首页 > 论文范文 > 医药卫生论文 > 外科论文 > 骨关节论文 > 创伤后骨关节炎中软骨细胞死亡途径的研究进展

创伤后骨关节炎中软骨细胞死亡途径的研究进展

2025-04-22 42 上传者：管理员

摘要：骨关节炎(OA)是一种常见的退行性疾病，疾病后期多导致残疾。创伤后骨关节炎(PTOA)是OA的亚型之一，其起源于关节创伤，若创伤后及时干预，可避免进一步发展为OA。PTOA中软骨细胞的不同死亡途径在OA的进展中所起的作用不同，同时为细胞水平上延缓PTOA进展提供了新的契机，该文就PTOA中不同类型软骨细胞死亡途径及关键机制的研究进展进行综述。

关键词：
OA
创伤后骨关节炎
程序性细胞死亡
退行性疾病
非甾体类药物
加入收藏

骨关节炎(OA)长期以来被描述为“磨损”疾病,现在被认为是影响多个关节和关节结构的复杂病理生理学疾病,与炎症､代谢和软骨细胞死亡有关[1]｡它可以影响关节的所有部位,其特征是导致软骨细胞死亡和细胞外基质降解[2]｡创伤后骨关节炎(PTOA)是OA的亚型,通常由急性关节损伤引起,如前交叉韧带断裂､半月板撕裂和关节内骨折等,随着疾病进展,患者会出现运动障碍､基本生活不能自理等情况,对社会和个人均造成了巨大的压力[3]｡本文就PTOA中软骨细胞的不同死亡途径及其关键机制的研究进展进行综述,期望在PTOA的治疗中起到参考作用｡

1、PTOA的临床基本特征

OA的症状和体征包括疼痛､僵硬､关节活动受限和肌无力,病程若长期持续,患者则会出现体力下降､身体机能失调､睡眠质量下降､疲劳､抑郁和残疾等[4]｡既往的关节损伤会加大PTOA的风险[5]｡女性､血脂异常､2型糖尿病､高强度关节撞击､缺乏抗氧化剂､关节损伤与治疗之间的时间差､低教育水平以及高龄等,均是PTOA的危险因素｡目前,PTOA的临床治疗效果尚不理想,但相较于退变型OA,PTOA有一个明显的疾病起点｡因此,关节损伤后及时的临床介入可以获得较好的干预和治疗效果,从而避免进一步发展为PTOA｡图1展示了关节损伤后,需要进行干预的PTOA转归｡

图1PTOA在关节损伤后的转归

2、PTOA中的炎症小体与细胞因子

除单纯外伤外,多种生物反应(尤其是炎症)在PTOA不同阶段对关节的病理损伤起到了关键作用[6]｡当关节受损时,无论是否发展为OA,炎症将伴随整个病理过程:初期表现为急性炎症,特征为以CD14+单核细胞及M1型巨噬细胞为主的免疫细胞数量增加､促炎因子的产生和促炎信号通路的激活;后期表现为关节内仍存在低水平炎症｡核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3(NLRP3)是近年来研究较为广泛的炎症小体,NLRP3广泛参与OA的发生､发展,能够通过促进炎症进而引起细胞凋亡､焦亡和软骨细胞外基质降解｡许多OA的危险因素,如外伤､肥胖､碱性磷酸钙过度沉积和衰老,可以激活NLRP3炎性体组装,从而诱发促炎细胞因子的成熟和释放[7]｡炎症小体的过度激活已被证明是组织稳态的主要破坏因素[8],一些NLRP3炎症小体抑制剂如CY⁃09,可以抑制肿瘤坏死因子(TNF)⁃α诱导的细胞外基质降解从而减轻软骨细胞炎症并在体内实验中表现出对软骨细胞的保护作用[9]｡因此,靶向抑制NLRP3或其他下游信号分子,如半胱氨酸-天冬氨酸蛋白酶(Caspase)､白细胞介素(IL)⁃1β或IL⁃18,在阻止OA进展方面具有巨大的潜力｡

关节组织如滑膜､韧带所分泌的细胞因子是OA进展的内在靶点,由于创伤或退行性变导致关节内产生大量的促炎细胞因子,破坏了细胞因子之间的失衡(见图2),进而导致了软骨的退化与死亡｡促炎因子可刺激基质降解酶的产生,或通过抑制基质合成来促进关节组织破坏｡例如滑膜中的巨噬细胞通过产生基质金属蛋白酶(MMP)和细胞因子包括IL⁃1β､TNF⁃α等促使关节组织被破坏[10]｡白血病抑制因子(LIF)参与钙化软骨和软骨血管的形成过程｡LIF还增强了促炎细胞因子的表达,并间接刺激结缔组织细胞[11]｡生长转化因子(TGF)⁃β具有双向调节作用,在正常的关节中抑制炎症并维持分化的软骨细胞表型,在膝骨关节炎(KOA)的关节中增加了分化的软骨细胞表型的丧失,加速了软骨损伤,并诱导滑膜纤维化和骨赘形成｡IL⁃4和IL⁃10是常见的抗炎因子,具有保护软骨作用｡在体内,IL⁃4通过抑制MMP影响蛋白多糖的代谢,防止软骨细胞和成纤维样滑膜细胞的凋亡,IL⁃10影响蛋白多糖代谢,减少MMP,并与IL⁃4一样,防止软骨细胞的凋亡｡胰岛素样生长因子(IGF)⁃1是一种具有多效作用的细胞因子,它可以刺激间充质干细胞的增殖,诱导其成软骨分化｡骨形态发生蛋白7(BMP⁃7)对软骨细胞具有合成软骨细胞外基质蛋白和抗MMP分解代谢作用｡上述这些细胞因子除了单独功能外,它们中的大多数对关节内的细胞具有协同作用,并在滑膜细胞和软骨细胞中诱导彼此的表达,从而在关节环境中创建一个复杂的炎症因子功能网络｡

图2OA进程中的细胞因子的失衡

3、软骨细胞的死亡途径

PTOA来自于创伤导致的关节不稳定,影响关节表面的剪切应力和接触应力,逐渐加重软骨的退化和死亡以及软骨下骨重塑[12]｡不同细胞死亡形式在软骨细胞的退化与死亡中具有不同的作用｡总的来说,细胞凋亡､坏死性凋亡､细胞焦亡､铁死亡和铜死亡都可以诱发或加重OA,而细胞自噬可以抑制OA的恶化,从而保护软骨｡

3.1细胞凋亡细胞凋亡是一种受控的细胞死亡形式,由细胞生长开始直至发育停止,而后细胞受控死亡,其特征是DNA裂解､染色质断裂､核浓缩､细胞皱缩和膜起泡｡许多非编码RNA,包括长链非编码RNA和环状RNA,可以通过不同的机制调节软骨细胞凋亡｡例如,miR⁃146a⁃5p表达可显著增加Caspase激活､聚腺苷二磷酸核糖聚合酶降解和促细胞凋亡蛋白表达,同时抑制人OA组织中的B淋巴细胞瘤⁃2基因表达,从而加速软骨细胞凋亡[13-14]｡细胞凋亡开始后,会导致促炎细胞因子(包括IL⁃1β､TNF⁃α､前列腺素和一氧化氮)､蛋白水解酶和趋化因子等分解代谢因子的上调,以及抗炎细胞因子和生长因子等合成代谢因子的下调[15]｡Caspase⁃8充当细胞凋亡､坏死性凋亡和细胞焦亡交叉线的桥梁,活化Caspase⁃8有利于细胞凋亡,但会阻止坏死性凋亡,凋亡软骨细胞的数量与关节退化程度之间呈正相关｡细胞凋亡是最早发现的细胞死亡形式,因此,软骨细胞的凋亡和炎症反应是OA发病机制中的首要和关键因素,靶向抑制软骨细胞凋亡有望成为保护软骨的重要策略｡

3.2坏死性凋亡坏死性凋亡是一种由TNF⁃α启动,受体相互作用蛋白激酶(RIPK)1､RIPK3介导,以混合谱系激酶结构域样蛋白为执行蛋白的新型调节细胞死亡方式｡其机制与细胞凋亡相似,形态与坏死相似,故称为坏死性凋亡｡当环境压力导致细胞凋亡受阻时,细胞会通过细胞外信号或内信号激活自我破坏｡坏死性凋亡期间,可以观察到细胞器肿胀､细胞膜破裂､细胞质和细胞核的分解｡坏死性凋亡是一种高度促炎的细胞死亡途径,其相关因子参与了炎症的发展｡实验[16]证明,敲除RIPK可以保护由IL⁃1β诱导的软骨细胞的炎症与凋亡｡且一定范围内,KOA的进程与RIPK3的表达呈正相关,而当使用RIPK3抑制剂干预时,KOA的进展被中止[17]｡然而,RIPK3､RIPK1在软骨中的生理和病理作用仍有待进一步的临床试验来证明｡

3.3细胞焦亡细胞焦亡是一种Caspase非依赖性的促炎性､程序性细胞死亡｡在OA的发展过程中,细胞焦亡会引起一系列的关节病变,如软骨塌陷､软骨骨折和滑膜炎｡细胞焦亡主要由两条途径引起:由Caspase⁃1介导的典型炎症小体途径和由Caspase⁃4､5和11介导的非典型途径[18]｡细胞焦亡的典型特征包括Caspase⁃1的激活和细胞膜上的孔洞形成,且会诱导各种促炎细胞因子的释放,包括IL⁃1β､TNF⁃α和IL⁃18[19]｡IL⁃1β能够调节局部和系统的免疫反应,例如诱导软骨细胞凋亡并刺激软骨降解酶如MMP⁃1分泌,进一步降解胶原蛋白Ⅱ和蛋白多糖,还促进降解软骨细胞外基质,这可能反过来促进软骨钙化和退化,参与软骨下骨重塑的进展｡此外,降解的胶原蛋白和蛋白多糖颗粒可以促进IL⁃18的产生,IL⁃18会抑制蛋白多糖合成和软骨细胞增殖[20]｡研究[21]显示,淫羊藿苷通过抑制NLRP3信号介导的Caspase⁃1通路减少焦亡,减轻软骨细胞损伤｡靶向抑制细胞焦亡及泛凋亡途径对于延缓OA的进程仍有广大的研究空间,值得进一步探索｡

3.4铁死亡铁死亡是由铁相关的脂质过氧化诱导的一种受调节的细胞死亡｡在铁死亡中,铁的积累可以增加活性氧的产生｡铁死亡的特征包括线粒体畸形､线粒体嵴减少､线粒体膜减少[22]｡铁死亡受谷胱甘肽过氧化物酶4(Gpx4)､甲氧戊酸途径､脂质合成､Nrf2/NFE2L等调控[23]｡目前已知,Nrf2可以调节Gpx4含量和游离铁含量,从而调节铁死亡的过程,而Gpx4通过抑制OA相关的铁死亡来保护软骨细胞[24]｡且铁的稳态会影响细胞对铁死亡的敏感度[25],铁过载会降低膝关节软骨细胞的活性｡此外,铁死亡可以通过增加MMP13的表达从而降低Ⅱ型胶原酶的合成,进而导致关节软骨退变,并且与铁死亡相关的细胞死亡可能被波浪式地传播到邻近细胞,进一步引发它们的死亡[26-27]｡2种铁死亡抑制剂ferrostatin⁃1(一种亲脂性抗氧化剂)和DFO(一种铁螯合剂)已被证明对OA细胞具有保护作用,这进一步支持了铁死亡在OA病理学中的作用[28]｡

3.5铜死亡铜是一种矿物质营养素,可参与细胞增殖和死亡途径｡铜是酶介导细胞基本功能所必需的辅因子,包括线粒体呼吸､抗氧化防御以及激素､神经递质和色素的生物合成[28],但同时铜储备的失调会导致氧化应激和细胞毒性｡铜死亡起始于细胞内铜离子的过量积累,铜离子直接结合三羧酸循环中的脂酰化成分,导致这些蛋白聚集､失调,阻断了三羧酸循环,引发了蛋白质毒性应激,并诱导细胞死亡[29]｡一项关于小鼠OA的研究[30]显示,MMP诱导的高乙酰辅酶A积聚会导致软骨退化和软骨细胞凋亡｡可以推测,铜细胞死亡基因在OA的免疫渗透中起着重要的作用,但铜死亡介导OA的研究目前还属于空白,相关基因参与OA免疫调节的研究很少,值得未来进一步进行研究｡

3.6细胞自噬细胞自噬是一种细胞的自我保护机制,是在自噬相关基因的调控下利用溶酶体降解自身细胞质蛋白和受损细胞器的过程｡自噬开始后,自噬体逐渐形成并包裹受损细胞器､大分子蛋白等物质,然后与溶酶体融合,最后通过溶酶体酸水解酶降解其内容物,重复利用｡因此,细胞自噬可以在损伤起始时保护滑膜细胞和软骨下成骨细胞来阻止OA的进展｡物质的循环利用可以降低细胞内损伤导致的氧化应激产生的过量活性氧,过量的活性氧是激活NLRP3炎症体和促进组织炎症的危险信号[31]｡此外,自噬可以保护间充质干细胞,而间充质干细胞对软骨组织的稳定和修复至关重要,实验[32]证明,西罗莫司与人脐带间充质干细胞联合治疗比两者单独的治疗更能够增强基质的合成并促进软骨细胞修复｡目前基于细胞自噬途径保护软骨细胞进而阻止OA进程取得了重大进展,研究[33]发现,基于自噬途径给予大鼠KOA模型口服二甲双胍可以保护软骨组织并延缓OA的进展｡因此,作为维持软骨细胞稳态的重要机制,自噬可通过调节细胞死亡､合成､分解代谢和炎症,有效预防软骨变性｡

以上针对细胞死亡形式的研究多在细胞或动物模型中进行,因无法模拟人体内部微环境,这可能会带来潜在的临床偏差｡此外,许多基于以上研究的治疗方法尚未投入临床使用,需要更进一步的临床研究来验证其疗效｡

4、小结与展望

PTOA患者在各个年龄段均可见,具有与OA所不同的发生机制｡为最大程度改善预后,在关节损伤后,需要早期预防PTOA的发生､发展｡但预防PTOA的最佳治疗候选药物是什么,什么是最佳持续给药方法?目前还没有足够的临床试验可以回答这个问题,未来可设计模拟创伤后关节的伤害环境或寻找炎性条件下的治疗手段进行针对性临床试验来探索这一问题｡

创伤后软骨细胞的过度死亡在PTOA进展中起到了关键作用,同时炎症贯穿了OA进程的各个环节,细胞因子之间的失衡是关节及软骨损伤的内在机制,导致了软骨细胞的死亡与退化｡除自噬以外的细胞死亡形式都会导致软骨细胞密度降低和细胞外基质减少,从而导致不可逆的关节损伤｡基于上述综述,抑制软骨细胞死亡途径或肥大细胞自噬都表现出了良好的应用前景,已经有许多药物在细胞及动物实验表现出了良好的保护功能,值得进一步临床试验｡能够为药物开发提供新靶点,新思路,有助于进一步的探索PTOA的新治疗措施｡未来可以期待在细胞层面上更有效和更安全的缓解疼痛及提供靶向抑制软骨损伤的途径｡

文章来源:袁传健,王羽彤,梁延琛.创伤后骨关节炎中软骨细胞死亡途径的研究进展[J].临床骨科杂志,2025,28(02):297-301.