以大鼠为研究膝骨关节炎矿化的过程

作者：唐浩 北京积水潭医院

骨关节炎（OA）-全世界关节疼痛和残疾的主要原因之一，其特征是关节软骨的进行性侵蚀，伴随着关节周围组织的结构和功能变化，包括滑膜、半月板、关节周围韧带和软骨下骨。它常影响下肢关节，如膝、髋、足和踝关节。局部炎症是OA的一个重要特征，如促炎细胞因子如白细胞介素（IL）-1β、IL-6、IL-8和肿瘤坏死因子（TNF）-α的过度分泌。这些细胞因子溢出到循环中可导致全身炎症，可能导致破骨细胞生成和骨侵蚀。
OA的发病率与老年人数量的增加越来越同步 ≥ 60岁.若干因素与OA风险相关，例如年龄、性别（男女比例 > 1） 肥胖、遗传、内分泌损伤和关节创伤/运动损伤。急性或重复性损伤，尤其是由于运动或运动（如足球、篮球和滑雪）导致的下肢关节损伤，可导致OA。大多数损伤涉及前交叉韧带（ACL），此类重复性损伤可增加膝关节OA的风险，尤其是在ACL损伤和OA发生率较高的女性中。除了关节破裂外，还报告了受伤膝盖周围骨骼的局部骨丢失，表现为骨密度（BMD）降低和骨微结构受损，例如，股骨和胫骨的小梁分离增加，小梁厚度减小。然而，OA与其他部位的全身性骨丢失（如椎骨丢失）之间的关联尚未解决。已在人类中记录到膝关节OA与椎骨丢失/骨质疏松症相关，但这种相关性尚未得到证实。
虽然与年龄相关的OA中的骨变化是众所周知的，但OA诱导的胫骨和椎骨小梁骨变化的文献较少，尤其是在生长期。我们假设年轻生长大鼠的早期OA可能削弱小梁骨微结构，进而损害骨强度。因此，本研究旨在研究ACL损伤诱导OA大鼠胫骨和椎骨微结构的变化。据报道，目前的OA模型与局部因素（如前列腺素E2）和系统性破骨细胞因子（如IL-1β、IL-6和TNF-α）的显著升高有关。
正常情况下，钙和骨代谢受多种因素的调节，包括激素（如雌激素、甲状旁腺激素和催乳素）、基础疾病和促炎性细胞因子。众所周知，OA引起的慢性炎症可升高局部和全身促炎细胞因子水平，其中一些（如IL-1、IL-6和TNF-α）能够抑制成骨细胞功能，同时促进破骨细胞功能。有报道称，在ACLT诱导的OA大鼠中，血清IL-1β和IL-6水平分别显著升高了两倍和四倍。例如，Ferrándiz等人证明，2个月大的ACLT大鼠的IL-1β水平显著高于假手术大鼠 ~ 110至 ~ 200 pg/mL。骨转换标记物的测量显示，膝关节OA与1型胶原（CTX-1）c端肽和碱性磷酸酶水平增加相关。因此，我们假设，ACLT引起的OA会导致局部部位（即胫骨）和远处部位（即椎骨）的骨丢失。
虽然OA增强了骨吸收并损害了矿化过程，但它并没有改变一些微结构参数，如小梁厚度、数量或间隔。OA可增加骨体积并不罕见。显然，OA与胶原含量增加和钙与胶原比率降低相关，这解释了为什么在未改变骨体积的情况下观察到骨样厚度增加。众所周知，软骨下骨和关节软骨在功能上是相关的。据报道，OA软骨下骨的早期骨髓损伤通过增加骨小梁厚度增加骨体积而改变骨微结构，但骨硬度降低。
也有证据表明，骨髓损伤部分由软骨下骨中转化生长因子（TGF）-β的过度表达引起。由于在OA骨中发现了TGF-β转录物和蛋白的表达水平增加，因此TGF-α被认为是OA的重要参与者。TGF-β不仅在OA发育过程中调节关节软骨细胞的肥大和成熟，而且还控制软骨下骨细胞的行为，例如在骨赘形成过程中，骨赘是一种纤维软骨覆盖的骨赘生长，位于二关节骨关节边缘。在骨赘形成过程中，TGF-β促进间充质干细胞样骨膜衬里细胞向肥大软骨细胞的增殖和分化。成熟软骨细胞最终经历凋亡，并被骨髓中的成骨细胞和破骨细胞取代，随后血管生成，然后骨赘成为软骨下骨的一部分。在小鼠模型中，骨赘外层细胞强烈表达TGF-β1和TGF-α3，从而加强了TGF-γ的作用。
动态骨组织形态计量学分析表明，OA也损害成骨细胞功能，如骨形成率、矿物质附着率、双标表面和矿化表面的显著降低，同时类骨体积和厚度增加。因此，目前的数据表明OA手术腿胫骨干骺端的骨形成和吸收不耦合。众所周知，OA与骨转换增加导致的早期骨丢失有关。在晚期，骨吸收减少，骨形成略有变化。因此，本研究中的高骨吸收超过骨形成表明，20周OA处于早期阶段，而不是晚期阶段。需要进一步的实验来确定ACLT诱导的OA对骨的确切长期影响，纵向随访研究必须延长，可能在术后20-30周。
可能导致成骨细胞功能下降的几个因素是促炎性细胞因子（如IL-1β、IL-6和TNF-α）以及一氧化氮，一氧化氮的水平通常在OA个体的循环或许多组织中升高。高浓度的一氧化氮对成骨细胞谱系和增殖具有抑制作用。炎性细胞因子的产生增加也可能抑制成骨细胞的活性。此外，OA患者股骨头软骨下骨中新胶原基质矿化度低和血清钙低的报告与类骨体积和类骨厚度增加一致。
总之，在OA进展过程中，幼年生长大鼠通过ACLT诱导的膝关节OA在负重骨（胫骨）中诱导的小梁骨丢失大于非负重骨骨（L5椎骨）。骨丢失明显是由骨吸收增强和骨形成减少引起的。关于局限性，由于OA和骨质疏松症的发病率高于雄性大鼠，本研究仅关注雌性大鼠，因此，雄性大鼠是否出现类似趋势仍不清楚。尽管如此，我们的研究结果直接支持了对协会的关注