当愈合转向纤维化：探索膝关节纤维化的分子机制与治疗策略
引言
瘢痕形成是伤口愈合的自然结果，但对于膝关节而言，这一过程可能失调，导致病理性纤维化，即关节纤维化。膝关节纤维化最常见于前交叉韧带（ACL）重建或全膝关节置换术（TKA）后，也是骨关节炎（OA）病理的一部分。其特征是过度的细胞外基质（ECM）沉积、关节僵硬和活动度丧失。尽管纤维化在肝、肺、心等器官中被广泛研究，但膝关节纤维化在很大程度上仍被忽视，目前尚无针对其根本机制的获批疗法或进行中的临床试验。
瘢痕形成与纤维化的机制
健康的组织生长修复与异常的过度瘢痕形成共享相同的机制、介质和通路，但结局截然不同。组织损伤触发了一系列涉及免疫细胞、内皮细胞和成纤维细胞等的复杂级联事件，旨在恢复组织稳态和功能。这一修复过程遵循几个明确的阶段：早期炎症期、细胞增殖分化期以及最终的组织重塑成熟期。
初始炎症期由损伤细胞释放的损伤相关分子模式（DAMPs）驱动，迅速招募免疫细胞至损伤部位。巨噬细胞在此阶段扮演关键角色。促炎的M1巨噬细胞通过分泌IL-1β、IL-6、TNF-α等促进炎症反应，而抗炎的M2巨噬细胞则分泌IL-4、IL-10、IL-13、TGF-β等抗炎、促血管生成和组织修复的细胞因子。从炎症到消退的转变依赖于这两种巨噬细胞表型的动态平衡。
在促消退阶段，活化的成纤维细胞和肌成纤维细胞沉积ECM，为再生组织提供结构支持。在大多数情况下，组织修复过程会导致纤维化瘢痕的形成。理想情况下，修复完成后，多余的ECM会被蛋白酶降解，肌成纤维细胞发生凋亡，组织重塑得以进行。然而，在病理情况下，这一精细调控的过程失衡。持续的成纤维细胞活化和慢性ECM沉积驱动不受控制的纤维化，改变组织结构并损害其功能。
纤维化在细胞水平：什么启动并维持纤维化
在各种纤维化疾病中，慢性组织炎症通过建立炎症和纤维化相互加强的循环而导致病理结果。巨噬细胞和成纤维细胞在其中尤为重要。
巨噬细胞及其亚群与功能
巨噬细胞具有显著的可塑性，能够适应特定的组织微环境。主要有两大群体：M1（促炎）和M2（促消退/抗炎）巨噬细胞。M2巨噬细胞内又存在多个亚群（M2a, M2b, M2c, M2d），它们在ECM产生和组织重塑中扮演重要角色。在关节纤维化中，研究发现滑膜组织中存在异质的巨噬细胞亚群，例如TREM2+巨噬细胞、TTN+巨噬细胞和EGFR+巨噬细胞，其中某些亚群与纤维化发展密切相关。此外，ACL重建动物模型中发现了一种新型的、手术诱导的高度炎症性CD9+IL-1+巨噬细胞，它们与胶原降解受损和沉积增加有关。
成纤维细胞及其亚型
成纤维细胞是一个异质性细胞群体，负责结缔组织的完整性，分泌胶原、弹性蛋白、纤连蛋白和蛋白聚糖等ECM成分。在组织修复过程中，活化的肌成纤维细胞（表达α-平滑肌肌动蛋白，α-SMA）起着最关键的作用，它们产生大量ECM并具有收缩功能。活化的成纤维细胞可转化为肌成纤维细胞，后者负责收缩ECM，使纤维组织变硬，这又进一步刺激了成纤维细胞向肌成纤维细胞的转化，形成正反馈循环。暂时的活化对修复是必要的，但持续活化则导致病理性纤维化。
在关节纤维化患者的滑膜组织中，鉴定出不同的成纤维细胞亚群，如DPP4+成纤维细胞（高表达胶原I，促纤维化活性高）、TNC+成纤维细胞和ApoD+成纤维细胞（静止状态）。DPP4+成纤维细胞在纤维化中显著增多。此外，THY1（CD90）和lumican等表面标记物也被发现在纤维化中表达上调，促进成纤维细胞-肌成纤维细胞转化。
巨噬细胞-成纤维细胞交互：失调的原因
巨噬细胞和成纤维细胞通过分泌信号进行双向通信，共同塑造组织愈合的结局。损伤后，M1巨噬细胞浸润并释放促炎因子，其他免疫细胞也聚集过来，产生促使M1向M2极化的因子。M2巨噬细胞产生TGF-β、PDGF等生长因子，刺激成纤维细胞活化并分化为肌成纤维细胞。这些活化的成纤维细胞反过来又分泌ECM成分、促炎介质和基质修饰酶，影响巨噬细胞的进一步招募和M2极化。在受控环境下，这种互惠通信支持正常愈合。若失调或持续过久，则会促进慢性炎症和持续的纤维化环境。
高血糖环境、缺氧、免疫/代谢紊乱以及凝血-炎症交互都被认为是导致巨噬细胞-成纤维细胞交互失调的重要原因。例如，糖尿病患者ACL术后发生关节纤维化的风险显著增高。缺氧可诱导活性氧（ROS）产生，造成组织损伤并刺激ECM沉积，而纤维化本身又加剧缺氧，激活低氧诱导因子-1α（HIF-1α），后者上调胶原合成酶和TGF-β的表达，形成恶性循环。
关键介质与信号通路
转化生长因子-β1（TGF-β1）是纤维化和炎症发展的关键介质，通过SMAD信号通路介导上皮-间质转化和纤维生成。结缔组织生长因子（CTGF/CCN2）是TGF-β的重要伙伴，促进成纤维细胞增殖和ECM产生。
ECM刚度增加通过机械转导可触发Hippo通路（YAP/TAZ信号），促进成纤维细胞活化和ECM合成，形成纤维化自我延续循环。STAT3通路被TGF-β、IL-6等激活，整合多种促纤维化信号。IL-1β刺激NF-κB和p38 MAPK信号，诱导其他细胞因子和MMPs的转录。Wnt/β-catenin通路作为发育信号通路，在纤维化中也发挥作用，与TGF-β信号存在交互。
参与ECM沉积和纤维化进展的酶
赖氨酰氧化酶（LOX）家族催化胶原和弹性蛋白交联的最后一步，其过表达导致ECM刚度增加。转谷氨酰胺酶-2（TG-2）参与ECM蛋白交联，增加组织刚度。基质金属蛋白酶（MMPs）负责ECM重塑，而其组织抑制剂（TIMPs）则调节MMPs的蛋白水解活性。MMPs/TIMPs平衡失调导致ECM异常降解或过度沉积。
膝关节纤维化的特殊性及潜在药物靶点
膝关节纤维化可作为对手术（如ACL重建、TKA）的反应、或作为OA等疾病的后果出现。
手术相关的膝关节纤维化
膝关节纤维化通常表现为持续性关节活动度受限和僵硬，对理疗无反应。可分为弥漫性或局限性。局限性纤维化特指ACL重建后的“独眼畸形”（Cyclops lesion），即重建韧带前方的纤维结节。其病因可能是多因素的，包括手术技术、移植物特性、患者个体因素（如糖尿病）等。年龄也是一个因素，老年人ECM积累和硬化（纤维老化）可能通过激活TGF-β和YAP/TAZ信号促进纤维发生。术后抗凝药的使用也可能通过增加关节血肿风险而促进纤维化。
滑膜纤维化
滑膜是关节结构，由巨噬细胞样和成纤维细胞样滑膜细胞组成。滑膜纤维化源于滑膜炎（滑膜的慢性无菌性炎症），是OA的典型特征。机械应力通过Piezo1等通道促进滑膜纤维化。TGF-β诱导的滑膜纤维化涉及COL1A1、TIMP-1、PLOD2等标志物。核蛋白1（NUPR1）被发现在膝OA中是纤维化调节因子。microRNA-27b-3p（miR-27b-3p）与滑膜纤维化相关。尼达尼布（Nintedanib，一种肺纤维化药物）在OA模型中显示出减轻滑膜炎症和纤维化的作用。
纤维软骨
关节软骨是透明软骨，主要含II型胶原。软骨损伤后，软骨细胞可能去分化为成纤维细胞样表型（纤维化软骨细胞），产生I型和III型胶原（纤维化标志），形成机械性能较差的纤维软骨样组织。去分化可由IL-1β、TNF-α等促炎细胞因子加速。DDX5下调、微管稳定化策略等是潜在的研究方向。
膝关节纤维化的潜在治疗途径
目前尚无针对膝关节纤维化机制的特定疗法。症状治疗失败后需手术切除瘢痕组织。一些潜在的策略包括：
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药物重定位：酮替芬（Ketotifen fumarate，组胺H1受体抑制剂）正在研究用于预防创伤后关节挛缩。IL-1受体抑制剂（如用于类风湿关节炎的药物）在小型研究中显示对ACL术后和TKA后纤维化有益。氯沙坦（Losartan，血管紧张素II受体阻滞剂）可抑制TGF-β信号，其效果正在评估中。
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新型靶点：
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HIF-1α抑制剂：针对膝关节的缺氧环境。
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Hippo通路（YAP/TAZ）抑制剂：针对机械应力激活的促纤维化信号。
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LOX/LOXL或TG-2酶的可逆抑制剂：针对胶原交联和ECM刚度。
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NUPR1抑制：基于其在滑膜纤维化中的促纤维化作用。
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局部药物递送系统：鉴于膝关节血管分布有限，局部（关节内）给药优于全身给药。先进的药物递送系统，如聚合物微粒、脂质基纳米系统（可功能化用于主动靶向）、水凝胶嵌入颗粒、以及细胞外囊泡（EVs），可以延长药物在关节内的滞留时间，提高生物利用度，减少全身副作用。针对纤维软骨的负电性载体可能具有更好的靶向性。
临床前模型与评估
可靠的临床前模型对测试抗纤维化药物至关重要。
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体外模型：包括用TGF-β1处理患者来源的成纤维细胞诱导其向肌成纤维细胞分化的二维共培养模型，以及更能模拟生理屏障的三维（3D）球体共培养模型。机械应力刺激模型可模拟关节运动。
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离体模型：使用纤维化组织外植体（如手术切除的Cyclops病变）评估药物递送系统的摄取和滞留。
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体内模型：包括小鼠/大鼠后肢固定诱导的纤维化模型、ACL重建后制动的创伤后模型。兔模型被认为是测试抗纤维化化合物的金标准。大型动物模型更接近人类解剖结构。
结论与展望
对膝关节纤维化背景和承重关节愈合过程的完整理解仍存在显著差距。尽管针对其他纤维化疾病的研究正在探索众多创新方法，但膝关节纤维化领域在很大程度上仍被忽视。利用与其他纤维化类型的机制相似性，同时考虑膝关节的解剖和功能特异性，可以加速药理学方法的发现。特别是，研究LOX或TG-2抑制剂、干扰HIF-1α、Hippo通路和Wnt信号传导的信号，以及优化用于局部关节内给药的创新药物递送系统，是充满前景的研究方向。进一步阐明膝关节纤维化的细胞和分子机制，对于开发能够预防或逆转过度纤维化且不干扰正常“健康”愈合的疗法至关重要，最终将为患者带来积极的临床结果。
