炎性介质及骨关节炎.docx

1、炎性介质及骨关节炎炎性介质与骨关节炎 在创伤和骨关节炎等疾病所致关节软骨破坏的病理过程中,有多种炎性介质参与软骨基质降解,如白细胞介素(IL)、肿瘤坏死因子(TNF-)、基质金属蛋白酶(MMPs)、氧自由基、一氧化氮(NO)等,多种炎性介质的持续存在可能破坏其余正常软骨,甚至引起新的缺损。另一类参与免疫炎症反应的调节因子为白三烯类、前列腺素类(PGE2、PGI2)和组织胺等,它们主要参与炎症早期过程。 一、前炎性细胞因子 近年来肿瘤坏死因子(TNF)已被公认为一种参与免疫及炎症反应的重要细胞因子,与白细胞介素1(IL-1 )、白细胞介素6(IL-6)及白细胞介素8(IL-8)一起被认为是前炎性

2、细胞因子,它们主要调节炎症中多种相关细胞的相互反应并参与损伤后的修复过程。这些细胞因子并非独立行使功能,它们有相互重叠的生物学活性,而且彼此间形成信号网络30。 1.1肿瘤坏死因子 实验性OA的早期,TNF-是滑液中最先出现的细胞因子,并与关节软骨的降解相关2。TNF-可促进成纤维细胞和软骨细胞分泌PGE2和多种胶原酶,对软骨细胞及基质有损伤作用。TNF-既协同IL-1的作用,又可激活IL -6基因、诱导IL -6的生成,在OA的发生、发展中有可能起着决定性作用4。一般认为TNF-可来源于由单核细胞等浸润的炎性滑膜组织及变性软骨细胞。然而,本研究发现,除变性的软骨细胞等因素外,晚期OA与其滑液

3、中TNF-含量增加相关的滑膜组织并非表现为明显的炎性病变,而以A、B型滑膜细胞功能异常活跃为主。因此可以认为,滑液中TNF-的异常升高主要归因于滑膜A、B 型细胞的功能异常。 肿瘤坏死因子(TNF)主要由单核/巨噬细胞产生,以往对TNF的研究多侧重于在类风湿性关节炎中的致病作用。近年来的研究表明,实验性OA早期,关节滑液中几乎全部可检测出TNF-活性物质,且患侧滑液中的TNF-的含量较健侧高1.5-3.5倍2。骨关节炎关节滑液中含有高水平的TNF-,并与其滑膜组织的纤维化程度相关1。 由于TNF-既协同IL-1的作用 ,又可激活IL-6基因、诱导IL-6生成 ,在骨关节炎(OA)的发生、发展中

4、有可能起着决定性的作用4。何耀华35证实,TNF-诱导滑膜细胞、软骨细胞分泌IL-1,在OA的发病中与IL-1起着协同作用。 或许TNF-通过诱导滑膜细胞的增殖与变性 ,导致滑膜组织纤维化、改变关节的力学特征及软骨细胞的生活微环境 ,而作为参与OA关节软骨退变的途径之一。邓廉夫等5认为,TNF-以促滑膜成纤维细胞样细胞增殖作用为主,并因其增强滑膜细胞RNA的表达功能 ,而可能成为滑膜组织纤维性变及滑液中细胞因子水平异常升高的诱导因素之一 ,从而改变关节软骨的生活微环境、促进OA的发生、发展。邓廉夫等3的研究结果表明,晚期OA滑液中含有高水平的TNF-,OA、慢性关节内创伤患者血清中亦含有高水平

5、的TNF-,而急性关节内创伤患者仅滑液中含高水平的TNF-。提示关节滑液中TNF-的来源,除因年龄增长可能存在的体循环单核/巨噬细胞对脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)反应性异常和对TNF-清除机制缺陷而导致血清中TNF-水平升高外,滑膜细胞的功能异常乃至变性,是造成晚期OA和急性关节内创伤的滑液中TNF-水平升高的主要原因之一。 1.2白细胞介素(IL) 1.2.1白细胞介素-1(IL-1) IL-1是典型的炎症调节剂,是调节炎症的始动因素。早在20世纪70年代,Howell等在体外培养巨噬细胞时发现其上清液能促进软骨的降解,并促进软骨细胞分泌金属蛋白酶。IL-1可由多

6、种细胞如巨噬细胞、软骨细胞、滑膜细胞等产生,有IL-1和IL-!两种亚型10。有报道,对膝关节滑膜细胞培养后,其上清液所含的IL-1主要IL-以为主11,是构成胞 外IL-1的主要成分。炎症情况下,粒细胞巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)水平升高,它也能促进IL-1的产生,增加IL-的合成;此外,关节滑膜细胞也可分泌IL-。Pelletier等12发现,即使在AO早期,应用免疫组化技术也能发现IL-存在于关节滑膜衬里层细胞,并在深层组织也可测到。Shinmei等13报道,IL-存在于关节软骨细胞中,而在外周血管翳以及淋巴细胞聚集的地方则较少。IL-能促进软骨和滑膜组织金属蛋白酶的表达,包括基

7、质溶酶、胶原酶、组织纤维蛋白溶酶激活剂等;能辅助c细胞生长、诱导内皮细胞黏附因子的表达;能抑制软骨细胞型前胶原mRNA的表达、型胶原和蛋白多糖的合成,具有骨吸收作用。 白细胞介素1(IL 1 )作为一种发现最早的细胞因子,有证据其在骨关节炎的发生发展中发挥了重要作用14,20。IL-1及TNF均可作用于软骨细胞及成纤维细胞,抑制基质大分子如型胶原及蛋白多糖聚合体的合成;同时还可刺激朙降解酶(包括中性蛋白酶及胶原酶),以及倡导前列腺素(PGE2)的合成汲分泌,从而导致软骨破坏、骨吸收。陈游等20的研究结果显示关节滑液中IL-1水平与病变程度呈正相关,表明IL-1水平的不断升高是OA软骨进行性退变

8、的重要原因之一。 IL-1可由多种细胞产生,如软骨细胞、滑膜细胞、巨噬细胞等,有IL-1和IL-1两种亚型,IL-1是细胞外IL-1的主要成分。IL-1受体的表达在OA的软骨细胞上要高于正常的软骨细胞,提示OA可能与IL-1作用有关。目前研究证实34,IL-1能刺激成纤维细胞、软骨细胞和滑膜细胞分泌前列腺素E2(PGE2)、胶原酶和基质金属蛋白酶,加速软骨基质中蛋白多糖和型胶原的降解,并抑制蛋白多糖和型胶原的合成,抑制型前胶原mRNA的表达,参与了病变软骨的破坏。 TNF-可促进成纤维细胞和软骨细胞分泌PGE2和多种胶原酶,对软骨细胞及基质有损伤作用。与IL-1的生物学效应类似,但其生物学活性

9、却比IL-1低约100倍 1.2.2白细胞介素6(IL-6) 近20年来,一系列的研究表明白细胞介素6(IL-6)j 关节破坏及炎症的重要介质18。目前,人们对IL-6在OA发病中的作用尚存在争论。Mohtai等发现IL-6可以诱导正常软骨细胞表达IL-6mRNA,因而认为IL-6在OA病程中起分解细胞因子的作用。但是,IL-6能刺激合成金属蛋白酶组织抑制剂(TIMP),通过负反馈作用减弱MMP对软骨的破坏,因此可以认为,Il-6可正向调节TIMP的含量,维持MMP/TIMP的平衡,起到保护软骨的作用17。IL-6与IL-1及TNF不同,虽然不能刺激软骨细胞及滑膜细胞产生PGE2及胶原酶,但可

10、增强IL-1及TNF在关节疾病中的作用。此外,IL-6还具有较强的刺激B淋巴细胞产生抗体的能力,在免疫调节中发挥主要作用19。陈游等20的研究发现,IL-6的水平在早期轻度颊滑液中已明显高于正常,而IL-1在晚期重度病变颊滑液中明显增设。表明当某种原因如损伤、劳损、制动或感染等导致关节软骨损害,而使软骨成分暴露时可诱发抗自身软骨的自身免疫反应。IL-6介导了这一过程,IL-6增高诱导IL-1及其他细胞因子的产生,并增强其作用。 1.2.3白细胞介素-8(IL-8) 二、金属蛋白酶 目前认为滑膜炎在OA发病中起着重要作用,它可加速软骨基质的分解代谢和软骨的退变。已证明软骨基质的破坏和退变与蛋白水

11、解酶,如金属蛋白酶活性的增高密切相关,而滑膜分泌的细胞活素,如IL-1和TNF-等对金属蛋白酶和其他蛋白水解酶的合成起着重要的调节作用9。金属蛋白酶(matrix metaloproteinases,MMPs)MMPs可由软骨细胞、滑膜细胞及成纤维细胞等产生。管剑龙等的研究表明,OA软骨细胞产酶以MMP-9为主,其次为MMP-2,而OA滑膜细胞则仅产生MMP-2,说明MMP-9和MMP-2的细胞来源和酶活性的影 响因素不同。MMP-9的作用底物为型胶原和蛋白聚糖以外的微小细胞外基质成分。IL-1能抑制软骨细胞合成蛋白聚糖和型胶原,为降解朙细胞外基质的重要炎症介质,其破坏作用可能与刺激MMPs合

12、成或活性有关37。IL-1和TNF-等细胞因子可能与膜相关受体结合后,通过共同的信号传导途径介导MMPs产生,从而参与OA软骨破坏。生理状态下,参与MMPs的调节因素构成精密的调节网络,以保证机体细胞的正常功能和细胞外基质的重建;如果MMPs的调节机制紊乱,MMPs的产量增多或活性增强,细胞外基质降解增加,则引起骨关节炎等疾病的发生36。 氧自由基许鹏等24的研究发现,在创伤性关节炎患者的关节液中存在高水平自由基,NO 和氧自由基在创伤性关节炎的发病机制中具有重要的作用。 自由基在OA病变过程中扮演了重要角色, OA患者体内氧自由基代谢发生了紊乱。Bukhard等16发现氧自由基可抑制关节软骨

13、细胞DNA合成,破坏软骨细胞膜结构。 关节软骨的退变是导致OA的最直接原因,多种因素多种机制参与软骨的破坏机制。近年来,氧自由基(Oxygen free radicals OFR)与OA的关系已引起人们的密切关注。目前已有许多实验证明,中性粒细胞、巨噬细胞通过“呼吸爆发”产生的OFR是引起某些炎性关节病,关节软骨损伤的重要原因, OFR可能参与OA的病理过程31。Bukhardt等32在离体实验研究中发现自由基(Free radicals FR)可抑制软骨基质蛋白多糖(Proteoglycan PG)的合成,促进PG和胶原的降解。宫明智等33研究结果表明OA患者体内存在着OFR代谢紊乱。本实验

14、测定结果表明兔患侧膝滑膜组织中同样存在着OFR代谢紊乱,机体清除OFR能力降低,OFR生成增多。 康一凡等21的研究认为,在膝骨关节炎的患膝关节滑液中,存在氧自由基相关物质的变化。氧自由基对软骨细胞的损害可能是多方面的,可能通过抑制软骨细胞DNA的合成,破环蛋白多糖和胶原分解合成代谢,从而破环软骨细胞的合成能力,引起软骨细胞损伤。氧自由基在膝骨关节炎的病理过程中损害作用的确切机制尚需进一步研究。 自由基对关节软骨的损害作用主要表现在以下两个方面:(1)氧自由基破坏胶原纤维,一方面使蛋白多糖发生流失,另一方面由于失去了正常弹性,因而不能有效地保护软骨细胞;(2)氧自由基损伤软骨细胞,不但改变细胞

15、形态和生长状况,更重要的是改变细胞功能。另有实验提示氧自由基可改变蛋白多糖和胶原蛋白的合成与分泌功能,同时使软骨细胞分泌透明质酸减少,滑液粘蛋白解聚22。 研究表明,膝骨性关节炎机体内氧自由基代紊乱,血清SOD活性下降,脂质过氧化物(LPO)含量明显升高,提示病变局部组织细胞清除自由基能力受到抑制。过量的氧自由基可以破坏关节软骨纤维,损伤软骨细胞,从而导致软骨的损伤23。 一氧化氮(NO)在体内,NO是一种活泼的自由基分子,由一氧化氮合成酶(niteic oxide synthase, NOS)作用于L-精氨酸产生的。NOS有结构型(cNOS)和诱导型(iNOS)之分。iNOS 的特点是可以被

16、细胞因子诱导产生。软骨细胞,在细胞因子IL - 1等作用下可以产生NO28,而NO抑制软骨细胞蛋白多糖的合成,促进软骨细胞合成金属蛋白酶(MMPs)及PGE2 ,增加型胶原的裂解,这些因素,在软骨细胞退变及基质的破坏中起重要作用。金大地等27的研究表明,NO可能是多种细胞因子的信号分子,介导它们发挥生物学作用。正常情况下,NO起着宿主防疫作用,查过量的NO可导致各种慢性炎症25,26。彭丹等29的研究表明,NO是引起实验性OA中软骨细胞凋亡的重要介质之一,并推论NO可能通过以下四个方面的机制使细胞发生凋亡:抑制三羧酸循环中乌头酸酶的活性,使细胞氧化代谢和呼吸受到干扰,糖原分解,导致糖原衰竭;直

17、接与某些含亚铁原卟啉的铁离子结合形成亚硝酰络合物,造成线粒体损害;引起核酸亚硝酰化,破坏DNA双螺旋结构;影响细胞内的其他靶分子,调节第二信使,诱导非依赖于基因组DNA损伤的细胞凋亡。软骨细胞凋亡的诱导有两个独立通路,一是NO依赖通路,二是Fas介导的非NO依赖通路,在OA 中,NO依赖通路更重要总之,OA病人存在软骨细胞凋亡,而凋亡与NO升高相关,抑制NO的产生,可以抑制凋亡的产生。 白三烯类是花生四烯酸经5-脂氧酶途径生成的一族脂类介质,广泛参与生物体的病理生理过程,如炎症、哮喘、脑缺血再灌损伤、创伤和休克等。 花生四烯酸代谢物PGE2是公认的强有力的炎症介质之一。当细胞受某些机械、化学等

18、物质的刺激,细胞膜中磷脂酶A2被激活,使磷脂水解释出花生四烯酸,然后在一系列酶作用下生成PGE2等产物。PGE2 能诱发炎症,促进局部血管扩张、毛细血管通透性增加、白细胞渗出等,导致炎症反应。PGE2不但具有极强的致炎作用,而且具有直接的致痛作用和增加神经伤害性感受器对其他致痛物质的敏感性。 组织胺由于青滕碱是一种较强的组织胺释放剂,组织胺释放所致的不良反应为本药的唯一缺陷, 有文献曾提到”组织胺具有抑制免疫反应及抗炎作用,使用组织胺拮抗剂可能会促进炎症进展及改变免疫反应”。 1 TNF-邓兼夫,柴本甫,李慧,等。骨关节炎滑液中肿瘤坏死因子-活性检测及滑膜组织的超微结构观察。中华外科杂志,19

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