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骨性关节炎实验研究进展

来源:中医正骨 作者:余丹丹 2004-10-13
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摘要: 骨性关节炎(Osteoarthritis, OA)是一种严重危害病人生活质量和社会生产力的慢性进 行性骨关节病,多见于老年人,随着社会人口的老龄化,国内关于OA患病率的报道已高达 8。许多学者认为该病是一个以关节软骨退行性改变为核心,累及骨质,并 包 括滑膜、关节及关节其它结构的全方位、多层次、不同程度的慢性炎症。业已证明......


  骨性关节炎(Osteoarthritis, OA)是一种严重危害病人生活质量和社会生产力的慢性进 行性骨关节病,多见于老年人,随着社会人口的老龄化,国内关于OA患病率的报道已高达 8. 3%〔1〕。许多学者认为该病是一个以关节软骨退行性改变为核心,累及骨质,并 包 括滑膜、关节及关节其它结构的全方位、多层次、不同程度的慢性炎症。业已证明,关节囊 软骨退变是OA的最直接原因,故对OA的实验研究多集中表现在对关节软骨退变的研究上。

  1 关节软骨的组成特征

  人体的关节软骨几乎都属透明软骨,具有耐磨、传导关节负荷、吸收震荡和润滑关节等功能 ,由99%的软骨基质和1%的软骨细胞组成。其中胶原、蛋白多糖及水三种物质构成软骨基质 。占50%的胶原多为Ⅱ型胶原纤维,排列规则,由软骨下骨板向上延伸,斜达软骨表面,各 不同方向的纤维共同组成无数个“网状拱形结构”,软骨表面层胶原纤维平行排列,呈切线 方向走行,开成一切线纤维膜〔2、3〕。占30%的蛋白多糖以其分子量巨大(约30×10 6~210×106之间)及极端的亲水性〔4〕与水结合后形成粘稠的凝胶,充分伸 展,松散地附着在胶原纤维上。软骨基质的组成和排列结构决定了软骨是一含孔率很高的粘 弹性物质,有很好的应力适应性。软骨细胞位于胶原纤维间,在生命全过程中不断合成、降 解软骨基质,是软骨组成中的活性成分。同时基质对软骨细胞具有保护作用,并为其提供营 养和底物,转导和传递信号,二者相互作用,相互影响。

  2 关节软骨的退变特征

  退变的关节软骨表面不光滑,缺乏光泽,皲裂重者可有软骨面缺损。光镜下可见软骨细胞数 目减少,排列紊乱,并有成簇现象,可见到细胞核固缩、碎裂或溶解。电镜下软骨退变早期 表现为细胞外形正常,核膜清晰、完整,核染色质轻度凝集;中期表现为细胞周晕消失,胞 核致密,外形不规则,核膜不清,其中细胞周晕消失是软骨细胞退变的重要标志;晚期表现 为细胞的电子密度明显增加,胞核、胞质无法辨认。胶原纤维排裂紊乱或成束状,严重时变 性、坏死,钙盐沉着增多。另外尚可见到部分软骨细胞代谢活性增高,此为残留的软骨细胞 代偿所致〔3〕。

  3 影响关节软骨的各种相关因素

  3.1 骨内压升高 自1983年Larsen首次提出骨内压概念后,国外对骨内压与OA的关系有了较详尽的研究,提出 导致骨内压上升的主要原因是由各种因素引起的骨内静脉回流受阻所致的骨内静脉血郁积 〔5~9〕。而OA早期,骨膜受刺激渗出过多而使关节内压升高,进而引起骨内压升高, 骨与关节的血流必然受到影响〔5、10〕,骨内动脉灌注减少,静脉回流受阻,供氧 不足,酸性产物堆积,滑膜也因关节内高压使血流量减少,分泌酸性滑液,关节软骨营养障 碍,发生退行性变。另外滑液及软骨下骨的酸性改变也可引起组织中降解软骨蛋白多糖的中 性蛋白酶释放而使关节软骨降解消失〔11〕。骨内高压与OA关系极为密切,其致病机理有待进一步研究,但临床上已应用了关节骨端骨质 开窗、钻孔减压及截骨等方法治疗骨性关节炎,达到预防OA发生、发展和缓解症状的目的 〔12、13〕。

  3.2 金属蛋白酶及其抑制物 软骨细胞是软骨基质分解代谢反应酶的主要来源,生理条件下,软骨成分的降解与合成之间 保持动态平衡,而OA关节软骨的生化研究结果表明,软骨成分的合成与分解之间的动态平衡 已被打破〔14〕。许多学者研究发现,OA的关节软骨成分降解可能与中性蛋白酶和胶 原酶(二者在中性pH值下,需要内在Zn2+及外在Ca2+存在的条件下发挥酶活性 , 又称基质金属蛋白酶matrix metalloproteinase,MMP)的降解作用有密切关系〔15~1 7〕。Sapolsky等〔18〕在体外实验研究中发现中性蛋白酶在中性环境中较低浓度 时即可降解软骨中的蛋白多糖;Pelletier等〔19〕在实验中测得胶原酶活性与胶原 降解密切相关,提出OA的胶原酶活性呈直接升高;Martal-pelleier等〔17〕发现人 类OA关节软骨中MMP活性比正常软骨组织的MMP活性高7~8倍;Ehrlich等〔16〕测定 了OA实 验动物模型关节软骨中中性蛋白酶和胶原酶活性,结果发现这两种酶的活性在软骨破坏最严 重的部位最高。金属蛋白酶是金属依赖性的,需要Ca2+、Zn2+发挥酶活性,在给OA实验动物模 型喂饲依地酸(一种阳离子鳌合剂),可以明显减轻实验动物关节软骨的破坏,并能降低MMP 在病变部位的活性〔20〕。正常机体内存在几种自发的MMPs抑制物,其中最重要的为 α2-巨球蛋白(α2-macroglogbulin,α2M),它是一种由肝脏生成的750KD的蛋白质,是一 种重要的金属 蛋白酶清除剂,可非特异性地抑制MMP1及MMP3。但由于α2M是一大分子物质,不易进入软骨 深层,因而影响了其抑制效果及治疗价值。另外,组织中还存在着特异性金属蛋白酶抑制物 (tissue inhibitors of metalloproteinase,TIMPs),它们可以由滑膜及软骨细胞合成。TI MPs可与活化的MMPs形成不可逆1:1非共价键结合,抑制MMPs对基质蛋白质的降解〔21 〕。目前发现至少三种:金属蛋白分解酶-1组织抑制剂(TIMP-1)和TIMP2,TIMP3,但后者 生理意义尚不清楚〔15〕。给Ⅱ型胶原诱导的小鼠关节炎模型腹腔内注射外源性TIMP -1 2mg,结果处理组病情明显减轻,还可通过增加局部TIMP的产生抑制MMP对关节组织的破 坏,其中维甲酸、维生素A类物质、细胞因子(TGF-β,IL-6,IL-11,LIF等)等物质可以 调节软骨细胞及滑膜细胞TIMP的生物合成,增加组织内TIMP水平〔22〕。金属蛋白酶及其抑制物与软骨细胞外基质的降解在整个OA疾病发生、发展过程中至关重要, 通过抑制MMP的合成及其酶活性,增加组织中酶抑制水平等是OA治疗的一个研究新方向,但 有关酶的释放及激活途径还不清楚,相信随着对MMP及其抑制物的更深入研究,通过不同方 法阻断OA关节组织的破坏将成为现实。

  3.3 细胞因子及生长因子 细胞因子系最早发现的由白细胞产生的骨吸收刺激因子,包括白介素(IL)和肿瘤坏死因子(T NF ),均属破骨细胞刺激因子。近年来发现,这些因子可由多种细胞产生,统称为细胞因子。 在已知的细胞因子中,IL-1,TNF和IL-6是参与OA发病进程的重要介质。IL-1对关节软骨 细胞代谢的干扰作用主要表现为抑制透明软骨特征 性Ⅱ、IX型胶原蛋白的合成,促进Ⅰ、Ⅲ型胶原蛋白的合成,而使软骨细胞变性,抑制软骨 细胞增殖和合成蛋白多糖,IL-1还通过促进软骨细胞合成与分泌金属蛋白酶,提高软骨基 质中溶解蛋白分子酶类的活性而降解关节软骨〔23〕。TNF既协同IL-1的作用,又激 活IL-6基团,诱导IL-6的生成,在OA的发生发展中有可能起着决定性的作用〔24〕 。Venn等〔25〕人通过动物OA模型,测量了滑液中的细胞因子、蛋白分解素和葡萄糖 胺, 发现IL-6、TNF在实验性OA的滑液中显著升高,蛋白分解素、葡萄糖胺也明显升高,且与TN F升高相关,蛋白多糖的平均合成率在实验组的关节软骨中显著高于对照组,且与IL-6的增 加正相关。关节内局部性高水平IL-6在OA中的作用或许与其影响软骨细胞增殖、软骨损伤 反应性,以及增强关节炎反应性和增加由IL-1诱导的金属蛋白质酶的分泌有关〔24〕 。同时实验研究也发现骨性关节炎时关节破坏可用IL-1、IL-6及TN F的选择性抗体及抗受抗体,细胞因子受体拮抗蛋白,可溶性或转移性细胞因子受体的分子 所修复,这不但进一步说明了细胞因子与软骨破坏密切相关,还说明了这些因子的拮抗物能 有效地促进被破坏软骨的修复,减缓炎症反应的过程及严重程度〔26〕。细胞外围的传递蛋白生长因子,如胰岛素样生长因子,它分IGF-1和IGF-II两型,和纤 维细

胞生长因子(fibroblast growth factor, FGF),另外还有象缩氨酸(peptide)生长因子 等能调控软骨基质合成与代谢的平衡〔27〕。Guerne等〔28〕人实验发现FGF 能促进关节软骨细胞转化生长因子β的表达,诱导间质细胞分化成为软骨细胞,通过促进 细胞有丝分裂作用来促进细胞增殖和基质合成。在国际抗风湿联合会(ILAR)第8次会议上FGF 被认为是疾病修复型OA药物,具有软骨保护作用。细胞因子及其拮抗物与生长因子参与OA软骨的破坏及修复过程已被证明,但有关它们的释 放、激活及作用机制还不十分清楚,而且细胞因子间复杂的网络性调节,都给未来的研究 提出了严峻挑战,随着对它们的深入研究,将为寻找防止和逆转关节软骨退化的化学药物开 辟一广阔前景。

  3.4 自由基 自由基是含有一个或多个未配对的电子,具有很强反应活性的基团,它对氨基酸,多肽及 蛋白质进行化学修饰,改变其结构和功能,并增加对蛋白水解酶的敏感性,促进其降解,使 细胞膜发生脂质过氧化,成为许多疾病的基础。孙材江等〔29〕对OA患者体内自由基 水 平进行研究,发现OA患者红细胞内SOD(超氧化物歧化酶)明显下降,血浆LPO(脂质过氧化物) 含量明显增高。国外的学者实验研究发现自由基可抑制软骨细胞DNA,基质蛋白多糖及胶原 的合成,促进后二者的降解,同时引起软骨细胞膜性结构的严重损伤〔30、31〕。自 由基 对软骨细胞损伤不仅表现在细胞形态上,还表现在细胞功能的改变。软骨细胞在自由基作用 下,不但蛋白多糖合成受抑制,胶原分泌由Ⅱ型转达变为Ⅰ型,还造成Ⅱ型胶原蛋白的氧化 损伤,导致氨基酸含量及胶原构象改变,使胶原纤维受损,不能有效保护软骨细胞,关节软 骨退变损伤〔32〕,另外软骨细胞分泌透明质酸的减少及滑液粘蛋白的解聚也与自由 基有关〔29〕。然而自由基对软骨损伤的作用机理研究并不多,亦未见到自由基清除 剂对损伤软骨保护的研究,故我们尚需进行更广泛、深入的实验研究,为临床治疗OA提供一 个新途径。

  3.5 自身免疫反应 近年来关节软骨损伤退变中的自身免疫反应现象日益为人们所关注。有人在OA关节软骨部位 检测到抗Ⅱ型胶原的免疫球蛋白IgG、IgA和补体C3沉着,并通过大鼠试验说明抗原抗体对 软骨的损伤作用需补体介导〔33、34〕。Donohue等〔35〕提出,在胚胎和出 生后的个体发育过程中,软骨组织大多处于与机体自身免疫监视系统相隔离的状态,一旦软 骨受到某种损伤,软骨成分就被暴露出来 ,引起抗自体软骨成份的自身免疫反应,产 生 的抗胶原抗体可抑制软骨细胞DNA、硫酸多糖和胶原的合成,进一步加重软骨的退变,使更 多的软骨成份暴露出来,再次激发自身免疫反应。抗胶原抗体是关节软骨退变的始因或结果 ,目前尚无足够的证据,有待于进一步研究证实。

  3.6 透明质酸(hyaluronicacid,HA) HA属酸性粘多糖,广泛存在于人体组织中,尤其在关节滑液中,与关节软骨有密切关系,在 软骨细胞外基质中,HA参与构成蛋白多糖大分子复合物。HA具有高度亲水性,在完全水化时 HA分子网对溶液中其它大分子物质的扩散起着阻碍作用,同时也限制小分子物质的扩散速度 ,此即所谓HA的分子屏障作用。另外,在软骨表面由丰富的高分子量的HA构成了由颗粒状物 质组成的一层状结构,它可作为屏障来保护关节软骨,限制有害物质(如溶酶体酶、致病因 子等)侵入和限制软骨内重要物质(如糖蛋白、蛋白等)漏入关节腔〔36〕。Forrester 等〔37〕证实,无论在体外或在体内,HA溶液和正常滑液对吞噬细胞的游走、吞噬及 释放前列腺素和对淋巴细胞的游走及向母细胞的转化都具有明显抑制作用。Smith等〔3 8〕认为高分子量的HA还可降低OA滑液中促进炎症发生的物质(如前列腺素E、环磷腺苷和 花生四烯酸)的水平。这些都说明HA分子屏障作用限制了炎症的发生、扩散,对关节起着化 学保护作用。HA溶液具有高度粘弹性,对关节软骨还起着减震和润滑等机械保护作用。新近 研究还发现,HA对位于滑膜及滑膜下的痛觉感受器与感觉纤维的兴奋性亦具有较强的抑制作 用〔39〕。OA患者中,HA分子量及浓度均下降,失去了其对关节的化学、机械保护作用,关节疼痛加剧 ,活动度下降。Balazs和Denlinger于本世纪60年代首先提出粘性补充疗法,通过向关节腔 内注射大分子量HA溶液,恢复关节组织的粘弹性,重建HA对关节组织的保护作用,减轻滑膜 炎症和改善关节功能。经过多年的实验与临床研究发现HA粘性补充治疗可以恢复滑液和关节 组织的流变学特性,并取得较满意的疗效。作者认为HA粘性补充疗法是一种值得推荐的治疗 方法。

  3.7 中医药 临床上OA中医药疗法治疗较多,并收到不错的效果,如中药内服、外治(如熏洗、敷贴、 中药离子导入等等)、推拿手法及针灸等等,但对于它们的治疗机理实验研究甚少。其中吕 爱平等〔40〕应用传统接骨药对骨痹大鼠模型进行灌胃治疗结果表明,传统接骨药能 促 进骨痹动物关节软骨创伤部位周围软骨细胞增生,并改善创伤状态下的成骨功能;沈培芝等 〔41〕应用强筋方治疗试验性膝骨关节炎,观察用药后组织病理学改变,结果显示,强 筋方对滑膜的炎性改变具有明显抑制作用,对软骨的退变也有较好的延缓趋势。目前我们对 中医药治疗OA的机制尚不清楚,今后应加强这方面的研究工作,为临床治疗提供一确切的依 据。

  参考文献

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