在关节组织新陈代谢过程的一些标志物中，应引起高度重视的是那些能够在体液内得以准确定量的。本章主要列举出几个符合这样的标准的代谢标志物，而不可能详尽陈述OA患者新陈代谢过程中所有可能的标志物。测量OA患者关节软骨新陈代谢标志物的大多数学者常至少选择定量一种直接代谢标志物。这是因为：软骨内大多数有功能的分子也就是可聚蛋白多糖和Ⅱ型胶原在其他组织内的浓度均较低。这些分子片段的血清水平可作为一个良好的测量工具，通过它们可以推断软骨组织发生的变化。

有研究表明，在成熟组织内，软骨细胞可对它们周围基质的新陈代谢产生调控作用，但对新陈代谢不活泼的较远的基质的调控作用较弱。这样，基质可以想象为由代谢活泼区（细胞结合部分）和代谢不活泼部分（相对较远部分）组成（图6-2）。细胞结合部分占不足软骨总量的5%，然而大多数分子标志物可能就从这一代谢活跃区域产生。

对人体软骨的研究已证实，可聚蛋白多糖在软骨内含量占第二，并且比Ⅱ型胶原（即纤维结构的主要组成部分）易于降解。以前人们对软骨细胞和基质胶原成分研究较多，而对基质中另一主要成分可聚蛋白多糖未引起足够重视。近年来分子生物学的研究进展向人们提示，可聚蛋白多糖在细胞间信息传递、维持细胞表型、与其他基质间相互作用及保持组织整体功能方面发挥着极其重要的生物学功能。系统研究OA时关节软骨基质中可聚蛋白多糖的变化，揭示其在OA发生中的作用，将有助于阐明OA的发病机制。

葡糖氨基聚糖（glycosaminoglycan，GAG）是占软骨基质中可聚蛋白多糖相对分子量的90%以上。在关节软骨可聚蛋白多糖的更新过程中产生的GAG结合片段快速扩散出软骨而出现在关节液内，类风湿关节炎（RA）和骨关节炎（OA）的关节液中GAG含量增高与经放射线证实的疾病活动度相关，经有效治疗后含量下降。GAG检测方法简便，重复性好，所以有学者认为GAG可作为软骨基质内可聚蛋白多糖降解过程的标志物。类似的研究发现，男性OA患者硫酸角质素抗原表位（5-D-4）水平比女性的高，且与关节受累的数目正相关。关节腔内注射透明质酸钠后，血清5-D-4水平下降。提示5-D-4水平（尤其是关节液水平）测定可反映OA的病情活动。但也有学者如Spector等认为血清5-D-4水平对OA诊断和预后判断无价值。新合成的可聚蛋白多糖分子存在于或穿过细胞结合基质区时易于降解，体液内与AgKS结合的可聚蛋白多糖片断的数量实际上作为可聚蛋白多糖合成上调作用的直接结果而增加，也就是说，蛋白分解酶合成过程或激活过程没有明显变化（图6-3）。所以把体液内可聚蛋白多糖相关标志物浓度的增加作为软骨蛋白分解代谢增强的证据时，仍应十分小心。

在遭受创伤或者OA患者的关节液内，大多数可聚蛋白多糖分子片段较大，但大多数已丢失了G1域（在蛋白多糖的聚合过程中它通常与透明质酸相互作用）。其降解过程是通过各种途径导致可聚蛋白多糖聚集体的破坏，最初的裂解是在核心蛋白连接区和主要的CS、KS连接区，这是限制其在细胞外生存的关键的一步，因为它分隔了PG的可聚部分和提供主要生理功能的GAG连接区。失去大分子的屏障和保护作用，单体在诸多酶的作用下，破坏和丢失将明显加速。其裂解片段可以通过使用硫酸角质素抗体或核心蛋白抗体的免疫学方法检测出来。1985年用来定量AgKS的间接抑制ELISA改良方法仍然是定量血清中可聚蛋白多糖相关小分子的主要工具。基质金属蛋白酶（可以切割Asn341-Phe342结合点）或可聚蛋白多糖酶（可切割Glu373-Ala 374结合点）切割核心蛋白产生许多主要产物，目前许多试验室已经可以生产一些能够识别这些主要产物N末端或C末端的抗体。开发能够测量这些特定的切割产物的灵敏的免疫测量方法还不是特别成熟，但用Western blot进行半定量时，这些抗体还是很有用的。

最近文献报道一个反映透明软骨退变的生物标记，CTX2，它是一个Ⅱ型胶原的C反应蛋白碎片。这个生物标记假定是由透明软骨的Ⅱ型胶原降解得到，它既能反映骨关节炎又能预测它的发展。动物模型和一个试验基地的人体研究表明使用利塞膦酸钠，一个二磷酸，可以发现其尿液中的CTX2戏剧性的下降了，连同骨变性的速度都减慢了。研究者对这一结果进行大型随机的膝关节临床实验，但是2年内不管是受标准的影像检测的膝关节结构还是在利塞膦酸钠治疗下的临床症状都没有进一步发展。基于其他的研究，CTX2可能是一个诊断性标记甚至是预测性标记：但是在实验中，它不能作为评定治疗效果的标记。作者对上述原因的解释是在试验中标准的影像测量对于骨关节炎软骨的利塞膦酸钠治疗不是很敏感。

关节软骨合成的可聚蛋白多糖分子在人生的不同阶段包含不同含量的硫酸角质素（keratan sulfate，KS）和硫酸软骨素（chondroitin sulfate，CS）。新合成的分子是不成熟的，类似于胎儿时期的特征。因含有大量阴离子基团而高度水合，排斥其他大分子可产生屏障作用。在OA中其硫酸化程度也明显降低，随病情进展而加重。有研究发现，OA患者关节软骨内CS/KS比值比正常人高出2倍多，但随病情进展这种比值逐渐变小。

单克隆抗体技术的出现导致可以识别创伤患者或OA患者的软骨细胞合成的硫酸软骨素链的微小变化。硫酸软骨素链上有多个抗原表位（3-B-3、7-D-4、846），正常软骨上缺乏3-B-3和7-D-4抗原表位，而在软骨细胞分化期和胎儿发育期存在。在OA的细胞外基质修复期及塑形期，软骨的CS链上有3-B-3表达。创伤患者关节液内3-B-3和7-D-4水平增高，这一点已得到证实。7-D-4抗原表位/5-D-4抗原表位的比例显著地增加，表明这些关节的关节软骨合成了具有低AgKS含量的可聚蛋白多糖分子。这些均提示CS链上抗原表位表达与关节内软骨合成代谢相关。而有学者发现OA和RA患者3-B-3血清水平比关节液水平高数倍，提示其有关节外来源，因此它作为OA代谢标志物的作用有限。

846的抗原表位看来是一个很有前途的由关节软骨合成可聚蛋白多糖的标志物。与硫酸软骨素链上的大多数其他抗原表位不同，这个抗原表位既可在关节液内又可在血清内得到精确的定量。在遭受创伤和原发性OA患者的关节液中，这种可聚蛋白多糖合成的标志物增加。另一方面，不像AgKS和COMP，在早发家族性OA患者的血清中，发现它的水平没有升高，这表明在这些个体中，可聚蛋白多糖的合成和分解代谢可能处于不平衡状态。

关节软骨基质中的胶原主要为Ⅱ型胶原。对胶原降解的标志物的研究可能具有非常重要的价值，因为胶原网络的破坏被认为是极其难以修复的，如果显著受损，则认为是关节软骨发生了不可逆的损伤。因此，由MMP-1（胶原酶1）、MMP-8（胶原酶2）、MMP-13（胶原酶3）切割人类Ⅱ型胶原所产生的C末端（COL2-3/4C（short））和N-末端（COL2-1/4N1）新抗原表位的抗体证明OA患者关节软骨内有活性增强的Ⅱ型胶原酶的直接参与。通过软骨提取物放射免疫方法测定，发现OA关节软骨与成人没有关节炎的软骨相比，存在更多的新COL2-3/4C（short）抗原表位。对OA关节软骨进行培养，优先合成的MMP-13抑制因子明显减少了新COL2-3/4C（short）抗原表位的非刺激性释放。这些数据说明，软骨细胞合成的胶原酶参与了关节软骨Ⅱ型胶原的切割和变性过程，OA患者的这种改变明显增强，并且MMP-13在这一过程中起到了非常重要的作用。Seibel等应用高效液相色谱分析法，发现OA患者尿中胶原破坏产物吡啶诺林（pyridinoline）中度升高，尿中胶原交联物、吡啶诺林与去氧吡啶诺林（deoxypyridinoline）的水平与放射学改变呈正相关，故认为它们可作为OA病情活动的代谢标志物。然而胶原交联物的血清水平常比关节液水平高许多倍，说明胶原交联物大部分来自非关节组织，因而，它作为OA关节软骨降解标志物的作用有限。

在所有软骨胶原中，只有Ⅱ型胶原在合成时先形成高分子量的前体即前胶原。前体中含有非螺旋结构的氨基（N）端和羧基（C）端前肽，这些前肽在细胞外由一种特殊的C-前肽酶作用于新合成的前体而产生，前肽裂解后进入体液，已证明它以可测量的剂量存在于人的关节液和血清中。它为Ⅱ型胶原合成的速度提供了一种测量方法。因此测定其含量可反映关节软骨的合成代谢。儿童和青年人血清中C-前肽水平高，并随年龄而迅速下降，以至常规方法难以测到。早期OA胶原合成增加，Shinmei等研究显示OA关节液C-前肽水平增高，且与放射线改变阶段相关。有学者曾证实：体外培养软骨细胞的Ⅱ型胶原的合成速度与C-前肽组织含量的比例直接相关，这种C-前肽的半衰期为15～20小时。OA患者的关节液中此种标志物的浓度比RA患者或感染性关节炎患者的高。受损膝关节内它的浓度尤其的高，这样它可作为OA临床前期软骨细胞修复软骨基质的良好标志物。

在对骨关节炎软骨研究中，学者通过分子生物学手段发现几中蛋白，其中软骨寡聚基质蛋白（cartilage oligomeric matrix protein，COMP）是其中较典型的一种。它是由5个相同的含有755个氨基酸亚单位构成，属于血小板反应蛋白（thrombospondin TSP），软骨中的TSP主要有TSP-1、TSP-3和COMP（也称作TSP-5），而COMP是软骨非胶原蛋白的主要成分，其基因约长26kb，由19个外显子和18个内含子组成，COMP是一种钙结合蛋白，能通过保守的天冬氨酸与Ca ²⁺结合。基于目前关于COMP的相关研究较多，本篇对其应用研究进行相关介绍。

COMP最早被认为具有软骨特异性，表达于软骨细胞周围基质中，但近年研究发现，COMP在所有关节结构中均有表达，包括半月板，肌腱，滑膜，滑膜，视网膜和血管平滑肌细胞也有表达，COMP主要由软骨细胞和滑膜细胞分泌。

COMP的生物学功能尚不完全清楚，其分子结构的C端球状区可以连接Ⅰ、Ⅱ和Ⅸ型胶原，因此学者推测COMP可能参与调节纤维结构和维持胶原蛋白网的完整性。Saxne等也发现COMP等有绑定Ⅱ胶原和维持关节软骨网的作用；Geng等研究发现缺乏COMP的小鼠呈现明显早发OA的症状；Hashimoto等研究也发现COMP突变可阻碍软骨细胞正常的分泌过程，而且表达突变COMP的软骨细胞凋亡率高，Gagarinaa等认为COMP可以上调凋亡蛋白抑制因子，保护软骨细胞，阻止凋亡发生。

关节软骨损伤后，COMP首先释放进入滑液中，随后进入血液。血清及关节液中的COMP水平可以反映关节软骨的降解破坏程度和滑膜炎的炎症程度。Jansen等研究了尿液及血清中Ⅰ型胶原羧基前肽（C terminal propeptide of type Ⅰ collagen，CTX-Ⅰ）、CTX-Ⅱ、COMP、软骨分解产物C12C与C2C、血清硫酸软骨素846（sulfate chondroitin846，SC-846）与关节疾病严重程度之间的关系，发现结合尿液中CTX-Ⅱ、血清COMP与SC-846，可以反映影像学检查可见的关节损害与软骨丢失。Garnero发现膝关节OA患者与年龄匹配的健康人群相比，血清中COMP水平明显增高，因此他们认为血清COMP变化代表了软骨和滑膜组织的更新情况。波士顿膝关节研究组通过分析软骨代谢标记物与膝关节OA患者关节软骨变化之间的关系，发现在所研究的标记物中，只有COMP可以预测OA病情进展，血清和尿液中每增加1U的COMP，软骨丢失的危险性将增高6倍以上。Chaganti通过对老年白人女性髋关节OA发生与发展进行8年以上随访发现，在发生髋关节OA影像学改变的实验组血清中，COMP水平的平均变化率约达无发展为髋关节OA的对照组的4倍。血清中COMP每上升1U，发生髋关节OA的危险性将增加58%。患有稳定性髋关节OA的患者血清中COMP平均变化率比进展期的患者高61%，血清中COMP每降低1U，髋关节OA病情发生进展的可能性将降低26%。从上述研究可以发现COMP是目前所研究的生物学标记物中可以持续表达并预测进程的最佳标记物。近年来对COMP的研究大多认为COMP与OA的发生、发展有相关性，但影响COMP表达的因素较多，以COMP来诊断OA的“金标准”至今仍未确立，而且COMP在OA发病机制中的确切作用尚不清楚。因此采用COMP早期诊断OA，还需要进一步研究。