摘要
骨关节炎是一种慢性关节疾病，以软骨降解、炎症和疼痛为特征。虽然骨关节炎的发病受多种因素影响，但年龄和性别是主要风险因素，特别是绝经后女性患病率显著升高。绝经后骨关节炎风险的大幅增加提示雌激素缺乏会加速疾病进展。本文综述了衰老和雌激素缺乏与骨关节炎发展相关的分子机制，重点分析了通过转录组测序发现的关键基因和信号通路。
引言
骨关节炎是最常见的慢性关节疾病，表现为软骨降解、关节炎症和骨重塑，导致关节疼痛、肿胀和功能丧失。美国约3400万成年人患病，年医疗支出超1360亿美元。随着人口老龄化，这些数字将持续攀升。遗传、创伤、女性性别和肥胖是骨关节炎的已知风险因素，但衰老是贯穿组织大分子特性和细胞分子水平的核心风险因素。值得注意的是，骨关节炎的高危人群是绝经后女性，其患病率是同龄男性的近两倍。
衰老研究显示，软骨细胞这一关节软骨主要细胞类型，会经历细胞衰老相关的改变，如端粒缩短、细胞死亡增加、衰老相关β-半乳糖苷酶（SA-β-Gal）活性升高、p53、p21CIP1、p16INK4A等调控因子异常，以及多种细胞因子、基质金属蛋白酶（MMPs）和活性氧（ROS）的过度产生（图1）。衰老细胞保持代谢活性并分泌“衰老相关分泌表型”（SASP）分子混合物，包括IL-1、IL-6、肿瘤坏死因子α（TNFα）等细胞因子，MMP-1、ADAMTS-4等蛋白酶。SASP可引发局部和系统性炎症，破坏组织完整性。骨关节炎患者体内SASP因子水平随年龄增长系统性升高，这些年龄相关软骨改变可能促进骨关节炎发展。多篇综述已探讨软骨细胞衰老在骨关节炎起始和进展中的作用。
骨关节炎在女性中更为普遍，尤其在绝经后阶段。软骨是雌激素敏感组织，软骨退化和修复存在性别差异。衰老导致软骨细胞减少和基质成分丢失，表现为变薄和脆弱。绝经期间雌激素水平下降加剧了这一过程。膝骨关节炎的影像学研究显示，45-64岁女性患病率是同龄男性的3倍。绝经后骨关节炎的显著增加提示雌激素可能具有软骨保护作用。
衰老、雌激素和骨关节炎的联系复杂且涉及多重因素。尽管已知衰老和雌激素影响骨关节炎发展，但其具体机制尚未完全阐明。本文综述了衰老和雌激素缺乏对骨关节炎起始和进展的影响，聚焦转录组变化对疾病进展关键基因和通路的解读。
方法
通过PubMed检索2012至2024年间发表的文献，关键词包括“年龄相关骨关节炎和RNA测序”、“雌激素和年龄相关骨关节炎”、“雌激素和软骨细胞衰老”。筛选标题和摘要相关文献，审查全文并提取数据。检查参考文献以补充相关研究。
结果
骨关节炎的衰老标志
骨关节炎是全球高发的致残性疾病，年龄是最大风险因素。衰老表现为机体损伤修复机制的进行性衰退，导致疾病易感性增加。衰老的标志包括基因组不稳定性、端粒缩短、表观遗传改变、蛋白稳态失衡、营养感知失调、线粒体功能障碍、细胞衰老、细胞间通讯异常、干细胞衰竭等。近期研究补充了自噬障碍、菌群失调、RNA剪切失调、慢性炎症（炎性衰老）、机械性能改变等新特征。
多项研究已综述这些标志在骨关节炎进展中的作用。Dieckman等人强调，这些标志并非孤立，而是通过细胞衰老这一核心介质相互关联。He等人系统讨论了衰老标志在骨关节炎发病中的病理作用，并总结了靶向这些标志的实验和临床干预潜力。
人类研究显示，年龄增长导致软骨细胞减少和基质成分（如主要蛋白聚糖聚集蛋白聚糖）丢失，引发软骨变薄、力学性能减弱直至功能丧失。衰老软骨基质呈现晚期糖基化终产物（AGEs）增加导致僵化，而蛋白聚糖合成减少和胶原结构异常破坏基质完整性。AGE积累改变组织生物力学特性，并与软骨细胞合成代谢活性降低相关。Loeser等人综述了衰老对骨关节炎软骨基质的影响。Roelofs和De Bari则讨论了年龄相关改变（基质硬化、细胞衰老、线粒体功能障碍、自噬障碍）的作用。研究表明，部分缓解这些标志可能减轻与衰老和骨关节炎相关的退行性病变。
骨关节炎中的年龄相关转录组改变
多数研究集中于创伤后骨关节炎的转录组变化，而非特异分析年龄相关变化。需注意，70%以上的全膝置换术针对创伤后骨关节炎，而特发性骨关节炎样本较少。尽管分析特发性骨关节炎样本是理解年龄作用的最直接途径，但样本稀缺使研究人员常用创伤后骨关节炎样本替代研究年龄影响。
啮齿类动物软骨的年龄相关转录组变化
少数文献探讨了衰老对骨关节炎发展的影响。Loeser等人比较了12周龄和12月龄小鼠关节组织基因表达，发现老年小鼠IL-6、IL-33、C-X-C基序趋化因子配体-13（Cxcl-13）、C-C基序趋化因子配体-5/8（Ccl-5/8）显著上调，而II型胶原、matrillin 3、Hapln1等下调。Sebastian等人同样发现老龄小鼠关节炎模型中IL-6/33和趋化因子（Ccl-3/4/5/8、Cxcl-5/9/13）表达增加，而Sox-9、Col2a1、Acan等转录因子减少。Iijima等人揭示年龄诱导的基质硬化通过启动子甲基化和DNA甲基转移酶-1（DNMT-1）招募增加，表观抑制软骨保护因子α-Klotho表达。
人类软骨的年龄相关转录组变化
获取健康软骨活检困难，使骨关节炎软骨与健康对照的比较研究受限。因此常使用创伤后骨关节炎非承重区软骨作为对照。这一对照的适用性存在争议。Lewallen等人发现关节全层变化会触发无损伤软骨的分子反应。Wang等人发现退行性和创伤性半月板撕裂的基因表达差异，但对比显示局部病变与无病变健康软骨基因表达差异不显著，而骨关节炎软骨呈现显著差异。
Asik等人比较了同一关节损伤和未损伤软骨的基因表达，发现损伤软骨中TGFβI、GDF6、IGF1等生长因子，HIF1α、TIMP2、EID1/2、NCOA3等转录因子，IL-11等细胞因子，以及MMP-2/9/13/14、ADAMTS-12等基质降解酶和Col1a1、Col4a1等细胞外基质蛋白表达上调，而TIMP-4和Acan表达下调。Dunn等人发现损伤软骨中SOX-6/9、Col11a2等表达减少，Col1a1、COMP、FN1等纤维化相关蛋白聚糖表达增加，但IL-1α/β、OSM等炎症因子水平最低。网络分析确定了FOSL-1、AHR、E2F-1、FOX-M1等核心转录因子枢纽。
Fisch等人通过RNA测序比较正常软骨（5女13男）和骨关节炎软骨（12女8男），发现骨关节炎中15条通路显著失调，包括细胞外基质相关通路、PI3K-Akt、HIF-1、FoxO和生物钟通路。整合分析确定JUN、EGR1、JUND、FOSL-2、MYC、KLF4等8个关键转录因子。Swahn等人证实衰老细胞亚群在骨关节炎软骨和半月板中扩张，这些细胞通过FAP和MMP-9活性导致基质紊乱，并伴随纤维化基因和衰老相关转录因子ZEB1上调，且ZEB1过表达直接增加衰老标志物p16 INK4A。
近期研究显示，直接从软骨组织分离的RNA更准确反映原位转录组特征。离体培养的软骨细胞可能发生基因表达改变，且体外增殖可能诱导去分化。Atasoy-Zeybek等人培养健康和骨关节炎软骨细胞至复制衰老阶段，发现Col2a1和Acan持续下调，而MMP-19、ADAMTS-4/8在晚期细胞中表达增加。骨关节炎样本来源的晚期细胞中SASP成分（如IL-1α/β、p16INK4A）显著升高。Gao等人通过单细胞RNA测序分析IL-1β刺激的关节软骨细胞，确定两个终末细胞簇，其中一个呈现骨关节炎表型和促炎特征，相关基因涉及NF-κB、KRAS、IL2/STAT5信号通路和凋亡、ROS通路。
基因表达综合数据库（GEO）的利用
Weng等人分析GSE176308数据，发现GDF15通过MAPK14激活SASP表型，GDF15中和抗体可减少大鼠滑膜衰老细胞和血管生成。Guang等人利用GSE169454和GSE152805数据确定NDRG2、TSPYL2、HMGB2等新亚群软骨细胞相关蛋白在骨关节炎中的关键作用。Yoshimoto等人发现O-糖基化酶GALNT家族（尤其是GALNT16）在骨关节炎软骨中显著上调。Boone等人结合转录组和代谢组数据，发现两种衰老相关亚型：1型富集细胞增殖通路（FOXO4、RBL2、CDKN1B）和血浆组氨酸升高；2型富集炎症通路（IL-6、MMP-1/3、VEGFC）和血脂异常。
骨关节炎中的年龄相关基因网络
Ji等人发现Sirt6通过抑制JAK/STAT/IL-15信号缓解软骨细胞衰老。关节内注射腺病毒-Sirt6可缓解小鼠骨关节炎模型（DMM）的病变。Liu等人证实α-酮戊二酸（α-KG）通过调节自噬抑制软骨细胞衰老。Shen等人发现TLR2激活抑制Col2a1/Acan并诱导MMP-3/ADAMTS-5表达，NOS抑制剂可部分恢复基因表达和线粒体功能。
雌激素缺乏与骨关节炎的转录组变化
性别差异在骨关节炎中的表现
尽管流行病学显示女性患病率更高，多数骨关节炎研究以男性样本为主。扩展两性研究对精准医疗至关重要，因男女在关节生物力学、激素影响、疼痛感知和炎症反应存在差异。膝关节和手部关节患病率最高且性别差异最显著。Szilagyi等人发现体重指数对女性膝关节影响更强。女性膝关节在韧带尺寸、软骨体积等方面结构更易损伤。
GEO数据揭示的性别特异性转录组变化
Wang等人分析GSE36700和GSE55457数据，鉴定7个关键基因（EGFR、ERBB2、CDC42等），主要富集于PI3K-Akt信号、破骨细胞分化和黏着斑通路。Li等人发现女性骨关节炎软骨中ECM组织（Col1a1、SPARC）和胶原生物合成差异更显著。Malmierca-Merlo等人开发的MetaFun工具可对GEO数据进行性别特异性整合分析，揭示男女骨关节炎进展的分子差异。
雌激素与骨关节炎的关联
雌激素通过抑制炎症、保护软骨细胞、促进蛋白聚糖和胶原合成延缓骨关节炎。激素替代疗法可抑制炎症因子表达。临床研究显示雌激素补充治疗可降低绝经后女性关节疼痛频率。选择性雌激素受体调节剂（SERMs）对骨骼和关节具有双重保护作用。
雌激素受体与骨关节炎
经典雌激素受体（ERα、ERβ）通过调控Sox-9等转录因子维持软骨稳态。雌激素相关受体（ERRα、ERRγ）虽不能直接结合雌激素，但通过竞争共调节因子和调控ER表达影响雌激素信号。
图2：衰老和绝经导致雌激素相关受体信号失衡。IL-1β通过PGE2/cAMP/PKA通路激活ERRα，增加MMP-13生成；ERRα通过Sox-9上调促进软骨细胞增殖。ERRγ过表达调控IL-6信号，导致MMP-9/3/13表达升高，引发基质降解。
多项研究揭示ERRα和ERRγ在骨关节炎发病中的关键作用。ERRγ通过IL-6介导的MAPK/ERK通路上调MMP-9，导致生长板增殖区抑制和骨长度减少。Son等人证实ERRγ在人骨关节炎软骨中特异性上调MMP-3/13表达。
ERα是骨关节炎软骨细胞表型的关键调节因子。Wang等人发现损伤软骨中ERα水平降低，敲除ERα增加衰老标志物，而恢复ERα可逆转骨关节炎改变。
用于年龄相关骨关节炎和雌激素研究的动物模型
多数临床前研究使用年轻动物的创伤模型（DMM、ACL横断、碘乙酸钠注射），但这些模型未能反映老年患者的分子特征。Loeser等人比较年轻和老年雄性小鼠DMM模型，发现12月龄小鼠关节病变严重程度是12周龄的2倍。基因芯片分析显示371个差异表达基因，分为早期（形态发生相关基因）、静止期（细胞分裂相关基因下调）和晚期（基质基因如Col3a1上调）三阶段。Lijima等人发现小鼠术后创伤模型与自然衰老模型的基因表达仅有3%重叠，提示需开发更符合人类年龄相关骨关节炎的动物模型。
结论
本文综述了衰老、雌激素及转录组变化在骨关节炎发展中的复杂相互作用。衰老和雌激素缺乏通过诱导软骨细胞衰老、炎症和细胞外基质降解促进疾病发展。骨关节炎软骨的转录组分析显示促炎基因（IL-1β/6/7/8/17/33）、趋化因子（Ccl-2/3/4/5/8、Cxcl-5/9/13）、基质降解酶（MMP-1/2/3/9/10/13/14/19、ADAMTS-4/5/8/12）表达上调，而基质相关基因（Col2a1、Acan）表达下调。关键转录因子（AHR、Atf2、E2F1等）的鉴定为年龄相关软骨退变调控网络提供了新见解。
转录组分析揭示性别特异性分子特征，如绝经后女性7个关键枢纽基因（CBL、CDC42、EGFR等）富集于PI3K-Akt信号、破骨细胞分化等通路。雌激素、雌激素受体和雌激素相关受体的复杂网络是疾病发展的核心机制。ERα作为软骨细胞表型的关键调节因子，其年龄相关失调导致细胞衰老和基质降解。ERRα既可通过Sox-9调控促进软骨形成，又通过促炎反应上调MMP-13。ERRγ通过IL-6-MAPK/ERK通路驱动MMP-9/3/13表达，导致软骨退化。
当前骨关节炎动物模型存在显著局限性。年轻动物的创伤模型未能反映人类年龄相关骨关节炎的分子特征。老龄雌性小鼠持续产生雌激素，无法模拟绝经后骨关节炎。尽管卵巢切除模型可研究雌激素作用，但不能完全复制绝经相关骨关节炎。开发考虑年龄变化和自然绝经过程的动物模型对深入理解骨关节炎发病机制至关重要。
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