Hemodynamic stress shapes subchondral bone in osteoarthritis: An emerging hypothesis

Keywords: Osteoarthritis；Subchondral trabecular bone；Pulse pressure；Heart rate

骨關節炎（OA）不再被視為關節軟骨磨損的簡單問題。相反，骨關節炎是一種涉及軟骨和非軟骨組織（如軟骨下骨和滑膜）的全關節疾病。其中，軟骨下骨隨著力學環境的變化而不斷重塑。目前對OA軟骨下骨紊亂的理解jinxian于其與韌帶或半月板損傷導致的局部機械負荷改變的聯系。最近，高血壓，最常見的血管疾病，已成為OA的一個獨立危險因素。這可能表明全身血流動力學機械應力在軟骨下骨重塑和OA發病機制中具有合理的作用。然而，他們的關系仍未wanquan了解。

因此，香港理工大學生物醫學工程學系、香港港怡醫院及哥倫比亞大學生物醫學工程系的研究團隊基于對晚期膝骨關節炎患者血流動力學參數與軟骨下骨量和微觀結構相關性的初步臨床觀察，從力學生物學的角度提出了骨關節炎的血管病因學假說，在一項綜述中闡明了血流動力學應力與軟骨下骨密度相關，卻與壓縮機械負荷無關。此外，血流動力學參數與軟骨下板狀小梁骨體積呈正相關，但與桿狀小梁骨體積呈負相關。相反，壓縮機械負荷往往會增加板狀和棒狀小梁骨體積。具體內容發表在Journal of Orthopaedic Translation期刊題為“Hemodynamic stress shapes subchondral bone in osteoarthritis: An emerging hypothesis"。

軟骨下骨在OA中的關鍵作用

軟骨下骨在OA發病機制中起重要作用。骨密度（BMD）是骨量的關鍵指標，與OA進展密切相關。軟骨下脛骨BMD預測關節間隙狹窄和膝關節骨性關節炎進展。

除骨量外，軟骨下骨微結構，如桿狀和板狀骨小梁，在承重中發揮著不同的作用，并在OA發病機制中發揮影響。板是主要的承重部分，而桿是橫向連接。研究表明，在OA的早期階段，小梁桿丟失和小梁板增厚可能先于軟骨退變。因此，這種微觀結構變化，即桿-板的轉換，會增加軟骨下骨的剛度，導致上覆軟骨的磨損，并最終導致OA進展。

BMD與血壓之間的關系已被廣泛研究。股骨頸BMD與全身血壓有很強的相關性。例如，有研究報道了股骨頸BMD與PP呈負相關。此外，血管硬度和心率的增加與BMD降低有關。

為了進一步檢測OA的血管病因學假設，該團隊對接受全膝關節置換手術的患者（52-82歲）進行了初步觀察，通過骨小梁分割技術（ITS）生成軟骨下小梁骨的以下參數：骨體積分數（BV/TV）和板/桿（p/r）BV/TV，將膝關節骨關節炎患者的軟骨下骨變化與對照組完整膝關節骨樣本進行了比較。結果表明，與對照組相比，OA樣本在內側的BV/TV顯著升高，尤其是內側和外側的pBV/TV，兩側的軟骨下骨密度（sBMD）也有所下降（圖1）。此外，3個代謝因素，年齡、體重、身體質量指數（BMI），與軟骨下骨參數之間無顯著相關性。然而，年齡和sBMD之間的p值約為0.07，僅略高于0.05。因此，如果樣本量進一步增加，年齡與sBMD之間可能會存在顯著關系。

圖1健康和OA受試者的軟骨下骨變化。

通過ITS測量外側和內側的骨微觀結構變化，發現外側和內側之間存在顯著差異，即外側的骨體積更大（圖2 B-D），這表明外側受壓縮力的影響小于內側。然而，sBMD的兩側之間無顯著差異，表明機械負荷對骨小梁質量變化的影響很小（圖2 A、E）。顯然，僅靠壓縮機械負荷的改變并不能解釋膝關節OA樣本中板-桿比的變化和sBMD的降低。這促使進一步研究其他致病因素，例如導致OA軟骨下骨紊亂的血管病理學。

圖2膝關節骨關節炎（KOA）中機械負荷對軟骨下骨紊亂的影響。

OA中的全身血管病理學

包括收縮壓（SBP）、舒張壓（DBP）、脈壓（PP）、心率（HR）和平均動脈壓（MAP） 在內的血流動力學指數在OA中的確切作用在很大程度上仍未知。除SBP和DBP外，PP被選為動脈循環指標，HR用于反映心臟功能，MAP代表重要器官的血流灌注壓。

越來越多的證據表明，高血壓是癥狀性和影像學上膝關節OA的獨立危險因素。高SBP和DBP導致癥狀性OA的高風險。高SBP/PP與影像學上膝關節OA之間也存在類似的關聯。此外，高血壓與膝關節OA的因果關系在女性中似乎比男性更強。一些證據表明，血壓升高會改變關節結構，如較高的基線舒張壓（DBP）與軟骨基質退變增加之間存在顯著關系。在該團隊之前的研究中，曾經報道過高血壓和糖尿病與膝關節OA晚期軟骨下骨板丟失的關聯。但目前，在OA病理生理學的背景下，仍然缺乏關于軟骨下小梁骨與血流動力學變化/剪切應力之間聯系的信息。

假設：血流動力學應力增加軟骨下骨密度并促進桿-板的轉換。

研究人員的假設是，血流動力學應力調節軟骨下骨小梁BMD和微結構變化，是膝關節OA的新興危險因素。如上所述、局部壓縮機械負荷和年齡、性別、BMI等全身危險因素似乎不是軟骨下小梁骨紊亂的主要因素。

通過研究脛骨外側平臺的血流動力學和骨小梁參數之間的關系，發現隨著PP和HR的增加，軟骨下骨中存在桿-板的轉換，PP與pBV/TV之間存在弱至中度正相關，HR和rBV/TV之間存在弱至中度負相關。

另一方面，SBP、DBP、MAP與任何骨小梁微觀結構變化之間沒有相關性。如既往研究所示，桿-板骨小梁的轉換先于軟骨退變，并促進了OA的進展。

值得注意的是，SBP、PP和HR均與軟骨下骨密度呈正相關。SBP和sBMD之間存在弱正相關，同樣，PP、HR和sBMD之間存在弱至中度正相關，sBMD與DBP和MAP無顯著相關性。由于高BMD也是OA進展的預測指標，因此SBP、PP和HR成為我們在膝關節OA患者體格檢查時應牢記的一組血流動力學指標。

圖3高血壓相關OA的血管病因學假說示意圖。

局部機械負荷是膝關節骨關節炎的觸發因素，而血流動力學應激力（包括全身血流和骨內血管血流）是膝關節骨關節炎進展過程中的聚集因素。實驗假設并測試了全身血流產生的血流動力學應力會增加sBMD并促進骨小梁的桿-板轉換。但血流動力學應力如何在細胞和分子水平上影響軟骨下骨重塑需要進一步研究。

為了進一步驗證上述發現，研究人員將系統地研究機械應力、代謝、血流動力學危險因素對大規模膝關節OA患者樣本中軟骨下小梁骨紊亂的貢獻。如前所述，機械負荷與軟骨下骨體積增加有關，而年齡是骨密度的決定性因素。此外，血流動力學因素與骨量和微觀結構有關。具體來說，隨著PP和HR的增加，桿-板的轉換和BMD升高。預計壓縮和血流動力學應力在膝關節OA進展的軟骨下小梁骨紊亂中具有明顯作用。鑒于軟骨下骨密度和桿-板形態轉換在OA發展中的重要性，血流動力學剪切應力在疾病惡化中起關鍵作用，而機械壓縮負荷會導致疾病發作。總之，綜述中提出了壓縮和血流動力學應力在膝關節OA進展的軟骨下骨紊亂中的不同作用（圖3）。這一發現將有助于深入了解血流動力學在OA背景下從組織水平到細胞和分子水平的軟骨下骨重塑中的作用。

參考文獻：Ni R, Guo XE, Yan C, Wen C. Hemodynamic stress shapes subchondral bone in osteoarthritis: An emerging hypothesis. J Orthop Translat. 2021 Dec 30;32:85-90. doi: 10.1016/j.jot.2021.11.007. PMID: 35070712; PMCID: PMC8755519.

圖片來源：所有圖片均來源于參考文獻

小編旨在分享、學習、交流生物科學等領域的研究進展。如有侵權或引文不當請聯系小編修正。如有任何的想法以及建議，歡迎聯系小編。感謝各位的瀏覽以及關注！關注“Naturethink"公眾號，了解更多相關內容。