摘 要： 骨关节炎 (osteoarthritis，OA) 作为最常见的退行性关节疾病，其主要临床特点是软骨的破坏降解，进而导致关节功能丧失，严重影响患者的生活质量. 越来越多的证据表明，除了软骨组织，OA的病理改变还涉及滑膜、骨以及软骨下骨在内的多个组织系统. 其中，滑膜作为组织系统的重要组成部分，其病变在OA中的作用日益突出. 滑膜细胞分为A型滑膜巨噬细胞和B型滑膜成纤维细胞，在OA中发挥着不同但又密切联系的作用. 本文综述了不同类型滑膜细胞在骨关节炎中的作用，为进一步认识骨关节炎发病机制及治疗方法提供科学的理论依据.
关键词： 骨关节炎; 滑膜巨噬细胞; 滑膜成纤维细胞;
Abstract： Osteoarthritis (OA), as the most common degenerative joint disease, is mainly characterized by destruction and degradation of cartilage, which leads to joint function loss and seriously affects the quality of life of patients. More and more evidences show that in addition to cartilage tissue, the pathological changes of OA involve other tissue system including synovium, bone and subchondral bone. Among that, synovium, an important part of the tissue system, plays an increasingly prominent role in OA. Synovial cells are classified into type A synovial macrophages (SM) and type B synovial fibroblasts (FLS), which play different but closely related roles in OA. This article reviews the role of different types of synovial cells in osteoarthritis, and provides scientific theoretical basis for further understanding the pathogenesis and treatment of osteoarthritis.
Keyword： osteoarthritis; synovial macrophages; fibroblast-like synoviocyte;
骨关节炎是一种慢性退行性关节病变，以关节周围疼痛、活动受限、功能障碍为主要临床表现, 特征为关节软骨基质受损减少、骨赘形成、滑膜无菌性炎症等，为老年人最常见的关节疾病之一[1]. 由于还没有治疗OA的有效药物，目前的治疗方法主要以缓解疼痛和减轻症状为基础. 关节软骨病变是骨关节炎患者最为主要的特征性改变，所以早期人们对骨关节炎的研究大多集中于软骨细胞，而滑膜细胞病变被认为是软骨破坏的继发性改变，一直未被重视. 尽管骨关节炎的发病机制尚不十分清楚，但随着对OA的深入研究，越来越多的研究数据表明，OA是一种与滑膜组织密切相关的关节疾病，可由滑膜与多种组织如软骨、骨等之间通过分泌可溶性介质进行相互作用诱发[2]. 虽然滑膜炎症不能直接诱导OA 的发生，但是其能够参与OA的所有阶段，通过炎症加剧软骨破坏，甚至有研究发现在OA早期阶段，滑膜炎症的出现就可加快 OA 的疾病进展[3].
滑膜在维持关节正常生理功能方面发挥着非常重要的作用, 是关节的内部结构和肌肉骨骼组织连接的桥梁，其分泌的透明质酸可以保持关节软骨面的润滑，减小关节活动时产生的摩擦力，并为关节内的其他软组织提供营养，从而保持关节软骨表面的完整性[4,5]. 滑膜可分为两层，即靠近关节腔的滑膜内层（表层）和滑膜下层，滑膜内层有2～3层细胞，可分为A型滑膜巨噬细胞（synovial macrophages，SM）和B型滑膜成纤维细胞（fibroblast-like synoviocyte，FLS）[6]. A型滑膜细胞是关节内的主要炎性细胞，其表面有许多伪足深入滑膜间隙中, 可合成并释放多种溶解酶，具有吞噬、降解、清除关节腔内颗粒物及细胞碎片等功能. 同时，A型滑膜细胞被激活后可合成并分泌多种细胞因子产生具有双刃性的炎症反应，一方面可以促进组织的修复, 另一方面又可导致关节的破坏. B型滑膜细胞作为成纤维细胞的一种特殊亚型，是关节滑膜的主要细胞成分，其产生的胶原蛋白、骨桥蛋白和透明质酸等在维持软骨内稳态方面起着非常重要的作用[6]. 本文综述了不同类型滑膜细胞在骨关节炎中的作用，为进一步认识骨关节炎发病机制及治疗方法提供科学的理论依据.
1、 滑膜巨噬细胞在骨关节炎中的作用
在类风湿关节炎（rheumatoid arthritis，RA）滑膜中滑膜巨噬细胞异常活化并大量浸润，在RA进展中发挥非常重要的作用[7]. 滑膜巨噬细胞分泌的炎性细胞因子IL-1、TNF-α等为RA的主要致病因素，因此，抗TNF-α生物制剂已成为RA治疗的主要药物. 为探究滑膜巨噬细胞是否参与同样具有滑膜炎症特点的骨关节炎的进展，Daghestani 等使用能够选择性地检测活化巨噬细胞上的叶酸受体的特异性分子显像剂99mTc-EC20 (Etarfolatide)，直接在活体内证实了膝骨性关节炎患者体内活化巨噬细胞的存在，并且其数量与膝骨关节症状的严重程度和影像学的改变密切相关[8,9]. 同样的现象也在OA动物模型中得到证实，OA中存在大量活化的巨噬细胞，甚至在疾病早期阶段巨噬细胞就已被活化[10]. OA滑膜巨噬细胞的表型与其他常驻巨噬细胞（CD11b、CD14、CD16和CD68）相似，它们产生的炎症介质如IL-1、IL-6、TNF-α、基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）和聚蛋白多糖酶家族（a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs，ADAMTS）等促进关节基质的降解[11]. 虽然与 RA相比，OA的滑膜巨噬细胞较少，且相对活化程度较低，但它们与OA的疾病进程密切相关，可能会成为治疗OA的潜在靶点及诱导OA发病机制的关键角色.
1.1 、滑膜巨噬细胞亚型失衡诱发OA
活化的滑膜巨噬细胞可分为M1和M2两种极化状态，M1和M2型巨噬细胞亚群的比例在炎症调控起着至关重要的作用，M1型主要参与炎症启动作用，而M2型主要抵抗炎症进展. M1型巨噬细胞主要标志物是CD11c，可产生多种促炎细胞因子，如TNF-α和IL-1β，并表达MHCII类分子和CD86受体；而M2型巨噬细胞则以产生抗炎细胞因子为主要特征，如IL-10，并表达清道夫受体CD163和甘露糖受体CD206[12,13,14]. 对膝关节炎患者滑液中巨噬细胞表型研究表明，OA患者滑液中M1/M2比例失衡，且M1/M2比例的升高与放射学OA的严重程度密切相关[15]. 而小鼠体内实验同样表明滑膜巨噬细胞M1的极化能显着加重实验性OA进展, 表现为软骨退化和骨赘形成，但当巨噬细胞向M2型极化时可有效缓解小鼠OA的进程，表现为低水平的MMPs、骨赘减少[16]. 以上研究均表明通过抑制M1型或促进M2型巨噬细胞，恢复M1/M2的平衡可能成为OA的有效治疗手段.
1.2 、滑膜巨噬细胞活化诱发OA
滑膜巨噬细胞作为滑膜液中的重要组成部分，在OA的疾病进展中发挥不可或缺的作用. 一方面，滑膜巨噬细胞可产生多种炎性细胞因子如TNF-α和IL-1β参与OA发病，同时，这些炎性细胞因子又可活化巨噬细胞，形成恶性循环不利于OA缓解. 除影响疾病进展，滑膜巨噬细胞分泌的炎性因子还可作用于疼痛关键分子神经生长因子（nerve growth factor，NGF）. Takano等人发现经TNF-α和IL-1β处理后，OA患者膝关节滑膜中巨噬细胞NGF表达明显增强，相应蛋白水平升高. 但当耗竭OA小鼠中巨噬细胞时，滑膜中NGF、IL-1β和TNF-α的表达水平下调[17]. 表明滑膜巨噬细胞为OA患者滑膜中NGF的主要来源之一，在OA的疼痛中发挥关键作用；另一方面，滑膜巨噬细胞可作用于滑膜中其它细胞影响OA疾病进展. 研究发现，滑膜巨噬细胞能通过NF-κB通路产生多种促炎介质（TNF-α、IL-1β、IL-6）[18]，这种促炎介质的释放可导致滑膜成纤维细胞的激活，产生MMPs和ADAMTS，这些酶通过裂解聚集素和其他软骨基质蛋白而导致软骨的退化[12]. 同时，体外研究发现，当去除膝关节炎患者滑膜细胞中的巨噬细胞，不仅其产生的炎性细胞因子（IL-1β、TNF-α）显着下调，同时主要由滑膜成纤维细胞产生的细胞因子IL-6、 IL-8、MMP-1和MMP-3等也明显下调[19]. 说明滑膜巨噬细胞可通过炎性介质调控滑膜成纤维细胞参与OA疾病进程. 有研究者将巨噬细胞与软骨细胞共培养发现，巨噬细胞可使软骨细胞产生的MMP-1、MMP-3、MMP-9、MMP-13、IL-1β、IL-6、IL-8、TNF-α和IFN-γ等炎性因子均显着增加[20] . 除此之外，活化的巨噬细胞和成纤维细胞都能释放趋化蛋白，如趋化因子配体CCL2、CCL3和CCL4等，诱导循环中的单核细胞和CD4+T细胞进入滑膜，在滑膜炎症环境中前者可分化为巨噬细胞参与OA进展[21]. 同时，当敲除CCL2/CCR2这一关节炎循环中单核细胞募集的主要信号轴[22]，小鼠表现为OA组织学改变和局部巨噬细胞浸润减少[21]. 以上研究说明，滑膜巨噬细胞在通过自分泌影响疾病的同时，可通过旁分泌形式影响邻近细胞的功能，进而加重OA进展.
为了评估滑膜巨噬细胞对滑膜及软骨细胞活性的直接影响，Topoluk等人将骨关节炎软骨与骨关节炎滑膜或经氯磷酸盐选择性去除巨噬细胞的骨关节炎滑膜共培养，作者发现OA软骨细胞的活力随时间的延长而下降，而在OA滑膜存在的情况下，这种下降是增强的. 但当通过氯磷酸盐去除滑膜巨噬细胞后，骨性关节炎软骨细胞的活力得以维持，并且去除滑膜巨噬细胞可以显着降低MMP-9和MMP-13的水平，将软骨破坏降低到仅有骨关节炎软骨细胞培养中的水平[23]. 这表明滑膜巨噬细胞在软骨破坏中有直接作用.
1.3 、靶向滑膜巨噬细胞缓解OA
既然滑膜巨噬细胞在OA发生发展中发挥如此重要的作用，研究者便设想去除滑膜巨噬细胞来缓解OA，进而达到治疗的目的. Blom等人在小鼠体内使用胶原酶诱导OA前，通过使用氯磷酸盐脂质体诱导巨噬细胞凋亡来清除滑膜巨噬细胞[24]，结果发现在清除巨噬细胞的关节中诱导OA后，关节滑膜中MMP-2、MMP-3、MMP-9的表达显着降低，而软骨组织中MMP-3和MMP-9的表达没有明显下降. 在第7天和第14天检测时发现软骨损伤明显减少. 并且，清除滑膜巨噬细胞会使小鼠关节骨赘形成显着减少，作者认为这可能是由于滑膜衬里巨噬细胞减少了骨形态发生蛋白BMP2和BMP4的产生[25]. 同时，清除小鼠滑膜中巨噬细胞还可降低滑膜中TNF-α和IL-1β的表达，并显着降低NGF的水平，进而缓解OA疼痛[17].
为进一步探究巨噬细胞在OA中的作用，研究人员采用OA诱导后关节腔内注射小分子AP20187有条件地清除所有巨噬细胞亚群. 研究发现巨噬细胞清除的小鼠M1和M2型巨噬细胞均明显减少，且在耗尽后七天即表现出骨赘的减少. 然而，去除巨噬细胞并没有减轻OA的严重程度，相反，到第九周它还引起了全身炎症和促炎细胞因子的显着增加[26]. 这与Blom等人的研究结果有些差异，可能是因为耗竭巨噬细胞的方式以及观察时间的不同造成的，具体原因还需进一步探究. 体外实验中，Bondeson等人利用抗CD14结合磁珠，去除膝关节炎患者体外分离滑膜细胞中的巨噬细胞，作者发现CD14+巨噬细胞缺失后其培养物不再产生大量巨噬细胞源性细胞因子，如IL-1β和TNF-α，同时主要由滑膜成纤维细胞产生的细胞因子IL-6、 IL-8、MMP-1、MMP-3和ADAMTS-4等也明显下调[19]，表明滑膜巨噬细胞在滑膜炎症过程中起启动作用. 近期有研究表明，在OA大鼠关节内注射骨髓间充质干细胞（Bone marrow mesenchymal stem cells，BMSC）衍生的外泌体可促进滑膜巨噬细胞由M1型向M2型转化，减少滑膜炎性细胞的浸润和关节软骨的损伤，滑液中促炎细胞因子IL-1β、IL-6和TNF-α的表达水平降低，抗炎细胞因子IL-10的释放增加，从而延缓OA的进展[27]. 以上研究说明，抑制M1型巨噬细胞或促进M2型巨噬细胞可能会成为更有效的治疗骨关节炎的手段. 但由于机体的复杂性，靶向巨噬细胞缓解OA的临床治疗还需要进一步探索.
2 、滑膜成纤维细胞在OA中的作用
虽然人们早已认识到骨关节炎的主要症状是由功能受损的软骨细胞引起的，但近期对OA发病机制的深入研究表明，滑膜组织中的炎症在OA的发病机制中起着非常重要的作用. 滑膜成纤维细胞作为关节滑膜的主要细胞成分，不仅在滑膜炎症中发挥重要作用，而且与关节炎患者骨破坏、疼痛密切相关.
2.1、 滑膜成纤维细胞与滑膜炎症
NF-κB作为炎症相关的信号通路，在多种疾病中调节多种炎症介质的表达，包括IL-6、IL-8等[28]. 早有研究表明，NF-κB蛋白家族在骨关节炎滑膜成纤维细胞、关节液及周围肌肉中高表达[29]. Toll 样 受 体（toll-like receptor，TLR）在炎 症 状 态 下活化后，可通过激活NF-κB信号通路诱导FLS分泌各种炎性细胞因子，包括血管生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、IL-6、MMP-1 和 MMP-3等，这些炎性细胞因子可进一步加重滑膜炎症及软骨破坏[30]. 滑膜炎症通过释放促炎介质和软骨破坏因子促进了滑膜中血管的生成和软骨损伤，进而放大滑膜炎症，形成恶性循环，加速关节炎的进展[31,32]. 锌指蛋白A20又称TNF-α诱导蛋白3（TNFAIP3），可通过抑制骨关节炎FLS中NF-κB信号通路的激活，从而抑制促炎细胞因子IL-6、IL-8的释放，进而发挥抗炎作用[33]. 而体内实验也有相同的结论，抑制大鼠膝关节炎模型NF-κB基因表达可以明显减轻实验性骨关节炎早期的关节破坏和缓解滑膜炎症[34]. 胞外高迁移率族盒1（High mobility group box 1，HMGB 1）作为一种重要的细胞因子，参与多种炎症反应，包括骨关节炎、类风湿关节炎等[35,36]. 研究发现，在骨关节炎滑膜组织中，HMGB 1水平升高可促进滑膜成纤维细胞中促炎细胞因子的产生，与滑膜炎症呈正相关[37]. 而抗HMGB 1的特异性抑制剂可通过降低大鼠滑膜液中IL-6、IL-1β和TNF-α的含量降低滑膜炎症. 同时，研究人员发现HMGB 1还可促进滑膜成纤维细胞VEGF的生成，后者与滑膜血管的生成密切相关，表明HMGB1可能通过促进血管生成进一步加重关节炎症[38]. 这些研究表明滑膜炎症在骨关节炎进展及治疗中占有重要地位. 因此，针对早期骨关节炎的滑膜炎症可能是减缓OA进展甚至是防止关节软骨破坏的一种非常有效的方法.
2.2 、滑膜成纤维细胞与疼痛
作为老年人最常见的关节疾病之一，OA常常伴随着关节疼痛，这已经成为一项全球性问题. 除软骨外，关节周围（肌腱、韧带、肌肉、脂肪组织、皮肤）和关节结构（滑膜、关节囊、半月板）都有非常丰富的疼痛纤维供应，特别是在关节局部炎症的发展过程中，滑膜起主要作用，其释放的促炎分子激活周围神经系统相应的受体，从而启动疼痛传递过程[39]. 在OA进程中，致痛的因素主要包括神经生长因子NGF的水平和炎症等，NGF在组织损伤后的痛觉致敏中发挥着重要的作用[40]. 有研究表明，皮下和关节内注射 NGF 均可诱导局部的神经致敏[41]. 在炎症状态下，骨关节炎患者的FLS可大量分泌NGF，进而促进各种炎症介质的产生及疼痛信号传导[42]. 而当使用具有抗炎和镇痛作用的香草酸（Vanillic Acid ，VA）处理时，不仅能降低骨关节炎大鼠模型中炎性细胞因子IL-1β和IL-18的水平，而且还能有效降低FLS中NGF的含量，从而减轻模型大鼠的疼痛相关行为[43,44]. 瞬时受体电位香草酸亚型1 （TRPV1）受体与炎症性疼痛密切相关，易受热、环境变化等刺激，Durch Engler等人研究发现该受体在OA和RA患者的FLS中也有表达[45]. 最近一项关于 小鼠及人FLS的研究表明，TNF-α刺激可导致小鼠和人FLS表达促炎基因，用该刺激上清培养膝关节神经元，发现神经元电生理记录显示静息膜电位去极化，自发动作电位放电增加，TRPV1功能增强，进而传导疼痛信号，表明TNF-α激活的FLS促进神经元敏化的能力[46]. 而另一项研究表明单独用人骨关节炎滑液就可引起小鼠感觉神经元的过度兴奋和TRPV1功能的增强[47]. 虽然止痛药可以缓解疼痛或减轻症状，但它不能解决疾病的病因，有时还伴随着不良反应，严重影响OA患者的生活质量. 因此，研究骨关节炎的疼痛机制有助于发现潜在靶点从而解决这一科学难题.
2.3、 滑膜成纤维细胞与骨破坏
骨关节炎患者的FLS可分泌多种蛋白水解酶参与软骨的降解破坏，包括MMP-1、MMP-2、MMP-3、MMP-9、MMP-13等，各种炎症介质及趋化因子均可诱导FLS产生蛋白水解酶. CX3CR1作为趋化因子CX3C家族的一员，是一种具有七个跨膜区的G蛋白偶联受体. 其配体CX3CL1能促进FLS中MMP-2的产生[48]. 另有研究报道CX3CL1与CX3CR1结合可通过激活c-Raf、MEK、ERK、NF-κB等信号通路增加骨关节炎FLS细胞MMP-3的产生[49]. ADAMTS是软骨破坏的关键介质，其在人软骨细胞和FLS细胞中组成性表达，并由多种促炎细胞因子诱导产生，导致软骨中蛋白多糖的降解[50,51]. 而在 OA 的发展过程中 ADAMTS-4和ADAMTS-5 是软骨基质蛋白多糖的主要降解酶，可能成为骨关节炎的治疗靶点[52,53]. ADAMTS-7和ADAMTS-12也可由软骨细胞和FLS产生，并被促炎介质上调，Wnt/β-catenin信号和ERK-Runx2轴分别参与了ADAMTS-7和ADAMTS-12的表达，进而导致软骨细胞外基质的降解[54]. 此外，在关节炎小鼠模型中，ADAMTS-7和ADAMTS-12过度表达与软骨退行性疾病和疾病进展密切相关[55,56]. 有研究表明，血管活性肠肽（vasoactive intestinal peptide ，VIP）和促肾上腺皮质激素释放因子（corticotropinreleasing factor ，CRF）能够降低骨关节炎患者滑膜成纤维细胞ADAMTS的表达进而缓解软骨的破坏[57,58]. 钙粘蛋白-11（Cadherin-11）是一种经典的钙粘蛋白粘附分子，介导细胞间的粘附，在关节滑膜衬里层的发育过程中起着重要作用[59]. 在骨关节炎FLS中，钙粘蛋白-11是影响其迁移侵袭能力和MMP-2产生的重要因素[60]，而钙粘蛋白-11基因缺陷的小鼠对软骨破坏有很强的保护作用[61]，提示钙粘蛋白-11在骨关节炎软骨破坏中起关键作用, 可能成为潜在的治疗靶点，但具体机制仍需深入探讨.
图1 滑膜细胞在骨关节炎中的作用
Fig.1 The role of synoviocytes in osteoarthritis
IL-1β：白细胞介素1β；TNF-α：肿瘤坏死因子α；NGF：神经生长因子（nerve growth factor，NGF）；MMPs：基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）；ADAMTS：聚蛋白多糖酶家族（a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs，ADAMTS）；CCL2/CCL3：趋化因子(C-C基序)配体2/3；VEGF：血管生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）；TRPV1：瞬时受体电位香草酸亚型1；HMGB1：高迁移率族盒1（High mobility group box 1，HMGB 1）；Cadherin-11：钙粘蛋白-11.
3 、小结与展望
随着对骨关节炎发病机制及治疗的深入研究，滑膜细胞逐渐走进人们的视野. 而不同亚群的滑膜细胞在OA的发生发展中发挥着不同的作用. 活化的滑膜巨噬细胞可分为M1和M2两型细胞，M1型主要参与炎症启动作用，而M2型主要参与抗炎作用. 大量实验表明抑制M1型或促进M2型滑膜巨噬细胞或许会成为一个非常有价值的缓解OA进展的新方法. 滑膜成纤维细胞作为滑膜的主要细胞类型，在OA炎症、疼痛及骨破坏中的作用也日益突出. 目前多项研究将滑膜细胞及其产物作为靶点治疗，也取得了一定的进展，但滑膜细胞在OA发病机制中的具体作用仍需更多研究证实.
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