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.
骨关节炎（OA）是比较普遍的关节炎疾病。骨关节炎可累及全身各关节，如髋关节、脊柱或手指，然而，它在膝关节中最为普遍。在正常状态下，膝关节允许相邻骨骼之间的平稳运动，这要归功于关节软骨（AC），其中负责合成和维持软骨基质，以及修复受损组织的是软骨细胞。目前，关于原发性 OA 的病因是机械性的还是炎症性的一直存在争议。
一方面，机体水平的全身性低度炎症可能在原发性OA的发病机制中起重要作用。全身介质（如瘦素、c-反应蛋白）从血流迁移到滑膜关节，增加所有滑膜细胞（如成纤维细胞和滑膜细胞）的促炎和促分解代谢活性，从而激活先天免疫系统（图1）；之后，软骨细胞失去了维持正常AC的能力，因为它们开始分泌促炎因子和降解酶，从而使关节中的促炎过程持续存在，包括滑膜炎和积液；最终，软骨细胞死亡，AC消失。
图1 （1）代谢综合征、肥胖或衰老会增加促炎因子的循环水平，（2）这些促炎因子可以渗入关节。（3）它们将先天免疫细胞募集到关节中，从而增加（4）促炎介质的分泌。（5）它们扩散到关节软骨（AC）中，激活软骨细胞的分解代谢。（6）AC被降解，炎症随着时间的推移而持续，导致滑膜炎、积液和骨囊肿。
另一方面，软骨细胞是机械敏感细胞，它们对机械负荷的反应取决于负荷的频率、速率和幅度。适度的机械负荷可维持正常的组织功能，并具有抗炎作用。相反，机械负荷过高或过低可能导致软骨破坏和促炎细胞因子表达增加。同时，机械转导过程可以通过促炎和抗炎可溶性介质调控和被调控。因此，在OA中，机械转导的复杂过程可能会发生改变，从而使软骨细胞对机械信号具有不同的敏感性，并且在OA条件下，在健康软骨中的机械刺激可能变得有害。
鉴于此，西班牙庞培法布拉大学BCN 医学技术及瑞士伯尔尼大学生物医学研究系的课题团队在一项综述中概述了软骨细胞的生化暴露如何改变这些细胞中重要的机械转导过程，重点关注了整合素、Ca2+ 通道、初级纤毛和 Wnt 信号（经典和非经典）四种主要的机械传感器，简要总结了其在健康或OA条件下对机械负荷的响应，并总结了已发表的研究成果，这使得我们更好的理解原发性 OA 的病理驱动因素。研究成果发表在 Physics of Life Reviews 期刊题为“The interplay between biochemical mediators and mechanotransduction in chondrocytes: Unravelling the differential responses in primary knee osteoarthritis”。
钙通道
细胞内 Ca2+ 振荡是软骨细胞在暴露于机械刺激时最早的分子反应之一。多项研究表明，过量的 Ca2+ 过载，无论是来自细胞内或细胞外，都可能导致细胞死亡，证明了细胞内Ca2+ 的稳态在确保软骨细胞健康和AC 完整性中的重要性。
PIEZO通道
PIEZO 通道（即 PIEZO1 和 PIEZO2）将高生理机械应变转导为增加的 Ca2+，导致软骨细胞的退行性过程（表1）。PIEZO通道在原代软骨细胞中的表达已被证明是稳健的，它们在高损伤性的应变下都协同促进软骨细胞机械转导，诱导细胞外来源的 Ca2+ 内流。过度机械拉伸激活的 PIEZO1 通道会导致软骨细胞增殖水平异常。
局部炎症因子促进这些通道在软骨细胞细胞外膜中的扩大积累。以往研究证明，白细胞介素1α（IL-1α）可诱导PIEZO1表达上调。除炎症外，内分泌因子也会影响PIEZO1的表达。一方面，雌激素通过调节肌动蛋白/PIEZO1轴抑制应力介导的PIEZO1激活和软骨细胞凋亡。另一方面，尿皮质素1（UCN1）耗竭抗体和 UCN1 受体拮抗剂导致人软骨细胞系（C-20/A4）中显著的细胞死亡，证明了 UCN1 的促生存作用。此外，UCN1 下调胶原诱导关节炎小鼠发炎关节中促炎细胞因子（如TNF、IFN-γ、IL-6、IL-1β）的产生。
表1 PIEZO1/2对机械刺激的响应。
瞬时感受器电位香草酸受体4（TRPV4）
TRPV4 也是一种非选择性阳离子通道，对钙离子具有良好的选择性渗透性，对生理渗透和动态压缩敏感。然而，与 PIEZO 通道相反，TRPV4 是由生理水平的应变诱导的，并在短期、适度的调节下与抗炎反应有关（表2）。
表2 TRPV4对机械刺激的反应。
鉴于TRPV4在软骨细胞和软骨稳态中具有明显的积极作用，其在全膝关节置换术患者OA软骨中的表达降低。一项大鼠模型的体内实验表明，TRPV4 参与了较轻程度的 OA：没有 TRPV4 的小鼠表现出较轻的 OA 严重症状（即较低的 Mankin 评分、较少的结构变性和滑膜炎）。TRPV4对不同负荷下软骨细胞代谢的特异性响应总结在表2。
研究表明，TRPV4 的药理激活显著增加了 TGF-β 的典型反应（即 Smad3 激活），并参与了牛关节软骨细胞中的Ca2+/钙调蛋白轴。TRPV4 对 TGF-β 信号传导的协同作用表明机械刺激存在正向循环，以增强软骨细胞合成代谢。然而，TGF-β的作用是有争议的，因为它在OA的早期阶段增加。
整合素
整合素是由α和β亚基组成的异二聚体跨膜蛋白，将 ECM 连接到细胞骨架和细胞核，还可以充当物理信号的传感器。特异性整合素在不同机械刺激下调节软骨细胞活性（即增殖、分化、炎症或抗炎症）。软骨细胞表达α1β1、α2β1、α3β1、α5β1、αvβ3和αvβ5，但这种表达在健康软骨细胞和OA软骨细胞之间并不一致。整合素介导的机械信号可能与可溶性因子（即生长因子和细胞因子）产生的信号发生串扰，从而影响整合素在软骨细胞膜中的表达模式。最终，这些差异表达可能有助于解释 OA 和正常软骨细胞在机械负荷下表现出的不同行为。
整合素α5β1
关节软骨细胞中突出表达的整合素是α5β1。它是转导机械负荷的关键因素，并参与细胞增殖、分化和迁移。在循环压缩力之后，α5亚基表达在软骨细胞中上调，而β1亚基表达受机械应力影响较小。动态压缩响应下，α5β1被发现通过 TGF-β 3 通路介导信号传导，以增加蛋白聚糖合成和软骨细胞增殖。有研究进一步提出该整合素的机械激活受IL-1β调节。
机械超负荷会激活α5β1整合素，破坏肌动蛋白细胞骨架并激活NF-κB和 MAPK3 家族。降低机械负荷会激活 IL-1β受体，导致细胞外信号调节蛋白激酶（ERK1/2）和 MMPs 的下游激活，从而导致组织损伤。奇怪的是，这种整合素也参与软骨细胞的超极化，因为α5β1在软骨细胞单层培养过程中也通过增加膜的超极化来响应周期性应变。相关的机械传导途径见图2.
图2 0.33 Hz 周期性拉伸应变如何诱导 α5β1整合素激活并通过释放 P 物质（SP）导致 IL-4 表达的示意图。IL-4 受体直接激活磷脂酶C（PLC），通过甘油酯（DAG）和蛋白激酶C（PKC）激活小电导钙激活钾通道（SK），从而增加细胞内 Ca2+ 的内流。同时，IL-4 的激活诱导对软骨细胞的促合成代谢作用，因为它激活了 Aggrecan（ACAN）的合成并抑制 IL-1β和降解酶（MMP-13）的分泌。
然而，在这种整合素的刺激下，OA的软骨细胞不存在这种软骨保护反应。OA 软骨细胞不释放 IL-4，而是产生 IL-1β。OA和健康软骨之间的这种差异行为可以通过ECM降解片段（如RGD肽）的存在来解释。α5β1单独与RGD肽结合，而不与完整的纤连蛋白（FN）结合，增加了兔膝软骨细胞的分解代谢反应。
整合素αvβ3
整合素αvβ3参与动态压缩的转导，因为抑制软骨细胞中的整合素减少了蛋白聚糖的合成，而在相同的动态负荷下会增加蛋白聚糖的合成。然而，αvβ3在过度机械应力的情况下参与OA的进展，触发下游炎症和退行性介质。与α5β1类似、整合素αvβ3 通过 MAPK/ERK 信号与降解产物和 CD47 接触时启动分解代谢反应，增加促炎介质和基质降解酶的表达。过度机械刺激还会导致黏着斑激酶（FAK）和 ERK 磷酸化，从而显著增加 MMP-9、MMP-13、ADAMTS-5 和 Runx2 的表达，同时降低 Col-II 和 Agg 的表达。
此外，αvβ3已被证明通过发育性内皮基因座-1（DEL1）在软骨细胞凋亡中发挥作用。通过整合素αvβ3介导，DEL1 保护软骨细胞免于凋亡和损失，并促进 ERK 和蛋白激酶B（PKB，也称为 Akt）激活。虽然这种作用被 RGD 肽和αvβ3抗体阻断，但单独αvβ3抗体是没有效果的。因此，这种整合素激活的不同效应可以通过可能存在的降解产物来解释。
整合素α1β1
整合素α1β1在低渗透压应激的转导中起着至关重要的作用，并且在肥大样软骨细胞中发现这种整合素的表达水平升高。在中等拉伸应变下，研究表明，β1-介导 IL-6 降低和 IL-4 升高以及 FAK 和 ERK1/2 的磷酸化。此外，α1亚基参与 TRPV4 激活，因此当施加循环负荷时，软骨细胞超极化（Ca2+内流）。α1β1在软骨细胞的低渗透应激转导中似乎至关重要，但可能依赖于TRPV4。
整合素α2β1和α4β1
整合素α2β1与II型和IV型胶原及软骨粘附蛋白结合，α4β1与FN结合。在骨关节炎的晚期，α2整合素表达增加，这与由于 MMP s活性增加而发生的 ECM 含量改变相关。此外，X型胶原蛋白是软骨肥大的标志物，也被证明可以直接通过α2β1相互作用。然而，这些整合素在OA软骨中的上调仍然是一个有争议的问题，迄今为止，还没有发现可溶性蛋白质来调节它们的表达。
初级纤毛
关节软骨细胞每个细胞都存在一个非运动纤毛，其发生率和形态对机械信号（表3）和 AC 状态敏感。在正常软骨中，纤毛的长度在浅表区较低，并且随着与关节表面的距离而增加。在 OA 组织中，纤毛的长度在降解的 AC 表面附近增加，导致纤毛的整体比例增加。此外，每个软骨细胞的纤毛数量（即发生率）在 OA 组织中根据传递到 AC 的机械负荷而波动。
表3 初级纤毛对机械刺激的反应。
软骨细胞需要初级纤毛来获得蛋白聚糖的机械敏感合成，这与Ca2+ 内流在正弦（1 Hz）生理性 15% 压缩应变 1 小时和 1 Hz 循环拉伸应变2 小时下的增加有关。在低渗透刺激后，纤毛也通过TRPV4调节Ca2+ 的内流。嘌呤能-ATP 信号通路是初级纤毛中的一种特殊的机械转导途径，它在静水压缩后增加软骨细胞的超极化，最终导致Agg表达上调。此外，在初级纤毛上发现了连接蛋白43，这表明纤毛可能参与相应的机械转导途径。当负载静水压力刺激时，软骨细胞纤毛通过生长板软骨细胞的Ihh配体特异性地介导Hedgehog（Hh）通路的激活。此外，Hh 通路与甲状旁腺激素信号（PTHrP）串扰，PTHrP 参与控制骨骼发育中生长板中的软骨细胞表型，并确定保持 AC 健康的稳态。PTHrP/Ihh 反馈回路是软骨细胞肥厚表型的主要决定因素。
Wnt 信号
Wnt 信号在健康和骨关节炎软骨细胞中的作用是有争议的。一方面，典型 Wnt 信号的过度激活与 AC 中的分解代谢作用有关，并且在 OA 患者中过度表达。具体来说，典型通路的激活导致过早的肥大样表型发育（X 型胶原、MMP-9 和 MMP-13 的上调）。一项涉及人 OA 软骨的研究表明，ECM 沉积的增加与软骨细胞中 Wnt 活性的抑制相关。该研究还表明，较高的Wnt活性降低了生理负荷对软骨细胞的有益影响。另一方面，在小鼠体内研究中，关节软骨细胞中的β-连环蛋白抑制导致 AC 破坏。因此，需要严格调节Wnt活性来维持软骨稳态。然而，这种调节平衡机制在很大程度上仍然未知。一个合理的假设是 Wnt 受内源性因子的调节，类似于其他机械感受器。
有趣的是，有研究表明，ATCD5软骨细胞在0.05 Hz，12% 的动态拉伸下增加了β-连环蛋白的核易位，这与机械刺激1小时后Col-II的mRNA表达增加有关。补充 Dickkopf 1（Dkk1）在同等幅度的动态拉伸下通过与 LRP-5/6 结合抑制β-连环蛋白的活化。这些发现表明，Dkk1 发挥负前馈回路，以确保β-连环蛋白激活保持在维持软骨细胞健康状态的范围内。因此，与健康个体相比，OA患者的血浆和滑液中的Dkk1水平降低。
与 Dkk1 类似，Wnt-16 的激活可拮抗过度的 β-连环蛋白激活，并防止 AC 降解。然而，Wnt-16 在 AC 损伤后上调。那么，Wnt-16可能是经典Wnt通路的弱激活剂。
最后，由骨细胞产生的硬化蛋白降低了Wnt-3对小鼠单层软骨细胞培养物的分解代谢和肥大作用。研究发现，硬化蛋白对软骨细胞代谢的保护作用部分是由抑制 JNK 通路介导的，JNK 通路是 Wnt 信号传导中的非典型事件。硬化蛋白的有益作用仅在健康的软骨细胞中具有活性，抑制 IL-1α对健康软骨细胞的促分解代谢作用，但在 OA 软骨细胞中则没有。
总之，软骨细胞病理变化的进展涉及由机械生物学、自分泌/旁分泌甚至内分泌事件控制的分子过程的复杂相互作用。因此，骨关节炎最终被视为一种复杂的多因素疾病，整个身体都参与了关节易损性的发展。理解局部和全身因素如何调节软骨细胞机械信号的转导和整合是更好地理解 OA 病理生理学的关键。
参考文献：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.
图片来源：所有图片均来源于参考文献
小编旨在分享、学习、交流生物科学等领域的研究进展。如有侵权或引文不当请联系小编修正。如有任何的想法以及建议，欢迎联系小编。感谢各位的浏览以及关注！关注“Naturethink”公众号，了解更多相关内容。
