滑膜巨噬细胞在骨性关节炎发病机制中的作用及其潜在性应用研究进展

张虎林 王亮 喻琳 汪小敏 谢泽慧

1.甘肃中医药大学附属医院，甘肃 兰州 730000 2.甘肃中医药大学，甘肃 兰州 730000 3.兰州大学，甘肃 兰州730000

骨关节炎(osteoarthritis，OA)是临床上常见的退行性关节疾病，其典型特征为关节软骨和软骨下骨改变并伴有滑膜炎症及骨重塑，是导致关节疼痛和残疾的主要原因[1]。流行病学调查显示，全世界30 %的普通人口受到骨性关节炎的影响，它的发病率随着预期寿命的增加而上升，随着中国老龄化社会的到来，预计我国OA患者将显著增加，这不仅严重影响患者的生活质量，也给社会医疗资源带来巨大压力[2-3]。由于OA的发病机制仍未完全清楚，临床上能够有效缓解OA病情的药物较少，晚期患者除了关节置换手术外缺乏更为满意的治疗方法[4]。近年来，滑膜巨噬细胞在OA发生机制中的作用越来越明显，有文献[5]报道，在OA期间，包括肿瘤坏死因子(TNF-α)、白介素6(IL-6)和白介素1β(IL-1β)在内的促炎因子作用于邻近滑膜并刺激滑膜产生炎症反应，而巨噬细胞作为关节滑膜和滑膜液中重要的炎症细胞，其数量的增加及不同的极化状态在OA发展过程中起着重要作用。阐明滑膜巨噬细胞在OA发生发展过程中的作用机制，对OA的治疗及研究将有重要意义。本文就有关滑膜巨噬细胞不同极化状态在OA发生发展中的作用展开综述，以期为OA治疗及研究带来新的思路及方向。

1 滑膜炎与OA发病关联

滑膜是存在于关节囊内面的一层含有丰富血管的结缔组织，覆盖了关节内大部分结构。所有关节都存在滑膜，正常的滑膜由内膜层和内膜下层两个不同的组织层组成，内膜层包括两种细胞，即巨噬细胞样滑膜细胞和成纤维细胞样滑膜细胞，起到维持关节内部稳态的作用[6]。滑膜组织的外层又称内膜下层，由纤维结缔组织和血管组成，淋巴细胞或巨噬细胞较少。滑膜的存在致使关节囊与关节腔不会发生粘附，同时滑膜组织会产生纤维酶原激活剂和透明质酸两种物质，透明质酸在关节运动时维持恒定的滑液量，与纤维酶原激活剂共同起到保护关节活动的作用。

滑膜炎症在OA病理中起作用的概念是在20世纪90年代被提出的，来自超声和磁共振成像的大量证据表明，绝大多数OA患者病程中存在滑膜炎症[7]。以往的研究[8-9]表明，OA患者的X片病情程度与滑膜炎的严重程度有明显相关性，OA进程中表现出的关节肿胀和积液的症状与滑膜炎症也有直接关联。Smith等[10]在伴有滑膜炎的羊OA模型中通过使用透明质酸减轻滑膜炎的程度，发现OA病情得到了改善，表明滑膜炎与OA有某种联系。Krasnokutsk等[11]根据膝骨性关节炎Kellgren-Lawrence (KL)分级对膝关节OA患者分级后发现，38 %的膝关节OA患者有分级为2～3级的髌下滑膜炎，KL分级为4级且伴有滑膜炎的患者则高达83 %，表明OA病情的严重程度与滑膜炎程度正相关。另有研究发现，C反应蛋白和软骨寡聚基质蛋白(COMP)作为炎症的生物标志物，经检测发现其与OA结构病变之间存在相关性，也证实滑膜炎症与OA的发生发展有关。

2 巨噬细胞极化及其作用

巨噬细胞作为人体固有免疫细胞的重要组成部分，广泛分布在各个器官与组织内，不仅在机体特异性免疫和非特异性免疫发挥相关作用，而且参与机体发育及维持内环境的稳态[12]。巨噬细胞除了在先天免疫中发挥重要作用外，其表型还表现出高度的可塑性，即根据所处环境不同极化为两种不同亚型的巨噬细胞。巨噬细胞极化是一个涉及PI3K /Akt、JAK / STAT、TLR/NF-κB等多条信号通路的极其复杂过程，通常认为，巨噬细胞在受到不同损伤相关分子模式(DAMPs)或病原相关分子(PAMP)等刺激后，可极化为两种表型：经典激活巨噬细胞(M1型巨噬细胞)和替代激活巨噬细胞(M2型巨噬细胞)[13-15]。当巨噬细胞受到脂多糖(LPS)或干扰素-γ(IFN-γ)等因子刺激时，将转化为M1型巨噬细胞，进而被Toll样受体(TLR)和胶原样结构巨噬细胞受体(MARCO)识别，分泌TNF-α、反应性氧中间体以及大量的促炎细胞因子，具有导致机体炎症反应加重等作用[16-17]。当巨噬细胞受到IL-4或IL-13刺激时，转化为M2型巨噬细胞，被甘露醇受体、清道夫受体(SR-A)、CD163、CD209等识别，其可分泌类抵抗素、白介素10(IL-10)等因子，对炎症反应起到抑制和促进组织修复等作用[18]。M2型巨噬细胞又可根据不同的受体表达及功能分为M2a、M2b、M2c、M2d亚型，其中M2a亚型对细胞增殖起到促进作用，M2b亚型有利于细胞成熟及胞外基质的合成，M2c具有使炎症分解的作用，M2d可加速血管生成[19-20]。值得注意的是，这些由M1型和M2型巨噬细胞分泌的促炎或抗炎因子，又分别形成正反馈机制，诱导未极化的巨噬细胞向各自方向转化[21]。

当机体受到创伤或感染时，巨噬细胞首先极化为M1型促炎巨噬细胞，此时分泌TNF-α、白介素1(IL-1)等炎性介质和辅助性T细胞TH1和TH17，前者激活包括氧化过程在内的抗菌防御机制杀死侵入的病原微生物，后者推动炎症反应的进程起到保护机体作用[22]。起初极化的M1型巨噬细胞一系列反应对机体是有益的，如果不加控制，则会导致机体受损或加速病情发展。机体损伤后组织的修复等由极化的M2型巨噬细胞发挥作用。有研究指出，M2型巨噬细胞的亚型均参与了组织的修复过程，而M2a型在此过程中发挥主要作用，活化后的M2a型巨噬细胞可增加转化生长因子-β或合成纤维连接蛋白、βIG-H3等细胞外基质的成分，两者经一系列过程后最终起到修复组织损伤的作用[23]。

3 滑膜巨噬细胞与OA发病

滑膜炎是引起关节病变的重要因素，滑膜内巨噬细胞聚集，是滑膜炎的主要形态学特征[24]。研究表明，活化的巨噬细胞和巨噬细胞产生的促炎因子有助于驱动OA滑膜中的炎症和破坏性反应进而导致OA的发生。叶酸受体可在活化的滑膜巨噬细胞大量表达，99Tcm-EC20(Etarfolatide)是一种叶酸受体特异性分子显像剂，主要用于非侵入性定位活化的巨噬细胞聚集位点，Kraus等[25]对膝关节OA患者静脉注射Etarfolatide显像剂60 min后，用单光子发射计算机断层扫描和高分辨率计算机断层扫描(SPET/CT)采集冠状面扫描层的膝关节图像，80 min后获取全身前后平面图像，然后对每个关节的Etarfolatide摄取的总体强度进行分级，强度越强表明巨噬细胞活化程度越高。结果显示，膝关节OA患者关节结构中巨噬细胞被激活，52 %的患者滑膜中有活化状态的巨噬细胞。此外，组织学研究也证明OA滑膜组织中巨噬细胞数量明显增多，Van等[26]运用免疫化学法对OA患者的滑膜组织进行染色观察发现，相对于健康滑膜组织，OA滑膜组织中M1样和M2样巨噬细胞表达均有所增加。Blom等[27]通过OA造模对滑膜巨噬细胞作用进行研究，实验组在OA形成之前去除滑膜巨噬细胞，两周后对膝关节进行组织学检查，结果发现去除滑膜巨噬细胞后的关节骨赘形成明显减少，表明滑膜巨噬细胞与骨赘形成及OA相关病理有关。上述研究均表明活化的滑膜巨噬细胞参与了OA的发病，但没有对不同活化状态的巨噬细胞在OA中的作用进行分析。

巨噬细胞在受到其所处微环境的刺激时，可转换为M1样巨噬细胞和M2样巨噬细胞，且在OA滑膜组织中均有表达。为探究两者在OA中的作用，Zhang等[24]通过构造小鼠OA模型并诱导滑膜巨噬细胞向不同方向极化，结果发现M1样巨噬细胞极化小鼠OA模型组中，可出现关节软骨退化和骨赘形成等加重OA症状的现象，而M2样巨噬细胞分化小鼠OA模型组中OA症状有所减轻。关节软骨细胞异常增殖和分化是促进OA发展的重要因素，有研究发现，M1型极化的巨噬细胞通过产生白介素-1(IL-1)、白介素-6(IL-6)和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)等促进肥大软骨细胞的分化红和成熟，进而导致关节软骨的损伤和OA的发生。此外，M1型极化巨噬细胞可影响间充质软骨干细胞分化参与OA发病，间充质软骨干细胞是一种可修复软骨损伤对OA起积极作用的细胞，M1型巨噬细胞通过降低间充质软骨干细胞相关基因的表达抑制了其向软骨细胞的分化和软骨修复从而加速OA发展[28]。Sun等[29]发现M1型极化巨噬细胞可抑制关节软骨细胞的生成导致OA发生，并通过一系列涉及CD14+滑膜单核细胞/巨噬细胞的实验进一步检测了极化巨噬细胞减少软骨生成的能力。Liu等[30]收集80例膝关节OA患者和80例健康人(对照组)的滑膜液，采用逆转录定量PCR方法定量检测滑膜液中M1巨噬细胞标志物CD11c和M2巨噬细胞标志物CD206的表达情况，发现与健康对照组相比，OA患者CD11c的表达明显高于CD208，提示M1巨噬细胞主要存在于OA滑膜液中，同时也发现OA的发生与M1/M2型巨噬细胞比例失衡存在关联，且OA严重程度与失衡程度正相关[31]。综上，滑膜组织中巨噬细胞与OA发病有密切关联，且极化后的M1型巨噬细胞促进OA的发生发展，M2型巨噬细胞对OA具有保护作用。

4 滑膜巨噬细胞极化与OA治疗

OA是一种伴有滑膜炎的慢性炎症，滑膜巨噬细胞作为OA炎症反应的重要效应细胞，其不同极化状态影响着OA的发展。正常人体内巨噬细胞的极化存在动态平衡，这种平衡对机体健康发挥着重要作用[7]。抑制未极化的巨噬细胞向M1型极化或调控M1型巨噬细胞向M2型转化，或许成为一种治疗OA的新方法。

4.1 抑制M1型巨噬细胞极化与OA治疗

Frugoside(FGS)是从巨钙藻中分离提取的一种强心苷类化合物，Wang等[32]研究发现，FGS可通过抑制巨噬细胞M1极化，从而减少IL-6和TNF-α的分泌，延缓软骨和细胞外基质(ECM)的降解和软骨细胞肥大，此外FGS也可通过部分下调miR-155的表达水平抑制巨噬细胞M1极化，延缓OA的发展。PRP是全血离心和血小板浓缩产生的自体血液产物，Uchiyama等[33]研究发现，在单核细胞源性巨噬细胞和M1极化巨噬细胞的培养液中添加PRP，发现PRP抑制M1巨噬细胞极化，促进M2巨噬细胞极化，这些结果表明PRPs可以通过将关节中的M1巨噬细胞极化到M2巨噬细胞来改善OA患者的症状。MicroRNAs (miRNAs/miRs)是一种小的单链RNA，最近一项研究[34]表明microRNA (miR-155-5p)可调节膝关节OA患者滑膜液中的巨噬细胞M1极化和凋亡，研究人员抽取53例膝关节OA患者的滑膜液标本进行检测分析，发现膝关节OA患者滑膜中的炎性环境可能通过miR-155-5p/-SOCS1信号通路促进巨噬细胞向M1型方向极化和巨噬细胞凋亡，并推测靶向巨噬细胞极化可能会延缓或阻止OA的进展。Kerschenmeyer等[35]在研究无机化合物硫酸化海藻酸盐时，发现其可减少TNFA、CXCL110等M1型巨噬细胞基因表达标志物和降低TNF-α的表达使M1型巨噬细胞极化减少，减少炎性物质的表达进而缓解OA的发展。

4.2 调控M1型巨噬细胞向M2型转化与OA治疗

Zhou等[36]研究发现，金线莲的特质性成分金线莲苷，通过NF-κB/MAPK信号通路抑制巨噬细胞中核因子抑制蛋白(IκBα)、磷酸化氨基末端蛋白激酶(p-JNK)、磷酸化细胞外调节蛋白激酶(p-ERK)、磷酸化丝裂原活化蛋白激酶(p-P38)的磷酸化，将M1型巨噬细胞转化为M2型，降低相关炎性细胞因子的表达，从而减弱OA关软骨的变性起到治疗作用。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)在巨噬细胞极化过程中起重要作用[37]。mTOR可分为mTORC1和mTORC2两个复合物，其中mTORC1激活可刺激滑膜M1巨噬细胞极化，从而加剧OA中的软骨退变和骨赘形成，而mTORC1受到抑制时，M2型巨噬细胞极化增强，减缓OA的发展。此外，中药提取物萝卜硫素可通过调节巨噬细胞的可塑性，将M1型巨噬细胞转换为M2型巨噬细胞，白介素IL-4可降低M1型巨噬细胞与M2型巨噬细胞的比值，IL-10刺激巨噬细胞向M2型分化，均对OA起到积极的治疗作用[38-40]。Wang等[34]研究发现，Mg2+与维生素(VC)联合可显著促进滑膜巨噬细胞向M2极化，他们通过给小鼠OA模型注射Mg2+与VC并鉴定6周后滑膜巨噬细胞的表型特征发现，Mg2++VC治疗组与对照组相比，M2样巨噬细胞标志物CD206比例增加，半定量分析后发现Mg2++VC在治疗后显著促进滑膜巨噬细胞M2极化，使OA小鼠关节破坏和疼痛减轻。Lee等[41]研究发现，Tissue Gene-C (TG-C) 是一种新型的治疗OA的细胞和基因疗法，可通过诱导M2巨噬细胞对OA发挥有益作用，他们在OA大鼠关节内注射TG-C发现其通过引起TGF-β1和IL-10水平升高，诱导M2型巨噬细胞标志物精氨酸酶1的表达，降低M1型巨噬细胞标志物CD86的表达，减轻OA大鼠模型的疼痛并改善了软骨结构。Zhou等[42]研究发现，冗余一氧化氮(NO)和过氧化氢(H2O2)是促使巨噬细胞向M1型分化的关键因素，在此基础上，合成了改性咪唑啉骨架-8(ZIF-8)纳米颗粒(NPs)，通过调节细胞内气体和重编程代谢表型，修饰的NPs使巨噬细胞从促炎M1表型分化为抗炎M2表型，从而减少了有害细胞因子的分泌，表明基于ZIF-8-NPs的气体调节和代谢重编程策略可能为治疗OA开辟新的途径。Xie等[43]研究发现，α-防御素-1在体外促进M1向M2巨噬细胞极化，通过M2巨噬细胞极化间接对软骨细胞产生有益作用，在体内减轻OA的严重程度，可能是OA的一种候选治疗方法。

5 总结与展望

OA是一种常见的退行性关节疾病，其主要病理特征为关节软骨的退化、软骨下骨改变和骨赘形成，是导致关节疼痛甚至残疾的主要原因。OA发病机制复杂，滑膜巨噬细胞在其发病机制中起着重要作用。巨噬细胞在其所处微环境的不同时有两种不同的极化状态，即具有促炎作用的M1型巨噬细胞和抗炎作用的M2型巨噬细胞。在炎症阶段，经典活化的M1巨噬细胞被招募并产生高水平的促炎细胞因子和趋化因子，而M2巨噬细胞通过释放抗炎因子和分泌转化生长因子等逆转炎症过程。在OA关节中，M1型和M2型巨噬细胞的平衡被破坏，M1型巨噬细胞的增加促进了OA的发展。促使未极化的巨噬细胞向M2型极化或调控M1型巨噬细胞向M2型转化，对抑制OA的发展起到积极作用。随着对巨噬细胞极化的研究不断深入，近年来陆续发现如许多靶向调节OA滑膜巨噬细胞极化的潜在药物，如microRNA (miR-155-5p)、雷帕霉素靶蛋白、金线莲苷、硫酸化海藻酸盐等，但大都停留在机理研究层面或仅在动物实验中得到了证实，未在临床上得到验证。在以后的研究中，进一步阐明极化巨噬细胞在OA发病中的机制，寻找更多可抑制M1型巨噬细胞极化或调控巨噬细胞向M2型极化的药物并应用于临床，将对OA的治疗具有重要意义。