关节软骨细胞中持续的Akt信号通过氧化应激诱导小鼠衰老导致骨关节炎

作者：朱瑶 北京积水潭医院

骨关节炎（OA）是一种与年龄相关的疾病，其特征是关节软骨退化，是世界范围内疼痛和残疾的主要原因。1丝氨酸/苏氨酸激酶Akt由激活磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）的细胞外信号激活，而磷脂磷酸酶PTEN通过抑制PI3K的活性来负调节Akt的活性。2 PTEN调制的PI3K/Akt信号因其在生理学和疾病中的中心作用而被广泛研究，特别是在癌症中，它已成为一个有吸引力的药理靶点。3广泛的研究揭示了软骨内骨化过程中PTEN/Akt途径在软骨细胞中的作用。Akt1缺失导致延迟钙化，而胚胎软骨细胞中的Akt激活促进软骨细胞增殖并抑制肥大分化。然而，Akt信号在维持关节软骨稳态和OA发展中的体内功能在很大程度上尚不明确。许多基于体外实验的研究报告了关于Akt信号在软骨稳态中的功能的相互矛盾的结果。PI3K/Akt信号已被证明通过调节软骨细胞存活、增殖和细胞外基质合成发挥软骨保护作用。相比之下，一些研究报告了PI3K/Akt途径对OA的有害影响，这可能通过传递促分解代谢刺激或抑制关节软骨细胞自噬来实现。然而，关节软骨细胞中PTEN/Akt信号传导的破坏与OA发病机制之间的因果关系尚不清楚。
衰老被认为是OA流行的主要风险因素。尽管衰老软骨细胞通常存在于OA软骨组织中，但直到最近，衰老细胞在OA发病机制中的致病作用才在体内得到证实。然而，对调节关节软骨细胞衰老的机制知之甚少。过多的活性氧（ROS）已被证明是细胞衰老的诱导剂。在OA软骨细胞中，ROS诱导的氧化损伤被认为是细胞衰老的主要原因，软骨细胞增殖、存活和细胞外基质（ECM）合成能力降低以及基质降解酶产量增加都表明了这一点。胰岛素/IGF-1/PI3K/Akt/叉头盒O（FOXO）信号传导是调节活性氧生成和细胞衰老的主要途径。 FoxO转录因子通过支持氧化应激抵抗发挥软骨保护作用。然而，在体内OA发病过程中，Akt信号是否起到软骨保护通路的作用或执行增殖反应，目前尚不清楚。
在目前的研究中，我们采用了一系列小鼠模型来研究Akt信号在OA发展中的功能和相关机制。我们提供了体内遗传学证据，证明PTEN抑制Akt信号是维持关节软骨所必需的，这是通过抑制氧化应激诱导的软骨细胞衰老来实现的。这些发现将为人类OA的生理病理机制和相关药理靶点提供新的见解。
越来越多的证据表明，细胞衰老在与衰老相关的OA发展中起着重要作用。解开软骨细胞衰老的触发机制是理解OA发病机制的关键。在此，我们提供了体内遗传学证据，证明PTEN抑制Akt信号是维持关节软骨稳态所必需的。关节软骨细胞中PTEN的丢失通过氧化应激诱导的衰老导致持续的Akt信号和OA。
尽管许多研究支持Akt信号的软骨保护作用，但我们发现，在体内，Akt持续信号可能会破坏关节软骨的完整性。在软骨修复过程中，Akt可以对各种刺激作出反应，同时传递促合成代谢和促合成代谢信号。 Akt信号也可能采用不同的下游效应器来执行看似相反的功能。例如，mTOR支持软骨发育和维护期间的蛋白质合成和细胞外基质生成，而抑制mTOR至少部分通过支持自噬来保护软骨免受实验性OA。在本研究中，我们发现人类OA样本和小鼠OA模型在OA进展期间表现出Akt的强烈和持续激活。我们进一步证明，关节软骨细胞中PTEN的构成性或诱导性敲除导致OA的发生，提供了第一个体内遗传证据，证明延长Akt信号本身足以启动OA，并建议内在Akt信息应适当平衡以维持软骨完整性。
我们的研究揭示了持续Akt信号的早衰功能，它阻碍了关节软骨的完整性。转基因小鼠中p16Ink4a阳性衰老细胞的靶向清除证实了它们对与年龄相关的病理和功能障碍的贡献。衰老软骨细胞在创伤后骨性关节炎发病机制中的因果作用也采用了类似的策略。有人认为Akt在癌细胞和衰老秀丽隐杆线虫中具有衰老作用。在目前的研究中，我们发现PTEN缺乏的关节软骨细胞表现出高水平的衰老诱导剂p16Ink4a和p53、衰老相关的β-半乳糖苷酶活性和典型的SASP特征，揭示了诱导关节软骨细胞衰老的机制。我们进一步表明，Akt1基因敲除可显著挽救PTEN缺陷小鼠的OA表型，表明药物抑制Akt信号可能是治疗OA的一种可行的治疗策略。
我们表明，关节软骨细胞中持续激活的Akt信号通过氧化应激诱导的衰老导致OA。先前的体外研究表明，氧化应激加速软骨细胞衰老与OA软骨细胞Akt信号改变之间存在相关性。在本研究中，PTENfl/fl关节软骨细胞表现出较高的p-mTOR和p-FoxO1/3a水平，同时氧化应激和衰老加剧，表明氧化应激在PTEN缺乏小鼠OA中起着因果作用。一贯地，系统应用抗氧化剂NAC可有效缓解关节软骨细胞氧化应激诱导的细胞衰老和SASP，并在很大程度上减轻PTENfl/fl小鼠的OA表型。这些发现表明，激活的Akt信号诱导的氧化应激导致软骨细胞衰老和OA，表明抗氧化剂是治疗OA的潜在治疗策略。为了支持这种可能性，最近的临床前研究表明，NAC可以有效抑制氧化损伤并预防创伤后OA.