临床前沿 | 膝骨关节炎分子分型
来源：南京大学医学院附属鼓楼医院
作者：吕中阳，史冬泉
膝关节骨关节炎（Knee osteoarthritis, KOA）是全球范围内最常见的一种致残性疾病，给家庭和社会带来了巨大的经济负担。南京大学医学院附属鼓楼医院史冬泉、蒋青教授团队做过南京某区流调发现60岁以上人群发病率在60%以上，70岁以上人群发病率大于70%。尽管从18世纪末，人们就已经开始认识这一疾病，但是，时至今日，仍然缺乏有效的治疗手段延缓KOA进展，终末期患者只能采用全膝关节置换术治疗。
目前，KOA的诊断主要依赖于症状、体征和影像学（X片为主）检查结果。1957年，美国的J. H.Kellgren医生和 J. S. Lawrence医生提出了KOA的K&L分级评分系统，主要根据膝关节骨质变化将KOA分成0-4级。后来随着MRI的发展，不断有人提出KOA的软骨损伤分级以及影像学分型。
K&L分级
尽管如此，KOA的治疗效果仍不尽如意。经过统计，我们发现在KOA复诊病人中，治疗有效率仅为55%。即使是诊疗指南，在药物治疗方面不同的指南也存在观点上的差异。
KOA门诊复诊病人好转率
分析可能的原因如下：
（1）症状和影像学检查结果，是目前选择治疗时机和治疗模式的唯一依据，而这种证据可能不能反映真实的病理过程；
（2）药物主要在分子水平发挥作用，而目前的分级与分型系统忽视了分子水平的变化，极有可能导致药物作用机制和正在发生的病理机制错配；
（3）KOA是一种高度异质性疾病，不同患者的病理机制存在较大差异，而目前的诊断和评估手段无法推动个性化治疗模式。
最近，国际骨关节炎研究协会（OARSI）提出骨关节炎的新定义，强调分子水平的变化是组织水平病理变化的前提。而目前的评估措施无法反映KOA中的分子病理过程。
OARSI提出分子变化是KOA病理过程的前提
针对上述临床困境，史冬泉、蒋青教授团队提出新的膝骨关节炎分子分型。该分型以KOA患者滑液、血液和尿液中分子变化为基础，将KOA分成前期、早期、进展期和终末期4个时期，又进一步将进展期分为软骨退变型、骨重塑型、炎症型和疼痛型4种亚型，希望推动在分子水平实现KOA的诊断和治疗。该文章发表在Frontires in Cell and Developmental Biology.
膝骨关节炎分子分型
未来以分子为指导的KOA诊断和治疗模式
KOA前期
尽管早期KOA的概念在过去的十年已广为流传，但是越来越多的临床医生和学者意识到，有效识别早期KOA之前的阶段，即KOA前期，将有助于有效地预防疾病的发生与发展。
KOA不同时期
KOA前期是指正在遭受危险因素损害的高风险人群，此时患者没有任何症状、体征和影像学表现，而分子和细胞病理过程却已开始作祟，只是还没有达到可识别的程度。
在这个时期，肥胖相关的细胞因子（leptin、resistin等）具有很好的预测效能。研究显示，血清中的leptin水平每升高5μg/L，罹患KOA的风险将增加30%。其他有助于诊断的分子标记包括早期软骨磨损指标（COMP, CTX-II）、自身抗体（MAT2β-AAb）和雌激素等。
此时，通过体液检查，分析这些危险因素相关的分子标记，将有助于我们筛选高风险的人群，进而提出相应的预防措施，以延缓甚至阻止KOA的到来。
KOA早期
2012年，Luyten等人根据临床信息对KOA早期进行了定义：（1）膝关节疼痛；（2）KL分级≤2；（3）MRI或关节镜下发现软骨损伤。
KOA早期临床诊断标准
由于KOA早期症状轻微，影像学表现不典型，很有可能出现漏诊，从而错失最佳干预时机。此时，配合分子标记的检测，将为KOA早期诊断提供有力的证据，并为揭示KOA的病理机制打下基础。
在众多分子中，小RNAs家族（miRNAs）通过抑制蛋白转录本的功能，从多方面影响细胞的结构和功能，从而参与疾病的病理进程。其中，miR-140较为典型。滑液中的miR-140在KOA早期明显升高，而随着疾病进展则逐渐下降，提示miR-140可能是KOA早期较为特异性的分子标记之一。
无独有偶，滑液中的炎症因子IL-17和IL-１５也是在KOA早期明显升高，且随着疾病进展有逐渐下降的趋势。
这些分子将为症状轻微、影像信息模糊的KOA早期患者提供有力的诊断依据，该策略可促进KOA早期的病理机制诊断和以分子为基础的治疗。
KOA进展期
KOA的进展可能需要数十年。不同患者进展轨迹的差异，成为KOA药物治疗效果不佳的主要原因之一。根据临床表现、病理特点以及特异性分子标记，KOA进展期可以分为4种亚型：软骨退变型、骨重塑型、炎症型和疼痛型。
KOA进展期不同亚型
1、软骨退变型
软骨退变是KOA最重要的病理特点，众多因软骨降解而产生的分子都与KOA进展密切相关。
在持续的病理因素作用下，II型胶原（Col-II）被多种基质降解酶破坏分解，释放碎片（CTX-II, C2C, C2M, Col2-1），进入滑液、血液和尿液。体液中这些碎片的水平与KOA进展密切相关，预示着持续存在的软骨退变。
对于软骨退变型的KOA患者，及时补充软骨营养或许能有效阻止软骨退变。
2、骨重塑型
骨质重塑是成骨细胞和破骨细胞共同作用的结果。研究显示，在KOA早期，骨质吸收较为活跃，而在KOA晚期，骨质形成则较为活跃。这种病理变化时间上的差异，提示以分子机制为基础的治疗的重要性。
KOA早期和晚期软骨下骨的区别
骨质吸收时期，基质降解相关的分子标记（CTX-I, NTX-I, TRAP5b）与KOA进展密切相关。基于此，骨吸收明显活跃的KOA患者，可能从抗骨质吸收药物中获益最多。
而在骨质形成期，骨合成代谢相关的分子标记（ALP, PINP）也与KOA进展明显相关。但是，在这一时期，抗骨质吸收治疗可能就背道而驰。缺少准确地评估患者骨质代谢的状态，或许是多项临床试验探究抗骨质吸收药物治疗KOA失败的原因。
3、炎症型
近些年来，越来越多的观点认为KOA是一种慢性炎症性疾病。KOA患者也表现出肿、热、痛的典型炎症特点。然而，目前临床上的抗炎治疗仍以广谱的非甾体类抗炎药（NSAIDs）和糖皮质激素为主，往往伴随着不可避免的副作用。
KOA是一种慢性炎症性疾病
根据患者体液中的分子标记，精准筛选出炎症型KOA患者群体并揭示其具体炎症机制，将为KOA抗炎治疗揭开新的篇章。
在众多炎症因子中，IL-1β和TNF-α是促进KOA进展的主要因子。它们在血清中的浓度与KOA进展高度相关。但是，最近有临床试验尝试靶向IL-1β治疗KOA，却最终以失败而告终。在未来精准抗炎治疗的临床试验中，筛选出生物学同质性的患者群体，可能会有新的发现。
其他与KOA进展密切相关的炎症因子包括迁移因子（CCL3, CCL4）、巨噬细胞标记（CD14, CD163）、全身性炎症因子（CRP, LPS）等。检测这些炎症相关因子，将有助于揭示具体的炎症机制，进而为KOA的分子水平抗炎提供基础。
4、疼痛型
疼痛是KOA患者的主要临床表现。然而，随着研究的深入，不同KOA患者疼痛的原因可能大相径庭。此时，体液中分子标记则能很好地反映具体的疼痛机制。
炎症是导致疼痛的一大原因。炎症型疼痛的患者通常伴随着CRP和CRPM水平的升高，此时，抗炎治疗或许是较好的治疗手段。
最新研究发现，伴随骨质重塑产生的CGRP和NGF等神经因子也是KOA患者疼痛的重要原因。对于这些因子明显升高的KOA患者，则需要更加精准的药物治疗。
综上，在检测体液中分子标记的基础上，根据主要病理机制不同，KOA进展期患者可以分为不同的亚型，而相应的治疗手段也应适当调整，以推动实现靶向发病机制的KOA治疗。
对不同亚型KOA潜在有效治疗措施
KOA终末期
KOA终末期患者主要表现为明显的疼痛和关节功能受限。这一时期的患者通常选择TKA手术进行治疗。通常来说，KOA终末期诊断比较容易，但是这一时期分子标记在判断TKA预后的作用上不容小觑。例如，血液中miRNA let-7e对判断KOA终末期患者行TKA手术的比率有重要的预测意义。
总结
针对目前KOA诊断和治疗缺乏精准性的现状，我们开创性地提出KOA的分子分型。
在未来研究的填充与完善下，期望该分型系统实现以下目标：
（1）预测高风险的KOA前期人群，为疾病预防提供证据；
（2）选择KOA早期和进展期患者，为药物治疗成功提供最大的机会；
（3）筛选生物学上同质性患者，以更加科学地探究药物治疗疗效；
（4）为评估药物治疗效果提供检测手段；
（5）为延缓KOA药物的开发提供分子学证据。
KOA分子分型
作者简介
吕中阳，南京大学医学院博士研究生，师从运动医学专家史冬泉教授，从事骨关节炎的基础与临床转化研究。以第一作者身份在Cell Death and Disease, Frontiers in Cell and Developmental Biology等杂志发表学术论文4篇。先后获得国家奖学金、南京大学优秀研究生、南京大学临床技能大赛一等奖等多项荣誉称号。
史冬泉，主任医师，南京大学、南京医科大学、南京中医药大学、徐州医科大学教授 博士生导师；国家优秀青年基金获得者；全国青联委员（卫生医药界别副主任委员）；江苏省医学重点人才；江苏省青年五四奖章获得者；Annals of Translational Medicine、BMC Surgery副主编；Annals of Joint执行主编；Journal of OrthopedicTranslation编委；骨科在线编委。
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