姚志华 裘敏蕾 樊天佑

炎症细胞因子在骨性关节炎疼痛中的作用机制

姚志华 裘敏蕾 樊天佑

骨性关节炎( osteoarthritis，OA )是一种常见的退行性关节病，涉及到整个滑膜关节，包括软骨、滑膜和软骨下骨。OA 主要的临床表现是关节的疼痛，这不仅会导致功能受限和生活质量的降低，而且是老年人行动不利的主要原因[1]。有报道，60 岁以上的人群中，50% 在 X 线片上有骨性关节炎表现，80% 有骨性关节炎症状，并且是致残的主要原因之一[2]。尽管目前对于 OA 疼痛的确切机制尚不明确，但普遍认为其与膝关节局部炎症相关，炎症细胞因子通过直接或间接的途径诱导痛觉过敏是 OA 疼痛的原因之一。

近年来，炎症细胞因子在 OA 中所起的致痛作用越来越受到关注。现将近 10 年来炎症细胞因子与 OA 疼痛机制的关系作一综述。

一、OA 疼痛的解剖学基础

大量研究显示，传入神经纤维中存在着传导伤害性信息的纤维成分，绝大多数是由细的有髓神经纤维( Aδ 类 )和无髓神经纤维( C 类 )组成。其中 C 类神经纤维对机械、温度以及化学刺激敏感，主要传导慢性疼痛。关节软骨中没有神经分布，因此软骨损伤不会直接产生疼痛。而软骨下骨、骨膜、滑膜、韧带和关节囊均有丰富的神经支配，这些部位的神经末梢是 OA 伤害性刺激的根源。

C 类神经感受器可丛状分布于间质和血管周围，也可游离分布于关节囊、滑膜和关节的脂肪垫。这些感受器正常时无活性，仅在关节张力增高或暴露于化学刺激物如神经肽、炎症介质等情况下才发生激活。王大勇等[3]采用Gless 神经纤维染色将 OA 患者和单纯膝关节外伤者的滑膜做比较，结果显示：在 OA 患者的滑膜中神经纤维分布更广泛，从而证明了神经纤维在 OA 疼痛中的作用。

二、OA 疼痛发生机制

OA 疼痛可分为两类：炎性疼痛和神经病理性疼痛。炎性疼痛主要是炎症细胞因子诱导的炎症所致。随着疾病的进一步发展，炎症细胞因子长时间刺激骨关节周围的末梢神经可致神经病理性疼痛。

滑膜炎是导致 OA 疼痛最值得注意的起因。滑膜炎是OA 的一个重要特征。滑膜炎在 OA 疼痛中可能起重要作用，即所谓的“炎性痛”。滑膜组织中增多的神经肽、细胞因子和炎症介质等进入关节液，作用于软骨下骨髓腔内的感觉神经，产生“骨痛”[4]；同时关节液中的上述物质也可“逆行”刺激滑膜中的痛觉神经末梢；关节软骨剥脱后，软骨下骨髓腔内的感觉神经纤维也可能被关节液中的神经肽、细胞因子等激活加重疼痛。关节软骨和滑膜损伤引起的神经病理性变化与 OA 组织之间的动态交互作用常影响外周传入神经和背根神经节( DRG )的神经元，从而诱导痛觉过敏[5]，降低疼痛阈而引起 OA 病理性疼痛，即便正常刺激亦可出现疼痛感[6]。

三、炎症细胞因子在 OA 疼痛中的作用

炎症是 OA 疼痛刺激阈降低的潜在原因。在 OA 进展中，炎症反应和疼痛相互作用，炎症会引起疼痛，而疼痛又会反过来刺激炎症反应。OA 疼痛过程涉及到大量神经细胞的异常，其中炎症细胞因子水平的异常增高可能是导致 OA 疼痛的关键，包括白介素( IL-1、IL-6 )、肿瘤坏死因子( TNF-α )、趋化因子( MCP-1 )[5,7-8]。

1. 白介素与 OA 疼痛：白介素是指由各种白细胞产生，介导细胞之间相互作用的细胞因子。其中 IL-1 是典型的炎症细胞因子，其在激活疼痛途径方面起着显著的作用。Bowles 等[9]通过碘化乙酸乙酯( MIA )诱导大鼠 OA模型发现，IL-1β 与 OA 大鼠的疼痛明显相关，推论 IL-1β在 OA 模型的疼痛进展中起直接作用。Attur 等[10]观察发现，OA 患者的 IL-1β 水平较高，且通过 qPCR 测定显示IL-1β 的基因表达与疼痛指数成正相关。IL-1β 致痛途径有两种，一种是通过复杂的信号级联放大效应诱导其它伤害性分子释放，并与其协同作用来诱导炎症反应，直接或间接通过细胞内激酶激活诱导疼痛过敏。生物学上，IL-1β 被认为在 mRNA 和蛋白水平上增加了 Cox-2 的表达和前列腺素 E 合酶 -1[11]。Li 等[12]研究了 PGE2 在成人关节软骨中的动态平衡和可能的疼痛途径，发现当与 IL-1相结合时，PGE2 协同上调体外 IL-6 的水平，促进了炎症反应。另一种是 IL-1β 直接作用于伤害感受器产生疼痛。Sahbaie 等[13]在 OA 大鼠后爪皮内注射 IL-1β 能导致很强的机械痛觉过敏。Binshtok 等[14]证明了 IL-1β 能够直接作用于痛觉感受器产生痛敏。Liang 等[15]发现 IL-1β 能迅速直接作用于周围痛觉感受器，使传入神经元产生动作电位并介导痛觉过敏，而阻断 IL-1β 的产生能够起到抗炎和镇痛的效果。所以，IL-1β 既能通过诱导周围其它炎性介质的上调从而加重炎性疼痛，也能通过刺激关节周围神经末梢伤害感受器，调节神经元的兴奋性，降低疼痛阈而导致疼痛。

IL-6 是另外一种涉及到软骨退变的炎症细胞因子[16]，其与关节组织中的痛觉过敏及感觉敏感相关。Stannus 等[17]通过对 149 例观察发现，当站立时 IL-6 与疼痛的变化密切相关。有研究发现，初级传入神经对 IL-6有应答反应，IL-6 在关节炎的疼痛传递中起着重要作用，主要影响周围和中枢疼痛进展[18-19]。在大鼠周围和中枢神经应用 IL-6 可引起热痛过敏、机械性痛觉过敏和异常疼痛[20-22]。在人体中，IL-6 与类风湿关节炎、慢性疼痛及术后疼痛程度相关[23-25]。IL-6 可能刺激了伤害感受器，从而进一步引起毒性作用而导致疼痛强度的增加。Lee等[26]通过对 OA 患者和正常人进行痛觉测试，评估其对热、冷及机械性刺激后的痛觉敏感程度，发现 OA 患者对疼痛更敏感，在急性疼痛刺激后 IL-6 增加，其与冷痛的忍耐度呈负相关，而与热痛的频率呈正相关。

2. 肿瘤坏死因子与 OA 疼痛：肿瘤坏死因子来源于巨噬细胞、纤维母细胞、软骨细胞等，是软骨基质降解的重要介质，在 OA 的疼痛机制中起重要作用。Orita 等[27]实验发现，肿瘤坏死因子在膝关节 OA 的滑膜病变中起重要作用，其中 TNF-α 与疼痛相关。

TNF-α 能通过部分神经或炎症环境致痛。有研究发现，软骨或滑膜细胞中的 TNF-α 能诱导脊髓和 DRG 内IL-6 的上调和神经病理性疼痛[28]。另有研究发现，IL-6增加了 TNF-α 受体的表达[29]，这表明炎症细胞因子的交互作用能进一步诱导炎症反应。在炎症反应中，TNF-α 可以调节白细胞的活化、成熟、细胞因子和趋化因子的释放及活性氧、一氧化氮中间产物的形成。神经损伤或炎症的早期，外周和中枢的胶质细胞活化后释放 TNF-α，可激活内皮细胞，这些细胞一方面促进炎症细胞因子的大量合成和释放，另一方面增加细胞表面黏附分子的表达，将循环中的炎症细胞招募到神经损伤部位，聚集的炎症细胞活化后进一步释放炎性介质，从而形成瀑布式的炎症反应，最终活化痛觉传导通路神经元。

TNF-α 引起的局部炎症反应还可能进一步引起神经损伤，从而诱发神经病理性疼痛。Orita 等[30]研究发现，大鼠注射 MIA 后的早期，TNF-α 和 IL-6 均增高，降钙素基因相关肽( CGRP )在右侧 DRG 神经元显著增加，右膝触痛觉异常和细胞因子浓度增高相关，右侧脊髓后角小胶质细胞逐渐增加。神经生长因子( NGF )产生于关节中，与慢性炎症或神经病理性疼痛相关[31]。CGRP 的增加一直被认为是炎性疼痛的原因之一，而 CGRP-ir DRG 与 NGF 密切相关，并在炎症所诱导的痛觉过敏反应中起着关键作用。另有报道，小胶质细胞的增加常提示神经损伤，其与神经病理性疼痛相关[32-33]。从而推论：在 MIA 诱导的大鼠 OA 模型中，炎症细胞因子( TNF-α、IL-6 等 )所引起的局部炎症造成疼痛，这种炎性疼痛逐渐引起神经损伤，进而可能诱导神经病理性疼痛。任建华等[34]将切除大鼠右膝内侧半月板及内侧副韧带后发现：大鼠后肢的机械刺激疼痛阈显著下降并维持在较低水平；术后髌软骨中VEDF 和 NGF 的表达随时间显著增强；TNF-α 和 P 物质的表达显著增强，且主要分布于增生的血管壁周围基质和软骨细胞中；术后第 2、4 周，手术组重塑的软骨下骨、增生的血管周围细胞和基质中检测到大量 TNF-α。有报道认为，大量 TNF-α 和 NGF 可改变软骨局部内环境，敏化增生的感觉神经末梢，造成患肢痛阈的显著下降[35]。所以，OA 软骨下骨中增生的血管及其周围上调的 TNF-α 和 NGF可能是膝关节痛阈下降的重要原因。

3. 趋化因子与 OA 疼痛：趋化因子可根据结构分为CC、CXC 以及 CX3C。其中 CC 主要作用于单核细胞和淋巴细胞。MCP-1( CCL2 )是 CC 的一种，由软骨细胞和滑膜细胞产生，并通过单核细胞募集方式在 OA 中起重要作用，诱导伤害形成[36]。

Dawes 等[37]应用 MIA 诱导 OA 疼痛模型在第 3、14 天发现炎症介质显著增高，第 3 天软骨和脂肪垫中观察到巨噬细胞、中性粒细胞显著性浸润，CCL2 蛋白表达整体上调，从而推论：在 OA 疼痛模型中，CCL2 可作为进一步研究 OA 的标志物。Ogura 等[38]用 IL-1β 刺激颞颌关节炎( TMD )患者的滑膜组织后发现：患者滑膜细胞中的 CCL2 mRNA 升高显著，并在刺激后 4 h 达到峰值；预先用 NF-kB 和 MAPK 抑制剂处理滑膜细胞后能够抑制IL-1β 诱导 MCP-1 的产生；伴有疼痛的 TMD 患者的滑液中 MCP-1 浓度的中位数是无疼痛的 2.3 倍。推论：伴有疼痛表现的 TMD 患者的滑液中 MCP-1 更高，是由 IL-1β 通过 NF-kB 和 MAPK 两种途径刺激滑膜细胞产生的。

近年来， MCP-1 在神经系统病理生理学方面作为调节机制备受关注。DRG 慢性损伤时其神经元中 MCP-1 水平的增高会引起神经的过度兴奋及慢性炎症[39]。已证实细胞因子可直接兴奋 DRG 伤害神经元而产生疼痛，这一途径与神经元内钠离子的浓度上调相关。体外研究显示[40-41]：MCP-1 能够增加 DRG 神经元的钠离子通道亚基Nav1.8 的活性，抑制 Nav1.8 后能减少 MIA 模型的疼痛表现。因此，关节中产生的 MCP-1 可能通过直接刺激感觉神经纤维诱导痛觉过敏。

炎症细胞因子与 OA 疼痛密不可分。关节内结构的不稳、软骨的机械性磨损等往往导致炎症细胞因子的产生，形成关节内的炎性环境，引起炎性疼痛。之后随着炎症侵及到滑膜、软骨下骨及韧带等富含神经末梢的组织，长久地刺激神经纤维进而引起患膝周围末梢神经的损伤。受损的神经既可分泌 P 物质、NGF 等神经损害因子，致使出现神经病理性疼痛的相关症状，又可通过激活神经胶质细胞进一步合成和分泌炎症细胞因子，加剧炎症反应，形成恶性循环，最终表现为长期的 OA 疼痛[42]。

目前，关于炎症细胞因子在 OA 疼痛方面的诸多问题仍有待进一步解决：许多炎症细胞因子在 OA 疼痛的作用机制尚不明确；缺少简便有效的检测方法；炎症细胞因子抑制剂仅在实验中应用，临床应用尚有待进一步研究。因此，解决这些问题将为临床治疗 OA 提供新的思路与方法。

[1] Levinger P, Caldow MK, Feller JA, et al. Association between skeletal muscle infammatory markers and walking pattern in people with knee osteoarthritis. Arthritis Care Res (Hoboken), 2011, 63(12):1715-1721.

[2] 胥少汀, 葛宝丰, 徐印坎. 实用骨科学. 北京: 人民军医出版社, 2008: 1337.

[3] 王大勇, 史晨辉, 董金波, 等. 膝骨性关节炎滑膜神经纤维分布和神经突起因子表达及意义. 临床和实验医学杂志, 2011, 10(8):569-571.

[4] 徐房添, 肖增明, 杨渊, 等. 膝骨关节炎疼痛机制及其治疗的研究进展. 医学文选, 2005, 24(4):607-610.

[5] Li X, Kim JS, van Wijnen AJ, et al. Osteoarthritic tissues modulate functional properties of sensory neurons associated with symptomatic OA pain. Mol Biol Rep, 2011, 38(8): 5335-5339.

[6] 卢亮宇, 王予彬. 膝骨关节炎疼痛机制及治疗研究现状. 中国运动医学杂志, 2007, 26(4):512-515.

[7] Dieppe PA, Lohmander LS. Pathogenesis and management of pain in osteoarthritis. Lancet, 2005, 365(9463):965-973.

[8] Lee YC, Nassikas NJ, Clauw DJ. The role of the central nervous system in the generation and maintenance of chronic pain in rheumatoid arthritis,osteoarthritis and fibromyalgia. Arthritis Res Ther, 2011, 13(2):211.

[9] Bowles RD, Mata BA, Bell RD, et al. In vivo luminescence imaging of NF-κB activity and serum cytokine levels predict pain sensitivities in a rodent model of osteoarthritis. Arthritis Rheumatol, 2014, 66(3):637-646.

[10] Attur M, Belitskaya-Lévy I, Oh C, et al. Increased interleukin-1β gene expression in peripheral blood leukocytes is associated with increased pain and predicts risk for progression of symptomatic knee osteoarthritis. Arthritis Rheum, 2011, 63(7):1908-1917.

[11] Shimpo H, Sakai T, Kondo S, et al. Regulation of prostaglandin E(2)synthesis in cells derived from chondrocytes of patients with osteoarthritis. J Orthop Sci, 2009, 14(5):611-617.

[12] Li X, Ellman M, Muddasani P, et al. Prostaglandin E2 and its cognate EP receptors control human adult articular cartilage homeostasis and are linked to the pathophysiology of osteoarthritis. Arthritis Rheum, 2009, 60(2):513-523.

[13] Sahbaie P, Shi X, Guo TZ, et al. Role of substance P signaling in enhanced nociceptive sensitization and local cytokine production after incision. Pain, 2009, 145(3):341-349.

[14] Binshtok AM, Wang H, Zimmermann K, et al. Nociceptors are interleukin-1beta sensors. J Neurosci, 2008, 28(52): 14062-14073.

[15] Liang DY, Li X, Li WW, et al. Caspase-1 modulates incisional sensitization and inflammation. Anesthesiology, 2010, 113(4):945-956.

[16] Brenn D, Richter F, Schaible HG. Sensitization of unmyelinated sensory fibers of the joint nerve to mechanical stimuli by interleukin-6 in the rat: an inflammatory mechanism of joint pain. Arthritis Rheum, 2007, 56(1):351-359.

[17] Stannus OP, Jones G, Blizzard L, et al. Associations between serum levels of infammatory markers and change in knee pain over 5 years in older adults: a prospective cohort study. Ann Rheum Dis, 2013, 72(4):535-540.

[18] Obreja O, Biasio W, Andratsch M, et al. Fast modulation of heat-activated ionic current by proinfammatory interleukin 6 in rat sensory neurons. Brain, 2005, 128(7):1634-1641.

[19] Kawasaki Y, Zhang L, Cheng JK, et al. Cytokine mechanisms of central sensitization: distinct and overlapping role of interleukin-1beta, interleukin-6,and tumor necrosis factor-alpha in regulating synaptic and neuronal activity in the superfcial spinal cord. J Neurosci, 2008, 28(20):5189-5194.

[20] Oprée A, Kress M. Involvement of the proinflammatory cytokines tumor necrosis factor-alpha, IL-1 beta, and IL-6 but not IL-8 in the development of heat hyperalgesia: effects on heat-evoked calcitonin gene-related peptide release from rat skin. J Neurosci, 2000, 20(16):6289-6293.

[21] Obreja O, Schmelz M, Poole S, et al. Interleukin-6 in combination with its soluble IL-6 receptor sensitises rat skin nociceptors to heat, in vivo. Pain, 2002, 96(1-2):57-62.

[22] Dina OA, Green PG, Levine JD. Role of interleukin-6 in chronic muscle hyperalgesic priming. Neuroscience, 2008, 152(2):521-525.

[23] Geiss A, Varadi E, Steinbach K, et al. Psychoneuroimmunological correlates of persisting sciatic pain in patients who underwent discectomy. Neurosci Lett, 1997, 237(2-3):65-68.

[24] Lisowska B, Małdyk P, Kontny E, et al. Postoperative evaluation of plasma interleukin-6 concentration in patients after total hip arthroplasty. Ortop Traumatol Rehabil, 2006, 8(5):547-554.

[25] Lisowska B, Maśliński W, Małdyk P, et al. The role of cytokines in infammatory response after total knee arthroplasty in patients with rheumatoid arthritis. Rheumatol Int, 2008, 28(7):667-671.

[26] Lee YC, Lu B, Bathon JM, et al. Pain sensitivity and pain reactivity in osteoarthritis. Arthritis Care Res (Hoboken), 2011, 63(3):320-327.

[27] Orita S, Koshi T, Mitsuka T, et al. Associations between proinflammatory cytokines in the synovial fluid and radiographic grading and pain-related scores in 47 consecutive patients with osteoarthritis of the knee. BMC Musculoskelet Disord, 2011, 12:144.

[28] Lee KM, Jeon SM, Cho HJ. Tumor necrosis factor receptor 1 induces interleukin-6 upregulation through NF-kappaB in a rat neuropathic pain model. Eur J Pain, 2009, 13(8):794-806.

[29] van Bladel S, Libert C, Fiers W. Interleukin-6 enhances the expression of tumor necrosis factor receptors on hepatoma cells and hepatocytes. Cytokine, 1991, 3(2):149-154.

[30] Orita S, Ishikawa T, Miyagi M, et al. Pain-related sensory innervation in monoiodoacetate-induced osteoarthritis in rat knees that gradually develops neuronal injury in addition to infammatory pain. BMC Musculoskelet Disord, 2011, 12:134.

[31] Pezet S, McMahon SB. Neurotrophins: mediators and modulators of pain. Annu Rev Neurosci, 2006, 29:507-538.

[32] Watkins LR, Milligan ED, Maier SF. Glial activation: a driving force for pathological pain. Trends Neurosci, 2001, 24(8): 450-455.

[33] Tsuda M, Inoue K, Salter MW. Neuropathic pain and spinal microglia: a big problem from molecules in “small” glia. Trends Neurosci, 2005, 28(2):101-107.

[34] 任建华, 金文涛, 朱蕾, 等. 大鼠内侧半月板切除后髌骨的组织学变化及疼痛发生的机制. 中山大学学报(医学科学版), 2011, 32(3):303-310.

[35] Güler-Yüksel M, Allaart CF, Watt I, et al. Treatment with TNF-α inhibitor infliximab might reduce hand osteoarthritis in patients with rheumatoid arthritis. Osteoarthritis Cartilage, 2010, 18(10):1256-1262.

[36] Bogen O, Dina OA, Gear RW, et al. Dependence of monocyte chemoattractant protein 1 induced hyperalgesia on the isolectin B4-binding protein versican. Neuroscience, 2009, 159(2): 780-786.

[37] Dawes JM, Kiesewetter H, Perkins JR, et al. Chemokine expression in peripheral tissues from the monosodium iodoacetate model of chronic joint pain. Mol Pain, 2013, 9:57.

[38] Ogura N, Satoh K, Akutsu M, et al. MCP-1 production in temporomandibular joint inflammation. J Dent Res, 2010, 89(10):1117-1122.

[39] White FA, Sun J, Waters SM, et al. Excitatory monocyte chemoattractant protein-1 signaling is up-regulated in sensory neurons after chronic compression of the dorsal root ganglion. Proc Natl Acad Sci U S A, 2005, 102(39):14092-14097.

[40] Belkouch M, Dansereau MA, Réaux-Le Goazigo A, et al. The chemokine CCL2 increases Nav1.8 sodium channel activity in primary sensory neurons through a Gβγ-dependent mechanism. J Neurosci, 2011, 31(50):18381-18390.

[41] Schuelert N, McDougall JJ. Involvement of Nav 1.8 sodium ion channels in the transduction of mechanical pain in a rodent model of osteoarthritis. Arthritis Res Ther, 2012, 14(1):R5.

[42] 刘先国. 外周神经损伤引起病理性疼痛的机制. 中山大学学报(医学科学版), 2009, 30(6):641-644.

( 本文编辑：代琴 )

Mechanism of infammatory cytokines in osteoarthritis pain

YAO Zhi-hua, QIU Min-lei, FAN Tian-you. Department of Orthopedics, Shanghai Municipal Hospital of Traditional Chinese Medicine, Shanghai, 200071, PRC

In order to provide theoretical basis for the clinical treatment of osteoarthritis, the mechanism of inflammatory cytokines in osteoarthritis pain was investigated. A computer-based search of PubMed and China National Knowledge Infrastructure( CNKI )database was performed for the related articles with the keywords of“inflammatory cytokines, interleukin, tumor necrosis factor, chemokines, osteoarthritis pain, neuropathic pain and biochemical mechanisms” in English or in Chinese. The literatures related to the mechanism of infammatory cytokines in osteoarthritis pain were selected. A total of 84 literatures were primarily selected and 42 articles were reviewed according to the inclusion criteria. Osteoarthritis pain is one of the main factors affecting the life quality of the patients, and a variety of abnormal cells of the peripheral and central nervous systems were involved. Infammatory cytokines played an important role in the pathogenesis of osteoarthritis. The relationship between osteoarthritis pain and common infammatory cytokines were reviewed in the review, so as to explore the important role of infammatory cytokines in osteoarthritis pain and provide theoretical basis for the clinical treatment of osteoarthritis.

Osteoarthritis; Pain; Cytokines; Interleukins; Tumor necrosis factors; Chemokines

10.3969/j.issn.2095-252X.2014.05.012

R684.3

200071 上海中医药大学附属市中医医院

樊天佑，Email: fantianyou365@hotmail.com

2014-02-04 )