膝骨性关节炎(Knee osteoarthritis)是最为常见的关节退行性病变,常表现为膝关节疼痛、僵硬、肿胀和活动受限,直接影响下肢活动能力,是下肢残疾的第一位病因,最新研究指出骨性关节炎引起全球1628.3万伤残损失生存年(Years lived with disablity,YLDs)。膝骨性关节炎消耗大量医疗资源,导致患者劳动能力丧失和生活质量降低,造成巨大直接和间接经济损失。全球疾病负担调查结果显示,全球骨性关节炎患病人数逾3亿。随着老龄化进程加快和生活方式的变化,膝骨性关节炎患病人数呈逐年增长趋势,其所致疾病负担和社会经济负担愈发严重。原发性膝骨性关节炎的发病机制尚不完全清楚。既往研究表明:增龄、肥胖、繁重职业活动是膝骨性关节炎的重要危险因素。2017年Nature Reviews Rheumatology的文章提出,骨性关节炎有以外伤、老化、炎性、代谢为导向的多种表型,但各类表型都与代谢改变有关。近年来,糖尿病、代谢综合征等代谢性疾病对膝骨性关节炎的影响受到广泛关注。高脂血症作为一种常见的代谢改变,表现为血脂或血脂蛋白异常升高。高脂血症对膝骨性关节炎产生一定影响。由于脂肪细胞与骨骼肌肉细胞有着共同的间充质干细胞前体,补充脂肪酸可以将体外培养的间充质干细胞分化方向由向成骨细胞分化扭转为向脂肪细胞分化。脂肪因子瘦素(Leptin)促进软骨细胞表达基质金属蛋白酶13(MMP13),从而促进软骨细胞分解代谢。脂质代谢紊乱产生大量氧化修饰低密度脂蛋白和游离脂肪酸,从而刺激软骨细胞炎性因子表达水平升高,而炎性反应被认为是膝骨性关节炎的重要致病机制之一。既往有少量人群研究发现骨性关节炎病人高脂血症患病率升高或者血液中脂肪酸等水平升高。高脂血症与膝骨性关节炎的关联及作用机制均不完全清楚。为探讨高脂血症与膝骨性关节炎的关联性及可能机制,本研究依托东风-同济队列,以2013年收集的13906名队列成员为研究对象,通过问卷调查收集研究对象基本信息,以血脂测定和临床检查确定高脂血脂和膝骨性关节炎,分析高脂血症对膝骨性关节炎的患病和发病的影响;并进一步设计动物实验探讨高脂血症与膝骨性关节炎关联的可能机制。我们的目的是:(1)获得膝骨性关节炎在中老年人群中的流行病学分布特征及其影响因素;(2)以2013年收集的数据分析高脂血症与膝骨性关节炎患病的关联性。随访前述研究对象至2018年,排除2013年膝骨性关节炎患者,分析高脂血症与膝骨性关节炎发病的关联性;(3)为探讨高脂血脂导致膝骨性关节炎的可能机制,通过高脂血症致膝骨性关节炎的小鼠模型,探讨炎性反应在高脂血症致膝骨性关节炎中的作用。本研究内容分为以下三个部分。第一部分:中老年人群膝骨性关节炎的分布及影响因素目的:统计中老年人群膝骨性关节炎的患病分布情况及其影响因素,为全面了解我国膝骨性关节炎疾病负担提供一定科学数据。方法:研究对象来自东风-同济队列,为2013年随访时在东风总医院体检的所有成员,通过面对面问卷调查收集研究对象的基本信息、详尽职业史、生活方式等信息,通过体检收集人体测量信息和膝关节健康状况。膝关节疼痛诊断标准为:1年中膝关节疼痛时间累计超过1个月,或有1周以上的持续性膝关节疼痛,或有晨僵。膝骨性关节炎诊断标准为:膝关节疼痛并有膝骨性关节炎的影像学改变。依据国际糖尿病联盟的划分标准,腹型肥胖被定义为男性腰围>90 cm和女性腰围>80 cm。选取研究对象从事过的劳动强度最大的工种,分为轻度、中度、重度和极重度劳动强度。选取研究对象从事过的时间最长的工种,依据每个工作日处于某姿势的时间≥4 h,分为坐姿、站姿、弯腰、以及蹲或跪。轮班是指从事正常白班时间(从8:00到17:00)以外的规律轮换工作1年及以上。采用卡方检验比较不同特征人群的膝骨性关节炎或膝关节疼痛患病率差异。采用logistic回归模型分析膝骨性关节炎或膝关节疼痛可能影响因素的比值比(Odds ratio,OR)及其95%可信区间(Confidence interval,CI)结果:研究对象共13906名,女性7560名(54.4%),平均年龄64.7±8.2岁。膝骨性关节炎患病人数为927,患病率为6.7%;膝关节疼痛患病人数为5420,患病率39.0%。女性膝骨性关节炎和膝关节疼痛患病率(8.5%,46.5%)均显著高于男性(4.4%,30.0%)。随着年龄增长,膝骨性关节炎和膝关节疼痛患病率显著升高,其中男性<65、65~69、≥70岁者的膝骨性关节炎患病率分别为3.6%、4.7%和5.0%,膝关节疼痛患病率分别为28.3%、30.0%和31.7%;女性<55、55~64、≥65岁者的膝骨性关节炎患病率分别为5.4%、8.0%和11.9%,膝关节疼痛患病率分别为39.7%、47.0%和52.0%。随着受教育水平升高,膝骨性关节炎和膝关节疼痛患病率显著降低,小学及以下、大学大专及以上学历者的膝骨性关节炎患病率分别为7.5%和5.2%,膝关节疼痛患病率分别为42.1%和34.7%。腹型肥胖者的膝骨性关节炎和膝关节疼痛的患病率(8.8%,44.7%)显著高于非腹型肥胖者(4.8%,34.1%)。膝骨性关节炎和膝关节疼痛患病率在男性从不饮酒者中最低(3.7%,28.1%),在现时饮酒者(5.0%,31.8%)和已戒酒者(5.5%,30.6%)中显著升高;而在女性不同饮酒状态者中分布无统计学差异。膝骨性关节炎和膝关节疼痛患病率在慢跑、自行车和游泳运动人群中显著降低。吸烟对膝骨性关节炎或膝关节疼痛患病率影响较小。随着劳动强度增加,膝骨性关节炎和膝关节疼痛患病率升高;处于站立(膝骨性关节炎7.1%,膝关节疼痛40.7%)、弯腰(6.6%,41.1%)等不良劳动体位工人的膝骨性关节炎和膝关节疼痛患病率高于处于坐姿者(6.5%,36.7%);轮班工人的膝骨性关节炎和膝关节疼痛患病率(7.0%,41.6%)显著高于白班工人(6.4%,37.3%)。多因素logistic回归分析结果显示,膝骨性关节炎的患病危险因素包括女性性别(OR 2.40,95%CI 1.90-3.03)、年龄增长(1.04,1.03-1.05)、腹型肥胖(1.47,1.26-1.71)和饮酒(1.26,1.09-1.55)。膝关节疼痛患病危险因素包括女性性别(2.34,2.08-2.62)、年龄增长(1.02,1.01-1.03)、腹型肥胖(1.30,1.21-1.41)、饮酒(1.22,1.10-1.35)、劳动强度增加(中度:OR=0.99;重度OR=1.17;极重度OR=1.22)和轮班(1.17,1.08-1.28)。结论:膝骨性关节炎和膝关节疼痛更多分布在年长、女性、腹型肥胖、饮酒、高强度体力劳动、不良劳动体位和有轮班经历的研究对象中。性别、年龄、腹型肥胖、饮酒可能是膝骨性关节炎的影响因素;性别、年龄、腹型肥胖、饮酒、劳动强度、轮班可能是膝关节疼痛的影响因素。第二部分:高脂血症与膝骨性关节炎关联性的人群流行病学研究目的:探讨高脂血症对膝骨性关节炎和膝关节疼痛患病和发病风险影响。方法:以第一部分确定的队列退休工人为研究对象,前瞻性随访所有研究对象5年,基线和随访均通过问卷调查和体检收集信息。膝骨性关节炎诊断标准同第一部分一致。依据《中国成人血脂异常防治指南》诊断高脂血症:空腹甘油三酯(Triglyceride,TG)浓度≥1.7 mmol/L;或空腹总胆固醇(Total cholesterol,TC)浓度≥5.2 mmol/L;或既往被临床医生诊断为高脂血症。在横断面研究中采用logistic回归模型评估高脂血症对膝骨性关节炎患病风险的OR及95%CI。将连续型血脂指标纳入logistic回归模型,分析血脂指标与膝骨性关节炎患病风险的线性关系;通过对血脂指标进行立方样条变换(Cubic smoothing spline),评估各项血脂指标与膝骨性关节炎患病风险的非线性关联。采用分层分析,评估高脂血症与膝骨性关节炎患病风险在不同生理状态下的关联性。采用相对超额危险度(Relative excess risk due to interaction,RERI)评估高脂血症与其他因素对膝骨性关节炎患病风险的交互作用。在随访研究中采用COX模型评估高脂血症对膝骨性关节炎发病风险的危险比(Hazard ratio,HR)及其95%CI。将连续型血脂指标纳入COX回归模型,分析血脂指标与膝骨性关节炎发病风险的线性关联;通过在COX模型引入立方样条变换的血脂指标,评估各项血脂指标与膝骨性关节炎发病风险的非线性关联。采用分层分析,评估高脂血症与膝骨性关节炎发病风险在不同生理状态下的关联性。采用RERI评估高脂血症与其他因素对膝骨性关节炎发病风险的交互作用。结果:横断面研究共纳入13906名研究对象,高脂血症组的膝骨性关节炎和膝关节疼痛患病风险分别是非高脂血症组的1.35倍(95%CI 1.16-1.56)和1.31倍(95%CI 1.21-1.43)。为排除降脂药的影响,按是否使用降脂药分层后,与非高脂血症且未用降脂药组相比,非高脂血症且预防用降脂药组的膝骨性关节炎(OR 1.09,95%CI 0.77-1.55)或膝关节疼痛患病风险(OR 1.04,95%CI 0.86-1.26)并未升高;而高脂血症组,无论使用降脂药与否,膝骨性关节炎和膝关节疼痛患病风险都显著升高,未用药组膝骨性关节炎OR(95%CI)为1.24(1.01-1.52),用药组膝骨性关节炎OR(95%CI)为1.46(1.21-1.76),未用药组膝关节疼痛OR(95%CI)为1.28(1.14-1.42),用药组膝关节疼痛OR(95%CI)为1.36(1.22-1.52)。TG水平每升高1单位,膝骨性关节炎和膝关节疼痛患病风险分别增加8%和4%。TC水平和低密度脂蛋白胆固醇(Low density lipoprotein cholesterol,LDLC)水平每升高1单位,膝关节疼痛患病风险分别增加9%和7%。高密度脂蛋白胆固醇(High density lipoprotein cholesterol,HDLC)升高与膝关节疼痛患病风险降低存在显著非线性关联(非线性检验P<0.001)。分层分析表明,高脂血症与膝骨性关节炎和膝关节疼痛的关联性在男性和女性、各年龄层、腹型肥胖和非腹型肥胖组、饮酒和不饮酒组、各个劳动强度组、轮班和白班组都具有统计学意义。交互作用分析结果显示,高脂血症与女性性别对膝骨性关节炎和膝关节疼痛患病风险有显著相加交互作用,RERI分别为0.81(95%CI 0.11-1.50)和0.75(95%CI 0.37-1.13)。剔除基线患有膝骨性关节炎和膝关节疼痛者,前瞻性研究分别有7901和6613名研究对象被纳入高脂血症与膝骨性关节炎和膝关节疼痛发病风险关联性分析。与非高脂血症组相比,高脂血症组的膝骨性关节炎发病风险增至1.52倍(95%CI,1.18-1.96),膝关节疼痛发病风险增至1.21倍(95%CI,1.08-1.36)。按降脂药使用情况分组,与非高脂血症未用降脂药组相比,高脂血症用降脂药组的膝骨性关节炎和膝关节疼痛的发病风险显著增加,HR(95%CI)分别为1.74(1.27-2.40)和1.21(1.03-1.41);而非高脂血症用降脂药组的膝骨性关节炎和膝关节炎疼痛发病并未增加,HR(95%CI)分别为1.68(0.95-2.98)和1.08(0.80-1.45)。对于具体的血脂指标来说,随着TG和LDLC水平升高,膝骨性关节炎和膝关节疼痛发病风险有增加趋势;TC水平每升高1单位,膝关节疼痛发病风险增加6%;随着HDLC水平升高,膝骨性关节炎发病风险有降低趋势。分层研究结果显示,在男性或女性、各年龄层、腹型肥胖或非腹型肥胖组、饮酒或不饮酒、各个劳动强度组、轮班或白班组,高脂血症患者的膝骨性关节炎和膝关节疼痛的发病率都显著高于非高脂血症人群;但高脂血症与膝骨性关节炎或膝关节疼痛发病风险关联在女性中比在男性中更显著。交互作用分析结果显示,女性性别与高脂血症可能对膝骨性关节炎和膝关节疼痛发病有协同作用,RERI分别为0.75和0.25。年龄、腹型肥胖、饮酒、劳动强度或轮班与高脂血症对膝骨性关节炎或膝关节疼痛无交互作用。结论:高脂血症显著增加中老年人群的膝骨性关节炎和膝关节疼痛的患病和发病风险。横断面研究和随访研究都表明TC与膝骨性关节炎和膝关节疼痛之间有显著剂量反应关系。年龄、性别、腹型肥胖、饮酒、职业活动或使用降脂药并未改变高脂血症与膝骨性关节炎和膝关节疼痛的关联性。第三部分:高脂血症致小鼠膝骨性关节炎的炎性机制探讨目的:探究Nalp3炎性体在高脂血症致小鼠膝骨性关节炎中的作用。方法:通过长期高脂饮食制备小鼠高脂血症致膝骨性关节炎模型,共分为4组:高脂饮食组、正常饮食组、高脂饮食运动组、正常饮食运动组。喂养6个月后,测定各组血脂水平;制备膝关节组织切片番红固绿染色后进行OARSI组织病理评分;测定各组软骨和滑膜MMP13 mRNA相对表达水平,进一步评估膝关节损伤情况。然后通过腹腔注射caspase-1拮抗剂制备Nalp3炎性体功能阻断模型,分为4组:高脂饮食组、正常饮食组、高脂饮食拮抗剂组、正常饮食拮抗剂组。喂养6个月后,测定各组血脂水平,软骨和滑膜Nalp3、caspase-1、IL-1βmRNA相对表达水平,软骨和滑膜caspase-1、IL-1β蛋白水平,血清IL-1β水平;制备膝关节组织切片在番红固绿染色后评估膝关节损伤情况。结果:血清TG、TC、LDLC水平在高脂饮食组最高(平均值分别为1.12、5.62、1.04 mmol/L),在高脂饮食运动组次高(平均值分别为1.11、4.50、0.68mmol/L),在正常饮食组降低(平均值分别为0.90、2.86、0.19 mmol/L),在正常饮食运动组最低(平均值分别为0.89、2.29、0.17 mmol/L)。血脂水平与膝关节损伤程度呈现正向剂量-反应关系:高脂饮食组表层软骨基质丢失、软骨细胞数目严重减少,OARSI评分平均值为3.6,MMP13 mRNA相对表达水平为1.49,呈现典型膝骨性关节炎特征;高脂饮食运动组软骨表面不连续、软骨细胞数目减少,OARSI评分平均值为1.0,MMP13 mRNA相对表达水平为1.36,膝关节损伤程度减轻;正常饮食组和正常饮食运动组软骨表面光滑连续、软骨细胞排列规则,OARSI评分平均值分别为0.2和0.1,MMP13 mRNA相对表达水平分别为1.08和0.99,膝关节无损伤。结果显示高脂血症致小鼠膝骨性关节炎模型制备成功。与正常饮食组相比,高脂饮食组的血清IL-1β水平(226.4 vs 77.2 pg/ml,P=0.05),软骨和滑膜caspase-1 mRNA相对表达水平(1.66 vs 1.08,P=0.01)和IL-1βmRNA相对表达水平(2.07 vs 1.08,P=0.006),以及软骨和滑膜caspase-1、IL-1β蛋白水平都显著升高,说明Nalp3炎性体可能参与了高脂血症致膝骨性关节炎的过程。拮抗caspase-1未改变高脂饮食导致的血脂变化情况;但高脂饮食拮抗剂组的血清IL-1β水平显著低于高脂饮食组(103.6 vs 226.4 pg/ml,P=0.05),软骨和滑膜IL-1βmRNA相对水平显著低于高脂饮食组(1.42 vs 2.07,P=0.09),软骨和滑膜IL-1β蛋白相对表达水平低于高脂饮食组,相应的OARSI评分也显著低于高脂饮食组(0.3 vs 3.6,P=0.003),说明拮抗caspase-1可显著减缓高脂血症引起的膝骨性关节炎的进展。结论:Nalp3炎性体可能对高脂血症引起的膝骨性关节炎改变起到正向调控作用。