骨關節炎（OA）是一種全關節疾病，其特征是軟骨退化，關節內炎癥，軟骨下骨重塑和關節痛。骨軟骨連接處的重塑被認為在OA中起著決定性作用，讓人聯想到軟骨內骨化過程。它涉及透明關節軟骨最深層軟骨細胞的增生、肥大，隨后軟骨基質鈣化，致使軟骨細胞退化死亡，軟骨和骨細胞侵入，骨祖細胞分化為成骨細胞，并在殘留的鈣化軟骨基質上，形成骨組織。這個復雜的過程最重要的是骨形成細胞和軟骨細胞之間的相互作用。然而，控制OA中骨軟骨連接重塑的機制和生化介質仍然描述不佳。

成骨細胞、骨細胞和軟骨細胞都是機械敏感細胞。Gremlin-1（Grem-1）已被確定為一種機械敏感因子，在拉伸機械負荷或關節損傷下，其在關節軟骨中的表達增加。有趣的是，OA軟骨中Grem-1的表達在軟骨最深層增加，那里有肥大的軟骨細胞。軟骨細胞的肥大分化是OA軟骨的典型特征，目前被認為在軟骨消失和軟骨下骨重塑中起關鍵作用。Grem-1通過VEGFR-2活化或骨形態發生蛋白（BMP）拮抗作用發揮效應。BMPs在骨骼組織發育和體內平衡中起重要作用。可被Grem-1靶向的BMP-2、BMP-4和BMP-7確實能刺激軟骨細胞增殖和細胞外基質生成，并顯示出關節保護作用。然而，BMP-4在OA中的作用尚不明確。

基于此，法國索邦大學CRSA醫學研究中心、讓·莫奈大學醫學院以及施維雅研究院的研究團隊曾研究了Grem-1及其伴侶在膝關節OA患者骨軟骨連接處以及在肥大分化過程中被壓縮的成骨細胞和軟骨細胞中的表達，還研究了成骨細胞、前肥大軟骨細胞和肥大軟骨細胞對Grem-1和BMP-4刺激的反應。研究成果發表在 International Journal of Molecular Sciences 期刊題為“Gremlin-1 and BMP-4 Overexpressed in Osteoarthritis Drive an Osteochondral-Remodeling Program in Osteoblasts and Hypertrophic Chondrocytes"。

研究人員首先發現，人OA軟骨和骨在組織條件培養基中均釋放Grem-1，而骨中的Grem-1濃度高于軟骨上清液。而且，軟骨損傷與Grem-1陽性免疫染色在軟骨和骨中呈正相關。此外，骨條件培養基中BMP-4的濃度高于軟骨，相比之下，軟骨釋放的BMP-2高于骨。值得注意的是，與早期OA相比，它們在晚期OA中在軟骨和軟骨下骨中的表達似乎更強，并且與OA進展呈正相關。

接下來，實驗在體外通過過度的機械負荷來模擬OA軟骨和軟骨下骨的特征，在施加長時間間歇性壓縮力（空氣壓力16.7 Pa，1 Hz，10%，24h）后的小鼠成骨細胞和經歷肥大分化的小鼠關節軟骨細胞中研究了Grem-1及其伴侶的表達。機械應力誘導成骨細胞中Grem-1 mRNA表達的強烈上調（圖1 A）。當成骨細胞被壓縮時，Grem-1的釋放也更高（圖1 B）。與對照組相比，過度的壓縮負荷也上調了壓縮成骨細胞中 Bmp-4 mRNA 表達和 BMP-4 的分泌，但對 Bmp-2 mRNA 表達影響不大（圖1 C-E）。此外，壓縮誘導了Vegfr-2（血管內皮細胞生長因子受體VEGFR）和 Bmpr-1b（骨形態發生蛋白受體BMPRs）mRNA表達的強烈增加，而Bmpr-1a表達下調（圖1 F）。

之前在小鼠關節軟骨細胞進行性肥大分化模型中發現，前肥大到肥大軟骨細胞分化與Bmp-2和Bmp-4 Mrna的過表達有關。同樣，Grem-1 mRNA表達和Grem-1分泌隨著前肥大軟骨細胞的分化而增加（圖1 G、H）。相比之下，VEGFR2 和 BMPRs 的 mRNA 表達均未被前肥大軟骨細胞向肥大軟骨細胞的表型轉化所修飾（圖1 I）。

這些結果表明，成骨細胞的機械負荷和前肥大軟骨細胞的肥大分化都與GREM-1和BMP-4的過表達有關，這表明它們的相互作用可能在OA中骨軟骨連接的重塑中發揮作用。

圖1     Gremlin-1及其伴侶在壓縮成骨細胞和前肥大和肥大軟骨細胞中的表達。

最后，研究用重組小鼠Grem-1（rmGREM-1）和BMP-4（rmBMP-4）單獨或聯合刺激小鼠成骨細胞，前肥大性和肥大軟骨細胞，以確定它們對成骨細胞和軟骨細胞的組織重塑潛力的影響。

rmGREM-1顯著刺激成骨細胞中金屬蛋白酶Mmp-3和Mmp-13和血管抑制因子Angptl-4的mRNA表達，而對其他破骨細胞功能和血管生成相關因子未見影響。同樣，在前肥大性和肥大軟骨細胞中觀察到Mmp-3的表達也呈上升趨勢。未觀察到rmGREM-1對前肥大性和肥大軟骨細胞其他基因的影響。

rmBMP-4刺激成骨細胞，前肥大性和肥大軟骨細胞中破骨因子Rankl的mRNA表達，而抑制Angptl-4的mRNA表達（圖2 C-H）。雖然rmBMP-4對成骨細胞沒有其他影響，但它刺激了前肥大性和肥大軟骨細胞中Ccl-2的表達（圖2 D）并下調前肥大性軟骨細胞Mmp-3 和 Cxcl-12的表達（圖2 A-F）。在前肥大性和肥大軟骨細胞中，rmBMP-4對Pedf（一種有效的血管抑制因子）的表達表現出相反的活性，在前肥大性軟骨細胞中的表達降低，在肥大性軟骨細胞中的表達增加（圖2 I）。

有趣的是，當成骨細胞被rmBMP-4 和 rmGREM-1 共同刺激時，rmBMP-1對Mmp-3和Mmp-13表達以及rmBMP-4對Rankl mRNA表達的刺激作用均被抑制；而且阻斷rmGREM-1和rmBMP-4對Angptl-4的mRNA表達的刺激和抑制作用。在前肥大性和肥大軟骨細胞中，rmGREM-1和rmBMP-4的共同刺激也抑制了單獨使用這些因子的作用。

這些結果表明，Grem-1及其伴侶BMP-4都可以通過在成骨細胞、前肥大性和肥大軟骨細胞中誘導組織重塑程序的表達來改變骨軟骨連接穩態。Grem-1刺激分解代謝因子，而BMP-4靶向與破骨形成和血管生成相關基因。

圖2    rmGremlin-1和rmBMP-4對前肥大軟骨細胞的影響。

總之，該研究發現OA中骨軟骨連接處的重塑與Grem-1和BMPs的表達增加有關。Grem-1和BMP-4的這種過表達可以通過軟骨細胞的肥大分化和機械負荷介導的成骨細胞的表型變化來解釋。Grem-1 和 BMP-4 均可通過調節血管生成、破骨細胞生成和基質降解參與 OA 中骨軟骨連接處重塑的調節。

參考文獻：Pérez-Lozano ML, Sudre L, van Eegher S, Citadelle D, Pigenet A, Lafage-Proust MH, Pastoureau P, De Ceuninck F, Berenbaum F, Houard X. Gremlin-1 and BMP-4 Overexpressed in Osteoarthritis Drive an Osteochondral-Remodeling Program in Osteoblasts and Hypertrophic Chondrocytes. Int J Mol Sci. 2022 Feb 14;23(4):2084. doi: 10.3390/ijms23042084. PMID: 35216203; PMCID: PMC8874623.

原文鏈接：pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35216203/

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