软骨细胞代谢以促进线粒体减少骨关节炎炎症反应

作者：靳培浩 北京积水潭医院

在这项研究中，我们观察到，当软骨细胞在耗尽所有葡萄糖并被半乳糖取代的培养基中培养时，经历了关键的代谢转变。在富含葡萄糖的培养基中，对照软骨细胞表现出对糖酵解途径产生ATP的高度依赖性，当细胞被IL1β处理促分解代谢激活时，这种依赖性变得更加突出。这种对糖酵解的依赖性与通过OXPHOS产生的ATP缺陷相反。因此，在富含葡萄糖的培养基中，这些条件模拟与OA、相关的线粒体功能障碍。在半乳糖替代的培养基上，软骨细胞糖酵解的使用显著减少；通过线粒体活性产生的ATP随着整体线粒体功能的增加而增加。更重要的是，在半乳糖替代培养基中的体外培养阻止了IL1β处理后促分解代谢特征的发展，包括软骨外植体中MMP的产生和蛋白多糖的丢失。
这项研究有几个局限性。如上所述，本研究的一个局限性是，软骨细胞必须在培养物中生长才能进行此类研究，其中它们很容易适应对ATP糖酵解的高度依赖。这是许多需要使用培养细胞的代谢研究的典型例子，包括许多肿瘤细胞系和原代培养物，如肌管。本研究与其他一样，使用半乳糖替代方法来克服这一问题。第二个限制是对人类软骨组织的接触有限。因此，对人OA细胞的研究有限。可以得出结论，图7中呈现的数据至少与牛关节软骨细胞中显示的结果的相同趋势相匹配。随着样本的可用，今后将做更多的工作。人们认识到，所有这些工作都是在体外进行的，因为它本质上是机械性的。因此，出现了许多问题，例如这些软骨保护结果（糖酵解抑制/氧磷增强）是否因氧水平、血清水平、葡萄糖浓度、使用的细胞密度、实验时间等而改变。我们最近通过在诱导OA30的动物（小鼠）模型中检查4MU的作用来解决这一问题。在本研究中，在内侧半月板韧带横断诱导OA后，喂养动物4MU对OA的发生（体内）具有保护作用。在膝关节内发生的氧气、营养物（例如高糖和谷氨酰胺）、生长因子和负荷的自然环境中，在体内观察到这些OA保护作用。这表明我们对软骨保护（通过代谢转移）的体外观察可以在体内复制。这些数据还表明，在关节内的临床OA中，软骨软骨软骨细胞可能高度依赖糖酵解来产生能量-这是一种代谢特征，可被4MU等试剂阻断，从而恢复线粒体活性并恢复到静止稳定状态。此外，我们使用海马通量分析仪的96孔板格式进行的代谢实验未对细胞数进行后标准化。然而，在单独的实验中，我们确定我们的培养条件，即以高汇合密度培养软骨细胞，然后用或不用IL1β、2DG或半乳糖处理24小时，不会影响原代软骨细胞的细胞数量的任何变化，如通过Hoechst 染料染色分析测得的，直接细胞计数或BCA测定细胞裂解物的蛋白质含量。因此，没有证据表明培养试剂或条件对牛软骨细胞培养物产生毒性或增殖作用，否则会影响代谢数据。尽管如此，可能已经发生了与海马通量分析阶段相关的潜在机械或试剂效应。此外，六孔板中的验证实验在技术上与小海马孔板的实际情况不同。然而，我们观察到井间变化很小，且在预期范围内。此外，在对照组和IL1β、2DG或半乳糖条件之间明显观察到较大差异，尤其是在初始基线读数时。因此，规范化的未来改进可能会进一步减少差异；然而，我们预计对组间代谢数据的差异影响不大。
最后，我们不太可能在体内复制半乳糖替代。然而，这不是本研究的目标。相反，本研究表明，降低OA的促分解代谢表型可以通过针对根本原因获得；即修复线粒体功能障碍，并且这可能是比阻断细胞因子或抑制MMP更好的方法。即使在对照的人OA软骨细胞中，也可以通过半乳糖置换恢复检测不到的p-AMPK水平，从而抑制下游MMP蛋白的产生。因此，如果在关节软骨细胞中早期使用，找到更有希望的药物途径来产生线粒体再激活，可能会导致更有效的治疗策略来治疗OA（或至少减少OA进展）。并且可能不需要所有线粒体的完全恢复。半乳糖替代比2DG更好地挽救线粒体功能（2DG与HAS2-OE、4MU和DCA相匹配）。然而，半乳糖替代物在与2DG相似的程度上阻断了MMP13和软骨破坏的增加。因此，即使在很小的程度上，强制激活线粒体也足以挽救促分解代谢表型。