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

成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞都是機(jī)械敏感細(xì)胞。Gremlin-1（Grem-1）已被確定為一種機(jī)械敏感因子，在拉伸機(jī)械負(fù)荷或關(guān)節(jié)損傷下，其在關(guān)節(jié)軟骨中的表達(dá)增加。有趣的是，OA軟骨中Grem-1的表達(dá)在軟骨最深層增加，那里有肥大的軟骨細(xì)胞。軟骨細(xì)胞的肥大分化是OA軟骨的典型特征，目前被認(rèn)為在軟骨消失和軟骨下骨重塑中起關(guān)鍵作用。Grem-1通過VEGFR-2活化或骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）拮抗作用發(fā)揮效應(yīng)。BMPs在骨骼組織發(fā)育和體內(nèi)平衡中起重要作用。可被Grem-1靶向的BMP-2、BMP-4和BMP-7確實(shí)能刺激軟骨細(xì)胞增殖和細(xì)胞外基質(zhì)生成，并顯示出關(guān)節(jié)保護(hù)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(xué)CRSA醫(yī)學(xué)研究中心、讓·莫奈大學(xué)醫(yī)學(xué)院以及施維雅研究院的研究團(tuán)隊(duì)曾研究了Grem-1及其伴侶在膝關(guān)節(jié)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(xì)胞和軟骨細(xì)胞中的表達(dá)，還研究了成骨細(xì)胞、前肥大軟骨細(xì)胞和肥大軟骨細(xì)胞對Grem-1和BMP-4刺激的反應(yīng)。研究成果發(fā)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(fā)現(xiàn)，人OA軟骨和骨在組織條件培養(yǎng)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(guān)。此外，骨條件培養(yǎng)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(dá)似乎更強(qiáng)，并且與OA進(jìn)展呈正相關(guān)。

接下來，實(shí)驗(yàn)在體外通過過度的機(jī)械負(fù)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(xì)胞和經(jīng)歷肥大分化的小鼠關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞中研究了Grem-1及其伴侶的表達(dá)。機(jī)械應(yīng)力誘導(dǎo)成骨細(xì)胞中Grem-1 mRNA表達(dá)的強(qiáng)烈上調(diào)（圖1 A）。當(dāng)成骨細(xì)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(fù)荷也上調(diào)了壓縮成骨細(xì)胞中 Bmp-4 mRNA 表達(dá)和 BMP-4 的分泌，但對 Bmp-2 mRNA 表達(dá)影響不大（圖1 C-E）。此外，壓縮誘導(dǎo)了Vegfr-2（血管內(nèi)皮細(xì)胞生長因子受體VEGFR）和 Bmpr-1b（骨形態(tài)發(fā)生蛋白受體BMPRs）mRNA表達(dá)的強(qiáng)烈增加，而Bmpr-1a表達(dá)下調(diào)（圖1 F）。

之前在小鼠關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞進(jìn)行性肥大分化模型中發(fā)現(xiàn)，前肥大到肥大軟骨細(xì)胞分化與Bmp-2和Bmp-4 Mrna的過表達(dá)有關(guān)。同樣，Grem-1 mRNA表達(dá)和Grem-1分泌隨著前肥大軟骨細(xì)胞的分化而增加（圖1 G、H）。相比之下，VEGFR2 和 BMPRs 的 mRNA 表達(dá)均未被前肥大軟骨細(xì)胞向肥大軟骨細(xì)胞的表型轉(zhuǎn)化所修飾（圖1 I）。

這些結(jié)果表明，成骨細(xì)胞的機(jī)械負(fù)荷和前肥大軟骨細(xì)胞的肥大分化都與GREM-1和BMP-4的過表達(dá)有關(guān)，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(fā)揮作用。

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

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

rmGREM-1顯著刺激成骨細(xì)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(dá)，而對其他破骨細(xì)胞功能和血管生成相關(guān)因子未見影響。同樣，在前肥大性和肥大軟骨細(xì)胞中觀察到Mmp-3的表達(dá)也呈上升趨勢。未觀察到rmGREM-1對前肥大性和肥大軟骨細(xì)胞其他基因的影響。

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

有趣的是，當(dāng)成骨細(xì)胞被rmBMP-4 和 rmGREM-1 共同刺激時，rmBMP-1對Mmp-3和Mmp-13表達(dá)以及rmBMP-4對Rankl mRNA表達(dá)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(dá)的刺激和抑制作用。在前肥大性和肥大軟骨細(xì)胞中，rmGREM-1和rmBMP-4的共同刺激也抑制了單獨(dú)使用這些因子的作用。

這些結(jié)果表明，Grem-1及其伴侶BMP-4都可以通過在成骨細(xì)胞、前肥大性和肥大軟骨細(xì)胞中誘導(dǎo)組織重塑程序的表達(dá)來改變骨軟骨連接穩(wěn)態(tài)。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(guān)基因。

圖2    rmGremlin-1和rmBMP-4對前肥大軟骨細(xì)胞的影響。

總之，該研究發(fā)現(xiàn)OA中骨軟骨連接處的重塑與Grem-1和BMPs的表達(dá)增加有關(guān)。Grem-1和BMP-4的這種過表達(dá)可以通過軟骨細(xì)胞的肥大分化和機(jī)械負(fù)荷介導(dǎo)的成骨細(xì)胞的表型變化來解釋。Grem-1 和 BMP-4 均可通過調(diào)節(jié)血管生成、破骨細(xì)胞生成和基質(zhì)降解參與 OA 中骨軟骨連接處重塑的調(diào)節(jié)。

參考文獻(xiàn)：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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