ATP代谢在骨关节炎中的关键作用：基于软骨细胞能量稳态与细胞外基质降解的数学模型研究

本综述通过建立软骨细胞ATP代谢数学模型，揭示了缺氧诱导的糖酵解-OXPHOS（氧化磷酸化）双稳态转换机制，阐明慢性缺氧通过HIF-1α（缺氧诱导因子-1α）通路导致ATP合成减少和ECM（细胞外基质）降解的病理过程，为靶向代谢调控的骨关节炎治疗策略提供理论依据。

　　

Section snippets

Basic assumptions

在数学模型中，我们通过若干简化假设以捕捉关节软骨中葡萄糖代谢的核心动力学特征。将组织视为均匀混合系统，忽略空间异质性以聚焦整体代谢相互作用。为保持分析可操作性并聚焦核心代谢动力学，我们未考虑关节软骨内部的深度依赖性梯度（如氧气、葡萄糖和ECM特性的分布梯度）。

Steady state response

我们通过不同初始条件的数值模拟获得了系统稳态下关节软骨ATP水平的响应。模型表明ATP通过糖酵解和OXPHOS双模式产生，具体路径取决于葡萄糖和氧气的可用性。如图2A所示，在低葡萄糖条件下ATP主要依赖糖酵解产生。当细胞外空间葡萄糖浓度（g_o）适度升高时——

Conclusions and future aspects

本研究证明在慢性缺氧条件下，ATP代谢失调通过驱动软骨细胞的不可逆代谢转变，在骨关节炎进展中发挥核心作用。缺氧诱导的糖酵解转换通过HIF-1α稳定化作用降低ATP产量并促进ECM降解。虽然外源性ECP可提供临时结构支持，但只有针对ATP代谢的干预措施（通过增强OXPHOS或调控HIF-1α）能够逆转——

CRediT authorship contribution statement

Dhruba Jyoti Mech: 评审编辑-可视化-验证-软件-方法论-形式化分析

Mohd Suhail Rizvi: 评审编辑-原稿撰写-督导-软件-方法论-研究实施-资金获取-概念化

Declaration of competing interest

作者声明无利益冲突

Acknowledgments

感谢SERB（科学工程研究委员会）和IITH（海得拉巴印度理工学院）的资金支持