1的表達等。Maes等[28]研究顯示，血管供應的中斷和伴隨組織的缺氧在骨的發展、再生、骨折的修復以及一些骨性疾病中起到了至關重要的作用。異常成骨是骨贅形成和軟骨下骨硬化的關鍵環節，因此認為軟骨下區域血管系統的功能紊亂和相應的組織缺氧在OA軟骨下骨硬化以及骨贅的生成中起到了關鍵作用。

4小結

正常情況下，關節腔處于一種生理性低氧環境之中，這種低氧環境對關節軟骨的正常生理功能及軟骨細胞的生存具有重要的意義。然而，OA關節腔內的病理性低氧環境卻嚴重的影響了軟骨細胞的正常代謝甚至威脅軟骨細胞的生存，加劇了OA的進展。作為對于低氧應答反應的調節和控制最重要的轉錄因子，HIFs已成為近年來研究的重點，雖有望作為治療OA的靶點，但在OA關節腔不同的氧含量環境下，HIFs的具體作用機制及相關信號通路仍需進一步深入研究。因此，正確的認識和了解關節腔內低氧微環境的變化以及低氧時相關因子的表達，不僅可以對OA發生、發展機制進行更深一步的探究，而且對于今后臨床的診治和相關藥物的開發可以起到更好的指導和幫助。

參考文獻

[1]Bijlsma JW,Berenbaum F,Lafeber FP.Osteoarthritis:an update with relevance for clinical practice[J].Lancet,2011,377(9783):2115-2126.

[2]Suri P,Morgenroth DC,Hunter DJ.Epidemiology of osteoarthritis and associated comorbidities[J].PM&R,2012,4(5 Suppl):S10-19.

[3]Semenza GL.Hypoxia-inducible factors in physiology and medi-cine[J].Cell,2012,148(3):399-408.

[4]Schneider U,Miltner O,Thomsen M,etal.Intra-articular oxygen partial pressure measurements under functional conditions[J]. Z Orthop Ihre Grenzgeb,1996,134(5):422-425.

[5]Huh JE,Seo BK,Park YC,etal.WIN-34B,a new herbal medicine,inhibits the inflammatory response by inactivating IκB-α phosphorylation and mitogen activated protein kinase pathways in fibroblast-like synoviocytes[J].J Ethnopharmacol,2012,143(3):779-786.

[6]Malpeli M,Randazzo N,Cancedda R,etal. Serum-free growth medium sustains commitment of human articular chondrocyte through maintenance of Sox9 expression[J].Tissue Eng,2004,10(1/2):145-155.

[7]Pelosi M,Lazzarano S,Thoms BL,etal. Parathyroid hormone-related protein is induced by hypoxia and promotes expression of the differentiated phenotype of human articular chondrocytes[J].Clin Sci (Lond),2013,125(10):461-470.

[8]Thoms BL,Dudek KA,Lafont JE,etal.Hypoxia promotes the production and inhibits the destruction of human articular cartilage[J].Arthritis Rheum,2013,65(5):1302-1312.

[9]Tsuchida S,Arai Y,Takahashi KA,etal.HIF-1α-induced HSP70 regulates anabolic responses in articular chondrocytes under hypoxic conditions[J].J Orthop Res,2014,32(8):975-980.

[10]Yang S,Kim J,Ryu JH,etal.Hypoxia-inducible factor-2alpha is a catabolic regulator of osteoarthritic cartilage destruction[J].Nat Med,2010,16(6):687-693.

[11]Ryu JH,Yang S,Shin Y,etal.Interleukin-6 plays an essential role in hypoxia-inducible factor 2α-induced experimental osteoarthritic cartilage destruction in mice[J].Arthritis Rheum,2011,63(9):2732-2743.

[12]Yang S,Ryu JH,Oh H,etal. NAMPT (visfatin),a direct target of hypoxia-inducible factor-2α,is an essential catabolic regulator of osteoarthritis[J].Ann Rheum Dis,2015,74(3):595-602.

[13]帥明,林荔軍,林昭偉,等.IL-1β、HIF-1α和VEGF在兔膝關節骨性關節炎模型滑膜中的表達[J].中國老年學雜志,2013,33(10):2311-2313.

[14]Hong YH,Park CW,Kim HS,etal.Effects of hypoxia/ischemia on catabolic mediators of cartilage in a human chondrocyte,SW1353[J].Biochem Biophys Res Commun,2013,431(3):478-483.

[15]Fermor B,Gurumurthy A,Diekman BO. Hypoxia,RONS and energy metabolism in articular cartilage[J].Osteoarthritis Cartilage,2010,18(9):1167-1173.

[16]Wenham CY,Conaghan PG.The role of synovitis in osteoarthritis[J].Ther Adv Musculoskelet Dis,2010,2(6):349-359.

[17]Strunk J,Backhaus M,Schmidt W,etal.Color Doppler sonography for investigation of peripheral joints and ligaments[J].Z Rheumatol,2010,69(2):164-170.

[18]Ruiz-Romero C,Calamia V,Rocha B,etal.Hypoxia conditions differentially modulate human normal and osteoarthritic chondrocyte proteomes[J].J Proteome Res,2010,9(6):3035-3045.

[19]Ng CT,Biniecka M,Kennedy A,etal.Synovial tissue hypoxia and inflammation in vivo[J]. Ann Rheum Dis,2010,69(7):1389-1395.

[20]Kennedy A,Ng CT,Biniecka M,etal.Angiogenesis and blood vessel stability in inflammatory arthritis[J].Arthritis Rheum,2010,62(3):711-721.

[21]Chenevier-Gobeaux C,Simonneau C,Lemarechal H,etal. Effect of hypoxia/reoxygenation on the cytokine-induced production of nitric oxide and superoxide anion in cultured osteoarthritic synovio-cytes[J].Osteoarthritis Cartilage,2013,21(6):874-881.

[22]Burr DB,Gallant MA.Bone remodelling in osteoarthritis[J].Nat Rev Rheumatol,2012,8(11):665-673.

[23]Neogi T.Clinical significance of bone changes in osteoarthritis[J].Ther Adv Musculoskelet Dis,2012,4(4):259-267.

[24]Hunter DJ,Gerstenfeld L,Bishop G,etal.Bone marrow lesions from osteoarthritis knees are characterized by sclerotic bone that is less well mineralized[J].Arthritis Res Ther,2009,11(1):R11.

[25]Warren SM,Steinbrech DS,Mehrara BJ,etal. Hypoxia regulates osteoblast gene expression[J].J Surg Res,2001,99(1):147-155.

[26]Utting JC,Robins SP,Brandao-Burch A,etal.Hypoxia inhibits the growth,differentiation and bone-forming capacity of rat osteoblasts[J].Exp Cell Res,2006,312(10):1693-1702.

[27]Chang J,Jackson SG,Wardale J,etal.Hypoxia modulates the phenotype of osteoblasts isolated from knee osteoarthritis patients,leading to undermineralized bone nodule formation[J].Arthritis Rheumatol,2014,66(7):1789-1799.

[28]Maes C,Carmeliet G,Schipani E.Hypoxia-driven pathways in bone development,regeneration and disease[J].Nat Rev Rheumatol,2012,8(6):358-366.

Research Progress in the Association between Hypoxia Microenvironment and OsteoarthritisMAShuo,WANGWen-bo,LIUNing. (DepartmentThreeofOrthopedics,theFirstAffiliatedHospitalofHarbinMedicalUniversity,Harbin150001,China)

Abstract：Osteoarthritis (OA) is the most common chronic diseases of skeletal system.In recent years,with the growth of aged population and the increase of the obese people,the incidence is increasing year by year.However,the exact mechanism of OA is still unclear.Normally, the intra-articular hypoxia environment is very important to the survival and physiological function of chondrocyte, but the oxygen content is significantly reduced in the articular cavity of OA.Some studies show that,intra-articular pathological hypoxia is closely related to various pathological changes of OA.Therefore,correct understanding of the change of intra-articular hypoxic microenvironment is helpful to the research on the pathogenesis of OA.

Key words:Osteoarthritis; Hypoxia; Cartilage; Synovium; Hypoxia-inducible factors

收稿日期：2014-11-03修回日期：2015-02-27編輯：相丹峰

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.18.012

中圖分類號：R684.3

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)18-3297-03