软骨细胞衰老在骨关节炎中的作用

骨关节炎（OA）是以关节软骨退化、软骨下骨硬化，骨赘形成并伴有关节疼痛、肿胀、畸形及活动障碍的慢性退行性关节病，且多发于膝、髋等负重关节。据统计全世界骨关节炎患病率约为15%，其中50岁以上老年人群的发病率达到50%，最终致残率高达53%。我国流行病调查研究发现我国40岁以上人群膝、手、颈、腰关节炎的总患病率则高达46.3%。关节功能的丧失及致残不仅严重影响老年人群的生活质量还加重家庭和社会的经济负担，有效预防该病已成为国内外重大的公共卫生问题。

骨关节炎发病与衰老软骨细胞的累积导致的软骨细胞外基质合成降解平衡失调、关节软骨组织的分解退变、关节内持续病理性炎症状态密切相关。临床骨关节炎患者的关节软骨细胞常会出现衰老现象，且该现象随着关节软骨组织退变的严重程度越发明显。软骨细胞衰老在骨关节炎的发生发展过程中起着重要作用，因此延缓或清除衰老软骨细胞有可能抑制骨关节炎的炎性反应，保护关节软骨组织的完整性，改善骨关节炎的病理变化，缓解骨关节炎患者的疼痛。

1. 软骨细胞衰老的相关研究

软骨细胞作为软骨唯一的细胞类型，衰老不可避免。细胞衰老常由某些复杂因素触发，例如端粒缩短、基因组损伤、氧化应激反应，此外丝裂原和增殖相关信号传导等激活下游与衰老相关的p53、p16、p53/p16非依赖性信号通路，调控正常细胞向衰老相关的分泌表型转化，直至停滞在不可逆性的衰老状态。细胞衰老是细胞随着时间的推移，其增殖与分化能力和生理功能逐渐发生衰退的正常变化过程，但在关节内由于软骨细胞受外来持续性机械压力和内在低氧、低pH值和高渗透压等微环境的影响更容易发生衰老。软骨细胞一旦发生衰老，则表现出相应的衰老特征：半乳糖甘酶表达升高，端粒酶缩短，炎性衰老等。

1.1 衰老相关半乳糖甘酶升高

衰老相关半乳糖甘酶（senescence-associated-galactosidase，SA--Gal）是目前鉴别细胞衰老特异性最强的标志物，因此可以通过检测SA--Gal的表达分析软骨细胞衰老与骨关节炎的相关性。li等研究发现正常关节软骨中未见SA--Gal表达，而在骨关节炎患者软骨中则表达升高，并且随着SA--Gal表达升高，软骨退变程度越发严重。同时，Gao等研究也证实关节软骨中SA--Gal表达与骨关节炎的严重程度呈正相关，衰老软骨细胞阳性率的增加降低软骨的修复能力，加重软骨退变，促使骨关节炎的发病率增高。

1.2 端粒长度缩短

端粒长度是人类细胞特异性的衰老生物学标志。人体细胞端粒长度因年龄增长而短缩，若缩短到临界水平时触发DNA损伤和氧化应激反应，细胞周期停滞进入衰老状态。端粒酶的长度调节主要是通过端粒酶维持，年龄越小端粒越长，端粒酶的活性就越高，软骨细胞修复能力强，细胞衰老就慢。研究发现大量端粒缩短导致软骨细胞衰老并加重骨关节炎病理改变。

1.3 炎性衰老

炎性衰老决定机体衰老进程速率，与帕金森病、动脉粥样硬化、Ⅱ型糖尿病、骨关节炎等多种老年慢性炎症疾病密切相关。随着衰老发生，体内免疫微环境系统功能失调紊乱，促炎和抗炎反应失衡，引起病理性炎症反应，诱发骨关节炎。DNA损伤激活NF-B信号通路，产生白细胞介素-6（interleukin-6，IL-6）、白细胞介素-1（interleukin-1，IL-1）和肿瘤坏死因子-α（tumornecrosisfactor-alpha，TNF-α）等促炎因子，促炎因子通过阻滞细胞周期和免疫细胞炎症级联信号的传导加速细胞衰老。总之衰老导致炎症稳态失衡，表现为过度的促炎反应，而炎症又可诱导细胞衰老，两者相互作用，加速机体衰老进程。

2. 软骨细胞衰老

参与骨关节炎病程进展

衰老是骨关节炎发病的主要危险因素，而软骨细胞的衰老则与骨关节炎的病理进程密切相关。关节软骨是一种浅蓝色半透明，表面光滑润泽，附着在关节骨头表面的高度分化结缔组织，主要由细胞和细胞外基质（ECM）组成。

关节软骨可减少关节摩擦，缓冲运动震荡，具有良好的润滑和耐磨性能且不含血管、淋巴和神经，因而关节软骨损伤后不易修复。骨关节炎主要集中在不易修复的关节软骨中，在骨关节炎整个病理进展中即使存在关节软骨形态和功能的修复现象，但关节软骨的退行性变仍占主导，而其组织形态的病理改变则是骨关节炎病理过程中显著的特征。随着衰老及外在因素的影响，软骨细胞衰老变性，软骨细胞数量和有丝分裂活动减少，应力刺激能力和合成代谢能力下降，软骨基质有效成分分泌过少，不足以维持软骨组织网状结构，导致软骨组织的分解退变，成为骨关节炎发病起始的重要标志。在骨关节炎早期，软骨组织分解退变主要引起软骨纤维化及关节软骨表层断裂等局灶性病理改变。随着病程的进展软骨变性破坏区域逐步扩大，软骨负重区变薄、皲裂，软骨面破碎、脱落消失，直至累及整个软骨下骨。在骨关节炎晚期，残留体内的衰老软骨细胞分泌免疫刺激因子，诱导低水平的炎症，引发周围滑膜组织病变增生，加重炎性渗出和软骨侵蚀，导致关节肿胀疼痛。衰老软骨细胞不仅是细胞衰老的附属产物同时也是诱发骨关节炎的重要因素，参与骨关节炎病程进展。

3. 软骨细胞衰老

诱发骨关节炎的机制研究

3.1 复制性衰老相关分泌表型

衰老细胞分泌一些因子或释放信号分子主动改变周围环境引起组织细胞发生衰老，这种现象称为复制性衰老相关分泌表型(senescence-associated secretory phenotype，SASP）。衰老软骨细胞表达的生长因子、炎性因子和蛋白酶等分泌因子不仅改变软骨组织局部微环境而且还依赖所处的生物环境诱导自身衰老，产生双向调控的现象。Freund等在文献中报道SASP在骨关节炎患者衰老软骨细胞中有较高水平表达，它们不仅导致机体慢性低度炎症，还反作用于软骨细胞及其邻近细胞外基质加速它们的衰老进程，并作为新的细胞衰老机制，产生病理性损害的恶性循环，促进骨关节炎恶化。

3.2 氧化应激反应

软骨细胞存在于低氧环境中，但软骨细胞可产生活性氧（reactiveoxygenspecies，ROS），病理状态下ROS水平表达异常。ROS通过激活丝裂原活化蛋白激酶抑制软骨细胞蛋白聚糖和II型胶原的合成聚集，破坏细胞外基质结构域，加速软骨组织的分解退化。此外ROS上调基质金属蛋白酶，诱导一氧化氮合酶、IL-6、IL-1和TNF-α等炎症因子的表达，促进骨关节炎炎性病理表现。TNF-α与IL-1不仅可以导致软骨细胞外基质的降解，而且能抑制细胞外基质的修复，是骨关节炎疾病进程中导致关节软骨破坏的两种最重要的炎症因子。总之，过量的ROS会诱发氧化应激反应，产生DNA损伤，端粒缩短，软骨细胞衰老，细胞外基质降解，软骨破坏等一系列的现象。尽管目前对于软骨细胞氧化应激的分子机制尚未阐明，但氧化应激所致的软骨细胞衰老与骨关节炎的发生确实存有因果关系。

3.3 自噬

自噬是细胞衰老的调节机制之一，与骨关节炎的发生发展关系密切。自噬是自噬体与溶酶体融合去除受损细胞器从而维持细胞稳态的过程。自噬可以在应激和缺氧条件下促进终末分化软骨细胞的存活，延缓软骨细胞衰老、关节软骨退化和滑膜纤维化，在骨关节炎中发挥良性保护作用。

但是随着关节退化和软骨细胞衰老，软骨细胞自噬水平逐渐降低。薛等研究发现地塞米松可抑制mTOR（mammalian target of rapamycin，mTOR）信号通路激活关节软骨细胞中的自噬延缓软骨细胞衰老。Tokio等研究证实关节腔内注射雷帕霉素可抑制mTOR表达，促进小鼠软骨细胞自噬，减轻骨关节炎的退变发展。

3.4 细胞外基质退变

软骨细胞外基质为软骨细胞提供屏障保护作用，抵御外界机械压力，减轻外界各种因素对软骨细胞的刺激损伤。软骨细胞外基质和软骨细胞相互作用，相互影响，共同维持关节软骨的正常功能及软骨内环境稳态。

随着年龄的增长，关节软骨细胞外基质自身也会有衰老表征出现：软骨细胞计数减少，结构有效成分分泌合成减少，活性氧（ROS）的产生增加，软骨伸长强度降低等。该衰老表征可致软骨水化减少，关节软骨变薄，摩擦耐受力下降。此外，软骨细胞衰老引发的细胞外基质合成降解异常是关节软骨退变的重要原因。II型胶原蛋白和蛋白聚糖作为关节软骨细胞外基质的两大主要成分，其合成降解失衡是关节软骨形态学改变的直接原因。软骨细胞衰老使软骨基质中的II型胶原蛋白和蛋白聚糖合成水平下降，胶原交联增加，聚合能力下降，含水量和抗疲劳能力下降，软骨弹性降低，关节软骨变薄。研究发现在炎症状态中，软骨细胞试图修复损伤的细胞外基质而由于各种基质金属蛋白酶和炎性因子的作用，软骨细胞外基质过度降解，合成被抑制，随后关节软骨结构排列错乱，关节表面摩擦增大，加剧软骨退变。总之软骨细胞衰老介导软骨损伤，使软骨基质降解加剧，抑制合成修复能力，打破细胞外基质合成降解的动态平衡，加重骨关节炎的病情。

4. 小结

随着时间的推移，软骨细胞衰老是不可避免的，它引起的变化是不可逆转的。衰老软骨细胞可通过SASP、氧化应激反应和自噬等机制参与骨关节炎的发生发展，影响骨关节炎各期的病理表现，同时关节软骨细胞与细胞外机制的相互影响打破软骨正常的合成分解代谢平衡和软骨内环境的稳定，导致关节软骨退变加剧，增加骨关节炎发病机率，因此推测软骨细胞的衰老可能是诱发骨关节炎的关键因素。软骨细胞衰老与骨关节炎密切相关，如果能够明确软骨细胞衰老诱发骨关节炎的作用机制，那么抑制或清除衰老软骨细胞将成为治疗骨关节炎的新靶点，有望防治骨关节炎。

来源：老年医学与保健.2019,25(3)：414-417.