3.1 骨关节炎与软骨细胞衰老 软骨细胞是增殖能力极弱的终末分化细胞，其在体外扩增能力有限，倍增数仅为10~20倍。软骨细胞老化的特征有：衰老相关β-半乳糖苷酶的表达、不可逆的生长停滞、端粒长度缩短、软骨细胞分化特征的改变
[6]。衰老相关β-半乳糖苷酶最初由Dimri在1995年培养人皮肤成纤维细胞时发现
[7]，后来发现在多种类型人衰老细胞中均有表达，并认为这是一种细胞衰老的生物标志。β-半乳糖昔酶属于溶酶体酶，但它在老化细胞中的功能尚不明确。且研究发现大多数细胞在pH 4的环境中无论老化还是未老化细胞均能表达溶酶体β-半乳糖苷酶，而在pH为7.5条件下两者均不表达，仅在pH 6条件下老化细胞表达β-半乳糖苷酶，因此将在pH 6条件下的β-半乳糖普酶称为衰老相关β-半乳糖苷酶。生殖细胞、肿瘤细胞及干细胞则不表达衰老相关β-半乳糖苷酶。此前在对软骨细胞老化的研究中，均以衰老相关β-半乳糖苷酶的表达作为其细胞老化的一个指标
[8]。衰老相关β-半乳糖苷酶一般用免疫组织化学法进行检测，方便易行，因此本实验亦用检测衰老相关β-半乳糖苷酶的表达来了解不同损伤程度的骨关节炎软骨中衰老细胞的阳性率。
软骨细胞衰老后其形态、代谢和基因表达谱发生变化。软骨细胞的功能为合成细胞外基质大分子及各种酶类，而软骨细胞外基质主要有胶原和蛋白多糖聚集体组成。胶原中以Ⅱ型胶原为主，同时有Ⅸ、Ⅺ型胶原，而蛋白多糖聚集体由糖基和硫酸基团(硫酸角质素、硫酸软骨素)组成。随着老化，已分化软骨细胞表现去分化特征，胶原合成由Ⅱ型转变为I、Ⅲ胶原蛋白；多糖成分改变，如炭水化合物成分下降，硫酸角质素与硫酸软骨素的比例上升，蛋白多糖单体的大小下降，蛋白多糖聚集体减少分子质量下降[3]。
正常软骨中，基质的代谢受严格的调节，以维持合成和降解间的平衡。普遍认为骨关节炎发生时，这种平衡被打破，通常是降解和合成一起增加。通过合成代谢，软骨细胞试图修复损伤的细胞外基质；而由于各种基质金属蛋白酶和某些细胞因子等的作用，软骨基质被降解，合成被抑制，随后软骨破坏加剧。在某些区域，生物合成代谢的速度不能跟上降解代谢的速度，由此产生软骨组织退变。推测软骨细胞的衰老可能是导致软骨基质合成减少、降解增多、最后软骨退变的原因之一。经查阅文献，国内尚无人对软骨细胞衰老和骨关节炎之间的关系进行研究，国外主要有Martin为首的研究小组对此进行了报道。Martin等[9]采集1~87岁的27个人的关节软骨细胞，以β-半乳糖苷酶、有丝分裂酶活性和端粒长度作为细胞衰老的标记来评价年龄与细胞衰老的关系，并将人线粒体基因(hTERT)和人乳头状瘤病毒癌基因(E6和E7)转染给人关节软骨细胞，结果发现：随年龄增长，β-半乳糖苷酶的表达增加，有丝分裂活动减少，端粒长度缩短；经hTERT和E6、E7转染的47岁个体的软骨细胞能完成300次的成倍增长，而正常的细胞最多也只有25次；经hTERT转化的细胞端粒末端延长。这些说明，与年龄相关的细胞衰老降低软骨的修复能力，使骨关节炎的发病率增高。
本实验采集不同退变程度的50个软骨标本，根据软骨损伤的改良Mankin病理评分，来研究软骨细胞衰老和骨关节炎软骨退变严重程度的关系，结果发现：在正常关节软骨中未发现有衰老软骨细胞，而退变组软骨中均有衰老软骨细胞，且随着软骨退变严重程度增加，衰老软骨细胞阳性率增加，各组间差异有显著性，进一步证明软骨细胞衰老是骨关节炎软骨退变的机制之一，衰老软骨细胞阳性率与改良Mankin 病理评分严重程度呈正相关，首次证实软骨细胞衰老与骨关节炎软骨退变进程有关。
关于骨关节炎发病的细胞生物学研究，一些作者存在不同看法，认为细胞凋亡是骨关节炎软骨变性的重要原因。细胞凋亡是一种程序性的细胞死亡，在生理性细胞清除中起重要作用。关于细胞凋亡比例的研究结果存在较大差异，从正常软骨标本中的5%~10%，到骨关节炎患者标本中的22%~51%不等[10]。有人认为这些数字高估了软骨中细胞的凋亡程度，因为如果存在这样高的细胞凋亡率，那么骨关节炎软骨，甚至是正常的软骨都将丧失合成代谢的能力，并很容易导致软骨基质的更新失败。Sandell的研究发现，骨关节炎软骨中肯定存在凋亡，但其比例很低，大概相当于总细胞数的0.1%，这说明软骨细胞的凋亡对骨关节炎发病的影响是有限的。还有人发现在骨关节炎软骨中存在大量空隙(细胞死亡的指征)的惟一区域是钙化软骨层[11]，在此区域中活软骨细胞数的大量减少似乎并不损伤正常的关节软骨。但在骨关节炎的晚期，当钙化层扩大、占残余软骨的比例增高时，将对软骨的功能有影响，因为凋亡细胞并不能有效地从软骨中去除，细胞凋亡的产物如焦磷酸盐和钙结晶可引起病理性软骨变性。因此现在还难以准确定论在骨关节炎发病的细胞生物学过程中，究竟是软骨细胞衰老还是凋亡起主导作用，或者是二者协同起作用。由于衰老细胞的最终转归是凋亡或坏死[12]，因此推测，在骨关节炎早期，软骨细胞代偿性分裂增殖、增加基质合成，当增殖到一定的倍增数后发生细胞衰老，此时骨关节炎呈进行性发展，可能部分衰老的软骨细胞最后发生凋亡。
3.2 骨关节炎与原癌基因c-fos 对c-fos原癌基因的研究甚多，其生理功能虽尚未完全明了，但综合文献认为c-fos基因主要生理功能之一是调控细胞的增殖、分化和转化[13-14]。在骨关节炎的早期，主要病的理改变是软骨的修复而不是退变，因为在骨关节炎的早期可以见到以下病理改变[15]：①骨关节炎早期的软骨细胞经历的是细胞分裂，而一般软骨细胞是不会分裂增殖的。②软骨基质增殖分子可以被观察到。③软骨细胞成簇。如前所述，原癌基因c-fos可以调控细胞增殖、分化，在软骨细胞中也有学者得出了类似的结论。Brown等[16]也认为在生长因子等的刺激下fos基因家族的表达可以促使静止期细胞进入分裂期，c-fos基因缺失的大鼠成纤维细胞不能增殖，认为c-Fos 蛋白可能是浆液中生长因子和细胞有丝分裂中间过程的重要信号分子。Kumahashi等[17]的研究也证明c-fos的表达与软骨修复有关，他们在鼠股骨髁软骨上制造小的软骨缺损，发现在胎儿鼠软骨修复过程中c-fos 表达显著增加，认为c-fos是胎儿鼠软骨修复过程中的重要信号分子。
本实验中也观察到，改良Mankin 评分正常组的软骨中基本没有c-Fos的表达，而轻中度退变的软骨中表达明显增强，这说明c-Fos的表达可能与轻中度退变中软骨细胞代偿性分裂增殖密切相关，即在软骨退变早中期促进软骨细胞代偿性分裂增殖活跃。另外实验还观察到在软骨细胞分裂成簇、细胞密集的地方c-Fos的表达明显强于单个细胞分布的区域，这也间接证明c-fos基因促软骨细胞分裂。至于重度组c-Fos表达又明显降低，可能是因为至骨关节炎晚期，大部分细胞已经衰老或者凋亡，软骨细胞失去了增殖能力，细胞总数明显减少。原癌基因c-fos的表达可促进软骨细胞增殖分裂，当增殖到一定的倍数后导致软骨细胞衰老。可以初步推测，一方面c-fos在骨关节炎早中期促进软骨细胞分裂增殖延缓病程，另一方面由于过度增殖，软骨细胞衰老增加，加速了骨关节炎的进程，这是c-fos与骨关节炎发病机制可能关系，当然还需要进一步证实。
此外，原癌基因
c-fos可上调MMP-1、MMP-3等的表达、抑制TIMP-1启动子的转录，这可能也是其致骨关节炎发生的机制之一。Tsuji等
[18]认为
c-fos原癌基因的表达是软骨代谢的重要标志，将外源性c-fos DNA转染给HCS2/8软骨细胞，发现表达外源性c-fos mRNA的软骨细胞合成蛋白多糖的能力下降，MMP-3的表达显著升高，而TIMP-1的表达则被压制。而且c-fos与Jun相关蛋白结合后，不能刺激TIMP-1启动子的表达，而胶原酶启动子则能被Fos/Jun络合物有效的刺激表达，他们认为
c-fos原癌基因的表达在软骨代谢过程中起主导作用，在关节炎关节软骨破坏中有重要意义。Ray等
[19]研究了狗髋关节发育不良所致骨关节炎的软骨组织，发现c-Fos/c-Jun在狗骨关节炎软骨中高表达，而正常软骨中没有，并且认为c-Fos/c-Jun能上调MMP-1的表达，而后者是降解细胞外基质组织的重要蛋白水解酶。
