关哲　王文波

150001，　　哈尔滨医科大学附属第一医院骨三科



大骨节病发病机制研究进展

关哲王文波

150001，哈尔滨医科大学附属第一医院骨三科

摘要大骨节病(KBD)发病与居住环境低硒营养状态、T-2毒素及遗传因素与环境的相互作用等密切相关。近年来，多项研究发现诸多异常表达的基因与蛋白参与了KBD的细胞代谢、细胞凋亡、离子通道蛋白合成与分解、亚细胞定位、分子功能发挥及与凝血级联通路相关的补体系统作用，并在KBD的发病中发挥作用。该文就近年来KBD微量元素学说、毒素学说、基因组学及蛋白组学方面的前沿成果作一综述。

关键词大骨节病；软骨；基因组学；蛋白组学

大骨节病(KBD)是一种慢性地方性变形性骨关节病，主要临床表现为多发对称性关节变形。临床上绝大部分KBD发生于儿童管状骨干骺闭合前，KBD患者多在5岁甚至更早出现手指、脚趾及邻近关节变形，甚者腿部畸形及类骨关节炎(OA)症状[1]。与正常人相比，KBD患者软骨组织存在由坏死软骨细胞簇构成的大量坏死区。骨骺生长板局灶性坏死是造成KBD患者骨骼发育不良及身材矮小的原因。

Lv等[2]研究发现，陕西省麟游县KBD发生率为10.9%。 王治伦等[3]对我国KBD病情进行动态监测18年发现，全国KBD病情呈波浪式改变。一些KBD发病率呈下降趋势的地区X线检出率也有小幅提升，表明近年来对于KBD的防治工作虽取得一定成果，但致病因素仍存在于病区中。

虽然对于KBD致病机制的研究繁多，主要涉及环境风险因素、毒素及疾病相关基因等，但至今尚未出现较为完善的发病机制学说。目前研究认为，硒缺乏和谷物污染是KBD主要环境风险因素，多个环境和遗传因素同时相互作用与KBD病因相关。近年出现KBD相关基因组学和蛋白组学的研究，为KBD的发病机制研究提供了新方向。

1软骨病理表现

关节软骨与骨骺生长板为KBD最常受累部位。关节镜下可见KBD患者关节软骨出现软骨多病灶性退行性变化，主要有以下3点表现。①软骨细胞出现凋亡和坏死, 其内线粒体及内质网肿胀、基质密度降低、囊泡扩张及游离核糖体增加。在胎儿和少年软骨发育过程中，软骨坏死范围上述改变逐渐积累并形成局灶性肥厚性软骨，覆盖于软骨增殖区与肥大区的过渡区域，晚期最终累及至全关节软骨。长骨软骨坏死可导致软骨内骨化，甚至诱发早期骨骺生长板闭合，导致患者生长迟缓、发育畸形和晚期残疾。此外，关节软骨坏死还可诱发瘢痕、骨赘和游离体形成及关节间隙狭窄，进一步加重患者关节症状[1]。②受损软骨深层坏死区域蛋白多糖含量降低，其降解产物如软骨寡聚基质蛋白(COMP)和Ⅱ型胶原端肽在血清中含量的增加可作为关节损伤的潜在标志[4-5]。同时，粘连蛋白降低与大量软骨骨化也构成次级慢性骨关节病的病理基础。③KBD患者的炎症反应与升高的自身免疫标志物提示KBD为一种全身系统性疾病[6]。

2发病机制

2.1微量元素缺乏

Li 等[7]研究发现，KBD流行地区硒缺乏广泛存在。王权等[8]进行KBD病区与非病区硒元素含量荟萃分析，将异质性较大的数据排除后，结果显示KBD病区饮用水、土壤、玉米、大米等中的硒元素低于非病区，同时KBD病区患者全血、血清、尿和毛发硒水平均低于病区健康人。Lv等[9]对KBD流行地区土壤样品中的硒浓度进行测定，结果显示在典型KBD病区内土壤样品中硒浓度在0.08～0.215 μg/g之间，硒元素的生物利用度处在边缘状态，而这一特点正是从其低硒状态的母系土壤中继承而来。因此，硒元素不足被认为是KBD重要的环境危险因素，这为研究KBD病因及发病机制提供了新的证据，同时硒补充剂的应用也为KBD防治工作作出了突出贡献。尽管氟和锌等元素被认为与KBD相关，但它们的作用机制并未得到进一步证实。

2.2毒素

流行病学研究[10]显示，除硒缺乏外，T-2毒素的毒素作用与KBD发病机制相关，在ATDC5软骨形成细胞中，T-2毒素通过活性氧(ROS)/核因子-κB(NF-κB)/低氧诱导因子-2α(HIF-2α)途径增强分解代谢并损伤ATDC5软骨形成细胞。Guan等[11]、Chen等[12]对大鼠进行体内实验，将低硒饮食与T-2毒素同时作用于实验组大鼠中，结果显示低水平和高水平T-2毒素加硒缺乏饮食组大鼠的膝关节软骨深层均出现类似人类KBD坏死的表现，同时伴有蛋白多糖和抗氧化剂水平下降。虽然该结果显示其病理改变类似于人类KBD，但尚未出现确切解释。

Zhou等[13]采用组织染色法研究硒缺乏饮食以及T-2毒素大鼠血清和软骨中白细胞介素(IL)-6、IL-1β和肿瘤坏死因子(TNF)-α的变化，结果显示与正常饮食对照组相比，低硒饮食组、T-2毒素组及低硒加T-2毒素组大鼠血清和软骨中IL-6表达明显升高，而仅低硒加T-2毒素组大鼠血清中IL-1β和TNF-α含量显著高于对照组。上述结果同时印证了微量元素学说与毒素学说，也表明KBD发病机制与多方面环境因素密切相关，提示KBD病因的复杂性，为其病理机制研究提供新方向。

萨如拉等[14]观察Ⅱ型胶原对T-2毒素诱导Wistar大鼠关节软骨损伤的作用发现，Ⅱ型胶原可拮抗T-2毒素对软骨的损伤。这不仅为T-2毒素造成软骨损伤提供了证据，更为KBD防治提供了新思路。

2.3基因组学与蛋白组学

流行病学调查[15]显示，KBD病区农民患病率较高，从非流行地区移民的群体也受此影响，KBD病区4 938例家庭聚集研究数据显示，第1个后代的患病率在10%以上，而这种家族聚集仅出现在父母均患病或仅有父亲患病家庭。Lv等[2]对陕西省麟游县进行调查发现，KBD患者一级亲属患病率为41.76%，二级亲属患病率为37.20%，推测KBD的发展可能需要1个以上的突变基因。因此，KBD家族聚集可能主要归因于环境及基因，环境与基因共同作用成为KBD的重要发病机制之一。

2.3.1KBD相关基因表达及基因表达谱分析

大多数疾病的发生是由与之相关联的个体基因、遗传与环境之间复杂的相互作用所致。单核苷酸多态性分析表明，生长分化因子(GDF)-5、双血管性血友病因子(vWF)A和IL-1β、谷胱甘肽过氧化物酶1、谷胱甘肽过氧化物酶4、TNF-α和细胞表面死亡受体(Fas)、硒蛋白P基因与KBD相关[16-21]。Yang等[22]研究发现， HLA-DRB1和CD2AP基因是KBD易感基因。 Zhang等[23]研究发现，ABI3BP基因为KBD的新型易感基因。任何疾病都是由易感基因与环境因素相互作用所导致，环境应答基因会影响人体对环境因素的易感性。

Wang等[24]研究发现，与正常人相比，在培养的KBD关节软骨细胞中存在55个上调基因和24个下调基因，它们共同参与细胞代谢、凋亡、增殖和基质降解等过程。Wang等[25]研究发现，与正常人相比，KBD患者存在83个上调基因和14个下调基因，这些基因共同参与细胞代谢、细胞凋亡、免疫防御自适应、细胞骨架运动与细胞外基质组成等过程。Zhang等[26]、Li等[27]、Wang等[28]研究发现，与正常人相比，KBD患者体内细胞凋亡、缺氧和线粒体相关信号转导通路存在显著上调，如DNA损伤、内质网应激、适应性免疫相关基因表达等。上述研究结果表明，软骨细胞代谢和细胞凋亡可大大促进KBD软骨损伤及其进展。 Wu等[29]研究发现，KBD软骨细胞吸收葡萄糖增多，糖原大量堆积于软骨细胞内，证实KBD患者存在糖代谢紊乱。

Duan等[30]、Zheng等[31]通过对KBD和OA基因表达谱分析发现，与OA相比，KBD存在195个上调基因和38下调基因，如CSGALANACT、PIM2、EFNA1、SMAD-9、STK11、AQP、T细胞因子/LEF、PTN、APCDD和CAV等，这233个基因均与软骨细胞代谢、离子通道蛋白和细胞凋亡相关。Luo等[32]研究发现，免疫组化和蛋白质分析显示在KBD和OA软骨中，与Hapln-1相关的CSGALNACT基因表达减少。Zhang等[33]在对KBD与OA软骨基因富集分析中发现，在KBD软骨细胞中蛋白多糖合成相关酶表达较低，与蛋白聚糖分解相关的成分表达则较高，一氧化氮(NO)相关信号转导通路在KBD软骨细胞中显著上调，而ROS和血管内皮细胞生长因子相关信号转导通路在OA软骨细胞中显著上调。以上结果与软骨细胞过度凋亡,BCL-2、Bax蛋白、Fas和一氧化氮合成酶(iNOS)异常表达，以及NO和iNOS升高相一致[4]。以上结果也支持ROS所引起的软骨损伤在OA发病中起着重要作用，同时NO介导的软骨细胞凋亡有助于KBD进展。

Zhang等[34]通过基因表达分析和血清补体测定发现，补体和凝血级联通路的上调与KBD发病机制相关，与正常软骨相比，凝血级联通路相关CFD、A2M、C5、CD46基因显著上调，KBD患者血清C5补体水平也显著高于正常人。以上结果首次证明凝血级联通路相关补体系统与KBD发病机制相关。

2.3.2KBD相关蛋白表达及蛋白组学分析

武世勋等[35]采用免疫组化染色法检测程序化细胞死亡分子(PCD)-5和早期生长反应蛋白(EGR)-1在KBD软骨损伤中的表达情况，结果发现KBD软骨深层PCD-5显著上调，软骨表层和深层EGR-1显著高表达，推测此两种因子在KBD软骨破坏过程中发挥重要作用。李若飞等[36]提取了针对于生长因子-β基因的特异引物，通过逆转录-聚合酶链式反应(RT-PCR)技术检测该目的基因在mRNA水平上的表达情况，结果发现生长因子-β在KBD患者中表达差异低于正常人。Guo等[37]通过蛋白质表达谱分析比较KBD患者软骨细胞和正常细胞，发现27个差异表达蛋白质，包括10个上调蛋白和17个下调蛋白，其中在KBD中多种低表达酶参与碳水化合物代谢，包括脯氨酰-4羟化酶、锰超氧化物歧化酶(Mn-SOD)和蛋白质二硫键异构酶(PDI)。Ma等[38]研究发现，热休克蛋白-1β、过氧化还原酶(PRDX)-1、肌动蛋白、丝切蛋白-1、调宁蛋白和接头蛋白C-CRK在KBD软骨细胞中表达较丰富。以上研究表明，KBD软骨细胞的细胞代谢、亚细胞定位和分子功能均存在异常。

KBD作为一种流行于中国东北及西南地区、主要累及软骨组织的慢性变形性骨关节病，因其较高的致残率,严重危害人民健康。其发病原因目前尚无统一观点，也从侧面反映KBD病因的复杂性。近年来随着基因组学与蛋白组学的兴起，对KBD病因及发病机制有了新的发现，为KBD早期诊断和治疗提供了新策略。

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(收稿：2015-11-28；修回：2016-02-08)

(本文编辑：李圆圆)

DOI：10.3969/j.issn.1673-7083.2016.02.006

通信作者：王文波E-mail: gztxwd1234@126.com