PRG4缺失小鼠股骨形态改变：关节健康与形态发育的分子机制研究

这篇研究通过高分辨率X射线显微镜(XRM)成像和几何形态计量学，揭示了PRG4(Proteoglycan-4/lubricin)缺失导致小鼠股骨远端形态异常：表现为增大、前后向延长及内外侧变窄的畸形特征，其中滑车沟、上髁和内侧髁区域变化最显著。研究首次定量证实PRG4不仅影响关节润滑，还通过调控软骨厚度和生物力学特性参与关节形态建成，为理解CACP综合征(PRG4相关遗传病)和骨关节炎(OA)的发病机制提供了新视角。

　　

1 引言

膝关节作为复杂解剖结构，其形态发育受机械力和分子信号共同调控。PRG4（又名lubricin）是关节滑液关键润滑成分，在人类和小鼠中的缺失会导致关节早衰，表现为滑膜增生和软骨纤维化。虽然既往研究聚焦PRG4的润滑功能，但其对关节形态建成的调控机制仍不明确。本研究首次采用几何形态计量学方法，系统分析PRG4缺失对小鼠股骨三维形态的长期影响。

2 材料与方法

实验选用8-36周龄PRG4^-/-小鼠与野生型(WT)对照，通过XRM成像获取4.4μm分辨率三维数据。创新性地建立包含43个解剖标志点的股骨图谱（图2a），采用对称归一化(SyN)算法进行非线性配准。软骨生物力学测试采用Hayes弹性模型，结合组织学OARSI评分系统评估退变程度。

3 结果

3.1 表型异常特征

PRG4^-/-小鼠8周龄即出现显著形态异常：滑车沟中心凹陷加深（前视图），内外侧嵴外凸（侧视图），整体股骨较WT增大12%（图1a）。XRM横断面显示软骨增厚（箭头）和骨小梁减少（星号）（图1c），与组织学发现的软骨纤维化区域高度吻合。

3.2 形态计量学证据

主成分分析显示PRG4^-/-股骨在PC1轴（贡献率40%）显著偏移，表现为：

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  髁间窝宽度(IN)减少18%

• •

  滑车沟角(SA)减小25%（p<0.001）

• •

  内侧髁前后径(M_AP)增加15%（图3h）

  热图分析揭示内侧髁和滑车沟近端为最大变形区域（图2c），与RNA-seq发现的PRG4在髁软骨中随年龄表达升高的趋势相符（图3l,m）。

3.3 软骨退化机制

生物力学图谱显示PRG4^-/-软骨虽增厚20%，但瞬时模量降低40%（图4a,b）。36周龄时，内侧髁中外部出现特征性变薄区（箭头），对应OARSI评分升高3倍（图4h,i）。组织学证实该区域存在胶原网络破坏和蛋白聚糖丢失（图4c），提示机械负荷异常加速了局部退变。

4 讨论

研究首次证实PRG4通过双重机制影响关节健康：

1）发育期：通过调控软骨-软骨界面剪切力，指导滑车沟形态建成。滑车沟异常可能改变髌骨运动轨迹，这与PRG4^-/-小鼠特征性跳跃步态相符。

2）成年期：增厚但力学性能低下的软骨在异常接触应力下发生区域性退化，模拟了人类CACP综合征的病理进程。

该发现拓展了对PRG4生物学功能的认识，为开发针对关节形态异常的早期干预策略提供了理论依据。未来研究可结合条件性基因敲除模型，进一步解析PRG4在不同组织中对形态建成的特异性贡献。