作者：湖北省中医院     葛梦涛

骨关节炎（OA）是骨科最常见的关节退行性疾病，病理改变累及关节和周围组织，如关节软骨、软骨下骨和滑膜，导致慢性疼痛及运动功能障碍，其发病率高，病程长。目前，OA已发展为一个巨大且不断增长的健康负担，将对患者、医保系统和社会经济造成巨大的影响。有研究统计，在发达国家中，因为OA产生的社会经济负担高达国内生产总值的1％~2.5％。仅在英国，每年11.2万例膝、髋关节置换术中，很大一部分（>70％）是由OA导致。目前关于OA的发病机制尚不明确，但不可否认的是，OA的进展与关节内的骨细胞有关，包括破骨细胞（OCs）和软骨细胞（CCs）。OCs是目前唯一明确的发挥骨吸收作用的大型多核细胞，在OA病变中参与软骨下骨重塑并诱导骨赘和骨囊肿的形成。CCs是关节软骨内唯一存在的细胞，发挥着软骨形成和维持软骨功能的作用。

目前普遍认为，在OA中是由OCs、CCs、成骨细胞（OBs）、免疫细胞等多种细胞相互调控导致疾病进展，但关于OCs-CCs的交互调控在OA中的作用报道较少。因此，笔者总结了OCs和CCs之间相互作用的各种途径，以了解OCs和CCs之间的联系，从另一角度阐述OA的病理机制，以期为临床研究OA防治提供新的思路。

OA的病理改变

OA疾病过程中会发生关节软骨退变、关节面和软骨下骨血管侵袭以及异常软骨下骨重塑等病理变化，其中关节软骨的组织学改变是该病的一个显著特征。关节软骨自表面向骨端依次分为滑动带、过渡带、放射带、钙化带和软骨下骨板等，也可简单分为浅表层（10％~20％）、中间层（40％~60％）、深层（30％）和钙化层。潮线是由原纤维、胶原纤维组成，在苏木精-伊红染色时呈波浪状的嗜碱性线，位于深层和钙化层之间，发挥着连接胶原纤维和软骨下骨板的作用。人类在6个月大时软骨内潮线形成标志着软骨成熟，关节软骨中便不再有血管神经，主要由致密的细胞外基质（ECM）和CCs组成，ECM层主要包括水、胶原、蛋白多糖、脂质、非胶原蛋白与蛋白糖等成分。关节软骨组织完整性的改变可能与急性创伤性损伤有关，也可能由细胞源性或基质源性因素导致。在OA病变早期，病灶区域应力负荷变大，刺激蛋白多糖的消耗和胶原网络的破坏，导致软骨分裂或纤颤。蛋白多糖合成含量增加，企图修复OA带来的早期软骨组织变化，但是分解代谢活性增强的蛋白质不仅会攻击蛋白多糖的游离端，还会攻击蛋白富集部分，引起蛋白多糖的分解率增加，进而导致软骨基质的失衡。胶原浓度也随着其他基质成分的减少而降低，且变得不整齐，引起胶原网络张力刚度和强度降低，进而导致关节软骨中间层更易破碎，因而更容易受到机械应力改变的影响。此外，软骨下骨下钙化软骨的血管侵入导致潮线发展，而潮线的发展和重复导致关节软骨整体变薄，同时软骨下骨重塑，该过程中增加了软骨基质深层的机械应力，进而加速OA进展。在这过程中，软骨基质的分子组成改变也将导致关节软骨发生结构性破坏。研究表明，在OA的进展过程中，软骨基质中的分解代谢状态的蛋白质数量增加，包括基质金属蛋白酶（MMPs）-1、-3、-9、-13和-14以及聚合酶（ADAMTS）-5、-4和-9。在软骨变薄、剥脱、骨囊肿及骨赘形成的病理变化过程中，关节内所有细胞都受到影响并参与其中。

OCs在OA中的作用      OCs来源于造血干细胞的单核细胞系祖细胞，在巨噬细胞集落刺激因子（M-CSF）参与下，核因子κB受体激活因子（RANK）与其配体（RANKL）结合，使破骨基因表达并最终由OCs前体分化为成熟的多核OCs。成熟的多核OCs在骨关节中根据局部生物力学因素、全身激素和局部可溶性介质等相关因素，通过局部分泌酸及释放骨基质降解酶起到骨吸收的作用。在生理状态下，OCs和成骨细胞（OBs）发挥骨重建和改造的功能，维持骨生长和骨吸收的动态平衡。在OA的病理过程中，这种动态平衡被打破，OCs介导的骨吸收和OBs介导的骨形成增强，导致骨组织发生皮质板体积、厚度和轮廓的增加，骨矿化和结构性的改变，软骨下骨小梁结构和骨量的改变，最终导致软骨下骨囊肿形成以及骨髓病变、骨赘增生等变化。

OCs异常激活导致OA早期软骨下骨发生病理改变，晚期则以成骨异常和骨赘形成为主。研究发现，在OA病变早期，由于关节软骨的自我修复降低了软骨下骨的负荷，机械应力的改变导致OBs代谢失调，白介素-6（IL-6）、前列腺素E2、MMP-3、MMP-9、MMP-13、RANKL等表达增加，而骨保护素（OPG）生成减少。OPG能与RANK结合，竞争阻断RANKL与RANK结合，抑制OCs前体分化为成熟OCs。RANKL/OPG的比率增加导致成熟OCs过度生成，骨吸收活性随之过度增强。在此期间，NF-κB、原癌基因、活化T细胞核因子细胞质1型等多种转录因子表达增强，并诱导OCs激活的相关基因编码蛋白，如抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）、组织蛋白酶K、降钙素受体等的表达，并介导H+和Cl-的产生，在OCs的褶皱边界下形成HCl介导的骨溶解。此外，骨吸收活性增强也将导致OA软骨下骨中的活性转化生长因子-β1（TGF-β1）急剧增加，与受体激酶5（ALK5）结合并激活Smad2/3信号通路，将间充质干细胞（MSCs）募集到特定部位形成异常的软骨下骨，从而导致骨赘形成。

CCs在OA中的作用      CCs来源于MSCs，是软骨中唯一存在的细胞，在软骨形成中发挥着重要作用。有研究表明，CCs形成软骨的这一过程受Y染色体性别决定区-盒转录因子9的调控。SOX9与SOX5和SOX6结合，并与环磷腺苷效应元件结合蛋白/300kDa蛋白相互作用，进而激活CCsII型胶原α1链（Col2a1）、聚蛋白多糖（ACAN）等相关基因表达，导致Ⅱ型胶原和蛋白多糖的沉积，最终形成软骨基质。CCs在分化过程中会经历5个阶段，分别是静息期（相对不活跃，表达Ⅱ型胶原和Col2a1基因）、增殖期（快速分裂，高度表达Col2a1和ACAN基因）、肥大前期（开始表达Ⅹ型胶原Col10a1和印度刺猬信号分子）、肥大期（继续表达Ⅹ型胶原而停止Ⅱ型胶原表达）和终末期（完全停止表达胶原并死亡）。CCs在关节发育过程中受OBs分化的Runt-相关转录因子2（RUNX2）等转录因子的作用，在关节表面分化形成软骨，或分化成肥大CCs从而表达MMP-9、MMP-13、分泌型磷蛋白1等基因，促进软骨下骨形成。这一过程被称为软骨内成骨。由于成熟软骨中不存在血管神经，CCs在关节内的唯一营养来源是经软骨基质弥散后的关节滑液。正常生理情况下，CCs不表现有丝分裂活动，而保持着最低限度的胶原蛋白周转率，维持合成代谢和分解代谢平衡，以保护关节，并且这种低周转率修复的能力会随着年龄的增大而下降。

CCs对机械应力的改变非常敏感。在OA中，由于ECM层受损导致机械应力改变，刺激CCs的代谢平衡被打破并向肥大分化，表达基质降解酶，导致关节软骨损伤。在OA早期，CCs的合成活性增加，试图修复受损的软骨基质，这是OA发病的初始事件。有证据表明，OA初期的关节滑液和软骨中的胰岛素样生长因子1（IGF-1）浓度升高。IGF-1是一种由CCs表达的生长因子，能够抑制细胞凋亡而延长CCs的存活时间。

当CCs的合成代谢活性不能代偿增强的蛋白分解后，软骨基质代谢便失去平衡，其成分及含量发生变化，IL-1和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）等促炎因子表达，刺激CCs产生大量一氧化氮（NO）。NO会抑制软骨基质中Ⅱ型胶原和蛋白多糖等成分的合成，并且增强MMPs的活性，导致软骨降解。在软骨降解的过程中，MMPs表达活性的增强，导致胶原和非胶原等软骨基质成分分解加强。如基质中的Ⅱ型胶原主要被MMP-13切割，随后被MMP-2和MMP-9以及其他酶进一步降解等。此外，CCs也表达肥大相关基因，并促进细胞因子、趋化因子以及其他促炎产物的生成。相关研究证实，OA关节内CCs表达的趋化因子基因及其受体显著增加。在IL-1和IL-8的刺激下，趋化因子表达并诱导NO合成酶合成和促进蛋白多糖从组织中分解。随着疾病进展，越来越多的CCs分化成肥大CCs形态，并诱导血管生成因子表达，参与OA后期发生的血管侵袭和软骨钙化。

OCs-CCs交互调控在OA中的作用

OCs对CCs的调控      在关节骨膜血管的生长过程中，OCs前体侵入软骨增生区，然后与增生性或肥大的CCs作用，参与重塑软骨基质。Löfvall等研究发现，OCs能以MMPs依赖和半胱氨酸蛋白酶依赖的方式降解骨软骨连接处和关节软骨。这表明成熟OCs有可能作为邻近CCs的直接调节剂。OCs对CCs的调控加速CCs肥厚分化和促进OA进展。一方面，成熟OCs在骨吸收时通过骨基质释放大量因子，包括TGF-β1、IGF−1和磷酸钙复合物等因子调节CCs代谢，导致软骨退化。TGF-β1水平变化影响软骨的健康状态。Zhang等研究发现，OCs释放的软骨下骨中的TGF-β1可能通过扩散或血液运输转移到软骨层，对CCs产生不利影响。当TGF-β1在OCs软骨下骨吸收过程中被大量释放，导致ALK1介导的samd1/5/8信号通路异常活化，进而诱导RUNX-2异常激活，加速CCs的终末分化并表达MMP-13，进而加速OA软骨组织的病理变化。此外，Jung等研究也发现，软骨也从软骨下骨获得被释放的磷酸钙复合物，通过激活NF-κB、P38丝裂原活化蛋白激酶（p38MAPK）和细胞外调节蛋白激酶1/2（ERK1/2），以及信号转导和转录激活因子3（STAT3）信号，增加CCs中MMP-13的产生。另一方面，OCs也可直接作用于CCs并促进其凋亡。Hasegawa等研究发现，来源于骨髓的趋化因子阳性OCs前体可通过血液循环进入炎性软骨层并分化为成熟的OCs，从而促进CCs凋亡。Taniguchi等在对小鼠增生性CCs中高迁移率族蛋白B1的表达研究中发现，由于OCs前体延迟侵入初级骨化中心，抑制CCs表达，导致软骨内骨形成受到破坏。此外，还有研究发现，OCs上特异性表达的白细胞受体复合物的一种免疫球蛋白样激活受体，能与软骨胶原结合，导致TRALL上调，OPG表达抑制，使CCs凋亡信号放大，导致OA进展。

OCs对CCs的调控也可保护软骨退变。IGF-1被证明在CCs合成代谢中起保护作用，能通过激活CCs中磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）/蛋白质激酶B（PKB）和ERK1/2通路，抑制MMP-13的表达和酶活性，促进Col2a1的表达。Loeser等发现，自分泌IGF-1信号可通过减少半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3活性和DNA断裂方式来保护CCs免于凋亡。Zhang等的研究更是明确指出，IGF对CCs的作用途径，即IGF-1促进CCs中Col2a1的表达是通过PI3K/PKB信号通路而非ERK通路，并且IGF-1通过ERK信号通路参与抑制MMP-13mRNA的表达。此外，外泌体具有发挥抗炎、抗细胞凋亡、降低线粒体功能障碍等作用，可以通过调节自噬影响OA的进展。Dai等在外泌体的研究中发现，OCs前体与OCs外泌体内miR-let-7a-5p可通过靶向抑制Smad2，间接减少TGF-β1对CCs肥大的抑制作用，促进CCs的分化，改善OA的病理状态。由此可见，在OA中，OCs既有促进CCs衰老、凋亡，加重病情的作用，又具有抑制CCs肥大的缓解病情进展的功能。

CCs对OCs的调控      CCs可通过不同的细胞因子和信号通路调控OCs的生成和分化。一方面，CCs参与OCs的生成。Wen等研究发现，当去除小鼠CCs中的成纤维细胞生长因子3时，小鼠的OCs生成也会受到抑制。Wang等也发现，在敲除小鼠CCs中β-catenin基因后，OCs数量和OCs表面受体百分比未敲除小鼠显著增加。进一步研究发现，CCs通过β-catenin信号通路可以影响RANKL和OPG表达，并通过改变RANKL/OPG表达进而参与调节OCs的形成。Cao等研究也证实这一观点，他们发现，小鼠关节软骨表面应力负荷增大可诱导初代CCs中IL-1β的上调，IL-1β上调导致OBs中RANKL的表达，进而间接诱导OCs形成以及OCs前体形成多核OCs。另一方面，CCs参与OCs分化。肥大、凋亡的CCs通过产生分解代谢酶、促炎介质和趋化因子等方式参与OCs分化。Pearson等对小鼠内侧半月板不稳定的OA模型进行检测，发现CCs中TNF-α和IL-6的过量产生，其中TNF-α可通过激活NF-κB和c-Jun氨基末端激酶直接诱导OCs分化，而IL-6则通过激活信号转导因子糖蛋白130，以RANKL依赖的方式诱导白细胞分化抗原阳性外周血单核细胞形成TRAP和CTR受体阳性的OCs。Tang等研究还发现，凋亡CCs释放的CXC基序趋化因子12通过激活骨髓单个核细胞中的ERK1/2和p38MAPK通路，对OCs的形成和分化具有极强的促进作用。更有研究发现，CCs表达的OPG可以通过Col2-OPG基因负调控OCs活性来调节骨量。由此可见，在OA中，CCs对OCs的调控促进OCs分化，进一步加速软骨下骨丢失。

总结与展望

综上所述，在OA病理过程中，骨-软骨界面是一个复杂且具有特殊作用的功能单元。由于软骨下血管、孔隙、微裂缝和裂隙的存在，软骨和软骨下骨之间必然存在联系。这也为研究OCs-CCs交互调控提供了研究基础。就目前研究来看，OCs既有抑制CCs表达的作用，也有促进CCs表达的作用；同样的，CCs对OCs也有抑制表达和促进表达的作用。深入了解OCs-CCs在OA中的交互调控将有助于更好地理解OA的病理过程，并基于此改进现有的OA治疗方案，以期开发出针对不同作用途径的靶向治疗。

来源：中国矫形外科杂志2025年3月第33卷第6期

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