PDK2 基因缺陷增强氧化磷酸化：骨关节炎治疗的新希望

骨关节炎（OA）是常见的关节疾病，其发病与软骨细胞代谢失衡相关。研究人员针对 OA 开展了抑制丙酮酸脱氢酶激酶 2（PDK2）对软骨细胞代谢及 OA 进展影响的研究。结果发现 PDK2 缺陷可改善软骨退变。这为 OA 治疗提供了新策略。

　　骨关节炎（Osteoarthritis，OA）是一种极为常见的退行性关节疾病，就像关节的 “隐形杀手”，悄无声息地破坏着人们的关节健康。它主要表现为软骨细胞凋亡和软骨细胞外基质（ECM）的降解，最终导致关节功能丧失，给患者带来极大的痛苦。在正常情况下，软骨细胞处于一种类似 “隐居” 的状态，被困在它们自己分泌的 ECM 中。由于软骨是无血管组织，软骨细胞只能依靠从滑液或软骨下骨扩散来的少量氧气生存，长期处于缺氧环境。在这样的环境下，软骨细胞主要依赖糖酵解来产生能量，通过氧化磷酸化（OxPhos）产生的能量占比不到细胞总 ATP 生成的 10% 。

然而，在 OA 的早期阶段，软骨细胞会展现出一定的 “适应能力”，它们可以调整代谢方式，增加 OxPhos，以应对分解代谢的环境，维持自身的生存和功能。但随着 OA 病情的发展，线粒体功能逐渐出现障碍，软骨细胞的这种代谢适应能力达到极限，代谢又重新转向糖酵解途径。这种代谢转变使得软骨细胞越来越难以满足自身的能量需求，同时还会通过乳酸脱氢酶介导的方式放大氧化应激，进一步加剧线粒体功能障碍，最终导致软骨细胞凋亡和衰老。尽管人们已经知道软骨细胞的代谢失衡在 OA 发病机制中起着关键作用，但目前仍不清楚将软骨细胞代谢重新导向 OxPhos 是否真的能影响 OA 的进展。

为了解开这些谜团，来自韩国庆北国立大学（Kyungpook National University）的研究人员开展了一项深入的研究。他们将目光聚焦在丙酮酸脱氢酶激酶（PDK）上，尤其是 PDK2，试图探究抑制 PDK2 对软骨细胞代谢灵活性以及 OA 进展的影响。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，通过基因编辑技术获得了 PDK2 基因缺陷（PDK2 KO）的小鼠，为研究 PDK2 的功能提供了动物模型；其次，利用 RNA 和蛋白质表达分析技术，检测相关基因和蛋白的表达水平；还通过手术诱导 OA 模型，在小鼠体内模拟 OA 的发生发展过程；另外，运用了 Seahorse 实时细胞代谢分析技术，精确测量软骨细胞的代谢变化；最后，借助各种染色和检测方法，如 Safranin-O 染色、免疫荧光染色、活性氧（ROS）检测、衰老 β - 半乳糖苷酶染色等，对软骨组织和细胞的相关指标进行评估 。

研究结果如下：

1. PDK2 在 OA 中的表达变化：研究发现，在 IL - 1β 诱导的分解代谢条件下以及手术诱导的 OA 小鼠软骨中，PDK2 的表达显著增加。在体外实验中，IL - 1β 处理原代软骨细胞后，PDK2 的 mRNA 和蛋白水平均升高；在体内实验中，DMM 手术后，小鼠关节软骨中 PDK2 的表达随时间逐渐增加，同时伴随着磷酸化 PDH 水平的上升，这表明 PDK2 可能参与了 PDH 的磷酸化过程，进而影响细胞代谢 。
2. PDK2 缺陷对 OA 严重程度的影响：对比野生型（WT）和 PDK2 KO 小鼠在 DMM 诱导的 OA 模型中的表现，发现 PDK2 基因缺失显著减轻了 OA 的严重程度。PDK2 KO 小鼠的软骨降解程度明显降低，通过 OARSI 评分量化，其得分更低，同时骨赘成熟度和软骨下骨厚度也有所减少。免疫荧光染色结果显示，PDK2 KO 小鼠中 MMP13 阳性和 8 - oxo - dG 阳性的软骨细胞数量少于对照组，表明细胞外基质降解蛋白酶水平和氧化应激诱导的 DNA 损伤减少。此外，PDK2 KO 小鼠在术后 6 周开始，与疼痛相关的行为明显减少，如在静态负重、热板实验和 von Frey 测试中表现更佳 。
3. PDK2 缺陷对软骨细胞代谢的影响：利用 Seahorse XF96 细胞外通量分析仪评估发现，PDK2 缺陷部分恢复了 IL - 1β 处理的软骨细胞的 OxPhos 水平。在 IL - 1β 处理后，野生型软骨细胞的 OCR 下降，ECAR 上升，表明 OxPhos 受到抑制，糖酵解增强；而 PDK2 KO 软骨细胞的 OCR 增加，ECAR 降低，同时 ATP 和 NAD⁺/NADH 比值显著升高，这说明 PDK2 缺陷增强了 OxPhos，可能恢复了软骨细胞在分解代谢条件下的能量平衡 。
4. PDK2 缺陷对软骨细胞稳态的影响：在 IL - 1β 处理的条件下，PDK2 缺陷增加了软骨生成标记物（Col2 和 Aggrecan）的表达，减少了分解代谢蛋白酶（Mmp13 和 IL - 6）的表达，但对 Adamts5 和 Vegf 的表达没有影响。同时，PDK2 缺陷增强了 PDH 的酶活性，降低了磷酸化 PDH 的水平，增加了抗氧化蛋白（如 NRF2 和 HO - 1）的表达，减少了 ROS 和 8 - oxo - dG 的产生，降低了衰老相关 β - 半乳糖苷酶（SA - β - gal）的表达，表明 PDK2 缺陷具有合成代谢作用，能减轻软骨细胞的氧化应激和衰老 。
5. PDK2 缺陷对信号通路的影响：进一步研究发现，PDK2 缺陷降低了 p38 MAPK 信号通路的活性，抑制了 p38 MAPK 的磷酸化；同时维持了 AMPK 的激活状态，使其在 IL - 1β 刺激下仍能保持较高的磷酸化水平。此外，PDK2 缺陷对 JNK、mTOR、AKT 和 NF - κB 等信号通路的激活没有影响 。
6. p38 MAPK 与 ROS 的关系：通过使用 p38 抑制剂 SB203580 和线粒体超氧化物特异性清除剂 Mito - TEMPO 处理细胞发现，在野生型软骨细胞中，抑制 p38 可显著抑制 ROS 产生和细胞衰老，但在 PDK2 缺陷的软骨细胞中，这种抑制作用不明显。这表明在 PDK2 缺陷导致 OxPhos 增加的代谢环境中，p38 MAPK 在 ROS 产生和细胞衰老过程中不起重要作用。同时，研究还发现线粒体 ROS 对 p38 MAPK 的激活至关重要，PDK2 缺陷可减少 p38 MAPK 的磷酸化，而清除线粒体超氧化物可进一步降低 p38 MAPK 的磷酸化水平 。

研究结论和讨论部分指出，本研究揭示了 PDK2 在 OA 软骨细胞中特异性上调，其功能缺失可增加 PDH 活性，恢复 IL - 1β 介导的软骨细胞向糖酵解的代谢转变，增强 OxPhos，减少氧化应激和细胞衰老，从而对手术诱导的 OA 模型起到保护作用。从机制上讲，PDK2 缺陷导致 p38 MAPK 激活减少，AMPK 信号通路持续激活。这些发现为 OA 的治疗提供了新的思路，表明代谢重编程向 OxPhos 方向发展有望成为 OA 治疗的潜在策略。同时，研究还发现 OxPhos 在 ROS 产生中的作用具有细胞环境依赖性，在不同条件下，增加 OxPhos 可能会增加或减少 ROS 的产生。此外，PDK2 可能是软骨细胞代谢在分解代谢条件下的关键调节因子，抑制 PDK2 可能是软骨细胞代谢重编程的有前景的方法，且由于 PDK2 在分解代谢软骨细胞中的特异性表达，靶向 PDK2 可能在治疗 OA 的同时，对正常软骨生理的影响较小。总之，这项研究为深入理解 OA 的发病机制和开发新的治疗方法提供了重要的理论依据和实验支持。