科學(xué)家發(fā)現(xiàn)可以徹底改變骨關(guān)節(jié)炎治療的祖細胞

自然通訊》最近發(fā)表的一項研究中，研究人員報告稱，骨關(guān)節(jié)炎 (OA) 是由Gremlin 1 ( Grem1 ) 譜系軟骨祖細胞 (CP)丟失引起的。

研究：? Grem1 譜系軟骨祖細胞的丟失會導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎。圖片來源：airdone / Shutterstock.com

什么是OA？

骨關(guān)節(jié)炎影響關(guān)節(jié)中的所有組織，從而導(dǎo)致關(guān)節(jié)疼痛、不穩(wěn)定和殘疾。骨關(guān)節(jié)炎無法治愈，治療方法包括改變生活方式和控制疼痛。

OA 常常因損傷、衰老或慢性機械應(yīng)力而發(fā)生。關(guān)節(jié)軟骨 (AC) 的再生能力有限，其喪失是 OA 的一個特征。

先前的研究報告稱，骨骼干細胞（SSC）產(chǎn)生基質(zhì)、骨骼和軟骨，但不產(chǎn)生脂肪譜系。骨髓中的骨脂肪祖細胞群被獨立鑒定。

骨髓和生長板 (GP) 中的骨脂肪祖細胞和骨基質(zhì)軟骨祖細胞分別表達瘦素受體( Lepr ) 和Grem1標記物。在一項研究中，組織駐留的 SSC 可以被激活以產(chǎn)生 AC；然而，它們的位置未知，并且刺激僅產(chǎn)生軟骨而不產(chǎn)生軟骨下骨。

研究結(jié)果

在本研究中，研究人員使用了兩種誘導(dǎo) OA 的小鼠模型，包括膠原酶 VII 誘導(dǎo)的 OA (CIOA) 和內(nèi)側(cè)半月板不穩(wěn)定手術(shù) (DMM)。這些小鼠模型用于檢查OA 中的Grem1譜系細胞、Lepr 間充質(zhì)干細胞和聚集蛋白聚糖( Acan ) 標記的關(guān)節(jié)軟骨細胞。

Rosa – TdTomato報告小鼠與Lepr – cre、Grem1 – creERT和Acan – creERT小鼠雜交，分別產(chǎn)生Lepr – TdT、Grem1 – TdT和Acan – TdT小鼠。給小鼠注射他莫昔芬，兩周后進行手術(shù) DMM。這導(dǎo)致 AC 的非鈣化和淺層區(qū)域的增殖細胞顯著減少，從而證實了 OA 病理學(xué)。

只有Grem1譜系群體在蛋白多糖損失部位顯著減少。CIOA模型中的OA病理更為嚴重。同樣，在AC 厚度減小的Grem1-TdT小鼠中觀察到Grem1譜系 CP 細胞的顯著損失。

研究人員隨后研究了Grem1 CP 細胞是否是正常產(chǎn)后 AC 發(fā)育和維持的常駐干祖細胞。為此，一周后立即在半月板和軟骨骨骺中觀察到Grem1 CP細胞，產(chǎn)生約40%的AC。在發(fā)育后期，Grem1-譜系 CP 細胞在軟骨下骨中產(chǎn)生強大的成骨細胞，一個月后遍布整個關(guān)節(jié)。

在 AC 中未檢測到Lepr譜系細胞。隨著衰老，觀察到Grem1譜系關(guān)節(jié) CP 細胞顯著減少。AC 再生能力降低的部分原因是Grem1系關(guān)節(jié) CP 細胞和軟骨細胞增殖的減少。

產(chǎn)生了敲入小鼠模型（Grem1 – DTR – Td ），其中表達Grem1的細胞同時表達白喉毒素（DT）受體（DTR）和TdTomato報告基因，這使得細胞對DT消融敏感。這些小鼠關(guān)節(jié)內(nèi)注射了兩劑DT，顯著減少了AC中的Grem1 CP細胞，升高了關(guān)節(jié)軟骨細胞，并誘導(dǎo)了OA的病理改變。數(shù)據(jù)表明，表達Grem1的 CP 細胞是衰老過程中丟失的正常祖細胞，它們的消耗導(dǎo)致 OA。

使用單細胞核糖核酸測序 (scRNA-seq) 數(shù)據(jù)分析基因表達。叉頭盒蛋白-o 1 ( Foxo1 ) 表達與關(guān)節(jié) CP 細胞中的Grem1表達相關(guān)，并且在 AC 中的Grem1譜系細胞中顯著高于在 GP 中。成人 AC 中表達 FOXO1 的大多數(shù)細胞屬于Grem1譜系，而GP 中表達 FOXO1 的Grem1細胞較少。

產(chǎn)生條件敲除小鼠（Grem1 – TdT – Foxo1 ）并給予他莫昔芬以誘導(dǎo)Grem1譜系細胞中Foxo1缺失。這導(dǎo)致Grem1譜系 AC 細胞顯著減少并增加 OA 病理，因此表明Foxo1對于維持Grem1關(guān)節(jié) CP 細胞和 AC 完整性至關(guān)重要。

當(dāng)在新生兒早期給予他莫昔芬時，與成年早期接受他莫昔芬的小鼠相比，Grem1 – TdT – Foxo1小鼠表現(xiàn)出Grem1譜系關(guān)節(jié) CP 細胞的顯著損失、AC 厚度減少以及更嚴重的 OA 病理。

鑒于外源成纖維細胞生長因子 18 (FGF18) 在實驗性 OA 治療中作為 FGF 受體 3 (FGFR3) 激動劑的作用，研究人員還研究了外源成纖維細胞生長因子 18 (FGF18) 對Grem1譜系 AC 干細胞的影響。為此，他莫昔芬治療的成年Grem1 – TdT小鼠接受 FGF18 治療兩周，這顯著增加了Grem1-譜系關(guān)節(jié) CP 細胞并增加了 AC 厚度。同樣，對 OA 誘導(dǎo)的小鼠進行 FGF18 治療會增加治療關(guān)節(jié)中的Grem1譜系細胞和 AC 厚度，從而減少 OA 病理。

結(jié)論

研究結(jié)果表明，Grem1譜系 CP 細胞有助于新生兒關(guān)節(jié)細胞的形成，并且對其成年后的維持至關(guān)重要。消除膝關(guān)節(jié)中的Grem1譜系細胞會導(dǎo)致 OA。

FOXO1 表達僅限于表層 AC 軟骨細胞。此外，Grem1譜系細胞中的Foxo1缺失會耗盡AC中的FOXO1，但不會耗盡更深的軟骨細胞層中的FOXO1，從而導(dǎo)致OA。

因此，OA可能是由于關(guān)節(jié)細胞損傷或儲備不足而誘發(fā)，隨后是CP細胞凋亡和隨后的關(guān)節(jié)軟骨再生失敗，這強調(diào)了OA是一種由于CP細胞喪失而導(dǎo)致的細胞疾病。

期刊參考：Ng, J. Q., Jafarov, T. H., Little, C. B., et al. (2023). Loss of Grem1-lineage chondrogenic progenitor cells causes osteoarthritis. Nature Communications. doi:10.1038/s41467-023-42199-1