膝骨关节炎滑液元素组学改变：Kellgren–Lawrence 0级与4级膝关节的硒与锶差异研究

《Toxics》：Elemental Changes in Synovial Fluids of Knees with Grade 0 and Grade 4 Osteoarthritis

专业摘要翻译 背景： 氧化应激与组织稳态失衡参与膝骨关节炎（gonarthrosis）的发病机制，微量元素作为抗氧化酶系统的辅因子或抑制剂发挥作用；然而，关于滑液中元素改变的数据仍然匮乏。本研究旨在揭示膝骨关节炎滑液中元素组成的变化。方法： 这项前瞻性研究纳入64例患者：33例Kellgren–Lawrence（K–L）0级膝关节因半月板病变接受关节镜检查（非骨关节炎对照组），31例K–L 4级膝骨关节炎接受全膝关节置换术（骨关节炎组）。术中收集滑液，采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定15种元素（Ca、Cu、As、Se、Sr、Sb、Hg、Al、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Cd、Pb）。结果： 组间差异仅限于硒和锶。非骨关节炎对照组平均硒为49.1 μg/L，骨关节炎组为37.6 μg/L（均差11.5 μg/L；95% CI：4.15–18.9；p = 0.003）；锶分别为18.6 μg/L与22.3 μg/L（均差?3.70 μg/L；95% CI：?6.20至?1.20；p = 0.005）。骨关节炎组平均铁较高（3710对3000 μg/L），但差异无统计学意义（p = 0.051）。结论： 在这项探索性横断面比较中，K–L 4级膝关节滑液硒较低而锶较高；然而，经年龄校正后这些差异减弱，Bonferroni校正后仅硒仍具显著性。其余测定元素（包括有毒金属）在两组间无差异。

论文解读

一、研究背景与问题

膝骨关节炎（gonarthrosis）是一种累及膝关节的退行性、进展性骨关节炎，其发病率随年龄增长而升高，并造成日益沉重的社会经济负担。进行性疼痛和功能丧失显著损害患者的生活质量。既往研究已表明骨关节炎的发病机制是多因素的，涉及年龄、肥胖、遗传易感性、物理因素、生活方式及生物学因素等，这使得治疗颇具挑战。在生物学因素中，氧化应激增加被认为在骨关节炎的病因发病机制中发挥作用。升高的氧化产物可损伤蛋白质、脂质、碳水化合物和核酸等机体基本大分子，从而在受累组织中启动以破坏性为主的病理过程。人体内存在多种抗氧化系统——包括谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）、谷胱甘肽S-转移酶（GST）和超氧化物歧化酶（SOD）——可对抗氧化应激的破坏效应。这些复杂的酶系统中，微量元素作为辅因子或抑制剂发挥关键作用：硒（Se）、锌（Zn）、锰（Mn）、铜（Cu）和铁（Fe）作为这些酶的辅因子，而镉（Cd）、汞（Hg）、铅（Pb）、砷（As）和钴（Co）等重金属则抑制它们。

此外，钙、镁、锌、铬、铜和锰等元素在维持骨与软骨完整性方面具有重要功能，其缺乏与骨质疏松、骨关节炎和软骨钙质沉着病等肌肉骨骼疾病相关。尽管微量元素在抗氧化防御和骨代谢中的重要性已被公认，但关于骨关节炎进展过程中滑液元素改变的数据仍然稀缺。基于硒作为抗氧化酶辅因子和锶作为骨重塑剂的角色，研究人员假设K–L 4级膝关节滑液硒较低而锶较高，而鉴于排除了职业性或环境性暴露个体，有毒金属在两组间应无差异。本研究旨在比较K–L 0级与4级膝关节滑液中15种必需及有毒元素的浓度，以识别与晚期膝骨关节炎相关的元素改变。

二、研究设计与主要技术方法

这是一项前瞻性研究，纳入64例接受全膝关节置换术或介入性膝关节镜手术的患者。非骨关节炎对照组（组1）包括33例K–L 0级膝关节、因半月板病变接受关节镜检查的患者，关节镜确认无关节软骨退变或滑膜炎；骨关节炎组（组2）包括31例K–L 4级膝骨关节炎接受全膝关节置换术的患者。排除标准包括内分泌疾病（肥胖、糖尿病）、吸烟史、牙科填充物、元素补充治疗史及职业性重金属暴露史；纳入体重指数（BMI）在20–25 kg/m²之间、膝部无创伤或手术史、无风湿性疾病及重体力劳动史的患者。样本在术中获得：组1经关节镜外侧入路收集滑液，组2经内侧髌旁关节切开术收集。样本在?20 °C储存后冷链转运至土耳其Yozgat Bozok大学科学技术应用与研究中心（BILTEM）进行分析。1 mL样本加入5 mL超纯硝酸和5 mL超纯水后，在微波消解系统中于180 °C消解20分钟，消解液稀释至20 mL后储存于+4 °C。采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS；iCAP Qc，Thermo Scientific，德国不来梅）测定Pb、Cd、As、Hg、Zn、Cu、Ca、Se、Sr、Ni、Co、Al、Fe、Mn和Sb共15种元素。为保证准确性，样本和标准品至少测量三次，所有元素校准曲线R²值≥0.9989。方法验证采用两种认证参考物质（Seronorm?全血L-2和NIST标准参考物质），变异系数分别为4.7%和12.0%，铪（Hf）作为内标（回收率97–112%），所有测量相对标准偏差不超过5%。所有测定值均超过定量限（LOQ），无需删失或替代处理。

三、研究结果

3.1 人口学特征与元素浓度概况

组1患者平均年龄46.5岁（范围15–68），组2平均年龄65.9岁（范围56–83）。组1滑液元素平均浓度：铝20.4 μg/L、钙32,500 μg/L、锰20.7 μg/L、铁3000 μg/L、钴1.78 μg/L、镍27.2 μg/L、铜638 μg/L、锌806 μg/L、砷10.1 μg/L、硒49.1 μg/L、锶18.6 μg/L、镉4.47 μg/L、锑0.58 μg/L、汞0.31 μg/L、铅23.1 μg/L。组2相应浓度：铝20.0 μg/L、钙32,000 μg/L、锰21.4 μg/L、铁3710 μg/L、钴1.75 μg/L、镍24.5 μg/L、铜647 μg/L、锌797 μg/L、砷10.2 μg/L、硒37.6 μg/L、锶22.3 μg/L、镉4.92 μg/L、锑0.59 μg/L、汞0.23 μg/L、铅26.6 μg/L。

3.2 组间差异分析

正态性检验显示钙、铜、砷、硒、锶、锑和汞在两组均呈正态分布，而铝、锰、铁、钴、镍、锌、镉和铅不符合正态分布。组间统计学显著差异仅见于硒和锶：骨关节炎组硒显著低于非骨关节炎组（均差11.5 μg/L；95% CI：4.15–18.9；Cohen's d = 0.77），锶显著高于对照组（均差?3.70 μg/L；95% CI：?6.20至?1.20；Cohen's d = 0.73）。经Bonferroni校正（15次比较）后，硒差异仍显著（校正p = 0.045），而锶差异变为边缘不显著（校正p = 0.075）。以年龄为协变量的事后协方差分析（ANCOVA）显示，硒的组效应减弱（F = 2.45，p = 0.123），锶的组效应不再显著（F = 0.22，p = 0.643）。年龄与锶浓度呈显著正相关（Spearman ρ = 0.415，p < 0.001），而与硒无显著相关（ρ = ?0.200，p = 0.113）。

四、讨论与结论

4.1 与既往研究的比较

Krachler等比较了骨关节炎患者血清与滑液中的必需元素，发现滑液元素浓度低于血清。Yazar等比较了健康个体与骨关节炎或类风湿关节炎患者滑液中的硒、锌、铜和铁浓度，发现非骨关节炎组硒较高、铜和铁较低、锌无变化。本研究与Yazar等在硒和锌方面的发现一致：骨关节炎膝关节滑液硒较低，锌无差异；铁在非骨关节炎组较低但未达统计学显著。两项研究均提示骨关节炎关节滑液硒较低。但绝对浓度的直接比较需谨慎，因为方法学存在重要差异：本研究比较K–L 0级与4级膝关节，Yazar等比较未分级骨关节炎患者与健康志愿者；本研究术中收集滑液而Yazar等采用穿刺抽吸；分析方法不同（ICP-MS对原子吸收光谱法），ICP-MS具有更低的检测限和同步多元素测量能力。此外，研究人群的年龄分布差异显著。

4.2 重金属与锶的讨论

文献已充分证实重金属诱导氧化应激。Jomova和Valko报道Fe、Cu、Co和Cr触发活性氧生成并参与某些疾病的发病；Sa?di等证明镉、铅和汞增加氧化应激毒性；Nelson等报道血铅水平升高与骨关节炎发生相关。然而，本研究未发现正常与骨关节炎关节滑液在重金属水平上存在统计学显著差异。这不应被解读为重金属对骨关节炎发病无影响，差异可能反映研究人群排除了吸烟者和职业性重金属暴露个体。

锶是本研究显示组间差异的另一元素。锶已被用于骨质疏松治疗，据报道可促进软骨形成、成骨细胞增殖和骨形成。本研究中4级膝关节滑液锶较高，但ANCOVA敏感性分析显示年龄校正后差异不再显著（p = 0.643），且年龄与锶呈显著正相关（ρ = 0.415，p < 0.001），提示观察到的升高可能部分或完全归因于组间年龄差异。此外，研究未评估膳食锶摄入、含锶药物（如雷奈酸锶）或环境锶暴露，这些均可能促成观察到的差异。较高锶浓度究竟代表骨关节炎发展过程中的代偿反应还是年龄相关的累积暴露，仍有待确定。

4.3 方法学考量

一个重要方法学考量是ICP-MS测量总元素浓度，包括游离离子和蛋白结合形式。滑液中微量元素的生物活性取决于其化学形态：例如，谷胱甘肽过氧化物酶等硒蛋白代表总硒的功能相关部分，而蛋白结合锶与游离锶离子的生物效应可能不同。本研究无法区分这些组分。采用尺寸排阻色谱联用ICP-MS的形态分析将更全面地揭示微量元素如何参与骨关节炎病理生理，建议在未来的研究中采用。

4.4 研究局限与优势

局限性包括缺乏组织酶功能评估、样本量相对较小、单中心设计。两组年龄不可比是K–L 0级与4级比较的固有结果；虽然主要分析未校正，但事后ANCOVA敏感性分析显示硒和锶差异在年龄校正后减弱，强调未来研究需招募年龄匹配组或从一开始采用多变量模型。15次同时比较增加了I型错误概率；Bonferroni校正后仅硒保持显著，该结果应谨慎解读。研究在单一时间点测量总元素浓度，无法区分游离离子与蛋白结合形式。横断面设计不允许得出关于环境暴露、随时间累积或因果方向的结论。对于锶，膳食摄入、含锶药物和环境暴露均未评估。优势包括前瞻性设计、纳入非骨关节炎对照组、ICP-MS同步测量15种必需及有毒元素，以及提供了膝骨关节炎过程中滑液元素改变的客观数据——这一主题此前受到的关注有限。

4.5 研究结论

在这项探索性横断面比较中，K–L 4级膝关节滑液硒较低而锶较高。经Bonferroni校正（15次比较）后，仅硒差异保持统计学显著（校正p = 0.045），锶差异变为边缘不显著（校正p = 0.075）。重要的是，事后ANCOVA敏感性分析显示两种差异在年龄校正后均减弱，表明组间年龄差异可能部分解释观察到的元素差异。其余13种元素（包括有毒金属）在两组间无差异。这些发现提示硒状态改变可能与晚期膝骨关节炎相关；然而，横断面设计、年龄校正后显著性丧失以及相对较小的样本量排除了因果结论。未来需开展年龄匹配组、多变量模型、形态分析及同步评估硒酶活性的研究，以阐明微量元素在骨关节炎病理生理中的作用。