骨性關節炎關節液生物標志物的研究進展

李亞東 楊磊落 李琦哲 張皖茜 葉川（通訊作者）

（1貴州醫科大學 貴州 貴陽 550004）

（2貴州醫科大學附屬醫院創傷骨科 貴州 貴陽 550004）

（3貴州醫科大學附屬醫院運動醫學科 貴州 貴陽 550004）

（4貴州醫科大學附屬醫院骨科 貴州 貴陽 550004）

骨性關節炎（Osteoarthritis，OA）是一種常見的臨床疾病，晚期可導致嚴重的疼痛不適，甚至造成肌肉萎縮、關節畸形和殘疾。目前骨性關節炎的診斷標準是普通的X線檢查關節面軟骨已有明顯退變或損傷。磁共振成像和超聲雖然在OA早期診斷具有極為重要的臨床意義，但這些檢查方法都是基于軟骨形態學變化，有一定的滯后性且有時間長、價格高等局限性并非首選的檢查方法。研究結果顯示，關節軟骨損傷的生化改變早于形態學改變。

隨著分子生物及生化檢查技術的不斷更新，關節液中相關生物標志物在OA診斷及及治療方面的重要作用，越來越受到國內外學者的重視，現就與骨關節炎相關的幾種常見生物學標志物的研究進行綜述。

1.關節軟骨代謝標志物

關節軟骨屬于透明軟骨，軟骨表面光關節滑，其覆蓋于骨關節表面，能減少相鄰兩骨的摩擦、吸收應力、緩沖運動時關節震蕩、增加關節潤滑等作用；由于關節軟骨由于無血管、神經和淋巴管,損傷后自我修復能力極差，故而軟骨組織修復再生能力較之于骨組織較弱；當軟骨發生退變時眾多小分子結構釋放至關節液中，因此在關節液中尋找OA的特異性標志物可用于OA的早期診斷。

1.1 軟骨寡聚基質蛋白(Cartilage Oligomeric Matrix Protein，COMP)

軟骨寡聚基質蛋白最先是從軟骨中發現，是軟骨中的非膠原蛋白成分。COMP主要表達在關節結構中，包括交叉韌帶、半月板和滑膜，主要由軟骨細胞和滑膜細胞分泌，在軟骨內高表達具有明顯的組織特異性；Lorenzo[1]等通過對骨性關節炎、急性創傷性關節炎、反應性關節炎、風濕性關節炎患者的關節液進行生化檢測分析，結果發現在幾種關節炎患者中，OA患者關節液的COMP水平最高。Bai等[2]研究結果顯示，骨性關節炎模型兔Mankin評分及關節液COMP水平高于對照組，且COMP水平越高、Mankin評分也隨之增高；因此，檢測關節液中COMP水平可評價OA患者早期病變嚴重程度和作為中晚期KOA的診斷指標。

1.2 基質金屬蛋白酶（Matrix Metalloproteinases,MMPs）

基質金屬蛋白（MMPS）是一種能夠降解幾乎所有類型金屬蛋白酶的細胞外基質，它們在生理過程中發揮著廣泛的作用[3]；而骨性關節炎發生發展的核心是關節軟骨細胞的合成及分解代謝之間的動態平衡被打破，軟骨中MMPS蛋白表達增強，蛋白活性增強，從而影響軟骨細胞的表達,促進MMPs分泌,導致細胞外基質大量降解,造成軟骨破壞；目前已發現多種MMPs，比喻MMP-1、MMP-2、MMP-3、MMP-12、MMP-13等。符維廣等[4]通過對收42例3級與4級膝骨關節炎均行全膝關節置換術患者作為研究對象，發現關節液中MMP-13水平顯著高于3級膝骨關節炎患者，表明MMP-13可能在骨關節炎的發病、發展中起作用；Pengas等[5]研究結果發現，骨性關節炎患者中關節液中MMP-3水平明顯增加,并且隨著膝關節影像學分級增加，關節液中MMP-3水平也相應增加。因此關節液中MMPs可作為一個預測膝骨性關節炎及分級的生物學標志物。

2.滑膜代謝相關標志物

滑膜是關節囊的內層、淡紅色、平滑閃光、薄而柔潤，由疏松結蹄組織組成，滑膜分泌滑液，其產生的透明質酸和潤滑素在關節中起重要作用，能有效較少關節表面的摩擦。OA病變主要累及關節軟骨、整個滑膜關節器官，包括半月板、滑膜、韌帶、關節囊、軟骨下骨及肌其中滑膜，還參與OA的軟骨退變過程；滑膜炎癥是OA的病理性改變，從OA患者關節液中尋找滑膜病變潛在的生物標志物已經受到眾多國內外學者的重視。

2.1 透明質酸 (hyaluronate，HA）

透明質酸，是一種廣泛存在于人體和其它生物的高分子非蛋白屬酸性粘多糖物質，是關節液及軟骨基質的主要組成成分，關節液中正常水平及正常屬性的HA對維持關節功能起著至關重要的作用，它能與糖蛋白、磷脂結合粘合于關節軟骨表面，保護關節軟骨、減少關節間的摩擦及阻力，與蛋白質結合游離于關節液中，起潤滑作用。有關研究報道[6]，OA關節液中HA水平有不同程度降低，目前已證實OA患者關節液中的HA水平、分子量及粘滯性均低于正常[7]，致使HA失去正常的生理功能。Fabrizio Russo[8]等人研究研究結果發現骨關節炎患者關節液中HA濃度和分子量都降低，從而降低了滑液的粘彈性，增加了關節面間的摩擦，因此通過關節腔注射HA可明顯緩解OA患者的關節疼痛、腫脹、關節積液、運動障礙等臨床癥狀，無明顯的副作用，耐受性好。因此通過檢測關節液中HA濃度有助于膝關節骨性關節炎的早期診斷，為臨床治療提供參考。

2.2 人軟骨糖蛋白（YKL-40）

YKL-40是由人關節滑膜細胞、軟骨細胞分泌的一種糖蛋白，也可由軟骨細胞及中性粒細胞分泌，在炎癥和組織重塑中起重要作用。Karalilova[9]通過對50例炎性退行性關節病的患者關節液中 YKL-40表達進行分析發現，與正常成人相比，骨性關節炎患者關節液中YKL-40水平顯著升高。Dündar[10]研究發現血清YKL-40水平受滑膜液YKL-40水平的影響，嚴重膝關節骨性關節炎患者血清和滑膜液YKL-40水平升高8～10倍。

3.細胞因子類相關標志物

OA最初被認為是一種非炎癥性疾病，隨著深入的研究，發現OA與炎癥反應密切相關，由于炎性細胞因子破壞了軟骨細胞的合成與分解代謝平衡，進而在OA發生與發展起著重要作用，近年來有研究報道[11]，膝關節骨性關節炎患者關節液中炎性因子水平增高，加速關節軟骨及滑膜的損傷，導致骨性關節炎的發生。

3.1 炎性細胞因子

炎性細胞因子破壞了軟骨細胞的合成及分解代謝的動態平衡，在OA發生與發展中起重要作用[12]。目前研究較多的骨性關節炎相關的炎性細胞因子主要有IL-1β、IL-6、IL-8、IL-17、FGF2、TNF-α、NO等；Wang[13]等研究發現，肥胖患者骨關節的關節液、滑膜、軟骨下骨和軟骨中IL-1、TNF-α和IL-6水平升高，并且IL-1、TNF-α和IL-6還可誘導和促進其他細胞因子、MMPs和前列腺素的產生，抑制蛋白多糖和Ⅱ型膠原的合成，從而在骨關節炎軟骨基質降解和骨吸收中起關鍵作用；Bai[12]通過對確診的OA患者進行脛骨高位截骨術（hight tibial osteotomy，HTO）治療，結果發現術前OA患者關節滑液IL-1β、IL-6、IL-17含量均增高；Snelling[14]對兩組患者行髖關節或膝關節OA分層后，發現IL-17可檢測明顯升高，且IL-17可促進基質金屬蛋白酶（MMP）的產生，促進破骨細胞的生長，抑制成骨細胞的活性。

3.2 脂肪細胞因子

現今已知脂肪因子是一類新的化合物，隨著越來越多的對脂肪細胞因子研究的不斷深入，發現脂肪細胞因子不僅與肥胖、糖尿病等的發生、發展密切相關；此外脂肪因子還是代謝綜合征、免疫系統和關節之間的分子鏈接物，脂肪來源的脂肪因子導致軟骨降解和軟骨下骨成骨細胞生長異常，從而破壞關節[15]；抵抗素是近年來發現的一種新的脂肪細胞因子，抵抗素誘導促炎因子的表達等降解酶，導致軟骨基質合成的抑制作用；Zhao[16]等研究發現OA患者和RA患者關節液中的抵抗素水平顯著高于健康受試者；Calvet[17]研究通過研究分析得出關節液中不同的脂肪因子與KOA嚴重程度之間存在不同的關聯模式，其中抵抗素與膝關節功能及致殘有關；越來越多的證據表明，關節液中抵抗素的檢測可有助于關節炎的早期發現，并可作為一種評估骨性關節炎病變程度的生物標志物。

4.結晶體及磨損顆粒相關標志物

骨性關節炎患者關節液中可發現不同類型的結晶體及磨損顆粒，在OA中，研究較多的焦磷酸鈣二水化合物(CCP)、堿性磷酸鈣（BCP）及軟骨磨損顆粒(CWP)；有研究發現CCP和BCP最常于OA患者的關節液中[18]。因此探尋關節液中晶體、軟骨磨損顆粒相關標志物可對OA早期診斷、病情評估、預后及療效評估提供一種新的方法。

4.1 結晶體

堿性磷酸鈣（Basic Calcium Phosphate BCP）和焦磷酸鈣二水化合物（CCP）晶體是近年研究比較熱的兩種晶體，其可引起炎癥和關節炎，關節內結晶體的存在與加快疾病的進展有關，提示晶體可能參與了疾病的過程且其在OA中存在潛在的致病作用；Rong[19]等通過BCP晶體誘導原發性軟骨細胞骨關節炎試驗，結果發現BCP通過鈣介入CaMK2的激活誘導軟骨細胞表型標志物表達發生骨關節炎相關改變.

4.2 磨損顆粒

磨損過程常發生于關節滑膜中從而導致磨損顆粒的產生，而軟骨降解導致關節液中存在的磨損顆粒比臨床診斷的軟骨更易獲得。Meizhai[20]通過對25例患者的關節液進行分析得出，葉狀顆粒呈扁平狀，形狀不規則，多見于健康關節，圓形顆粒常見健康關節內，輕度骨關節OA患者關節內多見于細長的棒狀顆粒，不規則的顆粒多見于重度OA患者關節內，顆粒表面檢測重度OA顆粒較輕度OA顆粒光滑。Estell[21]發現磨損顆粒顯著增加了一氧化氮、白細胞介素-6、-8、基質金屬蛋白酶-9、-10、-13的增殖和釋放，表明軟骨磨損顆粒在骨關節炎環境中一個相關物理因素，通過早期調節滑膜細胞在疾病早期和晚期的行為，是使促炎級聯和促降解持續存在。

5.小結

目前關于OA相關的生物標記物的研究仍然是一個熱點話題，眾多的骨性關節炎生物學標志物被發現，對早期骨性關節炎診斷及預判有重要的指導意義，而且也可作為關節炎治療后及藥物開發中臨床效果和安全評價的重要指標。但OA的臨床生化檢測還需更多的理論支持和實踐，相信廣大醫學工作者的不斷挖掘及努力，相關的生物標志物必將成為骨性關節炎早期診斷、評估新指標、治療新靶點及預后判斷的新標志物。