大骨节病发病机制研究现状与未来展望

Current Status and Future Prospect of Research on Pathogenesis of Kashin-Beck Disease

摘要: 大骨节病(Kashin-Beck Disease, KBD)是一种地方性、慢性、退行性的骨关节病。它的主要病理特征是关节软骨和骺板软骨出现多发性坏死、修复效果差，还会出现继发性退行性改变。这种病主要分布在我国从东北到西南的低硒地区，儿童和青少年是高发人群。病情严重的患者会出现生长发育障碍，甚至终身残疾。虽然科研人员已经研究了几十年，但KBD的发病机制还没完全弄明白。现在大家普遍认为，它是环境因素、营养因素和遗传易感性共同作用的结果。本文会系统梳理KBD发病机制的研究现状，还会对未来的研究方向提出展望。

Abstract: Kashin-Beck disease (KBD) is a regional endemic, chronic degenerative bone and joint disorder. Its primary pathological features include multiple necrotic lesions in articular cartilage and epiphyseal cartilage with poor reparative capacity, accompanied by secondary degenerative changes. This condition predominantly affects low-selenium regions across China from northeastern to southwestern areas, with children and adolescents being the most vulnerable population. Severe cases may lead to growth retardation or even permanent disability. Despite decades of research, the exact pathogenesis of KBD remains incompletely understood. Current consensus suggests it results from the combined effects of environmental factors, nutritional imbalances, and genetic susceptibility. This article systematically reviews the current research status on KBD pathogenesis while proposing future research directions.

1. 引言

KBD是一种具有地方聚集性的多发性骨关节变形病症，在我国主要流行于东北至西南的狭长区域，涉及黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、山西、陕西、甘肃、四川、青海、西藏等省(自治区)的部分地域，严重威胁当地居民的身体健康和生活质量。KBD主要影响儿童与青少年群体，其病变主要累及软骨组织，使关节软骨及骺板软骨发生结构变性与细胞坏死，从而引发一系列症状：包括关节疼痛、肿胀增粗、形态异常及活动功能受限，病情严重时还可能出现肢体短小畸形甚至侏儒症[1]。

自从19世纪末发现KBD以来，各国学者做了大量研究，提出了不少相关学说，像环境低硒学说、粮食真菌毒素中毒学说、饮水有机物中毒学说等[2]。近年来，随着分子生物学、遗传学等技术的发展，科研人员对KBD发病机制的研究逐渐深入到细胞和分子层面，这为弄清它的发病机制提供了新的思路和方法。现有研究已经证实，KBD是环境因素和遗传因素共同作用的结果，但目前它的发病机制还没完全搞清楚[3]。所以，深入研究KBD的发病机制，对制定有效的防治策略、控制和消除这种病有重要意义。

2. 环境因素

2.1. 低硒学说

硒是人体必需的微量元素之一，在体内参与多种酶的合成，具有抗氧化、调节免疫、维持细胞正常功能等重要作用[4]。环境低硒学说认为，KBD病区土壤、水和粮食中硒含量明显低于非病区，居民长期处于低硒环境中，导致体内硒缺乏，进而影响机体抗氧化系统功能，引起软骨细胞损伤，最终导致KBD的发生[5]。

大量流行病学调查结果显示，KBD的流行与地理环境中的硒含量密切相关。我国KBD病区主要分布在低硒地带，病区居民头发、血液和尿液中的硒含量显著低于非病区居民[6]。在低硒地区进行补硒干预后，KBD的发病率明显降低，病情得到有效控制。例如，陕西省旬邑县KBD病区7~12岁儿童采用补硒后，KBD的新发率显著下降[7]。

进一步研究发现，硒缺乏会让人体内像谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)、超氧化物歧化酶(SOD)这样的抗氧化酶活性降低。这会使身体清除自由基的能力下降，过多的自由基会攻击软骨细胞膜、蛋白质和核酸等生物大分子，导致软骨细胞受损、死亡[8] [9]。同时，硒缺乏还会影响软骨细胞的代谢功能。它会抑制软骨基质中蛋白多糖和胶原的合成，还会促进它们分解，破坏软骨组织结构的完整性，从而引发KBD [10]。从分子机制来看，低硒会影响多种信号通路。研究发现，在低硒条件下，核因子E2相关因子2 (Nrf2)通路的活性会降低，这会阻碍抗氧化反应相关基因的表达，让细胞抵抗氧化应激的能力下降[9] [11]。另外，低硒还能通过调控NF-κB通路，促进肿瘤坏死因子-α (TNF-α)、白细胞介素-1β (IL-1β)和白细胞介素-6 (IL-6)等炎症因子的表达，加重软骨的炎症反应[11]。

然而，低硒理论难以全面阐释KBD的致病机理。一方面，并非所有低硒地区都会出现KBD的流行情况，且在同一低硒地区，也存在部分人群不发病的现象；另一方面，单纯补硒治疗对部分KBD患者的疗效并不理想。这提示KBD的发生可能还与其他因素有关，低硒可能只是其中一个重要的环境危险因素。

2.2. 真菌毒素中毒学说

这种学说认为，KBD病区的粮食会被镰刀菌等真菌污染。这些真菌会产生T-2毒素、脱氧雪腐镰刀菌烯醇(DON)等真菌毒素。人们吃了含有这些毒素的粮食后，毒素会通过食物链进入人体，导致软骨细胞受损，进而引发KBD。研究发现，西藏KBD病区砖茶、藏粑粉、牛奶残渣和裸大麦等食品中真菌毒素的检出率和含量明显高于非病区[12]。在体外实验中，T-2毒素、DON等真菌毒素可抑制软骨细胞的增殖，诱导软骨细胞凋亡，干扰软骨细胞的正常代谢功能，导致软骨基质合成减少、降解增加，引起软骨病变[13]。在动物实验方面，给小鼠喂食被真菌毒素污染的饲料，可诱导动物出现类似KBD的病理改变，如关节软骨变性、坏死、骺板提前闭合等[14]。在西部的陕西和青海地区，将病区居民的主食由当地易受真菌污染的粮食换成无污染的粮食后，KBD的发病率明显下降，进一步支持了真菌毒素中毒学说[15]。

但这个学说也存在不足。不同地区的KBD病区，从粮食中分离出的主要真菌种类和毒素成分不一样。而且在一些不流行KBD的地区，粮食中也能检测到较高水平的真菌毒素，却没有出现KBD流行的情况。另外，目前还没确定到底哪种真菌毒素是导致KBD的关键因素，也不清楚真菌毒素在人体内具体是如何发挥作用的。

2.3. 饮水有机物中毒学说

KBD病区饮用水中含有大量有机物，如腐殖酸、酚类、苯醌类等，这些有机物在体内代谢过程中可产生有害物质，损伤软骨细胞，导致KBD的发生[16]。

研究发现，西藏昌都KBD病区饮用水中腐殖质总有机碳含量和非病区样本间未表现显著差异，但病区水中富里酸(FA)的成分以及水中胡敏酸(HA)的成分等类醌成分含量高于非病区[17]。通过对病区饮用水进行净化处理，去除其中的有机物后，KBD的发病率有所降低。例如，在陕西省永寿县进行的改水防治KBD试验中，将病区居民的饮用水源由原来的浅层井水改为深层井水或自来水后，KBD的发病率显著下降[18]。在实验室研究中，用含有腐殖酸等有机物的饮水喂养小鼠，可导致动物关节软骨出现类似KBD的病理改变，如软骨细胞变性、坏死、基质降解等[19] [20]。进一步研究发现，腐殖酸等有机物可通过干扰软骨细胞的能量代谢、诱导氧化应激、影响细胞信号转导等途径，损伤软骨细胞[21]。然而，目前对于饮水中有机物的具体致病成分及其作用机制尚不完全清楚，且该学说难以解释KBD在同一地区不同村落间的差异分布现象。

3. 遗传因素

虽然环境因素在KBD的发病中起着重要作用，但越来越多的研究表明，遗传因素也可能参与了KBD的发生发展[22]。不同个体对KBD的易感性存在差异，提示遗传因素可能影响机体对环境致病因素的反应。

一些研究通过调查分析KBD患者的家系发现，KBD存在家族聚集现象[23]。KBD患者亲属的发病几率，明显比普通人群高，这提示遗传因素可能在KBD发生中起到关键作用[24]。科研人员借助全基因组关联分析(GWAS)和候选基因筛选等方法，已经找到了多个和KBD发病易感性相关的基因区域，像HLA-DRB1、谷胱甘肽过氧化物酶4 (GPX4)、Ⅸ型胶原α1链(COL9A1)、基质金属蛋白酶3 (MMP-3)等。这些基因主要参与软骨代谢、氧化应激、免疫调节等生物学过程[25]-[28]。

基因多态性和KBD的易感性关系密切，某些特定的等位基因可能会增加人体患KBD的风险[29]。GPX4基因会编码谷胱甘肽过氧化物酶4，这种酶在抗氧化防御系统中作用重要。研究发现，GPX4基因多态性可能会影响这种酶的活性，进而影响人体抵抗氧化应激的能力，和KBD的发病风险相关[28]。COL9A1基因会编码Ⅸ型胶原，Ⅸ型胶原是软骨细胞外基质的重要组成部分。COL9A1基因多态性可能会影响Ⅸ型胶原的结构和功能，导致软骨细胞外基质代谢异常，增加KBD的发病风险[26]。MMP-3基因会编码MMP-3，这种酶参与细胞外基质的分解。MMP-3基因多态性可能会影响它的表达水平和酶活性，导致软骨基质分解失衡，和KBD的发生发展有关[27]。

但目前发现的和KBD相关的基因位点，对疾病的影响程度比较低，而且不同研究的结果也存在差异。另外，科研人员还不清楚遗传因素和环境因素之间具体是如何相互作用的，这还需要进一步深入研究。

4. 细胞及分子机制

4.1. 软骨细胞凋亡

软骨细胞凋亡在KBD的发病机制中起着关键作用。正常情况下，软骨细胞的增殖和凋亡处于动态平衡状态，这样才能维持软骨组织的正常结构和功能。在KBD患者体内，因为受到低硒、真菌毒素、饮水有机物污染等环境因素，以及遗传因素的影响，软骨细胞凋亡异常增多。这会导致软骨细胞数量减少，软骨组织的修复能力下降，进而引发关节软骨病变。

多种因素可诱导KBD患者软骨细胞凋亡。当机体处于低硒环境时，其抗氧化系统功能会减弱，导致体内自由基大量积聚，这一过程可触发线粒体介导的细胞凋亡通路，进而造成软骨细胞发生凋亡[30]。相关研究表明，KBD患者的软骨细胞存在线粒体膜电位下降、细胞色素C释放量增多的现象，这些变化会进一步激活半胱天冬酶-3 (Caspase-3)等与凋亡相关的蛋白酶，最终导致软骨细胞凋亡[31]。真菌毒素如T-2毒素、DON等也可通过多种途径诱导软骨细胞凋亡。T-2毒素通过SMAD2和SMAD3信号通路，使SMAD2和SMAD3蛋白水平下降，进而导致人类软骨细胞发生凋亡[32]。饮水中的有机物如腐殖酸等可通过干扰软骨细胞的能量代谢，导致细胞内ATP水平下降，激活细胞凋亡信号通路，诱导软骨细胞凋亡。

此外，细胞凋亡相关调控因子的异常表达也与KBD患者软骨细胞凋亡密切相关。如Bcl-2家族蛋白中，促凋亡蛋白Bax表达上调，抗凋亡蛋白Bcl-2表达下调，导致Bax/Bcl-2比值升高，促进软骨细胞凋亡[33]。p53基因作为一种重要的抑癌基因，在KBD患者软骨细胞中表达上调，可通过激活下游凋亡相关基因，诱导软骨细胞凋亡[34]。

4.2. 氧化应激

氧化应激是指机体在遭受各种有害刺激时，体内氧化与抗氧化系统失衡，导致活性氧(ROS)生成过多，氧化程度超出细胞对氧化物的清除能力，从而引起细胞和组织损伤的一种病理状态[35]。在KBD的发病过程中，氧化应激起着重要作用。

环境因素如低硒、真菌毒素、饮水有机物污染等均可导致机体氧化应激水平升高。低硒可使体内抗氧化酶活性降低，如GSH-Px、SOD等，导致自由基清除能力下降，ROS大量积累[36] [37]。真菌毒素如T-2毒素可诱导细胞内ROS生成，破坏细胞内氧化还原平衡[38]。饮水中的有机物在体内代谢过程中也可产生自由基，增加氧化应激水平。

氧化应激会通过多种途径损伤软骨细胞。ROS会攻击软骨细胞膜上的不饱和脂肪酸，引发脂质过氧化反应，导致细胞膜的结构和功能受损[39]。同时，ROS还会氧化蛋白质和核酸，导致蛋白质变性、酶活性丧失、DNA损伤等问题，影响软骨细胞的正常代谢和功能[40]。同时，ROS还会氧化蛋白质和核酸，导致蛋白质变性、酶活性丧失、DNA损伤等问题，影响软骨细胞的正常代谢和功能[41]。

研究表明，KBD患者体内氧化应激标志物如4-羟基壬烯酸(4HNE)、8-羟基脱氧鸟苷(8-OHdG)等水平升高，抗氧化酶活性降低，提示患者存在氧化应激损伤[42]。通过给予抗氧化剂治疗，可减轻KBD患者体内的氧化应激水平，缓解软骨细胞损伤和病情发展。

4.3. 细胞外基质代谢异常

软骨细胞外基质主要由蛋白聚糖、糖蛋白及其他非胶原蛋白质构成，是一层薄薄的物质，紧贴在细胞膜上并包裹着软骨细胞，其代谢平衡对于维持软骨组织的正常结构和功能至关重要[43]。在KBD患者中，由于软骨细胞功能受损，导致细胞外基质代谢异常，表现为合成减少、降解增加，从而引起软骨组织的破坏和关节畸形[44]。

在胶原代谢方面，KBD患者软骨中Ⅱ型胶原、Ⅸ型胶原、X型胶原等的表达减少，而基质金属蛋白酶(MMPs)如MMP-1、MMP-3、MMP-13等的表达和活性升高，MMPs可特异性地降解胶原纤维，导致胶原网络结构破坏[45]-[47]。研究发现，KBD患者软骨组织中MMP-1、MMP-13的mRNA和蛋白表达水平均显著高于正常对照组，且与病情严重程度相关[48]。

在蛋白多糖代谢过程中，糖代谢异常会对KBD软骨细胞产生多方面影响。它会抑制Ⅱ型胶原与蛋白多糖的合成水平，同时促使细胞凋亡加剧及氧化应激反应增强，这些变化共同作用，最终对软骨细胞的正常功能产生不利影响[49]。

此外，细胞外基质代谢异常还与细胞因子和生长因子的调节失衡有关。如转化生长因子-β (TGF-β)、胰岛素样生长因子-1 (IGF-1)等生长因子可促进软骨细胞外基质的合成，而肿瘤坏死因子-α (TNF-α)、白细胞介素-1β (IL-1β)等炎症因子则可抑制其合成，促进其降解[50] [51]。在KBD患者中，这些细胞因子和生长因子的表达和分泌失衡，进一步加剧了细胞外基质代谢异常。

4.4. 炎症反应

炎症反应在KBD的发生发展过程中也起着重要作用。环境因素和遗传因素会激活人体的免疫系统，促使身体释放多种炎症因子，引发炎症反应，进而损伤软骨细胞和软骨组织。

研究发现，KBD患者的血清和关节液中，TNF-α、IL-1β、白细胞介素-6 (IL-6)等炎症因子的水平会升高[52]。这些炎症因子会通过多种机制影响软骨细胞及组织。其中，TNF-α会通过蛋白质间的相互作用，促使软骨细胞凋亡，同时还会阻碍软骨基质的生成，最终造成软骨结构损伤。IL-1β会启动核因子-κB (NF-κB)信号传导途径，促进炎症因子的合成与分泌，进而加重炎症反应。另外，它还会降低软骨细胞的增殖活性，促使软骨细胞向肥大状态及终末分化阶段转变，干扰软骨组织的正常生长与修复[53]。IL-6会通过与受体结合，激活JAK/STAT信号通路，调节细胞的增殖、分化和凋亡，参与KBD的发病过程[54]。

此外，炎症反应还可导致滑膜组织增生、血管翳形成，进一步侵犯和破坏关节软骨和软骨下骨，加重关节畸形和功能障碍[55]。在KBD患者的滑膜组织中，可观察到大量炎症细胞浸润，滑膜细胞增生，血管翳形成等病理改变[56]。

5. 联合作用机制

尽管环境低硒、真菌毒素、饮水有机物以及遗传易感性等单一因素均被证实与大骨节病的发生相关，但任何单一学说均难以完满解释KBD复杂多样的流行病学特征与病理改变。本章节旨在批判性评述各主要学说的优势与局限，并在此基础上，尝试构建一个多因素、多环节、交互作用的整合性发病机制假说模型，以更全面地揭示KBD的发病全貌。

5.1. 单一因素学说的批判性评述

5.1.1. 环境因素学说

低硒学说：优势在于明确了硒缺乏与KBD病区地理分布的强关联，补硒干预(如陕西旬邑县儿童补硒后新发率下降)及分子层面研究(低硒导致GSH-Px、SOD活性降低，Nrf2通路抑制)均证实其对软骨细胞的损伤作用。但该学说无法解释非所有低硒地区均流行KBD部分患者单纯补硒疗效不佳的现象，说明低硒是致病基础条件，而非唯一驱动因素。

真菌毒素中毒学说：西藏病区食品中真菌毒素检出率高、体外实验(T-2毒素诱导软骨细胞凋亡)及动物模型(小鼠喂食污染饲料出现类似KBD病变)均提供了直接证据，且病区换用无污染粮食后发病率下降进一步支撑其合理性。但不同病区真菌毒素种类差异大，非病区也存在高浓度毒素却无KBD流行，且关键致病毒素及体内作用靶点未明确，难以独立构建致病链条。

饮水有机物中毒学说：发现病区饮用水中富里酸、胡敏酸等类醌成分含量更高，改水(如陕西永寿县换用深层井水)后发病率降低，且腐殖酸可干扰软骨细胞能量代谢。但该学说无法解释同一地区不同村落发病差异，且具体致病有机物成分及代谢途径未明确，理论完整性不足。

5.1.2. 遗传因素学说

遗传因素研究通过家系调查发现KBD存在家族聚集性，全基因组关联分析筛选出HLA-DRB1、GPX4、COL9A1等易感基因，证实基因多态性(如GPX4酶活性差异、COL9A1胶原结构异常)影响个体对环境因素的易感性。但现有相关基因位点对疾病影响程度低，不同研究结果存在差异，且未明确遗传与环境因素的交互模式，无法独立解释KBD的地方性流行特征。

5.2. 整合性KBD发病机制假说模型

Figure 1. KBD pathogenesis hypothesis model mechanism diagram

图1. KBD发病机制假说模型机制图

基于上述研究，提出遗传–环境交互致病机制整合假说模型。个体先存在遗传易感或基础生理缺陷，后续暴露于特定环境因素，二者叠加突破机体防御阈值，最终引发疾病。以低硒为基础诱因削弱机体防御，以真菌毒素或饮水有机物为触发因子直接损伤软骨，以遗传易感基因为放大条件加剧损伤，三者交互激活氧化应激、细胞凋亡、基质代谢异常及炎症反应，最终导致KBD。相关发病机制如图1所示。

6. 未来展望

虽然目前在KBD发病机制的研究上取得了一定进展，但还有很多问题需要进一步深入研究。

未来，随着高通量测序技术、蛋白质组学技术、代谢组学技术等多组学技术的快速发展，科研人员可以把这些技术应用到KBD的研究中。从基因组、转录组、蛋白质组、代谢组等多个层面，全面分析KBD患者和正常人之间的差异。筛选出更多和KBD发病相关的基因、蛋白质和代谢产物，深入研究它们的作用机制，为弄清KBD的发病机制提供新的线索。

科研人员可以利用单细胞测序技术揭示KBD早期病变中软骨细胞异质性及驱动细胞凋亡的关键亚群；设计前瞻性队列研究，在特定遗传背景(如GPX4风险基因型携带者)人群中，定量评估真菌毒素暴露与KBD发病风险的交互作用；利用软骨类器官与CRISPR技术，验证铁死亡在KBD软骨坏死中的因果作用，全面揭示KBD的发病机制。

基金项目

陕西省科技创新团队(2024RS-CXTD-60)。

NOTES

^*通讯作者。