骨性关节炎实验室诊断指标的意义及研究进展

赏后来综述，郭 亭，赵建宁审校

0 引 言

目前对OA的实验室诊断研究热点是体内各种酶以及细胞因子等在疾病发生发展过程中的作用，通过检测患者外周血液或关节液等其他体液中的相应酶或细胞因子等作为辅助指标早期发现并诊断OA。本文介绍目前认为较有价值的新的诊断OA的实验室指标。

1 蛋白酶

在OA发生发展过程中，细胞外基质的降解超过合成，导致了软骨基质总量减少和关节软骨破坏。此过程主要是由蛋白酶活性升高所致。蛋白酶在炎症性细胞因子介导下在关节软骨与滑膜中高表达，引起关节软骨基质胶原纤维网及蛋白多糖降解，最终导致软骨的退行性变。

研究认为蛋白酶中最重要的是基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)。MMP是酶活性依赖锌离子的蛋白酶超家族，目前已发现20余种。根据作用底物不同，可分为胶原酶(MMP－1、8、13)、基质溶解素(MMP－3、7、10、11)及明胶酶(MMP－2、9)等亚族。此外，金属弹性蛋白酶(MMP－12)和膜Ⅰ型金属蛋白酶(MMP－14)也属于 MMP 成员［1］。

多种MMP对关节软骨细胞外基质有降解作用，使关节软骨肿胀，抗外力作用下降，最终导致关节软骨进行性破坏。关节软骨细胞外基质主要成分为Ⅱ型胶原，其次为蛋白聚糖。MMP－1、8、13、10、7 等可使Ⅱ型胶原变性裂解，继而被MMP－2和MMP－9进一步降解。OA滑膜和软骨细胞都有高表达的MMP－1和 MMP－3，而组织源性金属蛋白酶抑制物(tissue inhibitor of metalloproteinase，TIMP)增加甚少，呈现MMP/TIMP失衡，导致软骨降解增加。软骨破坏的严重程度与MMP/TIMP的比值呈正相关［2］。

班吉鹤等［3］用蛋白芯片检测骨关节炎患者血清及关节液中MMP－13含量，发现关节液中荧光强度明显高于血清，差异有统计学意义。检测MMP的水平可用于评估其对关节软骨的破坏作用，近年来更侧重于研发针对MMP的抑制药物，从而延缓关节软骨的破坏。针对MMP在OA关节软骨破坏中的作用，已研发了一些抑制MMP的药物。四环素族抗生素等传统药物经动物试验显示亦具有抑制软骨破坏和缓解病情的作用［4］。

2 细胞因子

关节软骨主要是由软骨细胞和细胞外基质所组成。生理状态下，软骨细胞在合成与分解代谢之间保持平衡，并调节细胞外基质结构及其功能。但在OA患者中，软骨细胞的合成与分解代谢失去平衡，降解代谢高于合成代谢，出现关节软骨的净丢失，此过程主要是由于细胞因子的表达失控所致［5］。

细胞因子多由滑液、滑膜及软骨细胞释放，大致可分成3大类，即促分解性细胞因子、促合成性细胞因子和调节性细胞因子。这些细胞因子可上调OA软骨中多种MMP的表达，是OA软骨降解时重要的前炎症因子，其平衡决定软骨损伤的严重程度［6］，各种细胞因子通过不同的受体、信号转导途径，将生物化学信号传递给各种转录因子，参与对 MMP表达的调控，引起关节软骨的破坏。

在OA发病过程中，以促分解性细胞因子的作用最为重要。其中，白细胞介素－1(IL－1)和肿瘤坏死因子－α(TNF－α)是最重要细胞因子［7］。

IL－1可通过刺激滑膜细胞产生胶原酶和酪蛋白酶［8］，刺激软骨细胞产生 MMP，抑制 TIMP－1 的产生。IL－1还有快速强大的促炎症作用［9］。此外，IL－1还可通过人软骨细胞中的IL－6介导抑制蛋白聚糖(proteoglycan，PG)的合成，也可通过内源性一氧化氮的介导抑制 PG的合成及软骨细胞的增生［10］。有研究者用 IL－1 受体拮抗剂(IL－1 receptor antagonist，IL－1Ra)抑制 IL－1 来治疗骨性关节炎，动物实验结果表明将hIL－1Ra基因转入兔或狗膝关节组织细胞中可有效减少软骨损伤［11］。对这些细胞因子和蛋白酶同时进行检测可用于OA的诊断并判断其进程发展用。

3 组织结构性成分

除上述蛋白酶及细胞因子外，OA患者所有构成关节的组织，包括软骨、滑膜、软骨下骨等结构和性质在均可能发生改变。通过检测这些组织中相应的成分的变化可为OA的早期诊断提供更多的依据。

3.1 Ⅱ型胶原 关节软骨的基本成分是软骨细胞和细胞外基质，其中软骨细胞仅占1%，而细胞外基质占99%。基质中以Ⅱ型胶原纤维为主，还有少量Ⅵ型及Ⅺ型胶原。基质中30%为糖氨聚糖，主要成分为硫酸软骨素及硫酸皮肤素等［12］。

Ⅱ型胶原的降解产物α链和Ⅱ型胶原端肽均可进入体液。其中Garnero等［13］用免疫组化法测定OA患者的尿液后发现，Ⅱ型胶原的降解产物C末端肽的含量与软骨受损程度相关，可以作为软骨受损的指标。同时OA患者软骨组织的变性、破坏可导致Ⅱ型胶原解螺旋，暴露抗原决定簇。由此可针对这些抗原决定簇制备抗体直接检测胶原纤维的破坏程度。如col2－3/4 m抗体能特异性识别变性的Ⅱ型胶原远3/4片段的COOH端。除了Ⅱ型胶原外，软骨基质蛋白多糖代谢产物硫酸角质素(keratan sulfate，KS)含量也能反映软骨的破坏情况。目前已研制出针对硫酸角质素抗原决定簇的2种抗体5－D－4和 AN9P1［14］。

3.2 葡糖氨基聚糖(glucose amino glycon，GAG)PG是由蛋白质和糖胺聚糖以共价键连接所构成的复合糖，是结缔组织主要成分之一，由结缔组织特化细胞或纤维细胞和软骨细胞产生。其主要功能是作为结缔组织的纤维成分(胶原和弹性蛋白)埋置或被覆的基质，也可当作垫组织使关节滑润。PG由核心蛋白和GAG侧链以共价连接形成，PG单体再与透明质酸(hyaluronic acid，HA)以非共价连接形成聚合体［15］。GAG占PG相对分子质量的90%以上，是PG的决定性功能基团。研究认为GAG更能反映PG转化的参数［16］。

GAG的生理功能为调节细胞的增生与分化、细胞与基质间连接、大分子物在细胞间扩散的调节、细胞与细胞间相互作用介导、局部炎症反应中的细胞因子产物的调节及细胞因子黏附等。在OA的病理过程中，有多种机制参与 PG的破坏过程。首先是机械因素，过度的应力集中使软骨细胞的表型改变［17］，导致PG代谢的异常增加，早期合成多于分解。随着细胞功能的丧失，PG的分解大于合成，最终PG大量丢失。此外许多酶类参与PG的降解过程，主要包括金属蛋白酶家族和软骨蛋白多糖酶。酶作用的结果是直接导致 PG的降解，同时也激活某些细胞活性因子，这些小分子蛋白通过复杂的网络调节，直接或间接地促进PG的降解［18］。

卫晓恩等［19］用 Alcian－blue法测 GAG 总量，证实OA时关节软骨基质中所含PG的量与其内部结构的改变有一定相关性，并随病变的程度不同而变化。

3.3 软骨寡基质蛋白(cartilage oligomeric matrix protein，COMP)COMP是透明软骨的重要组成成分，主要由软骨细胞和滑膜细胞分泌。其C端球状区可以连接Ⅰ、Ⅱ和Ⅸ型胶原，提示其可能参与调节纤维结构和维持胶原蛋白网的完整性。COMP的生物学功能尚不明确。最初认为COMP具有软骨特异性，表达于软骨细胞周围的基质中。但近年研究表明，COMP在所有关节结构中均有表达，包括韧带、半月板、肌腱、滑膜。此外，视网膜和血管平滑肌细胞内也能表达COMP。

Saxne等［20］也发现COMP有绑定Ⅱ型胶原和维持关节软骨胶原网稳定的作用。Geng等［21］研究表明，缺乏 COMP的小鼠呈现明显早发 OA症状，且严重程度高，但COMP对Ⅱ型胶原所致自身免疫无影响。Hashimoto等［22］也发现COMP突变可以阻碍软骨细胞正常的分泌过程，而且表达突变COMP的软骨细胞凋亡率较高。Gagarina等［23］认为，COMP可以上调凋亡蛋白抑制因子，保护软骨细胞，阻止细胞凋亡发生。

关节软骨损伤后，COMP首先释放入滑液中，然后进入血液。血清和关节液中COMP水平可反映关节软骨的降解破坏程度和滑膜炎的炎症程度［24］。最初的研究显示，血清中COMP水平升高与骨关节炎的影像学进展呈正相关［25］。新近的研究证实，在OA早期血清中COMP水平即明显升高，类风湿性关节炎患者的血清中COMP变化程度与OA相比不显著［26］。由于COMP只在关节内高表达，有明显的组织特异性，因此作为关节损伤标志物已日益受到重视。Salminen等［27］在鼠骨关节炎模型中观察到关节滑液COMPmRNA表达上调。COMP不仅反映组织分解加速，也反映软骨和滑膜新近合成率增加。但是COMP的测定受多种因素的影响，如性别、年龄、种族、遗传、运动、生物节律、进食、创伤等。故在临床实际应用时影响因素较多，检测结果可能并不能完全反映病情的真实情况。

4 总结与展望

迄今为止，OA早期的实验室诊断依然是临床工作的难点，尚无准确的特异性指标。随着分子生物学研究的发展，上述各项指标的临床意义将会更加明确，可能发现若干项指标联合检测对OA有诊断意义，使OA能够早期诊断和治疗，有助于延缓病情进展、提高患者生活质量［28－29］。

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