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骨关节炎（OA）治疗手段有限，为探究衰老细胞对 OA 的影响，研究人员以创伤后骨关节炎（PTOA）小鼠为模型，开展相关研究。结果发现衰老的 Lepr+骨骼干细胞（SSCs）可加剧 OA 进展，阻断相关通路可缓解症状，为 OA 治疗提供新思路。
骨关节炎（Osteoarthritis，OA）是一种常见的慢性致残性关节疾病，就像一位潜伏在关节中的 “破坏者”，悄无声息地侵蚀着人们的关节健康。目前，针对 OA 的治疗手段非常有限，患者常常陷入痛苦的困境。众多风险因素，如创伤、遗传和衰老等，会诱导关节发生病理变化，其中细胞衰老被认为是 OA 病理的重要机制之一。然而，衰老细胞和衰老相关分泌表型（Senescence - Associated Secretory Phenotype，SASP）对衰老细胞裂解药物的敏感性存在差异，而且当前大多数衰老细胞裂解药物主要针对分化细胞，对于关节中干细胞衰老对 OA 进展的影响，人们了解得还很少。同时，骨骼干细胞（Skeletal Stem Cells，SSCs）在 OA 进展中的作用及机制也尚不明确。为了揭开这些谜团，探索治疗 OA 的新方法，北京放射医学研究所等机构的研究人员开展了一系列深入研究。相关研究成果发表在《Stem Cell Research & Therapy》上。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先，通过单细胞 RNA 测序（single - cell RNA sequencing，scRNA - seq）对 PTOA 小鼠膝关节的关节软骨和软骨下骨进行分析，以探究细胞衰老的异质性。同时，构建 PTOA 小鼠模型，并进行体内和体外实验，利用微 CT 分析、病理分析以及功能获得与缺失实验等手段，深入研究衰老 SSCs 在 OA 病变发展和进展中的作用及机制。此外，研究中还用到了 qPCR 分析、Western blot 测定、组织学染色、免疫荧光和免疫组化等技术。研究样本包括从接受全膝关节置换手术的患者处收集的人类胫骨平台标本，以及实验用的雄性 C57 小鼠等。
SSCs 在 PTOA 小鼠膝关节中发生细胞衰老
研究人员利用前交叉韧带横断（ACLT）手术构建了 PTOA 小鼠模型，并对相关细胞进行 scRNA - seq 分析。通过整合数据和细胞聚类分析，发现 OA 进展过程中，骨基质细胞中的 SSCs 和骨祖细胞（Osteoblast Progenitor Cells，OPCs）数量先增加后减少，而成骨细胞（Osteoblast，OB）数量则先减少后增加，免疫细胞比例逐渐下降。通过计算细胞周期相评分等方法，研究人员发现 OA 进展过程中，骨基质细胞在 G1期的数量增加，S 期数量减少，且关键细胞周期抑制剂 P21 等衰老相关基因的表达增加，这表明 SSCs 发生了细胞衰老。后续的湿实验也进一步验证了这一结果，在 PTOA 小鼠和人类 OA 样本中，均发现与衰老相关的蛋白表达增加，这充分说明骨基质细胞，尤其是 SSCs，在 OA 进展过程中发生了显著的细胞衰老。
抑制瘦素 - Lepr 信号通路可缓解 SSC 衰老和 OA 进展
尽管发现 Lepr+ SSCs 在 OA 进展中会发生细胞衰老，但具体机制尚不清楚。研究人员通过 scRNA - seq 分析发现，衰老的 SSCs 中脂质代谢异常，瘦素 - Lepr 信号通路的下游途径被激活，且 OA 患者和 PTOA 小鼠的瘦素表达均显著增加。为了探究瘦素 - Lepr 信号通路的作用，研究人员进行了体内瘦素阻断实验，向 OA 小鼠关节腔内注射 AAV9 - Lepr - Down 或给予特异性抑制剂 Allo - aca。结果发现，这两种处理均能有效减轻软骨损伤，增加胶原蛋白 II（COL II）的面积，减少 Grem1 和 P21 双阳性细胞的比例，缓解关节病变和软骨下骨的骨硬化，降低骨体积分数（Bone volume fraction，BV/TV）和软骨下骨板厚度（Subchondral bone plate thickness，SBP.th） ，这表明瘦素 - Lepr 信号通路与 SSCs 的衰老以及 OA 中异常的软骨下骨重塑过程密切相关。
OA 进展过程中 SSCs 中 STAT3 和 FGF7 的表达增加
为了深入了解瘦素 - Lepr 信号通路参与 SSC 衰老和 OA 进展的机制，研究人员利用相关数据库进行分析，发现 STAT3 的表达与 OA 进展相关，且在 OA 小鼠和人类样本中，STAT3 的表达均显著升高。通过 CellChat 分析，研究人员发现 SSC 群体在细胞间信号传递中起着重要作用，且 FGF7 在 SSCs 中的表达与 OA 进展相关，其下游主要与成纤维细胞生长因子受体（Fibroblast Growth Factor Receptor，FGFR）家族相互作用。免疫组化和 qPCR 结果也证实，FGF7 的表达在 OA 小鼠和人类样本中随 OA 进展而增加，这表明 SSCs 是 OA 信号转导中的重要亚群，FGF7 的表达与 OA 进展相关，且可能受 STAT3 调控。
瘦素 - Lepr 信号通过激活 STAT3 增强 FGF7 的转录
为了探究 FGF7 表达上调的具体机制，研究人员使用多种成骨细胞系进行实验。结果发现，瘦素能以剂量依赖的方式促进 STAT3 和 FGF7 的表达，而加入 STAT3 抑制剂 Stattic 后，STAT3 和 FGF7 的表达均下降。通过数据库预测和实验验证，研究人员发现 STAT3 可能直接结合到 FGF7 的启动子区域，且 STAT3 的过表达能增加荧光素酶活性，而其结合位点突变则降低活性，加入 STAT3 信号通路激动剂 colivelin 可进一步增加荧光素酶活性，这表明 STAT3 作为瘦素 - Lepr 通路的下游信号通路之一，部分通过调节 FGF7 的转录直接调控成骨细胞中 FGF7 的表达。
FGF7 在 OA 进展过程中调节骨重塑
已有研究表明 FGF7 在骨细胞的生长、分化等过程中发挥重要作用，本研究也证实了其对成骨细胞的促骨形成作用。研究人员通过关节腔内注射过表达或沉默 FGF7 的 AAV 进行实验，结果发现，FGF7 - Down 组的 OARSI 评分降低，COL II+区域面积增大，且 FGF7 能上调成骨标记物的表达。此外，利用 Sp7 - Cre/ERT2 - Td 小鼠进行研究发现，FGF7 能增加 OA 中 SP7 的表达，同时在体内外实验中均发现 FGF7 能抑制破骨细胞的形成和骨吸收。Micro - CT 分析表明，FGF7 敲低会降低 BV/TV，而 FGF7 过表达则会增加 BV/TV ，这表明在 OA 进展过程中，FGF7 过表达会增强骨形成并抑制骨吸收。
研究结论表明，scRNA - seq 技术揭示了 PTOA 模型小鼠膝关节中滑膜、关节软骨和软骨下骨的细胞衰老情况，发现软骨下骨中的 Lepr+ SSCs 在 OA 进展过程中发生细胞衰老。关节腔内注射瘦素 - Lepr 化学抑制剂和靶向 Lepr 的 AAV 可抑制软骨下骨中 SSC 的衰老，从而缓解 OA 进展过程中的骨软骨损伤。进一步研究发现，瘦素诱导 SSCs 中 STAT3 的表达，STAT3 与 FGF7 启动子区域结合促进其表达，FGF7 在 OA 中对骨重塑具有重要调节作用。这些研究结果揭示了 OA 关节中细胞衰老的异质性，明确了瘦素 - Lepr 通路在 SSC 衰老和 OA 进展中的重要作用，为 OA 的治疗提供了新的潜在靶点和治疗策略，有望推动 OA 治疗领域的发展，为众多 OA 患者带来新的希望。
