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.

骨關節炎（OA）是比較普遍的關節炎疾病。骨關節炎可累及全身各關節，如髖關節、脊柱或手指，然而，它在膝關節中最為普遍。在正常狀態下，膝關節允許相鄰骨骼之間的平穩運動，這要歸功于關節軟骨（AC），其中負責合成和維持軟骨基質，以及修復受損組織的是軟骨細胞。目前，關于原發性 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性OA的發病機制中起重要作用。全身介質（如瘦素、c-反應蛋白）從血流遷移到滑膜關節，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（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，從而使關節中的促炎過程持續存在，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水平，（2）這些促炎因子可以滲入關節。（3）它們將先天免疫細胞募集到關節中，從而增加（4）促炎介質的分泌。（5）它們擴散到關節軟骨（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，導致滑膜炎、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致軟骨破壞和促炎細胞因子表達增加。同時，機械轉導過程可以通過促炎和抗炎可溶性介質調控和被調控。因此，在OA中，機械轉導的復雜過程可能會發生改變，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BCN 醫學技術及瑞士伯爾尼大學生物醫學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導過程，重點關注了整合素、Ca2+ 通道、初級纖毛和 Wnt 信號（經典和非經典）四種主要的機械傳感器，簡要總結了其在健康或OA條件下對機械負荷的響應，并總結了已發表的研究成果，這使得我們更好的理解原發性 OA 的病理驅動因素。研究成果發表在 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 Ca2+ 振蕩是軟骨細胞在暴露于機械刺激時最早的分子反應之一。多項研究表明，過量的 Ca2+ 過載，無論是來自細胞內或細胞外，都可能導致細胞死亡，證明了細胞內Ca2+ 的穩態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）將高生理機械應變轉導為增加的 Ca2+，導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健的，它們在高損傷性的應變下都協同促進軟骨細胞機械轉導，誘導細胞外來源的 Ca2+ 內流。過度機械拉伸激活的 PIEZO1 通道會導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PIEZO1表達上調。除炎癥外，內分泌因子也會影響PIEZO1的表達。一方面，雌激素通過調節肌動蛋白/PIEZO1軸抑制應力介導的PIEZO1激活和軟骨細胞凋亡。另一方面，尿皮質素1（UCN1）耗竭抗體和 UCN1 受體拮抗劑導致人軟骨細胞系（C-20/A4）中顯著的細胞死亡，證明了 UCN1 的促生存作用。此外，UCN1 下調膠原誘導關節炎小鼠發炎關節中促炎細胞因子（如TNF、IFN-γ、IL-6、IL-1β）的產生。

表1    PIEZO1/2對機械刺激的響應。

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，對生理滲透和動態壓縮敏感。然而，與 PIEZO 通道相反，TRPV4 是由生理水平的應變誘導的，并在短期、適度的調節下與抗炎反應有關（表2）。

表2   TRPV4對機械刺激的反應。

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

研究表明，TRPV4 的藥理激活顯著增加了 TGF-β 的典型反應（即 Smad3 激活），并參與了牛關節軟骨細胞中的Ca2+/鈣調蛋白軸。TRPV4 對 TGF-β 信號傳導的協同作用表明機械刺激存在正向循環，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，還可以充當物理信號的傳感器。特異性整合素在不同機械刺激下調節軟骨細胞活性（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。整合素介導的機械信號可能與可溶性因子（即生長因子和細胞因子）產生的信號發生串擾，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出的不同行為。

整合素α5β1

關節軟骨細胞中突出表達的整合素是α5β1。它是轉導機械負荷的關鍵因素，并參與細胞增殖、分化和遷移。在循環壓縮力之后，α5亞基表達在軟骨細胞中上調，而β1亞基表達受機械應力影響較小。動態壓縮響應下，α5β1被發現通過 TGF-β 3 通路介導信號傳導，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調節。

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，導致細胞外信號調節蛋白激酶（ERK1/2）和 MMPs 的下游激活，從而導致組織損傷。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過程中也通過增加膜的超極化來響應周期性應變。相關的機械傳導途徑見圖2.

圖2   0.33 Hz 周期性拉伸應變如何誘導 α5β1整合素激活并通過釋放 P 物質（SP）導致 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）激活小電導鈣激活鉀通道（SK），從而增加細胞內 Ca2+ 的內流。同時，IL-4 的激活誘導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。OA 軟骨細胞不釋放 IL-4，而是產生 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肽結合，而不與完整的纖連蛋白（FN）結合，增加了兔膝軟骨細胞的分解代謝反應。

整合素αvβ3

整合素αvβ3參與動態壓縮的轉導，因為抑制軟骨細胞中的整合素減少了蛋白聚糖的合成，而在相同的動態負荷下會增加蛋白聚糖的合成。然而，αvβ3在過度機械應力的情況下參與OA的進展，觸發下游炎癥和退行性介質。與α5β1類似、整合素αvβ3 通過 MAPK/ERK 信號與降解產物和 CD47 接觸時啟動分解代謝反應，增加促炎介質和基質降解酶的表達。過度機械刺激還會導致黏著斑激酶（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已被證明通過發育性內皮基因座-1（DEL1）在軟骨細胞凋亡中發揮作用。通過整合素αvβ3介導，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可以通過可能存在的降解產物來解釋。

整合素α1β1

整合素α1β1在低滲透壓應激的轉導中起著至關重要的作用，并且在肥大樣軟骨細胞中發現這種整合素的表達水平升高。在中等拉伸應變下，研究表明，β1-介導 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，因此當施加循環負荷時，軟骨細胞超極化（Ca2+內流）。α1β1在軟骨細胞的低滲透應激轉導中似乎至關重要，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合，α4β1與FN結合。在骨關節炎的晚期，α2整合素表達增加，這與由于 MMP s活性增加而發生的 ECM 含量改變相關。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軟骨中的上調仍然是一個有爭議的問題，迄今為止，還沒有發現可溶性蛋白質來調節它們的表達。

初級纖毛

關節軟骨細胞每個細胞都存在一個非運動纖毛，其發生率和形態對機械信號（表3）和 AC 狀態敏感。在正常軟骨中，纖毛的長度在淺表區較低，并且隨著與關節表面的距離而增加。在 OA 組織中，纖毛的長度在降解的 AC 表面附近增加，導致纖毛的整體比例增加。此外，每個軟骨細胞的纖毛數量（即發生率）在 OA 組織中根據傳遞到 AC 的機械負荷而波動。

表3   初級纖毛對機械刺激的反應。

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+ 內流在正弦（1 Hz）生理性 15% 壓縮應變 1 小時和 1 Hz 循環拉伸應變2 小時下的增加有關。在低滲透刺激后，纖毛也通過TRPV4調節Ca2+ 的內流。嘌呤能-ATP 信號通路是初級纖毛中的一種特殊的機械轉導途徑，它在靜水壓縮后增加軟骨細胞的超極化，最終導致Agg表達上調。此外，在初級纖毛上發現了連接蛋白43，這表明纖毛可能參與相應的機械轉導途徑。當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Hedgehog（Hh）通路的激活。此外，Hh 通路與甲狀旁腺激素信號（PTHrP）串擾，PTHrP 參與控制骨骼發育中生長板中的軟骨細胞表型，并確定保持 AC 健康的穩態。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 信號在健康和骨關節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，并且在 OA 患者中過度表達。具體來說，典型通路的激活導致過早的肥大樣表型發育（X 型膠原、MMP-9 和 MMP-13 的上調）。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。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，在小鼠體內研究中，關節軟骨細胞中的β-連環蛋白抑制導致 AC 破壞。因此，需要嚴格調節Wnt活性來維持軟骨穩態。然而，這種調節平衡機制在很大程度上仍然未知。一個合理的假設是 Wnt 受內源性因子的調節，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% 的動態拉伸下增加了β-連環蛋白的核易位，這與機械刺激1小時后Col-II的mRNA表達增加有關。補充 Dickkopf 1（Dkk1）在同等幅度的動態拉伸下通過與 LRP-5/6 結合抑制β-連環蛋白的活化。這些發現表明，Dkk1 發揮負前饋回路，以確保β-連環蛋白激活保持在維持軟骨細胞健康狀態的范圍內。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-連環蛋白激活，并防止 AC 降解。然而，Wnt-16 在 AC 損傷后上調。那么，Wnt-16可能是經典Wnt通路的弱激活劑。

最后，由骨細胞產生的硬化蛋白降低了Wnt-3對小鼠單層軟骨細胞培養物的分解代謝和肥大作用。研究發現，硬化蛋白對軟骨細胞代謝的保護作用部分是由抑制 JNK 通路介導的，JNK 通路是 Wnt 信號傳導中的非典型事件。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、自分泌/旁分泌甚至內分泌事件控制的分子過程的復雜相互作用。因此，骨關節炎最終被視為一種復雜的多因素疾病，整個身體都參與了關節易損性的發展。理解局部和全身因素如何調節軟骨細胞機械信號的轉導和整合是更好地理解 OA 病理生理學的關鍵。

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.

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