The interplay between biochemical mediators and mechanotransduction in chondrocytes: Unravelling the differential responses in primary knee osteoarthritis

Keywords: Biochemical mediators; Chondrocyte; Knee; Mechanoreceptor; Mechanotransduction; Osteoarthritis.

骨關(guān)節(jié)炎（OA）是普遍的關(guān)節(jié)炎疾病。骨關(guān)節(jié)炎可累及全身各關(guān)節(jié)，如髖關(guān)節(jié)、脊柱或手指。在正常狀態(tài)下，膝關(guān)節(jié)允許相鄰骨骼之間的平穩(wěn)運動，這要歸功于關(guān)節(jié)軟骨（AC），其中負責(zé)合成和維持軟骨基質(zhì)，以及修復(fù)受損組織的是軟骨細胞。目前，關(guān)于原發(fā)性 OA 的病因是機械性的還是炎癥性的一直存在爭議。

一方面，機體水平的全身性低度炎癥可能在原發(fā)性OA的發(fā)病機制中起重要作用。全身介質(zhì)（如瘦素、c-反應(yīng)蛋白）從血流遷移到滑膜關(guān)節(jié)，增加所有滑膜細胞（如成纖維細胞和滑膜細胞）的促炎和促分解代謝活性，從而激活先天免疫系統(tǒng)（圖1）；之后，軟骨細胞失去了維持正常AC的能力，因為它們開始分泌促炎因子和降解酶，從而使關(guān)節(jié)中的促炎過程持久化，包括滑膜炎和積液；最終，軟骨細胞死亡，AC消失。

圖1 （1）代謝綜合征、肥胖或衰老會增加促炎因子的循環(huán)水平，（2）這些促炎因子可以滲入關(guān)節(jié)。（3）它們將先天免疫細胞募集到關(guān)節(jié)中，從而增加（4）促炎介質(zhì)的分泌。（5）它們擴散到關(guān)節(jié)軟骨（AC）中，激活軟骨細胞的分解代謝。（6）AC被降解，炎癥隨著時間的推移而持續(xù)，導(dǎo)致滑膜炎、積液和骨囊腫。

另一方面，軟骨細胞是機械敏感細胞，它們對機械負荷的反應(yīng)取決于負荷的頻率、速率和幅度。適度的機械負荷可維持正常的組織功能，并具有抗炎作用。相反，機械負荷過高或過低可能導(dǎo)致軟骨破壞和促炎細胞因子表達增加。同時，機械轉(zhuǎn)導(dǎo)過程可以通過促炎和抗炎可溶性介質(zhì)調(diào)控和被調(diào)控。因此，在OA中，機械轉(zhuǎn)導(dǎo)的復(fù)雜過程可能會發(fā)生改變，從而使軟骨細胞對機械信號具有不同的敏感性，并且在OA條件下，在健康軟骨中的機械刺激可能變得有害。

鑒于此，西班牙龐培法布拉大學(xué)BCN 醫(yī)學(xué)技術(shù)及瑞士伯爾尼大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究系的課題團隊在一項綜述中概述了軟骨細胞的生化暴露如何改變這些細胞中重要的機械轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，重點關(guān)注了整合素、Ca2+ 通道、初級纖毛和 Wnt 信號（經(jīng)典和非經(jīng)典）四種主要的機械傳感器，簡要總結(jié)了其在健康或OA條件下對機械負荷的響應(yīng)，并總結(jié)了已發(fā)表的研究成果，這使得我們更好的理解原發(fā)性 OA 的病理驅(qū)動因素。研究成果發(fā)表在 Physics of Life Reviews 期刊題為“The interplay between biochemical mediators and mechanotransduction in chondrocytes: Unravelling the differential responses in primary knee osteoarthritis”。

鈣通道

細胞內(nèi) Ca2+ 振蕩是軟骨細胞在暴露于機械刺激時最早的分子反應(yīng)之一。多項研究表明，過量的 Ca2+ 過載，無論是來自細胞內(nèi)或細胞外，都可能導(dǎo)致細胞死亡，證明了細胞內(nèi)Ca2+ 的穩(wěn)態(tài)在確保軟骨細胞健康和AC 完整性中的重要性。

PIEZO通道

PIEZO 通道（即 PIEZO1 和 PIEZO2）將高生理機械應(yīng)變轉(zhuǎn)導(dǎo)為增加的 Ca2+，導(dǎo)致軟骨細胞的退行性過程（表1）。PIEZO通道在原代軟骨細胞中的表達已被證明是穩(wěn)健的，它們在高損傷性的應(yīng)變下都協(xié)同促進軟骨細胞機械轉(zhuǎn)導(dǎo)，誘導(dǎo)細胞外來源的 Ca2+ 內(nèi)流。過度機械拉伸激活的 PIEZO1 通道會導(dǎo)致軟骨細胞增殖水平異常。

局部炎癥因子促進這些通道在軟骨細胞細胞外膜中的擴大積累。以往研究證明，白細胞介素1α（IL-1α）可誘導(dǎo)PIEZO1表達上調(diào)。除炎癥外，內(nèi)分泌因子也會影響PIEZO1的表達。一方面，雌激素通過調(diào)節(jié)肌動蛋白/PIEZO1軸抑制應(yīng)力介導(dǎo)的PIEZO1激活和軟骨細胞凋亡。另一方面，尿皮質(zhì)素1（UCN1）耗竭抗體和 UCN1 受體拮抗劑導(dǎo)致人軟骨細胞系（C-20/A4）中顯著的細胞死亡，證明了 UCN1 的促生存作用。此外，UCN1 下調(diào)膠原誘導(dǎo)關(guān)節(jié)炎小鼠發(fā)炎關(guān)節(jié)中促炎細胞因子（如TNF、IFN-γ、IL-6、IL-1β）的產(chǎn)生。

表1    PIEZO1/2對機械刺激的響應(yīng)。

瞬時感受器電位香草酸受體4（TRPV4）

TRPV4 也是一種非選擇性陽離子通道，對鈣離子具有良好的選擇性滲透性，對生理滲透和動態(tài)壓縮敏感。然而，與 PIEZO 通道相反，TRPV4 是由生理水平的應(yīng)變誘導(dǎo)的，并在短期、適度的調(diào)節(jié)下與抗炎反應(yīng)有關(guān)（表2）。

表2   TRPV4對機械刺激的反應(yīng)。

鑒于TRPV4在軟骨細胞和軟骨穩(wěn)態(tài)中具有明顯的積極作用，其在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)患者OA軟骨中的表達降低。一項大鼠模型的體內(nèi)實驗表明，TRPV4 參與了較輕程度的 OA：沒有 TRPV4 的小鼠表現(xiàn)出較輕的 OA 嚴重癥狀（即較低的 Mankin 評分、較少的結(jié)構(gòu)變性和滑膜炎）。TRPV4對不同負荷下軟骨細胞代謝的特異性響應(yīng)總結(jié)在表2。

研究表明，TRPV4 的藥理激活顯著增加了 TGF-β 的典型反應(yīng)（即 Smad3 激活），并參與了牛關(guān)節(jié)軟骨細胞中的Ca2+/鈣調(diào)蛋白軸。TRPV4 對 TGF-β 信號傳導(dǎo)的協(xié)同作用表明機械刺激存在正向循環(huán)，以增強軟骨細胞合成代謝。然而，TGF-β的作用是有爭議的，因為它在OA的早期階段增加。

整合素

 整合素是由α和β亞基組成的異二聚體跨膜蛋白，將 ECM 連接到細胞骨架和細胞核，還可以充當(dāng)物理信號的傳感器。特異性整合素在不同機械刺激下調(diào)節(jié)軟骨細胞活性（即增殖、分化、炎癥或抗炎癥）。軟骨細胞表達α1β1、α2β1、α3β1、α5β1、αvβ3和αvβ5，但這種表達在健康軟骨細胞和OA軟骨細胞之間并不一致。整合素介導(dǎo)的機械信號可能與可溶性因子（即生長因子和細胞因子）產(chǎn)生的信號發(fā)生串?dāng)_，從而影響整合素在軟骨細胞膜中的表達模式。最終，這些差異表達可能有助于解釋 OA 和正常軟骨細胞在機械負荷下表現(xiàn)出的不同行為。

整合素α5β1

 關(guān)節(jié)軟骨細胞中顯著突出表達整合素是α5β1。它是轉(zhuǎn)導(dǎo)機械負荷的關(guān)鍵因素，并參與細胞增殖、分化和遷移。在循環(huán)壓縮力之后，α5亞基表達在軟骨細胞中上調(diào)，而β1亞基表達受機械應(yīng)力影響較小。動態(tài)壓縮響應(yīng)下，α5β1被發(fā)現(xiàn)通過 TGF-β 3 通路介導(dǎo)信號傳導(dǎo)，以增加蛋白聚糖合成和軟骨細胞增殖。有研究進一步提出該整合素的機械激活受IL-1β調(diào)節(jié)。

機械超負荷會激活α5β1整合素，破壞肌動蛋白細胞骨架并激活NF-κB和 MAPK3 家族。降低機械負荷會激活 IL-1β受體，導(dǎo)致細胞外信號調(diào)節(jié)蛋白激酶（ERK1/2）和 MMPs 的下游激活，從而導(dǎo)致組織損傷。奇怪的是，這種整合素也參與軟骨細胞的超極化，因為α5β1在軟骨細胞單層培養(yǎng)過程中也通過增加膜的超極化來響應(yīng)周期性應(yīng)變。相關(guān)的機械傳導(dǎo)途徑見圖2.

圖2   0.33 Hz 周期性拉伸應(yīng)變?nèi)绾握T導(dǎo) α5β1整合素激活并通過釋放 P 物質(zhì)（SP）導(dǎo)致 IL-4 表達的示意圖。IL-4 受體直接激活磷脂酶C（PLC），通過甘油酯（DAG）和蛋白激酶C（PKC）激活小電導(dǎo)鈣激活鉀通道（SK），從而增加細胞內(nèi) Ca2+ 的內(nèi)流。同時，IL-4 的激活誘導(dǎo)對軟骨細胞的促合成代謝作用，因為它激活了 Aggrecan（ACAN）的合成并抑制 IL-1β和降解酶（MMP-13）的分泌。

 然而，在這種整合素的刺激下，OA的軟骨細胞不存在這種軟骨保護反應(yīng)。OA 軟骨細胞不釋放 IL-4，而是產(chǎn)生 IL-1β。OA和健康軟骨之間的這種差異行為可以通過ECM降解片段（如RGD肽）的存在來解釋。α5β1單獨與RGD肽結(jié)合，而不與完整的纖連蛋白（FN）結(jié)合，增加了兔膝軟骨細胞的分解代謝反應(yīng)。

整合素αvβ3

 整合素αvβ3參與動態(tài)壓縮的轉(zhuǎn)導(dǎo)，因為抑制軟骨細胞中的整合素減少了蛋白聚糖的合成，而在相同的動態(tài)負荷下會增加蛋白聚糖的合成。然而，αvβ3在過度機械應(yīng)力的情況下參與OA的進展，觸發(fā)下游炎癥和退行性介質(zhì)。與α5β1類似、整合素αvβ3 通過 MAPK/ERK 信號與降解產(chǎn)物和 CD47 接觸時啟動分解代謝反應(yīng)，增加促炎介質(zhì)和基質(zhì)降解酶的表達。過度機械刺激還會導(dǎo)致黏著斑激酶（FAK）和 ERK 磷酸化，從而顯著增加 MMP-9、MMP-13、ADAMTS-5 和 Runx2 的表達，同時降低 Col-II 和 Agg 的表達。

此外，αvβ3已被證明通過發(fā)育性內(nèi)皮基因座-1（DEL1）在軟骨細胞凋亡中發(fā)揮作用。通過整合素αvβ3介導(dǎo)，DEL1 保護軟骨細胞免于凋亡和損失，并促進 ERK 和蛋白激酶B（PKB，也稱為 Akt）激活。雖然這種作用被 RGD 肽和αvβ3抗體阻斷，但單獨αvβ3抗體是沒有效果的。因此，這種整合素激活的不同效應(yīng)可以通過可能存在的降解產(chǎn)物來解釋。

 整合素α1β1

整合素α1β1在低滲透壓應(yīng)激的轉(zhuǎn)導(dǎo)中起著至關(guān)重要的作用，并且在肥大樣軟骨細胞中發(fā)現(xiàn)這種整合素的表達水平升高。在中等拉伸應(yīng)變下，研究表明，β1-介導(dǎo) IL-6 降低和 IL-4 升高以及 FAK 和 ERK1/2 的磷酸化。此外，α1亞基參與 TRPV4 激活，因此當(dāng)施加循環(huán)負荷時，軟骨細胞超極化（Ca2+內(nèi)流）。α1β1在軟骨細胞的低滲透應(yīng)激轉(zhuǎn)導(dǎo)中似乎至關(guān)重要，但可能依賴于TRPV4。

 整合素α2β1和α4β1

整合素α2β1與II型和IV型膠原及軟骨粘附蛋白結(jié)合，α4β1與FN結(jié)合。在骨關(guān)節(jié)炎的晚期，α2整合素表達增加，這與由于 MMP s活性增加而發(fā)生的 ECM 含量改變相關(guān)。此外，X型膠原蛋白是軟骨肥大的標志物，也被證明可以直接通過α2β1相互作用。然而，這些整合素在OA軟骨中的上調(diào)仍然是一個有爭議的問題，迄今為止，還沒有發(fā)現(xiàn)可溶性蛋白質(zhì)來調(diào)節(jié)它們的表達。

初級纖毛

關(guān)節(jié)軟骨細胞每個細胞都存在一個非運動纖毛，其發(fā)生率和形態(tài)對機械信號（表3）和 AC 狀態(tài)敏感。在正常軟骨中，纖毛的長度在淺表區(qū)極低，并且隨著與關(guān)節(jié)表面的距離而增加。在 OA 組織中，纖毛的長度在降解的 AC 表面附近增加，導(dǎo)致纖毛的整體比例增加。此外，每個軟骨細胞的纖毛數(shù)量（即發(fā)生率）在 OA 組織中根據(jù)傳遞到 AC 的機械負荷而波動。

表3   初級纖毛對機械刺激的反應(yīng)。

軟骨細胞需要初級纖毛來獲得蛋白聚糖的機械敏感合成，這與Ca2+ 內(nèi)流在正弦（1 Hz）生理性 15% 壓縮應(yīng)變 1 小時和 1 Hz 循環(huán)拉伸應(yīng)變2 小時下的增加有關(guān)。在低滲透刺激后，纖毛也通過TRPV4調(diào)節(jié)Ca2+ 的內(nèi)流。嘌呤能-ATP 信號通路是在初級纖毛中報道的一種特殊的機械轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，它在靜水壓縮后增加軟骨細胞的超極化，最終導(dǎo)致Agg表達上調(diào)。此外，在初級纖毛上發(fā)現(xiàn)了連接蛋白43，這表明纖毛可能參與相應(yīng)的機械轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。當(dāng)負載靜水壓力刺激時，軟骨細胞纖毛通過生長板軟骨細胞的Ihh配體特異性地介導(dǎo)Hedgehog（Hh）通路的激活。此外，Hh 通路與甲狀旁腺激素信號（PTHrP）串?dāng)_，PTHrP 參與控制骨骼發(fā)育中生長板中的軟骨細胞表型，并確定保持 AC 健康的穩(wěn)態(tài)。PTHrP/Ihh 反饋回路是軟骨細胞肥厚表型的主要決定因素。

Wnt 信號

Wnt 信號在健康和骨關(guān)節(jié)炎軟骨細胞中的作用是有爭議的。一方面，典型 Wnt 信號的過度激活與 AC 中的分解代謝作用有關(guān)，并且在 OA 患者中過度表達。具體來說，典型通路的激活導(dǎo)致過早的肥大樣表型發(fā)育（X 型膠原、MMP-9 和 MMP-13 的上調(diào)）。一項涉及人 OA 軟骨的研究表明，ECM 沉積的增加與軟骨細胞中 Wnt 活性的抑制相關(guān)。該研究還表明，較高的Wnt活性降低了生理負荷對軟骨細胞的有益影響。另一方面，在小鼠體內(nèi)研究中，關(guān)節(jié)軟骨細胞中的β-連環(huán)蛋白抑制導(dǎo)致 AC 破壞。因此，需要嚴格調(diào)節(jié)Wnt活性來維持軟骨穩(wěn)態(tài)。然而，這種調(diào)節(jié)平衡機制在很大程度上仍然未知。一個合理的假設(shè)是 Wnt 受內(nèi)源性因子的調(diào)節(jié)，類似于其他機械感受器。

有趣的是，有研究表明，ATCD5軟骨細胞在0.05 Hz，12% 的動態(tài)拉伸下增加了β-連環(huán)蛋白的核易位，這與機械刺激1小時后Col-II的mRNA表達增加有關(guān)。補充 Dickkopf 1（Dkk1）在同等幅度的動態(tài)拉伸下通過與 LRP-5/6 結(jié)合抑制β-連環(huán)蛋白的活化。這些發(fā)現(xiàn)表明，Dkk1 發(fā)揮負前饋回路，以確保β-連環(huán)蛋白激活保持在維持軟骨細胞健康狀態(tài)的范圍內(nèi)。因此，與健康個體相比，OA患者的血漿和滑液中的Dkk1水平降低。

與 Dkk1 類似，Wnt-16 的激活可拮抗過度的 β-連環(huán)蛋白激活，并防止 AC 降解。然而，Wnt-16 在 AC 損傷后上調(diào)。那么，Wnt-16可能是經(jīng)典Wnt通路的弱激活劑。

最后，由骨細胞產(chǎn)生的硬化蛋白降低了Wnt-3對小鼠單層軟骨細胞培養(yǎng)物的分解代謝和肥大作用。研究發(fā)現(xiàn)，硬化蛋白對軟骨細胞代謝的保護作用部分是由抑制 JNK 通路介導(dǎo)的，JNK 通路是 Wnt 信號傳導(dǎo)中的非典型事件。硬化蛋白的有益作用僅在健康的軟骨細胞中具有活性，抑制 IL-1α對健康軟骨細胞的促分解代謝作用，但在 OA 軟骨細胞中則沒有。

總之，軟骨細胞病理變化的進展涉及由機械生物學(xué)、自分泌/旁分泌甚至內(nèi)分泌事件控制的分子過程的復(fù)雜相互作用。因此，骨關(guān)節(jié)炎最終被視為一種復(fù)雜的多因素疾病，整個身體都參與了關(guān)節(jié)易損性的發(fā)展。理解局部和全身因素如何調(diào)節(jié)軟骨細胞機械信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)和整合是更好地理解 OA 病理生理學(xué)的關(guān)鍵。

參考文獻：Segarra-Queralt M, Crump K, Pascuet-Fontanet A, Gantenbein B, Noailly J. The interplay between biochemical mediators and mechanotransduction in chondrocytes: Unravelling the differential responses in primary knee osteoarthritis. Phys Life Rev. 2024 Mar;48:205-221. doi: 10.1016/j.plrev.2024.02.003. Epub 2024 Feb 12. PMID: 38377727.

Impact Factor   13.7

Online ISSN: 1873-1457

Print ISSN: 1571-0645
原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38377727/

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