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）是比較普遍的關(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，然而，它在膝關(guān)節(jié)中最為普遍。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(fù)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(xì)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O(shè)A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(xì)胞（如成纖維細(xì)胞和滑膜細(xì)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(xì)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)中的促炎過程持續(xù)存在，包括滑膜炎和積液；最終，軟骨細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)胞是機械敏感細(xì)胞，它們對機械負(fù)荷的反應(yīng)取決于負(fù)荷的頻率、速率和幅度。適度的機械負(fù)荷可維持正常的組織功能，并具有抗炎作用。相反，機械負(fù)荷過高或過低可能導(dǎo)致軟骨破壞和促炎細(xì)胞因子表達(dá)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(xì)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(xì)胞的生化暴露如何改變這些細(xì)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(fù)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(xì)胞內(nèi) Ca2+ 振蕩是軟骨細(xì)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(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞外，都可能導(dǎo)致細(xì)胞死亡，證明了細(xì)胞內(nèi)Ca2+ 的穩(wěn)態(tài)在確保軟骨細(xì)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(xì)胞的退行性過程（表1）。PIEZO通道在原代軟骨細(xì)胞中的表達(dá)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(jìn)軟骨細(xì)胞機械轉(zhuǎn)導(dǎo)，誘導(dǎo)細(xì)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(xì)胞增殖水平異常。

局部炎癥因子促進(jìn)這些通道在軟骨細(xì)胞細(xì)胞外膜中的擴大積累。以往研究證明，白細(xì)胞介素1α（IL-1α）可誘導(dǎo)PIEZO1表達(dá)上調(diào)。除炎癥外，內(nèi)分泌因子也會影響PIEZO1的表達(dá)。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(xì)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(xì)胞系（C-20/A4）中顯著的細(xì)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(xì)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(xì)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(dá)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(yán)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(fù)荷下軟骨細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)胞骨架和細(xì)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(xì)胞活性（即增殖、分化、炎癥或抗炎癥）。軟骨細(xì)胞表達(dá)α1β1、α2β1、α3β1、α5β1、αvβ3和αvβ5，但這種表達(dá)在健康軟骨細(xì)胞和OA軟骨細(xì)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(xì)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(xì)胞膜中的表達(dá)模式。最終，這些差異表達(dá)可能有助于解釋 OA 和正常軟骨細(xì)胞在機械負(fù)荷下表現(xiàn)出的不同行為。

整合素α5β1

關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞中突出表達(dá)的整合素是α5β1。它是轉(zhuǎn)導(dǎo)機械負(fù)荷的關(guān)鍵因素，并參與細(xì)胞增殖、分化和遷移。在循環(huán)壓縮力之后，α5亞基表達(dá)在軟骨細(xì)胞中上調(diào)，而β1亞基表達(dá)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(xì)胞增殖。有研究進(jìn)一步提出該整合素的機械激活受IL-1β調(diào)節(jié)。

機械超負(fù)荷會激活α5β1整合素，破壞肌動蛋白細(xì)胞骨架并激活NF-κB和 MAPK3 家族。降低機械負(fù)荷會激活 IL-1β受體，導(dǎo)致細(xì)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(xì)胞的超極化，因為α5β1在軟骨細(xì)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(dá)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(xì)胞內(nèi) Ca2+ 的內(nèi)流。同時，IL-4 的激活誘導(dǎo)對軟骨細(xì)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(xì)胞不存在這種軟骨保護反應(yīng)。OA 軟骨細(xì)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(xì)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(xì)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(fù)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(jìn)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(dá)。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(dá)，同時降低 Col-II 和 Agg 的表達(dá)。

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(xì)胞凋亡中發(fā)揮作用。通過整合素αvβ3介導(dǎo)，DEL1 保護軟骨細(xì)胞免于凋亡和損失，并促進(jìn) 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(xì)胞中發(fā)現(xiàn)這種整合素的表達(dá)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(fù)荷時，軟骨細(xì)胞超極化（Ca2+內(nèi)流）。α1β1在軟骨細(xì)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(dá)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(biāo)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(dá)。

初級纖毛

關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞每個細(xì)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)較低，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(xì)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(fù)荷而波動。

表3   初級纖毛對機械刺激的反應(yīng)。

軟骨細(xì)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 信號通路是初級纖毛中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(xì)胞的超極化，最終導(dǎo)致Agg表達(dá)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(fù)載靜水壓力刺激時，軟骨細(xì)胞纖毛通過生長板軟骨細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)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(dá)。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(xì)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(fù)荷對軟骨細(xì)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(xì)胞中的β-連環(huán)蛋白抑制導(dǎo)致 AC 破壞。因此，需要嚴(yán)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(xì)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(dá)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(fù)前饋回路，以確保β-連環(huán)蛋白激活保持在維持軟骨細(xì)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(xì)胞產(chǎn)生的硬化蛋白降低了Wnt-3對小鼠單層軟骨細(xì)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(xì)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(xì)胞中具有活性，抑制 IL-1α對健康軟骨細(xì)胞的促分解代謝作用，但在 OA 軟骨細(xì)胞中則沒有。

總之，軟骨細(xì)胞病理變化的進(jìn)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(xì)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(xiàn)：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.

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