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发布日期:2023/10/11 19:12:00
骨关节炎(Osteoarthritis, OA)是一种破坏性的全关节疾病,涉及关节软骨、滑膜和软骨下骨,关节软骨变性是OA的主要病理特征[1]。据估计,全世界有3亿多人患有OA,每年造成约3000亿美元的医疗费用和收入损失[2]。随着人口老龄化和肥胖的加剧,OA的发病率和致残率逐年上升,已成为世界面临的重要公共卫生问题之一[3]。目前仍缺乏有针对性的OA治疗手段,部分原因是对其发病机制的了解不足[4]因此,迫切需要探索OA病理学的分子机制,并发掘靶向治疗OA的手段。该研究使用遗传小鼠模型和合成的小分子激活剂证明了机械敏感离子通道Piezo1激活促进OA的进展,基于生物化学和组织学方法揭示了Piezo1激活通过PI3K-AKT依赖性方式促进Runx2表达和软骨细胞分解代谢,并发掘青蒿素(Artemisinin, ART)通过抑制小鼠关节组织中Piezo1激活来减轻OA损伤。
 
 
关节软骨变性是骨关节炎的主要病理特征。目前仍缺乏有针对性的OA治疗,部分原因是对其发病机制的了解不足。异常的机械应力是OA的主要危险因素[5]。作为关节软骨中唯一的细胞类型,软骨细胞可以感知和响应机械应力,从而调节软骨代谢[6]。机械敏感离子通道Piezo1是细胞感知和响应机械刺激的关键分子[7]。最近Piezo1的表达和激活在骨和软骨疾病中的影响受到越来越多的研究关注[8]。然而,Piezo1表达和激活的改变是否在OA发病机制中发挥作用仍不清楚。
 
该研究首先观察Piezo1在人和小鼠OA关节软骨细胞中的表达水平。然后构建软骨细胞中Piezo1缺失和关节腔局部Piezo1激活的小鼠模型,观察对destabilization of medial meniscus (DMM)诱导的小鼠OA模型的影响。再通过文献挖掘和分子对接,发掘抑制Piezo1活性的临床小分子化合物,体内外验证抑制关节腔Piezo1活性对OA损伤的影响。
 
该研究收集了16例行全膝关节置换退行性软骨组织样本,IHC染色显示,在软骨损伤和炎症浸润区域,关节软骨中PIEZO1的表达显著增加(图1A,B)。且OA患者软骨中PIEZO1水平的升高与OA相关蛋白的表达水平一致,这通过体外HACs的蛋白质印迹分析得到了进一步证实(图1C,D)。DMM诱导的小鼠OA模型也显示,Piezo1阳性的关节软骨细胞百分比以时间依赖的方式显著增加(图1E)
 
图1. 人和小鼠OA关节软骨软骨细胞中Piezo1表达上调
 
该研究构建了Piezo1fl/fl;AggrecanCreERT2的小鼠,12周龄时注射他莫昔芬诱导关节软骨细胞中的Piezo1敲除。DMM术后8周取材,结果显示DMM-cKO组小鼠的半月板骨化、骨赘形成、软骨损伤和滑膜炎症等OA损伤和软骨损伤标志蛋白Runx2、Adamts5等明显轻于DMM对照小鼠,而假手术的两组之间则无明显差异(图2A-C)。进一步研究了Piezo1激活对DMM诱导的小鼠OA损伤的影响。向DMM小鼠关节内注射Piezo1的选择性激活剂Yoda1。结果显示,虽然Yoda1干预在假手术小鼠中没有引起明显的OA损伤,但它显著加重了DMM小鼠的OA损伤和OA相关基因,如Runx2和Adamts5的表达水平(图2D-F)
 
图2. 关节软骨细胞中Piezo1缺失可减弱DMM诱导的小鼠OA病变
 
该研究对PIEZO1表达改变和激活干预的原代人关节软骨细胞(HACs)进行RNAseq分析并通过体外实验验证,结果显示,Piezo1激活以PI3K-AKT依赖性的方式促进OA HACs分解代谢,抑制合成代谢(图3A-G)相应的,Piezo1缺失降低了小鼠关节软骨中p-AKT蛋白的水平,而Yoda1增加了p-AKT的水平(图3H)。
 
图3. Piezo1激活以PI3K-AKT依赖性的方式促进OA HACs分解代谢,抑制合成代谢
 
该研究通过文献研究和虚拟对接技术筛选针对Piezo1的潜在OA治疗药物,发现ART 与Piezo1分子离子通道孔附近有几个氨基酸残基具有很强的结合能力[9]。体外研究的结果表明,在OA-HACs、包括人脐静脉内皮细胞(HUVECs)、小鼠软骨细胞样ATDC5细胞和小鼠MLO-Y4骨细胞样细胞中,ART预孵育有效抑制了Yoda1引起的钙流水平(图4A-E)。RNAseq及体外实验证实ART通过PI3K/AKT通路逆转了Piezo1激活诱导的RUNX2、MMP13、COL2A1等OA相关基因的表达水平(图4F-H)。最后,该研究证实了ART对DMM小鼠中Piezo1激活诱导的OA损伤的保护作用。DMM手术后两个月,与对照小鼠相比,ART治疗的小鼠在关节软骨侵蚀、蛋白多糖损失、滑膜和骨赘增生、疼痛以及OA相关基因表达方面表现出显著改善。Yoad1治疗增加了上述所有OA相关参数的值。重要的是,Yoda1诱导的OA相关疼痛、软骨损失、骨赘形成和滑膜炎症的增加通过ART显著减少(图4I, J)
 
图4. ART可抑制Piezo1介导的钙内流,逆转PIEZO1激活诱导的OA相关基因表达
 
总之,在人和DMM诱导的小鼠OA关节软骨细胞中Piezo1表达升高。软骨细胞中的Piezo1缺失在很大程度上减弱了DMM诱导的OA样表型。相反,关节内注射Yoda1会加重小鼠膝关节OA病变。在OA HACs中,PIEZO1以PI3K-AKT依赖的的方式,激活增加,而敲除减少RUNX2和促代谢酶MMP13和ADAMTS5的表达。该研究提供了有效证据表明ART通过抑制小鼠关节的Piezo1来预防OA损伤(图5)
 
图5. ART通过抑制小鼠关节的Piezo1来预防OA损伤
 
该研究发现在正常小鼠中,条件性缺失Piezo1或Piezo1激活不会引起OA病变。这可能表明Piezo1的激活可能只是OA发展的一个加重因素。在未来,研究在衰老相关或其他未行DMM的OA模型中,Piezo1激活是否影响OA病变将是一件有趣的事情。
 
文章结论与讨论,启发与展望

综上所述,该研究发现PIEZO1蛋白在人类OA软骨细胞中的表达极显著上调,然后使用遗传小鼠模型和合成的小分子激活剂证明了机械敏感通道Piezo1在促进OA发展和进展中的关键作用。关节软骨细胞中Piezo1表达的缺失可以显著防止DMM诱导的OA损伤,且大大降低了OA发病的关键分子Runx2及其下游Adamts5的表达水平。相反,膝关节腔内注射Yoda1对Piezo1的局部激活加剧了DMM诱导的小鼠OA损伤。进一步揭示了PIEZO1以PI3K-AKT依赖的方式调节原发性OA HACs中RUNX2和分解代谢酶的表达。表明调节PIEZO1的表达和激活可能是治疗OA的一种新策略,证实了ART通过抑制小鼠关节的Piezo1来预防OA损伤。此外,该研究发现在正常小鼠中,条件性缺失Piezo1或Piezo1激活不会引起OA病变。这可能表明Piezo1的激活可能只是OA发展的一个加重因素。在未来,研究在衰老相关或其他未行DMM的OA模型中,Piezo1激活是否影响OA病变将是一件有趣的事情。

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