改变的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）代谢会促进软骨退化和骨关节炎的发生

《Clinical and Translational Medicine》：Altered nicotinamide adenine dinucleotide metabolism drives cartilage degeneration and osteoarthritis

NAD+代谢失衡及PARP14调控在骨关节炎中起关键作用，补充NMN/NR或过表达NMNAT1可改善软骨退变。

　　本研究聚焦于骨关节炎（OA）的病理机制，特别是尼古丁胺腺嘌呤二核苷酸（NAD?）代谢在其中的作用。OA是一种常见的退行性关节疾病，影响全球超过5亿人，并且其发病率随着人口老龄化和肥胖率的上升而持续增加。目前，尚无被批准的能够改变OA病程的药物，主要治疗手段包括止痛和晚期手术置换，这不仅给患者带来沉重的负担，也对社会经济造成巨大压力。因此，深入理解OA的发生与进展机制对于开发新的治疗策略至关重要。

NAD?是细胞能量代谢和炎症调控的关键辅因子，其水平的下降与衰老和慢性炎症密切相关，而这些因素正是OA发病的重要驱动力。本研究首次揭示了NAD?代谢失衡在OA发展中的关键作用，特别是NAD?消耗酶PARP14的表达上调导致NAD?水平降低。通过在人类、小鼠和大鼠模型中对NAD?代谢进行综合分析，我们发现OA组织中NAD?含量显著减少，而NAMPT（一种NAD?合成酶）的表达则增加。尽管NAMPT的表达水平升高，但其对NAD?总量的影响可能被NAD?的消耗或底物限制所抵消。这种代谢失衡可能成为OA病理发展的潜在机制。

在实验中，我们使用了多种干预手段，包括NAD?前体（如NMN和NR）的补充以及NMNAT1基因的过表达。结果显示，NAD?前体的补充和NMNAT1的过表达均能有效抑制OA模型中的软骨破坏。这表明，通过提升NAD?水平或调控其合成途径，可能为OA提供一种具有分子和组织层面改变效果的治疗策略。同时，我们还通过siRNA技术抑制了PARP14的表达，发现这不仅能够恢复NAD?水平，还能减少OA相关的代谢和基质降解变化。这进一步支持了PARP14在OA发展中的核心作用。

研究还揭示了NAD?代谢与OA病理之间的关系。在炎症环境下，PARP14的表达显著增加，导致NAD?的消耗加剧，进而影响软骨细胞的能量代谢和基质合成。在实验中，我们发现PARP14的抑制能够减少葡萄糖的摄取和乳酸的产生，使细胞代谢更加平衡。此外，线粒体功能测试显示，PARP14的抑制并未显著降低氧气消耗率，反而提高了线粒体的储备能力和最大氧气消耗率。这些结果表明，PARP14在炎症状态下对软骨细胞代谢具有重要调控作用。

从病理生理角度来看，PARP14不仅参与NAD?的消耗，还影响软骨细胞的代谢和炎症反应。通过抑制PARP14，我们观察到基质降解酶（如MMP1、MMP9、MMP13、ADAMTS4、ADAMTS5）的表达显著降低，而合成基质的基因（如COL2）则被显著上调。这说明PARP14在OA中的作用不仅限于NAD?的消耗，还可能通过调控细胞的代谢状态和炎症反应，影响软骨的完整性。因此，PARP14被视为OA病理过程中的一个关键调节因子。

此外，本研究还强调了NAD?代谢在不同组织中的特异性。虽然NAD?水平的下降在其他组织（如骨骼肌）中并未明显影响其结构完整性，但软骨对NAD?的调控却极为敏感。这种组织特异性提示我们，NAD?代谢的干预可能对软骨具有特定的保护作用，而对其他组织的影响则可能较小。因此，针对NAD?代谢的治疗策略可能更适用于OA的治疗。

在实验方法上，本研究采用了多种技术手段，包括组织分类、细胞培养、RNA测序、免疫组织化学、代谢分析、细胞活力检测和细胞能量代谢评估。通过这些方法，我们不仅确认了NAD?代谢在OA中的关键作用，还揭示了PARP14在其中的主导地位。同时，我们也发现，NAD?前体的补充能够有效减少软骨降解，提高COL2等合成性基因的表达，降低MMP13等降解性基因的表达，这为未来的临床研究提供了重要的理论依据。

本研究还探讨了NAD?代谢与衰老、炎症及软骨退化的潜在联系。在小鼠的自然衰老模型中，我们发现随着年龄增长，NAMPT的表达逐渐增加，这与软骨的退化趋势相吻合。然而，NAD?水平的下降则可能与NAMPT下游的NMNAT酶活性不足有关。这提示我们，NAD?代谢的调控可能需要考虑多个环节，而不仅仅是NAMPT的表达水平。

为了进一步验证NAD?前体的治疗潜力，我们进行了体内和体外实验。在体外，我们使用了牛软骨组织进行实验，发现IL-1β刺激显著增加了GAG的释放，而NMN的补充则有效抑制了这一过程。在体内，我们通过给小鼠补充NMN，发现其能够显著减少软骨退化，并降低Mankin评分。此外，NMNAT1的过表达也能够有效恢复NAD?水平，并保护软骨免受衰老相关退化的影响。这些结果表明，NAD?前体和相关代谢通路的调控可能成为未来治疗OA的重要方向。

尽管研究结果令人鼓舞，但仍有一些问题需要进一步探讨。例如，PARP14在体内的具体作用机制尚未完全明确，需要通过更精确的基因敲除模型来验证。此外，NAD?前体的长期安全性和有效性也需要进一步研究，特别是在临床转化过程中。同时，NAD?代谢与其他细胞通路（如炎症、氧化应激、细胞凋亡等）之间的相互作用，可能为开发更有效的治疗策略提供新的思路。

总的来说，本研究揭示了NAD?代谢在OA发展中的核心作用，并提供了多种可能的干预手段。这些发现不仅为OA的治疗提供了新的思路，也为其他与衰老相关的疾病（如心血管疾病、神经退行性疾病等）的治疗提供了借鉴。未来的研究需要进一步探索NAD?代谢与OA病理之间的因果关系，并评估相关干预措施的临床可行性。同时，结合更广泛的生物标志物和功能评估，如疼痛行为、步态分析和关节活动度等，将有助于更全面地理解NAD?代谢在OA中的作用，并推动其向临床转化。