Nature Aging丨肖国芝/曹惠玲团队揭示骨性关节炎的分子机制

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骨性关节炎（osteoarthritis, OA）是一种慢性退行性关节疾病，在老龄人群中最为常见，具有高发性和高致残性。据统计，膝关节OA在60-70岁人口中的发病率为33%，而在80岁以上人口中则高达43.7%【1】。OA可造成持续性的关节疼痛和活动受限，晚期甚至能造成患者丧失行为能力。目前，由于OA疾病发生发展的分子机制仍不完全清楚，临床上尚无有效治疗OA的药物，晚期患者只能依靠关节置换手术恢复关节功能，因此造成了巨大的社会经济负担。

关节软骨退变是OA发病过程中最主要的病理特征，然而其分子机制仍不完全清楚。关节软骨富含胶原、蛋白聚糖等基质成分，能为关节日常活动提供缓冲力。软骨细胞是关节软骨内唯一的细胞类型。在骨骼发育阶段，软骨细胞持续增殖、分泌基质蛋白、肥大分化和凋亡，为后续的骨骼形成提供框架。成年后，关节软骨细胞则处于相对静息的状态。近期研究发现，在病理因素刺激下，关节软骨细胞发生异常肥大分化并分泌基质降解酶，导致关节软骨稳态失衡，加速OA的发生发展。其中，Runx2和Stat3等关键转录因子在促进软骨细胞异常分化和分解代谢中扮演了重要角色【2,3】。然而，生理状态下关节软骨细胞如何抑制自身肥大分化并维持基质合成代谢，以及病理状态下这些过程的异常是否会导致OA的发生发展及其机制仍不明确。

2022年2月10日， Nature Aging在线发表了南方科技大学医学院肖国芝/曹惠玲团队的研究工作Kindlin-2 preserves integrity of the articular cartilage to protect against osteoarthritis。该研究首次证实了粘着斑蛋白Kindlin-2在维持关节软骨稳态中的关键作用：成年小鼠关节软骨细胞内缺失Kindlin-2会激活Stat3-Runx2通路，刺激软骨细胞异常肥大分化和细胞外基质分解代谢，导致自发性OA。该研究还发现，小鼠膝关节腔内注射表达Kindlin-2的腺相关病毒（AAV5-K2）可减缓由创伤或衰老造成的OA进程，为临床治疗OA提供了新的思路和潜在靶点。

肖国芝团队曾于2015年首次报道了Kindlin-2在骨骼发育过程中的关键作用和机制【4】。在小鼠发育过程中，间充质干细胞或软骨细胞缺失Kindlin-2会造成严重的骨骼发育异常。然而，Kindlin-2是否在成年期关节软骨细胞内表达和发挥功能尚不清楚。该研究中，团队首先发现Kindlin-2高表达于健康成年小鼠的关节软骨细胞中，并在衰老小鼠的关节软骨细胞中显著降低。为探索Kindlin-2在成年期关节软骨细胞内稳态调控中的潜在作用，研究人员构建了他莫昔芬可诱导性的软骨细胞Kindlin-2敲除小鼠模型。利用该小鼠模型，研究人员发现在成年期小鼠关节软骨细胞中特异性敲除Kindlin-2会造成严重的自发性OA表型，其病理特征包括关节软骨损伤、软骨下骨硬化、滑膜炎症、疼痛和骨赘形成，与人类OA的病理特征高度相似。同时，在内侧半月板失稳术（destabilization of medial meniscus, DMM）模型中，研究人员发现关节软骨细胞缺失Kindlin-2会加速DMM诱导OA的发生和发展。

在分子机制方面，该团队发现敲除Kindlin-2可激活软骨细胞Stat3-Runx2通路，导致关节软骨细胞的异常肥大分化和细胞外基质分解代谢及OA的发生发展。通过对衰老小鼠和OA患者软骨样本进行检查，研究人员发现Kindlin-2表达水平的下调与Stat3-Runx2表达水平的异常上调高度相关。该团队进一步发现Kindlin-2可存在于软骨细胞的线粒体中，敲除Kindlin-2会导致软骨细胞线粒体释放大量活性氧蔟（reactive oxygen species , ROS），并促进了Stat3的磷酸化修饰和核转移。在细胞质中，Kindlin-2蛋白可与Stat3蛋白直接结合，抑制ROS对Stat3的磷酸化激活作用。团队分别构建了两种双敲小鼠模型（Stat3^fl/fl; Kindlin-2^fl/fl; Aggrecan^CreERT2小鼠模型和Runx2^fl/fl; Kindlin-2^fl/fl; Aggrecan^CreERT2小鼠模型），证实了软骨细胞内敲除Stat3或Runx2基因均可有效缓解由于Kindlin-2丢失造成的软骨退变和OA样损伤。通过以上实验，该团队证实了软骨细胞内Kindlin-2可通过抑制Stat3-Runx2通路维持软骨细胞内稳态并对抗OA的发生。

在阐明Kindlin-2在生理病理状态下的作用与分子机制后，该团队进一步探索了通过靶向关节软骨细胞内Kindlin-2表达量来治疗OA的潜在可能性。研究人员应用前期建立的关节腔内注射腺相关病毒（adeno-associated viruses serotype 5, AAV5）方法实现了在关节软骨细胞中表达外源性Kindlin-2蛋白。该团队发现在小鼠关节腔内注射表达Kindlin-2的AAV可显著提高软骨细胞内Kindlin-2蛋白的表达水平，并能减缓由于DMM造成的软骨损伤和延缓衰老OA的发生发展，为临床治疗OA提供了新的潜在靶点。

综上所述，该研究阐明了Kindlin-2通过调控Stat3-Runx2通路维持软骨稳态的重要作用和分子机制，为临床治疗OA提供了新的思路和潜在靶点。

南方科技大学医学院博士研究生吴晓昊、美国拉什大学医学中心骨科系赖玉梅老师、华中科技大学同济医学院博士研究生陈胜为本论文的共同第一作者。南方科技大学医学院肖国芝教授、曹惠玲副教授及南方医科大学基础医学院白晓春教授为本论文的共同通讯作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s43587-021-00165-w

制版人：十一

参考文献

1. Shane Anderson, A. and R.F. Loeser, Why is osteoarthritis an age-related disease? Best Pract Res Clin Rheumatol, 2010. 24(1): p. 15-26.

2. Chen, D., et al., Runx2 plays a central role in Osteoarthritis development. J Orthop Translat, 2020. 23: p. 132-139.

3. Latourte, A., et al., Systemic inhibition of IL-6/Stat3 signalling protects against experimental osteoarthritis. Ann Rheum Dis, 2017. 76(4): p. 748-755.

4. Wu, C., et al., Kindlin-2 controls TGF-beta signalling and Sox9 expression to regulate chondrogenesis. Nat Commun, 2015. 6: p. 7531.

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