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周圍神經系統與骨關節炎

文章出處: 作者: 人氣: 發表時間:2019-08-20 10:09:44

來源:國際骨科學雜志2019年7月第40卷第4期

 

骨關節炎(OA)是一種與年齡相關或由創傷引發的進程緩慢的滑膜關節原發性非炎癥性退行性病變,致病因素較多,晚期可造成關節軟骨不可逆性損傷。OA確切發病機制尚不明確,其中與年齡相關的磨損、過度使用、遺傳病變及代謝性問題(包括肥胖、免疫應答、糖尿病、脂肪因子等)在OA發生發展中發揮重要作用。近年來,感覺和交感神經纖維及其神經遞質在OA中的作用愈發受到關注。在胚胎肢體發育過程中,骨骼生長及基質分化等均需要血管形成,而這都依賴外周神經系統的支配,因此外周神經系統在骨骼生長和肢體形成中發揮重要作用。近期研究表明,缺乏P物質(SP)并切斷交感神經的小鼠股骨機械強度變差、骨骼質量減輕、骨小梁數目減少。盡管正常軟骨不受神經支配,但軟骨代謝仍受神經遞質調節和影響,這些神經遞質由鄰近組織神經纖維或軟骨直接釋放。


正常關節中感覺和交感神經纖維


生長軟骨的軟骨亞群和關節軟骨表面均有感覺神經纖維分布。在大鼠膝關節中,降鈣素基因相關肽(CGRP)陽性的神經纖維在關節軟骨和半月板的分布達25μm。這些神經纖維存在于獨立的軟骨細胞間,提示其除經典功能外,還具有局部營養功能。然而,在軟骨骨膜及骨膜中檢測到的SP陽性的軸突亞群被證實并不支配軟骨。目前支配軟骨的神經纖維在結構或分子方面的差異仍未被完全闡明。軟骨管中有感覺神經纖維通過,且軟骨管的形成早于次級骨化中心,這些神經纖維可能是通過釋放營養因子調節滑膜關節形成,并在胚胎發育中調控肢體軟骨分化過程。此外,骨和關節組織(如滑膜)也密集分布大量交感神經纖維。酪氨酸羥化酶(TH)陽性的腎上腺素能神經纖維主要與血管伴行,但在骨膜和鄰近骨的韌帶中也存在游離的神經纖維末梢。這些神經纖維與骨細胞、骨髓細胞密切聯系,表明在機體生長發育過程中交感神經纖維對骨細胞代謝具有調節作用。


OA關節中感覺和交感神經纖維


感覺神經纖維與神經肽    在關節軟骨表層,神經僅存在于血管周圍,表明血管生成為神經支配提供了基本營養條件,如果無血管形成,則無神經纖維可以在軟骨內生長,因此神經支配評分和軟骨血管化程度可作為衡量OA嚴重程度及進展分期的指標。目前OA的疼痛來源還未被完全闡明,其本質是傷害性疼痛還是神經性疼痛仍存在爭議。血管周圍生長的神經可能暴露于化學刺激和機械應激,進而導致疼痛。因此,伴隨新生血管化生長的感覺神經可能會導致OA患者疼痛。Murakami等研究報道,在大鼠體內注射膠原酶1周后,滑膜組織中蛋白基因產物(PGP)9.5和CGRP陽性的神經纖維密度大幅減少。亦有研究發現,在膝關節炎患者滑液中CGRP濃度增高,且與表示OA嚴重程度的Kellgren-Lawrence分數提高明顯相關。以上研究明CGRP與疼痛具有一定相關性,推測CGRP可能在OA進展中具有時間依賴性,在OA早期伴隨血管化共同導致疼痛,而在OA后期CGRP濃度下降,可能存在其他因子代償,但具體機制還需進一步研究。


交感神經纖維和神經遞質     研究發現,在顳下頜關節炎大鼠模型中,髁軟骨下骨室中TH陽性神經纖維表達和去甲腎上腺素(NE)水平均較高。大鼠膝關節炎模型中軟骨下骨表達CGRP和原肌球蛋白受體激酶(TrKA)陽性的神經纖維明顯增加,與疼痛加重相關。對于交感神經纖維在OA不同關節腔室的進一步分析可能有助于理解疼痛行為,同時關于交感神經遞質活動的研究也有助于理解OA代謝改變。


Eitner等在正常大鼠和羊的關節滑液中發現與交感、感覺神經纖維相伴行的密集毛細血管網。有研究將OA軟骨細胞和NE進行3D共培養(軟骨區分為表層、中層和深層)后進行免疫熒光檢查,結果發現OA軟骨細胞在所有3個軟骨區均表達TH,而在深部區域的二甲基亞甲藍染色強度最弱。研究表明,血管活性腸肽(VIP)含量與關節疾病進展及嚴重程度呈負相關,推測VIP可能在OA中具有保護作用。神經肽Y(NPY)陽性的交感神經纖維在OA軟骨下骨和關節軟骨血管腔內均有分布,且其數量同感覺神經纖維一致。Wang等對NPY濃度和疼痛嚴重程度進行研究,結果顯示OA患者滑液中NPY濃度升高與Watanabe疼痛分數增加呈正相關。因此,NPY或許為OA提供了基本的保護措施,甚至在一定程度上可逆轉OA對骨與軟組織的破壞。


軟骨細胞中感覺和交感神經遞質及其受體


感覺神經遞質及其受體     正常人體和OA患者的關節軟骨細胞均可產生SP及CGRP,且表達兩者的受體,即NK-1受體和降鈣素受體樣受體(CRLR)。低強度運動后,軟骨細胞及其細胞外基質中SP及其受體表達均有升高。應用NK-1受體拮抗劑后,SP信號通路被阻斷,軟骨細胞無法對機械刺激做出反應,提示軟骨細胞具有應對機械刺激的信號通路。與機械刺激相伴隨的是SP基因表達改變,表明SP可在機械應激后維持關節軟骨基質完整和功能。正常軟骨細胞和OA軟骨細胞對機械刺激反應并不相同。與正常軟骨細胞相比,OA軟骨細胞上調了SP編碼基因速激肽A(TAC1)表達。作為TAC1基因表達的兩大主要調節物質,轉錄因子神經元限制性沉默因子(NRSF)和截短剪接變體(sNRSF)只在OA軟骨細胞中接受機械刺激后才發生上調,表明TAC1和sNRSF與OA存在一定聯系。OA軟骨細胞接受機械刺激后,sNRSF和TAC1的mRNA表達發生改變,提示sNRSF可能參與調節OA軟骨中SP生成,因此sNRSF或許可作為預測軟骨疾病的標志物。


交感神經遞質及其受體     除關節軟骨和半月板無血管區外的關節組織細胞均可產生交感神經纖維和神經遞質。新生小鼠脛骨軟骨細胞中可檢測到β2-腎上腺素受體(AR)和α2A-AR mRNA表達,新生小鼠肋軟骨培養基中可檢測到α1B-AR和α1D-AR存在。亦有研究認為,在OA患者軟骨組織移植體及其內部的軟骨源性細胞中,均存在β2-AR和α2-AR。由于在OA病程中多種生物力學信號通路發生改變,且β2-腎上腺素能藥物已被證明可以影響骨組織的機械活動,故β2-AR可能影響軟骨負荷。遺傳學研究也表明,β2-AR信號通路在骨重塑的調節中具有生物相關性。由交感神經元或免疫細胞釋放的兒茶酚胺可影響骨髓間充質干細胞(BMSC)從骨髓遷移到鄰近組織的過程。因此,在壓力或炎癥狀態下交感神經遞質濃度的提高可能在很大程度上影響骨髓祖細胞遷移和分化。NE可抑制BMSC和OA軟骨源性祖細胞軟骨分化。OA的重要標志是炎癥反應和固有免疫啟動。Wang等研究發現,NE可刺激形成早期OA的病理微環境。因此,交感神經及其遞質可能在OA中起促進作用。


軟骨下骨中感覺和交感神經遞質及其受體


感覺神經遞質及其受體      SP在骨與關節組織中廣泛分布,對其生理活動具有重要的調節作用。如廣泛表達于骨細胞的NK-1受體揭示了SP在骨質重建過程中的調節作用。Xiao等研究認為,與骨質疏松標本相比,SP及CGRP和VIP免疫陽性的OA股骨頭松質骨平均光密度較高,其與疼痛視覺模擬評分(VAS)和骨結構參數均呈正相關,推測SP可能導致和促進疼痛發生發展。Zhen等研究發現,在OA小鼠模型中,前交叉韌帶橫斷導致骨重建時間和空間脫耦聯,且成骨細胞和破骨細胞活性均有所增加。作為成骨細胞、破骨細胞的刺激劑,SP可能是治療OA的重要靶點。CGRP可促進成骨基因如Runx2、堿性磷酸酶(ALP)、骨鈣素和COL1A1基因增殖和表達。成骨細胞中環腺苷酸(cAMP)可導致CGRP刺激和誘發,進而影響細胞內Ca2+水平。此外,CGRP誘發轉錄激活因子(ATF)-4和骨保護素(OPG)表達,兩者均有成骨作用。同時,CGRP抑制Rankl的表達,而OPG/Rankl比值升高有利于成骨細胞分化,因此CGRP具有促進成骨細胞分化的作用。MC3T3-E1前破骨細胞系受機械刺激后,下調Rankl,上調OPG,證實CGRP具有抑制破骨細胞生成的效應。

 

交感神經遞質及其受體     交感神經遞質(如NE、VIP和NPY)對骨細胞生成和分化具有復雜的調節功能。應用免疫熒光技術可在OA患者成骨細胞中檢測到α2A-AR的存在。α-AR激動劑和β-AR拮抗劑聯合使用可誘發人成骨細胞增殖,而單獨應用β2-AR激動劑則可抑制成骨細胞增殖。這兩種激動劑可隨使用劑量增加而增加Rankl和OPG的表達,對破骨細胞產生間接調節作用。Tanaka等研究發現,α-AR激動劑具有成骨細胞前體效應,表明經α-AR激活的去甲腎上腺素能信號通路可正向調節成骨細胞分化。交感神經緊張時分泌的NE可促進廢用性骨質流失,增強MLO-Y4骨細胞系中Rankl表達,也可在骨細胞RAW264.7聯合培養基中誘導破骨細胞生成,表明交感神經支配改變可為局部神經遞質改變提供微環境。研究證明,成熟破骨細胞中存在腎上腺素受體α1D、α2B和β2蛋白表達。


Juhász等研究證實,VIP可上調轉化生長因子(TGF)-β/骨形態發生蛋白(BMP)信號通路和細胞外調節蛋白激酶(ERK)1/2信號通路,提高Rankl/OPG比值,進而促進骨生成。VIP在骨骼系統中具有促進骨質合成代謝的功能,且可防止骨和軟骨破壞。NPY具有成骨細胞作用。在成骨狀態下分離的間充質干細胞中NPY通過上調Runx2及提高ALP活性直接促進骨生成。研究表明,在小鼠NPY受體y6R表達缺乏的骨髓源性巨噬細胞培養基中,由巨噬細胞集落刺激因子(M-CSF)/Rankl誘導的破骨細胞生成能力得到提高,說明NPY對成骨細胞具有保護作用。


結語


感覺和交感神經纖維及其神經遞質可影響軟骨、軟骨下骨及其他關節組織的功能和穩態。外周神經系統很大程度上參與了OA病理過程,但其確切的分子機制還需進一步的研究。隨著分子生物學和現代醫學的進步,感覺和交感神經纖維及其神經遞質對OA病理生理過程的影響將被進一步闡明。

 

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