骨关节炎的实验室诊断

在大多数情况下，骨关节炎患者的血液和尿液检查没有变化，除非滑膜炎伴有大量积液，此时可能会出现血沉增加，高丙种球蛋白血症，急性期指标（CRP，纤维蛋白原等）水平升高。检查滑液时，未发现与正常指标有显著差异。

近年来，人们一直在深入研究关节组织（主要是软骨和骨）退化和修复的生物标志物（BM）。BM 应能反映这些动态变化，并作为骨关节病预后的预测指标和致病治疗有效性的指标。对已知生物标志物进行新的、更深入的研究将有助于更好地理解骨关节病的发病机制。然而，利用软骨代谢生物标志物的主要任务是评估药物的软骨保护特性，并监测 DMO AD 类药物（即“改善病情”类药物）的治疗效果。

骨关节炎的病理改变主要发生在关节软骨、软骨下骨、滑膜和关节内的其他软组织。由于我们直接检查这些结构的能力有限，因此收集生物标志物最重要的来源是血液、尿液和滑液。

尿液检测是最优选的，因为它不涉及任何侵入性操作。我们认为，理想的检测材料是每日尿液。分析晨尿更为合适，但这种方法的可行性仅仅基于这样一个事实：这种分析方法用于确定骨质疏松症中的骨代谢生物标志物：已知生物标志物受昼夜节律影响，且骨代谢生物标志物的峰值浓度出现在夜间。目前，文献中尚无关于软组织、软骨生物标志物昼夜节律的信息，因此，最终选择合适的尿液检测方法，需进行适当的研究后才能做出。

血液检查是常规临床检查。一些生物标志物已在血液中测定，例如急性期指数，而其他一些生物标志物可能在不久的将来被纳入生化检测的标准清单。对于每种生物标志物，必须明确其应在血液的哪个成分中测定——血浆还是血清。研究结果表明，血浆中生物标志物的浓度与血清中的浓度存在显著差异。生物标志物通常在血清中测定。根据 V. Rayan 等人 (1998) 的研究，从患侧关节附近静脉和较远静脉采集的血液中，生物标志物的浓度是不同的。这些数据表明，需要标准化血液采样以研究生物标志物。

根据 LJ Attencia 等人 (1989) 的研究，成人滑膜关节的软骨仅占体内透明软骨总质量的 10%，包括椎间盘。因此，血液和尿液中生物标志物的测定反映的是全身代谢，而不是骨关节病所影响关节的局部变化。滑液最接近骨关节病的病理病灶，可能最准确地反映患侧关节中发生的病变过程。滑液中生物标志物的浓度可能明显高于血液，这意味着更容易测定。例如，聚集蛋白聚糖的 846 表位在滑液中的含量是血清的 40 倍，软骨寡聚基质蛋白 (COMP) 的含量是血清的 10 倍。滑液中的降解产物更准确地反映了关节软骨的分解代谢过程。通过局部淋巴系统从滑液中排出分子会导致其尺寸减小甚至被破坏。

尽管滑液采集技术是一种侵入性技术，可能引起许多并发症，但确定其中的生物标志物的价值显而易见。为避免所谓的干关节问题，可在采集液体前立即向关节内注入 20 ml 等渗氯化钠溶液。注射等渗溶液后，患者应立即在关节内屈伸肢体 10 次，然后快速抽吸稀释的滑液。根据 EM-JA Thonar (2000) 的研究，滑膜的这种稀释会影响关节软骨的代谢。然而，FC Robion 等人 (2001) 的研究结果表明，反复冲洗马膝关节不会引起软骨代谢的显著变化。这些数据当然需要证实。因此，对于每种生物标志物，必须在动物临床前研究阶段确定关节冲洗对其浓度变化的影响。

下一个重点是确定每种生物标志物在滑液和血液中的半衰期。如果没有这些数据，测试结果的解释将很困难。通常，由于肝脏和肾脏的有效清除，生物活性物质在血液中的半衰期比在其他液体介质中的半衰期短。因此，对于每种生物标志物，还需要确定其消除途径。例如，III型胶原蛋白的N-前肽通过受体介导的内吞作用由肝脏排泄，而非糖基化的胶原蛋白片段主要通过尿液排泄，骨钙素也是如此。肝小叶窦内皮细胞上有糖胺聚糖受体，因此透明质酸和蛋白聚糖会被肝脏消除。透明质酸在血液中的半衰期为2-5分钟。滑膜炎的存在可能会加速关节中生物标志物的清除，尽管一项针对兔子的研究发现，无论有无滑膜炎，蛋白多糖的清除率均无显著差异。因此，炎症对体液中生物标志物浓度变化的影响仍有待研究。

肾脏会选择性地过滤生物标志物。因此，携带大量负电荷的糖胺聚糖可能无法穿透肾基底膜，而6-硫酸软骨素和4-硫酸软骨素等糖胺聚糖则可以在尿液中检测到。

除了病理（特别是骨关节炎）之外，许多因素也会影响体液中生物标志物的浓度：

1. 目前仅对少数生物标志物的昼夜节律进行了研究。这些标志物主要针对骨代谢标志物进行研究。例如，骨钙素的峰值浓度出现在夜间，而胶原蛋白交联的峰值浓度出现在早晨8点。在类风湿性关节炎中，IL-6的峰值活性也出现在夜间（约2点），并且早于骨钙素的峰值活性。这些数据对于IL-6参与骨组织炎症和生理学具有一定意义。相反，TNF-α没有昼夜节律。然而，这种细胞因子的受体可以遵循这些昼夜节律。
2. 蠕动。透明质酸由滑膜细胞（以及许多其他细胞）合成，是骨关节炎和类风湿性关节炎滑膜炎的潜在标志物。然而，透明质酸在肠道淋巴系统中浓度最高。进食后，循环透明质酸浓度也会升高，这并不奇怪。因此，用于测定生物标志物的血液采样应在空腹或进食后3小时进行。此外，蠕动对血液中生物标志物水平的影响仍有待研究。
3. 睡眠后清晨进行体力活动会导致健康个体血液中透明质酸、基质金属蛋白酶-3 (MMP-3) 和硫酸角质素表位的浓度升高。体力活动会改变滑液和血清中某些标志物的浓度。这种升高在类风湿性关节炎患者中更为明显，而且这些生物标志物的浓度与患者的临床状况相关。
4. 肝脏和肾脏疾病。肝硬化会导致血清透明质酸水平显著升高，并可能影响蛋白多糖的消除。肾脏疾病已知会影响骨钙素的浓度。这个问题也需要更深入的研究。
5. 年龄和性别。在生长过程中，生长板细胞活性增加，这会导致血清中骨骼生物标志物浓度升高。例如，生长动物外周血和尿液中聚集蛋白聚糖片段和II型胶原蛋白浓度的增加。因此，对患有肌肉骨骼疾病的儿童和青少年的生物标志物分析结果进行解读较为困难。许多生物标志物的浓度会随着年龄增长而增加。在男性中，软骨和骨组织中生物标志物的浓度明显高于女性。此外，更年期和绝经后女性的软骨代谢生物标志物浓度也可能发生与骨组织中观察到的类似的变化。
6. 手术过程也会影响生物标志物的水平，这种影响可能会持续数周。

骨关节病生物标志物的概念基于这样的假设：它们反映了关节组织代谢过程的某些方面。然而，体液中生物标志物的浓度与软骨、滑膜和其他组织的代谢之间的关系已被证明非常复杂。

例如，滑液中关节软骨 ECM 降解标志物的浓度可能不仅取决于基质本身的降解程度，还取决于其他因素，例如上文已经提到的滑膜中分子碎片的消除程度，以及关节中剩余的软骨组织量。

尽管如此，滑液中生物标志物的浓度通常与关节软骨ECM分子的代谢相关。例如，关节损伤后和骨关节病发展过程中滑液中聚集蛋白聚糖片段、846表位、COMB和Ⅱ型胶原C前肽浓度的变化，与骨关节病实验动物模型/体内实验以及骨关节病患者关节软骨/体外实验中聚集蛋白聚糖、COMB和Ⅱ型胶原代谢强度的变化一致。

识别分子碎片的具体来源是一个复杂的过程。分子碎片释放的增加既可能由于降解过程的普遍增加（且未被合成过程补偿）导致，也可能由于降解增加同时伴随相同ECM分子合成强度的增加导致；在后一种情况下，ECM分子的浓度保持不变。因此，有必要寻找针对降解和合成的特异性标记物。前者的例子是聚集蛋白聚糖的碎片，后者的例子是11型胶原蛋白的C前肽。

即使生物标志物与代谢的某个特定方面相关，也需要考虑该过程的具体特征。例如，已识别的片段可能是由于尚未整合到功能性 ECM 中的从头合成分子、刚刚整合到 ECM 中的分子以及最终作为成熟基质的重要功能部分的永久性 ECM 分子的降解而形成的。另一个问题是定义作为在滑液、血液或尿液中检测到的生物标志物来源的特定基质区域（细胞周围、区域和区域间基质）。体外研究表明，关节软骨 ECM 各个区域的代谢强度可能不同。研究与硫酸软骨素硫酸化相关的某些表位可能有助于识别从头合成的聚集蛋白聚糖分子群。

可以假设，滑液中软骨细胞外基质 (ECM) 中正常存在的分子片段的出现与软骨基质的代谢有关。然而，情况并非总是如此，因为它取决于许多因素，尤其是关节软骨中特定分子的浓度超过其他关节组织中的浓度的程度，以及其在软骨中的代谢强度超过其他关节组织中的代谢强度的程度。因此，关节软骨中聚集蛋白聚糖的总质量明显超过例如膝关节半月板中的聚集蛋白聚糖，而半月板中聚集蛋白聚糖的总质量与关节软骨中的聚集蛋白聚糖几乎没有差异。软骨细胞和滑膜细胞都会产生溶基质素-1 (STS-1)，但滑膜中的细胞总数超过软骨中的细胞总数，因此滑液中发现的溶基质素-1 的很大一部分很可能来自滑膜。因此，识别生物标记的具体来源极其困难，通常是不可能的。

在研究血清和尿液中的生物标志物时，存在确定其可能的关节外来源的问题。此外，在单关节损伤的情况下，受累关节分泌的生物标志物可能与完整关节（包括对侧关节）分泌的标志物混合。关节软骨占体内透明软骨总质量的不到10%。因此，在多关节或全身性疾病（与骨关节病相关，即全身性骨关节病）中测定血液和尿液中的生物标志物可能更有意义。

对生物标志物的要求取决于其用途：诊断、预后还是评估。例如，诊断测试可确定健康个体与骨关节炎患者之间的差异，这体现在测试的敏感性和特异性上。预后测试可识别群体中最有可能快速进展的个体。最后，评估测试则基于标志物监测个体患者随时间变化的能力。此外，生物标志物还可用于确定患者对特定药物的敏感性。

最初，人们设想生物标志物可以作为诊断检测手段，帮助区分骨关节病和正常关节，并与其他关节疾病进行鉴别诊断。因此，测定血清中硫酸角质素的浓度被认为是全身性骨关节病的诊断方法。然而，后续研究表明，这种生物标志物仅在某些情况下才能反映软骨蛋白聚糖的降解。结果发现，血清中生物标志物的浓度取决于受检者的年龄和性别。

骨关节炎患者滑液和血清中关节组织代谢的推定生物标志物

生物标记	过程	在滑液中（链接）	血清中（链接）
1.软骨
聚集蛋白聚糖
核心蛋白片段	聚集蛋白聚糖降解	Lohmander LS.等人，1989；1993	托纳尔·EJMA 等人，1985； Campion GV 等，1989；梅赫拉班F.等人，1991； Spector TD 等，1992； Loohmander LS.，托纳尔 EJ-MA，1994；普尔 AR 等人，1994) t (普尔 AR 等人，1994)
核心蛋白表位（裂解区特异性新表位）	聚集蛋白聚糖降解	桑迪 JD 等人，1992；洛曼德LS。等，1993；拉克M.W.等人，1997
角蛋白硫酸盐表位	聚集蛋白聚糖降解	Campion GV等人，1989年；Belcher C等人，1997年
硫酸软骨素表位（846、ЗВЗ、7D4 和 DR.）	聚集蛋白聚糖合成/降解	普尔 AR 等，1994；哈泽尔P.K.等，1995； Slater RR Jr.等，1995； Plaas AHK 等，1997； 1998；洛曼德 LS.等人，1998
硫酸软骨素-6 和硫酸软骨素-4 的比例	聚集蛋白聚糖合成/降解	Shinme iM.等人，1993年
小蛋白聚糖	小蛋白聚糖的降解	Witsch-PrehmP.等人，1992年
软骨基质蛋白
豪姆普	HOMP的降解	Saxne T.、Heinegerd D.，1992”；LohmanderLS. 等人，1994；Petersson IF 等人，1997	Sharif M.等人，1995年
软骨胶原蛋白
II型胶原C前肽	II型胶原蛋白合成	申明 M.等，1993；吉原Y.等，1995；洛曼德LS。等，1996
II 型胶原蛋白 α 链的片段	胶原蛋白II降解	Hollander AP 等，1994； Billinghurst RC 等，1997；阿特利LM。等，1998
MMP及其抑制剂	合成和分泌	来自滑膜或关节软骨？
二、半月板
豪姆普	HOMP的降解	来自关节软骨、半月板还是滑膜？
小蛋白聚糖	小蛋白聚糖的降解
III. 滑膜
透明质酸	透明质酸的合成		Goldberg RL等人，1991年；HedinP.-J.等人，1991年；Sharif M.等人，1995年
MMP及其抑制剂
基质溶素（MMP-3）	MMP-3的合成和分泌	LohmanerLS等人，1993	扎克S.等，1994；吉原Y.等，1995
间质胶原酶（MMP-1）	MMP-1的合成和分泌	Clark IM等人，1993年；LohmanderLS等人，1993年	Manicourt DH等人，1994
抑制剂	TIMP的合成和分泌	洛曼德 LS.等，1993；马尼库尔 DH 等人，1994	吉原 Y. 等，1995
III型胶原蛋白的N-前肽	III型胶原蛋白的合成/降解	Sharif M.等人，1996年	Sharif M.等人，1996年

多项研究表明，健康志愿者、类风湿性关节炎患者、反应性关节炎患者或骨关节病患者的膝关节液中，聚集蛋白聚糖片段、HOMP、MMP及其抑制剂的浓度存在差异。尽管作者证明了生物标志物平均浓度存在显著差异，但由于比较分析是概况分析和回顾性分析，因此数据解读较为困难。这些检测的预后特性需要在前瞻性研究中进一步证实。

生物标志物可用于评估疾病的严重程度或病理过程的分期。对于骨关节病，疾病的严重程度及其分期可以通过X射线检查、关节镜检查的结果以及疼痛症状的严重程度、患侧关节功能受限程度和患者的活动能力来判断。L. Dahlberg等人（1992年）以及T. Saxne和D. Heinegard（1992年）建议使用一些关节软骨代谢的分子标志物来进一步表征骨关节病的分期。然而，为了将这些生物标志物应用于医疗实践，还需要进一步研究。

有报道称生物标志物可能作为预后测试。例如，研究表明，研究开始时膝骨性关节炎患者血清中的透明质酸（而非硫酸角质素）浓度可指示 5 年观察期内膝关节病的进展。在同一组患者中，研究表明，研究开始后第一年膝关节病患者血清中 COMB 含量增加与 5 年观察期内的放射学进展相关。类风湿性关节炎患者生物标志物的研究表明，血清中 COMB（表位 846，硫酸软骨素）的浓度与病情进展更快相关。这些在小群体患者中获得的结果通常不能证明生物标志物水平与病情进展之间相关性的强度，即需要进一步进行前瞻性和更大规模的患者研究。

TD Spector 等人（1997）发现早期骨关节炎患者血清 CRP 略有升高，并报告 CRP 可能是骨关节炎进展的预测指标。在这种情况下，CRP 的升高反映了关节组织损伤的过程，并可能与透明质酸的增加有关，这也表明疾病进展。滑膜可能是血清中测定的大部分透明质酸的来源，这表明存在轻度滑膜炎。骨关节炎患者和关节损伤后滑液和血清中基质溶解素 (MMP) 浓度升高也可能与轻度滑膜炎有关。

最后，生物标志物可用作药物临床试验的疗效标准，也可用于监测致病治疗。然而，存在两个相互关联的问题：缺乏已证实具有“结构修饰”或“疾病修饰”特性的药物，很大程度上是由于缺乏可靠的生物标志物；反之，缺乏关节组织代谢的特异性标志物，很大程度上是由于缺乏针对这些药物的对照研究。

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