关节软骨含水率变化与骨关节炎筋骨失养的关系探讨

【摘 要】 骨关节炎病在筋骨，筋骨失养为主要病理表现，常见于中老年人，软骨退变在骨关节炎筋骨失养过程中发挥重要作用。水占关节软骨湿重的80%，是软骨所需营养物质的重要媒介，在关节软骨生化组成中所占比重最大，水与胶原纤维及蛋白多糖相结合共同提供了软骨细胞生物学功能的内环境，与软骨生物力学功能密切相关。调节含水率可能是延缓或阻止软骨退变的重要机制之一，提示有效调控关节软骨含水率在骨关节炎形成和发展中的作用，对骨关节炎筋骨失养的防治研究具有重要意义。

【关键词】 骨关节炎；含水率；软骨；筋骨失养

骨关节炎（osteoarthritis，OA）的核心病机为本痿标痹，以肝肾亏虚、筋骨失养为本，以腠理空虚易感风寒湿邪为标，主要病位在软骨[1]。关节软骨中的水分在软骨细胞与富含营养物质的滑液之间进行物质交换，有利于营养物质、废料及气体的弥散，部分水与细胞外基质（ECM）中的胶原纤维及蛋白多糖结合成凝胶状，参与软骨组织中的流体静压力的形成，同时维持关节软骨的正常结构。当关节软骨受损时，软骨中水分含量发生改变，以调节软骨细胞内外环境的稳定，维持软骨的生物力学性能，从而起到保护组织细胞的作用[2-3]。软骨ECM降解在软骨退变过程中发挥关键作用，因此阻断软骨ECM降解发生，有可能促进退变软骨修复，从而减缓OA病理进程[4-5]。软骨含水率变化与软骨ECM降解及软骨退变密切相关，提示调控软骨含水率是防治OA筋骨失养的潜在有效途径

之一。

1 关节软骨含水率变化与OA筋骨失养的关系

1.1 关节软骨退变是OA筋骨失养的必经阶段 OA的主要病理特征为软骨退变、骨赘形成，软骨退变属于中医“痿”证，骨赘形成属于中医“痹”证。其中关节软骨属中医“筋”范畴，骨赘属中医“骨”范畴，筋和骨相连，相互作用，共同组成人体的支架结构，具有负重和维持运动的功能[6]。根据中医骨伤的病机演变规律皮-肉-筋-骨，筋痹是OA发展的必经阶段，筋痹继续发展成为骨痹，骨痹是OA的最终表现形式[7]。力学研究表明，软骨的退变可引起关节生物力学稳态失衡，为维护关节力学结构而导致骨赘形成，骨赘是发生于关节边缘的骨和软骨性新生组织，是生物力学失衡的代偿性改变，但因骨赘改变了关节原有的结构，导致关节失稳，又进一步加重了软骨退变[8]。

1.2 含水率变化促进关节软骨退变 软骨ECM的过度丢失对OA软骨退变的病理进程起至关重要的作用，ECM主要由水、蛋白多糖聚合体以及胶原纤维构成，由于蛋白聚糖中的GAG是多阴离子化合物，结合K+、Na+等阳性离子，引起渗透压升高，从而吸收水分子；同时糖的羟基具有亲水特性，因而基质中的蛋白聚糖可以吸引、保留水分，形成水凝胶，容许小分子化合物自由扩散，阻止细菌通过，起到保护ECM的作用[9-11]。

软骨退变早期，软骨内固有的胶原纤维和蛋白多糖同时发生退变，而蛋白多糖在降解的同时代偿性地合成新的蛋白多糖，此类蛋白多糖分子量较小，分子结构也有所改变，难以与水分子结合形成蛋白多糖聚合体，蛋白多糖的生物学性能下降导致水合作用降低，表现为软骨含水率的下降[12]。

软骨退变发展期，软骨结构破坏，进一步导致胶原纤维结构的改变和胶原纤维含量的下降，上述改变导致ECM渗透压持续增高，引起高渗吸水，ECM含水率增加；此时组织损害加重，电荷密度、应力改变和组织渗透性增加引起炎症介质释放，软骨细胞合成和增生作用下降，蛋白多糖聚集体减少，小分子量单体增多，软骨内渗透压持续增大，导致含水率增加[13]。

软骨退变后期，代偿性合成胶原纤维和蛋白多糖进一步增多，但与软骨退变早期一样，新合成的蛋白多糖分子量较小，分子结构改变，难以发挥其水合作用的生物学性能；此时，炎症反应降低，软骨中炎症介质减少，ECM渗透压降低，软骨含水率逐渐减少[14]。

2 关节软骨中水的存在形式 关节软骨中的水可分为大部分的结合水和少量的游离水。结合水是组成细胞和生物体结构的重要成分，可以稳定大分子结构，结合水与胶原纤维和蛋白多糖的阴性离子呈非共价键结合，主要依赖胶原纤维或蛋白多糖的水合作用形成；自由水主要通过渗透作用由关节腔进入，游离于软骨细胞和滑膜之间，因此关节软骨渗透压的大小主要取决于蛋白多糖的数量[15]。结合水和自由水共同维持关节软骨营养物质、废料及气体的弥散和交换。

关节软骨水分的1/3在细胞内，其余的水分与ECM结合。软骨中缺乏血管分布，软骨细胞成行或成群分布，因此软骨细胞通过渗透作用传递代谢所需要的营养物质。渗透作用即血浆中的营养成分透过滑膜内的毛细血管壁滑膜进入滑液，通过滑液将营养物质扩散入ECM供应给软骨细胞。滑液包括细胞和液体两种成分，其中约95%是水。软骨细胞存在于一个高度可变的离子和渗透压环境，并且对这种变化非常敏感，当细胞内外环境中离子和渗透压改变时，软骨细胞会通过调节体积来应答。在细胞体积调节的过程中，水是重要的因素之一[16]。

3 调控关节软骨含水率的机制探讨

3.1 炎症促进软骨ECM的降解 细胞因子是介导OA发病最主要的炎症介质，对关节软骨的退变发挥重要的调控作用。在OA病理过程中，肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白细胞介素-1（IL-1）是介导关节软骨退变的主要细胞因子，它们显著增加软骨基质金属蛋白酶（MMPs，如MMP-3、MMP-9和MMP-13）、聚集蛋白聚糖酶（ADAMTS，如ADAMTS-4、ADAMTS-5）的表达，破坏ECM的合成与降解平衡[17-18]。

OA发生时，蛋白多糖的降解大于合成，软骨弹性和承受负荷的能力丧失，以致关节软骨厚度变薄。其可能的机制是，网络结构的胶原纤维构成了关节软骨的支架，大量高能嗜水性的糖蛋白分子团分布于上述复杂的纤维网架中，TNF-α和IL-1通过激活MAPK通路、一氧化氮（NO）途径和核转录因子-κB通路等，诱导MMPs和ADAMTS的表达，引起胶原纤维网架的局限性破损，造成糖蛋白膨胀以及带负电荷的离子暴露，使关节软骨内含水量增多；此外，蛋白多糖分解后在软骨ECM内产生了更多的小分子单体，增加了ECM内的分子浓度，渗透压持续增大，导致高渗吸水[19-21]。

IL-1β可以激活一氧化氮合氢酶（iNOS）在软骨内产生大量NO[22]。同时，OA患者关节滑膜中含有大量的NO，诱发滑膜组织损伤和血管扩张，导致滑膜肿胀、充血，并且使血管壁的通透性增大而引起渗出等，造成关节腔积液；NO进一步促进炎症介质的释放，上调MMPs活性，促进胶原纤维的降解，引起关节软骨肿胀[23]。

3.2 水通道蛋白调控软骨细胞内外水分子的转运

水通道蛋白是一类选择性高效转运水分子的特异孔道，广泛存在于原核和真核细胞膜上，自由水的被动跨膜转运受该蛋白介导，对软骨细胞保持内外环境的稳态平衡起重要作用[24]。研究表明，水通道蛋白与OA密切相关，主要表达于关节软骨细胞和滑膜细胞，参与调控细胞的形态和体积，维持滑液分泌的稳定[25]。水通道蛋白受离子浓度和渗透压调节，其启动子区包含渗透压反应元件，水通道蛋白在高渗环境中表达量上升[26]。OA发生时，滑膜的上皮屏障破坏，引起关节腔滑液蛋白增加，关节腔内渗透压升高，此时水通道蛋白在滑膜中表达上调，促进滑液分泌，关节腔积液；软骨ECM降解，细胞周围离子浓度和渗透压改变，水通道蛋白在细胞膜上表达升高，水分子从ECM转移到软骨细胞，导致软骨细胞肿胀破裂，OA进一步加重[27-29]。

4 小 结

软骨退变是OA筋骨失养进程中重要的病理变化之一，而含水率在软骨生长发育、维持关节内外渗透压方面发挥关键的调节作用，调节关节软骨含水率变化具有延缓软骨退变的作用，但其具体作用机制尚不明确[30-31]。蛋白聚糖对基质内水分的调控具有重要作用，IL-1、TNF-α、转化生长因子-β和透明质酸等通过诱导蛋白聚糖的降解，引起ECM中内外水分失调，有效抑制ECM中蛋白聚糖的降解，调控软骨含水率水平，从而对关节软骨退变进程进行控制，对OA的发展起延缓作用，为研究OA防治方法提供新的思路。

5 参考文献

[1] 李西海，刘献祥.骨关节炎的核心病机――本痿标

痹[J].中医杂志，2014，55（14）：1248-1249，1252.

[2] Sharma S，Lee A，Choi K，et al.Biomimetic aggrecan reduces cartilage extracellular matrix from degradation and lowers catabolic activity in ex vivo and in vivo models[J].Macromol Biosci，2013，13（9）：1228-1237.

[3] Roughley PJ，Mort JS.The role of aggrecan in normal and osteoarthritic cartilage[J].J Exp Orthop，2014，1（1）：8.

[4] Sharma S，Lee A，Choi K，et al.Biomimetic aggrecan reduces cartilage extracellular matrix from degradation and lowers catabolic activity in ex vivo and in vivo models[J].Macromol Biosci，2013，13（9）：1228-1237.

[5] Zhang Q，Lu H，Kawazoe N，et al.Pore size effect of collagen scaffolds on cartilage regeneration[J].Acta Biomater，2014，10（5）：2005-2013.

[6] 李西海，刘献祥.补肾壮筋汤干预肝肾亏虚型膝骨性关节炎软骨退变的机制探讨[J].福建中医药，2011，42（5）：58-59，61.

[7] 韩清民，王跃辉，黄旭东，等.膝骨关节炎从筋论治思路探讨[J].新中医，2009，41（1）：5-6.

[8] 陈后煌，邵翔，马玉环，等.骨关节炎骨赘形成的机制探讨[J].风湿病与关节炎，2016，5（5）：36-38.

[9] Foster RJ，Damion RA，Baboolal TG，et al.A nuclear magnetic resonance study of water in aggrecan solutions[J].

R Soc Open Sci，2016，3（3）：150705.

[10] 杨文芳，周惠琼.蛋白聚糖异常代谢在关节炎损伤机制中的作用[J].中国骨与关节杂志，2015，4（1）：49-53.

[11] Nia HT，Han L，Bozchalooi IS，et al.Aggrecan nanoscale solid-fluid interactions are a primary determinant of cartilage dynamic mechanical properties[J].ACS Nano，2015，9（3）：2614-2625.

[12] 曹月龙，石印玉，张戈，等.兔骨关节炎关节软骨含水率随时间变化的实验研究[J].中华风湿病学杂志，2001，5（5）：332-333.

[13] Wang Q，Zheng YP，Niu HJ.Changes in triphasic mechanical properties of proteoglycan-depleted articular cartilage extracted from osmotic swelling behavior monitored using high-frequency ultrasound[J].Mol Cell Biomech，2010，7（1）：45-58.