骨性关节炎关节液生物标志物的研究进展

李亚东 杨磊落 李琦哲 张皖茜 叶川（通讯作者）

（1贵州医科大学 贵州 贵阳 550004）

（2贵州医科大学附属医院创伤骨科 贵州 贵阳 550004）

（3贵州医科大学附属医院运动医学科 贵州 贵阳 550004）

（4贵州医科大学附属医院骨科 贵州 贵阳 550004）

骨性关节炎（Osteoarthritis，OA）是一种常见的临床疾病，晚期可导致严重的疼痛不适，甚至造成肌肉萎缩、关节畸形和残疾。目前骨性关节炎的诊断标准是普通的X线检查关节面软骨已有明显退变或损伤。磁共振成像和超声虽然在OA早期诊断具有极为重要的临床意义，但这些检查方法都是基于软骨形态学变化，有一定的滞后性且有时间长、价格高等局限性并非首选的检查方法。研究结果显示，关节软骨损伤的生化改变早于形态学改变。

随着分子生物及生化检查技术的不断更新，关节液中相关生物标志物在OA诊断及及治疗方面的重要作用，越来越受到国内外学者的重视，现就与骨关节炎相关的几种常见生物学标志物的研究进行综述。

1.关节软骨代谢标志物

关节软骨属于透明软骨，软骨表面光关节滑，其覆盖于骨关节表面，能减少相邻两骨的摩擦、吸收应力、缓冲运动时关节震荡、增加关节润滑等作用；由于关节软骨由于无血管、神经和淋巴管,损伤后自我修复能力极差，故而软骨组织修复再生能力较之于骨组织较弱；当软骨发生退变时众多小分子结构释放至关节液中，因此在关节液中寻找OA的特异性标志物可用于OA的早期诊断。

1.1 软骨寡聚基质蛋白(Cartilage Oligomeric Matrix Protein，COMP)

软骨寡聚基质蛋白最先是从软骨中发现，是软骨中的非胶原蛋白成分。COMP主要表达在关节结构中，包括交叉韧带、半月板和滑膜，主要由软骨细胞和滑膜细胞分泌，在软骨内高表达具有明显的组织特异性；Lorenzo[1]等通过对骨性关节炎、急性创伤性关节炎、反应性关节炎、风湿性关节炎患者的关节液进行生化检测分析，结果发现在几种关节炎患者中，OA患者关节液的COMP水平最高。Bai等[2]研究结果显示，骨性关节炎模型兔Mankin评分及关节液COMP水平高于对照组，且COMP水平越高、Mankin评分也随之增高；因此，检测关节液中COMP水平可评价OA患者早期病变严重程度和作为中晚期KOA的诊断指标。

1.2 基质金属蛋白酶（Matrix Metalloproteinases,MMPs）

基质金属蛋白（MMPS）是一种能够降解几乎所有类型金属蛋白酶的细胞外基质，它们在生理过程中发挥着广泛的作用[3]；而骨性关节炎发生发展的核心是关节软骨细胞的合成及分解代谢之间的动态平衡被打破，软骨中MMPS蛋白表达增强，蛋白活性增强，从而影响软骨细胞的表达,促进MMPs分泌,导致细胞外基质大量降解,造成软骨破坏；目前已发现多种MMPs，比喻MMP-1、MMP-2、MMP-3、MMP-12、MMP-13等。符维广等[4]通过对收42例3级与4级膝骨关节炎均行全膝关节置换术患者作为研究对象，发现关节液中MMP-13水平显著高于3级膝骨关节炎患者，表明MMP-13可能在骨关节炎的发病、发展中起作用；Pengas等[5]研究结果发现，骨性关节炎患者中关节液中MMP-3水平明显增加,并且随着膝关节影像学分级增加，关节液中MMP-3水平也相应增加。因此关节液中MMPs可作为一个预测膝骨性关节炎及分级的生物学标志物。

2.滑膜代谢相关标志物

滑膜是关节囊的内层、淡红色、平滑闪光、薄而柔润，由疏松结蹄组织组成，滑膜分泌滑液，其产生的透明质酸和润滑素在关节中起重要作用，能有效较少关节表面的摩擦。OA病变主要累及关节软骨、整个滑膜关节器官，包括半月板、滑膜、韧带、关节囊、软骨下骨及肌其中滑膜，还参与OA的软骨退变过程；滑膜炎症是OA的病理性改变，从OA患者关节液中寻找滑膜病变潜在的生物标志物已经受到众多国内外学者的重视。

2.1 透明质酸 (hyaluronate，HA）

透明质酸，是一种广泛存在于人体和其它生物的高分子非蛋白属酸性粘多糖物质，是关节液及软骨基质的主要组成成分，关节液中正常水平及正常属性的HA对维持关节功能起着至关重要的作用，它能与糖蛋白、磷脂结合粘合于关节软骨表面，保护关节软骨、减少关节间的摩擦及阻力，与蛋白质结合游离于关节液中，起润滑作用。有关研究报道[6]，OA关节液中HA水平有不同程度降低，目前已证实OA患者关节液中的HA水平、分子量及粘滞性均低于正常[7]，致使HA失去正常的生理功能。Fabrizio Russo[8]等人研究研究结果发现骨关节炎患者关节液中HA浓度和分子量都降低，从而降低了滑液的粘弹性，增加了关节面间的摩擦，因此通过关节腔注射HA可明显缓解OA患者的关节疼痛、肿胀、关节积液、运动障碍等临床症状，无明显的副作用，耐受性好。因此通过检测关节液中HA浓度有助于膝关节骨性关节炎的早期诊断，为临床治疗提供参考。

2.2 人软骨糖蛋白（YKL-40）

YKL-40是由人关节滑膜细胞、软骨细胞分泌的一种糖蛋白，也可由软骨细胞及中性粒细胞分泌，在炎症和组织重塑中起重要作用。Karalilova[9]通过对50例炎性退行性关节病的患者关节液中 YKL-40表达进行分析发现，与正常成人相比，骨性关节炎患者关节液中YKL-40水平显著升高。Dündar[10]研究发现血清YKL-40水平受滑膜液YKL-40水平的影响，严重膝关节骨性关节炎患者血清和滑膜液YKL-40水平升高8～10倍。

3.细胞因子类相关标志物

OA最初被认为是一种非炎症性疾病，随着深入的研究，发现OA与炎症反应密切相关，由于炎性细胞因子破坏了软骨细胞的合成与分解代谢平衡，进而在OA发生与发展起着重要作用，近年来有研究报道[11]，膝关节骨性关节炎患者关节液中炎性因子水平增高，加速关节软骨及滑膜的损伤，导致骨性关节炎的发生。

3.1 炎性细胞因子

炎性细胞因子破坏了软骨细胞的合成及分解代谢的动态平衡，在OA发生与发展中起重要作用[12]。目前研究较多的骨性关节炎相关的炎性细胞因子主要有IL-1β、IL-6、IL-8、IL-17、FGF2、TNF-α、NO等；Wang[13]等研究发现，肥胖患者骨关节的关节液、滑膜、软骨下骨和软骨中IL-1、TNF-α和IL-6水平升高，并且IL-1、TNF-α和IL-6还可诱导和促进其他细胞因子、MMPs和前列腺素的产生，抑制蛋白多糖和Ⅱ型胶原的合成，从而在骨关节炎软骨基质降解和骨吸收中起关键作用；Bai[12]通过对确诊的OA患者进行胫骨高位截骨术（hight tibial osteotomy，HTO）治疗，结果发现术前OA患者关节滑液IL-1β、IL-6、IL-17含量均增高；Snelling[14]对两组患者行髋关节或膝关节OA分层后，发现IL-17可检测明显升高，且IL-17可促进基质金属蛋白酶（MMP）的产生，促进破骨细胞的生长，抑制成骨细胞的活性。

3.2 脂肪细胞因子

现今已知脂肪因子是一类新的化合物，随着越来越多的对脂肪细胞因子研究的不断深入，发现脂肪细胞因子不仅与肥胖、糖尿病等的发生、发展密切相关；此外脂肪因子还是代谢综合征、免疫系统和关节之间的分子链接物，脂肪来源的脂肪因子导致软骨降解和软骨下骨成骨细胞生长异常，从而破坏关节[15]；抵抗素是近年来发现的一种新的脂肪细胞因子，抵抗素诱导促炎因子的表达等降解酶，导致软骨基质合成的抑制作用；Zhao[16]等研究发现OA患者和RA患者关节液中的抵抗素水平显著高于健康受试者；Calvet[17]研究通过研究分析得出关节液中不同的脂肪因子与KOA严重程度之间存在不同的关联模式，其中抵抗素与膝关节功能及致残有关；越来越多的证据表明，关节液中抵抗素的检测可有助于关节炎的早期发现，并可作为一种评估骨性关节炎病变程度的生物标志物。

4.结晶体及磨损颗粒相关标志物

骨性关节炎患者关节液中可发现不同类型的结晶体及磨损颗粒，在OA中，研究较多的焦磷酸钙二水化合物(CCP)、碱性磷酸钙（BCP）及软骨磨损颗粒(CWP)；有研究发现CCP和BCP最常于OA患者的关节液中[18]。因此探寻关节液中晶体、软骨磨损颗粒相关标志物可对OA早期诊断、病情评估、预后及疗效评估提供一种新的方法。

4.1 结晶体

碱性磷酸钙（Basic Calcium Phosphate BCP）和焦磷酸钙二水化合物（CCP）晶体是近年研究比较热的两种晶体，其可引起炎症和关节炎，关节内结晶体的存在与加快疾病的进展有关，提示晶体可能参与了疾病的过程且其在OA中存在潜在的致病作用；Rong[19]等通过BCP晶体诱导原发性软骨细胞骨关节炎试验，结果发现BCP通过钙介入CaMK2的激活诱导软骨细胞表型标志物表达发生骨关节炎相关改变.

4.2 磨损颗粒

磨损过程常发生于关节滑膜中从而导致磨损颗粒的产生，而软骨降解导致关节液中存在的磨损颗粒比临床诊断的软骨更易获得。Meizhai[20]通过对25例患者的关节液进行分析得出，叶状颗粒呈扁平状，形状不规则，多见于健康关节，圆形颗粒常见健康关节内，轻度骨关节OA患者关节内多见于细长的棒状颗粒，不规则的颗粒多见于重度OA患者关节内，颗粒表面检测重度OA颗粒较轻度OA颗粒光滑。Estell[21]发现磨损颗粒显著增加了一氧化氮、白细胞介素-6、-8、基质金属蛋白酶-9、-10、-13的增殖和释放，表明软骨磨损颗粒在骨关节炎环境中一个相关物理因素，通过早期调节滑膜细胞在疾病早期和晚期的行为，是使促炎级联和促降解持续存在。

5.小结

目前关于OA相关的生物标记物的研究仍然是一个热点话题，众多的骨性关节炎生物学标志物被发现，对早期骨性关节炎诊断及预判有重要的指导意义，而且也可作为关节炎治疗后及药物开发中临床效果和安全评价的重要指标。但OA的临床生化检测还需更多的理论支持和实践，相信广大医学工作者的不断挖掘及努力，相关的生物标志物必将成为骨性关节炎早期诊断、评估新指标、治疗新靶点及预后判断的新标志物。