创伤性骨关节炎( Post- traumatic osteoarthritis) 是骨关节炎的常见类型之一[1], 是继发于关节创伤的骨关节炎, 受伤后发病时间长短不一, 临床主要表现为受累关节的疼痛、不同程度的关节活动障碍, 严重者有畸形改变, 甚至致残。自1743 年Hunter 首次报道关节软骨“一旦损伤, 不可修复”以来, 人们一直把关节软骨损伤作为创伤性骨关节炎的始动因素来研究。近年来, 随着外伤、交通事故的增多, 关节软骨的损伤概率增大, 创伤性骨关节炎的发病率有增加的趋势。至今, 人们对软骨损伤后的自然演变过程还不够了解, 创伤性骨关节炎的发病机制仍不清楚[2]。本文对近年来创伤性骨关节炎的发病机制方面的研究进展作一综述。
1 软骨的结构组成与代谢
关节软骨主要由大量细胞外基质与散在分布其中的软骨细胞组成, 其主要成分是水、蛋白多糖与胶原、少量的糖蛋白与其它蛋白。关节软骨可以被分成4 层: 浅表层、中间或移行层、深层、钙化软骨层。HE 染色发现一条淡蓝色的波状条纹, 称为“潮线”, 介于深层与钙化层之间。
软骨细胞只占关节软骨总体积的10%以下, 其组成成分以基质为主。水分占正常关节软骨湿重的65%～80%, 其余组织的湿重主要由两种大分子结构组成: 胶原和蛋白多糖。关节软骨对水的亲和力主要源自蛋白多糖的亲水性, 胶原蛋白的影响较小。
关节软骨是没有血液供应的, 大多数学者认为, 其营养或者由周围关节液或下面的骨通过基质扩散而来。软骨细胞负责蛋白多糖分子的合成、聚合与硫酸化。在正常组织的修复与退变过程中, 关节软骨的蛋白多糖不断分解并从软骨中排出。关节软骨的胶原网状结构比蛋白多糖的组成更加稳定。然而, 胶原网络易于代谢, 而且在骨关节炎软骨或软骨受到切割损伤时, 胶原的更新增加[3]。
2 关节软骨损伤的机制
关节负重与运动对于维持成人正常关节软骨组成、结构与机械性是必需的。当负重的强度和频率超出或低于此范围时, 关节软骨的合成与降解失去平衡, 导致软骨组成与超微结构发生变化。
2.1 机械性作用创伤造成关节损害的程度可有很大不同。严重创伤可致关节内骨折、关节脱位、关节囊及韧带断裂、关节内出血和肿胀, 甚至可造成大片组织坏死、缺损、关节裸露以至毁损而无法保留。轻度损伤当时可能无明显症状, 但一定时期后受累关节出现疼痛, 活动能力减退。究竟创伤达到什么程度才会引起创伤性关节炎呢?高能量损伤可破坏关节组织完整性, 直接导致软骨组织坏死, 形成创伤性关节炎发生的病理基础[4]。Newberry[5]等的相关研究发现, 软骨负荷超过临界值, 关节软骨就会发生不可逆性损伤, 首先出现关节软骨肿胀, 蛋白聚糖(PG)丢失明显增加, 其后逐渐出现软骨细胞坏死、软骨变薄、软骨下骨增厚, 从而启动骨关节炎病理进程。进一步研究表明, 机械因素对关节软骨的损伤不仅取决于负荷强度, 而且取决于作用时间[6]。关节软骨基质由胶原纤维网状拱形结构与PG 有机结合构成, 可承受25MPa( 1mmHg=0.133pa) 的撞击而不发生损伤, 但软骨基质承受5MPa 压力负荷作用1h 后, 软骨细胞即出现坏死, 组织中PG 降解丢失增加, 且这种改变由软骨浅层逐渐向纵深发展; 24h 后浅层胶原纤维断裂, 基质金属蛋白酶(WIMP)- 3 在软骨浅层的表达明显升高, 而WIMP- 3 可降解PG 并激活其它胶原酶, 进一步加重软骨基质和胶原的损耗。
关节内骨折伴发的关节面破坏导致关节表面不平整, 不但可造成关节运动时摩擦增大, 而且会引起不同区域软骨承受负荷的差异, 结果出现软骨胶原纤维的塑形、高应力侧的软骨变薄, 以致骨关节炎形成[7]。关节周围结构如肌肉、肌腱、韧带损伤后关节稳定性下降, 负重时关节软骨将承受更大的剪切应力[8]。剪切应力使软骨细胞产生过多的氧化物, 细胞遭受氧化损伤而过早衰老, 以至死亡[9]。软骨组织在长期超常应力作用下发生退变, 软骨变薄, 以至骨赘形成。突然、意外的关节运动发生时缺乏肌肉保护, 关节软骨需承受较平时高得多的负荷, 也易于发生损伤[10]。膝关节半月板破裂后, 既使行关节镜下半月板修整术治疗, 但其关节面有效接触面积减小, 单位面积软骨负荷增大, 也会出现骨关节炎改变。病变过程的长短, 与创伤严重程度、患者年龄及个体易感性密切相关。成熟的关节软骨再生能力很差, 一旦损伤一般不会愈合。关节面上局限的软骨破坏或缺损足以导致整个关节的退行性改变[11]。究其原因, 除了机械性因素外, 生物性因素亦扮演重要角色, 两者相辅相成, 协同作用。
2.2 基质金属蛋白酶研究表明, 基质金属蛋白酶(MMP)是导致骨关节炎病理改变的重要原因, 软骨细胞分泌的MMP 与创伤后软骨改变密切相关[12]。MMP 是酶活性依赖锌离子蛋白酶超家族成员之一, 根据其作用底物不同可分为胶原酶(MMP- 1、8、13)、基质溶解素(MMP- 3、7、11)和明胶酶(MMP- 2、9 )等亚家族。各种MMP 可由关节软骨细胞、滑膜细胞、成纤维细胞、巨噬粒细胞等产生, 以酶原形式分泌到细胞外, 然后通过前肽裂解而激活。MMP 酶原激活物主要是纤溶酶, 其次为胰酶、中性粒细胞弹性蛋白酶、组织蛋白酶和激肽释放酶。纤溶酶首先激活MMP- 3 酶原, 然后再由MMP- 3激活其它MMP 酶原。白介素(IL)- 1 和表皮生长因子可诱导纤溶酶原激活因子(PA)合成, 并抑制纤溶酶原激活抑制因子(PAI)合成, 使纤溶酶产生增加, 促使MMP 酶原激活。MMP 活性主要受基质金属蛋白酶组织抑制剂(T IMP)调节, TIMP 通过氨基末端决定簇与MMP 按1∶1 结合而抑制其活性。
软骨组织经受超强压力负荷后出现糖胺聚糖(GAG)丢失, 这是软骨组织损伤的初始改变。Dimicco 等[13]研究表明,24h 后GAG 丢失持续增加, 此时应用MMP 抑制剂能减少GAG 丢失, 而其它酶抑制剂则无效。可见MMP 在软骨后续损伤反应中发挥了积极作用。软骨损伤后MMP- 3 mRNA 表达可升高至正常的10~250 倍, TIMP 也有所升高, 但远未达到相应水平[14, 15]; 两者动态平衡被打破, 细胞外基质降解增加。在此过程中软骨组织中IL- 1β、肿瘤坏死因子(TNF)含量无明显改变, 说明MMP- 3 表达异常并非由IL- 1β、TNF 调控所致[14]。体外试验表明软骨组织受到压缩损伤后, 其NO 含量升高, NO 可介导IL- 1β诱导的软骨细胞上调MMP- 14, 9, 3基因的表达而促进其合成[16]。体内软骨组织在创伤后同样表现出MMP 异常升高[17]。机械应力通过何种信号转导机制使软骨细胞发生生物学改变, 目前仍不清楚, 需要进一步深人研究。
2.3 核因子- κBp65蛋白 NF- κB 是参与炎症和免疫反应的中心转录因子, 它可以被IL- 1β和TNF- α等细胞因子激活, 通过一系列反应, 快速诱导包括免疫反应和炎症反应在内的多个基因表达, 主要包括细胞因子(IL- 1β、TNF- α、IL- 2、IL- 11、IL- 17)、化学因子(IL- 8)、炎性酶(NOS- 2 和COX- 2)、MMPs 等[18, 19]。NF- κB 不仅可以被IL- 1β和TNF- α激活, 而且可调节二者的表达, 在某些细胞中, 随着NF- κB 的慢性激活, 可导致前向反馈性扩增, 持续作用于细胞[20]。NF- κB 是属于Rel 家族的二聚体蛋白, 大多数二聚体包括p65(Rel A)和p50 两种蛋白。p65 的C 端含有转录激活域, 其中富集丝氨酸、酸性氨基酸和疏水性氨基酸, 能直接作用于转录元件而激活转录过程。p50 亚基用于与DNA 的κB 序列结合。许多研究表明, p65 蛋白是NF- κB 中的关键活性亚基, 目前的多数研究都是针对p65 来进行的。既然创伤性骨关节炎的发生与自体免疫反应和细胞因子引起的炎症反应有关, 而NF-κBp65 又在调节炎症反应和免疫反应方面发挥重要作用, 而且IL- 1β和TNF- α的作用主要通过NF- κB 的调节而发挥。研究证实, 在创伤性关节炎的关节软骨和滑膜组织中NF-κBp65 表达增高, 认为NF- κBp65 可能在创伤性骨关节炎的发生发展中发挥作用[21]。
