神经递质在软骨细胞与软骨生物学中的作用：从稳态调控到骨关节炎病理机制的系统综述

《Bioengineering》：The Effects of Neurotransmitters in Chondrocytes and Cartilage Biology

　　

神经递质是中枢及外周神经系统中细胞通讯的关键因子。近期证据表明，神经递质同样调控包括软骨在内的非神经组织功能，因为软骨细胞表达神经递质受体、转运体及其他信号分子，使其能够响应影响稳态与疾病的神经化学信号。本综述综合了当前关于主要神经递质在软骨细胞及软骨生物学中作用的相关文献，重点关注去甲肾上腺素、谷氨酸、γ-氨基丁酸（GABA）、乙酰胆碱和血清素。具体而言，研究人员在PubMed和Scopus等主要数据库中进行了广泛的文献检索，根据多种纳入/排除标准筛选出2748篇论文，最终进一步选取42篇相关稿件，用以阐述神经递质在软骨细胞/软骨中的作用。数据表明，神经递质信号调控软骨细胞生物学的多个方面，包括增殖、分化、软骨内成骨、机械转导、细胞外基质（ECM）重塑、炎症、凋亡、自噬及骨关节炎（OA）。去甲肾上腺素是研究最为广泛的神经递质，通过肾上腺素能受体信号及神经内分泌通路，对软骨发育、OA进展和修复表现出情境依赖性效应。谷氨酸能信号，尤其是通过N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体的信号，与机械转导、炎症激活、昼夜节律调控及OA相关表型改变密切相关；而GABA能信号主要调控生长板成熟和软骨形成。最后，乙酰胆碱信号似乎促进软骨细胞存活和抗炎反应，而血清素则与钙信号改变、炎症介质产生及软骨分解代谢相关。这些神经递质的生物学效应高度依赖于受体亚型、疾病阶段、炎症状态和力学环境，凸显了神经-软骨通讯的复杂性。尽管在受体特异性机制及转化意义方面仍存在显著的知识空白，当前数据支持神经递质信号作为软骨的重要调控因子，并有望成为OA新型治疗策略的开发方向。

主体内容总结

1. 引言

关节软骨是滑膜关节中提供低摩擦界面并传递负荷的关键组织，其由透明软骨构成，厚度约2–4 mm。与多数组织不同，软骨缺乏血管、神经和淋巴管，由致密的细胞外基质（ECM）和稀疏分布的软骨细胞组成。软骨ECM主要由水、糖胺聚糖（GAGs）和蛋白聚糖构成，以凝胶形式提供抗流动摩擦阻力和水压支撑，使关节能够承受显著力学负荷。软骨细胞是关节软骨的常驻细胞，在软骨ECM的发育、维持和修复过程中通过合成蛋白聚糖和GAGs等基质成分保持代谢活性。然而，软骨细胞的代谢活性可因化学和力学环境变化而改变，如白细胞介素-1和肿瘤坏死因子-α等促炎细胞因子对ECM大分子的降解和合成具有分解代谢和合成代谢双重效应。由于缺乏主动血液供应且增殖活性低，关节软骨再生能力极为有限。传统上，神经递质在中枢和外周神经系统中被广泛研究，但越来越多的证据表明它们在其他组织中同样具有活性。例如，血清素可调控肥大细胞和巨噬细胞以双向调节炎症反应，乙酰胆碱通过抑制巨噬细胞释放炎性细胞因子发挥抗炎作用，去甲肾上腺素通过上调调节性T细胞创造免疫抑制环境。在软骨中，文献已鉴定出软骨细胞相关的神经递质受体、转运体和信号通路，并进一步将其与软骨细胞分化、机械转导、炎症、ECM代谢、凋亡、自噬及OA进展相关联。

2. 材料与方法

文献检索于2026年4月6日至2026年8月6日期间进行，覆盖PubMed、Scopus、Cochrane、CINAHL和Epistemonikos等数据库。主要检索词包括各神经递质名称（如血清素、多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺素、乙酰胆碱、谷氨酸和GABA），辅以布尔运算符，并纳入神经肽及特定受体类型（如"肾上腺素能受体"）相关检索词。软骨和软骨细胞检索词扩展至"生长板"和"关节软骨"等。初检获得5342篇稿件，去除重复后剩余2748篇，采用两阶段筛选流程：先进行标题和摘要筛选，再进行全文筛选以确认符合纳入标准，使用Rayyan.ai软件辅助筛选。数据提取记录物种与细胞来源、神经递质及其受体、研究方法和结果及效应方向。纳入和排除标准见表1。偏倚风险评估遵循PRISMA 2020指南：动物体内研究采用SYRCLE工具评估十个领域；体外和细胞系研究采用改良版OHAT工具，评估九个关键领域，包括随机化和处理分配、对照充分性、暴露表征、结局评估、数据完整性、选择性报告等，并按风险等级分为三层。

3. 结果

3.1 儿茶酚胺类

去甲肾上腺素（NE）是交感神经系统的主要神经递质。研究表明NE通过肾上腺素能受体（AR）发挥作用，涉及软骨细胞分化、软骨重塑、炎症反应和细胞代谢。在β2-肾上腺素能受体信号方面，小鼠模型中β2-AR激活促进胚胎生长板软骨细胞增殖并抑制分化，调控长骨生长和骨折愈合中增殖向肥大软骨细胞的转变。机制上，NE介导的β2-AR激活与ERK1/2和PKA信号相关，PKA激活刺激AP-1转录因子Jun-B，导致软骨形成标志物（包括Sox6和II型胶原）表达降低。肾上腺素的相关研究进一步表明β2-AR信号通过抑制Sox6干扰软骨形成分化，最终下调Sox9蛋白家族表达。在软骨重塑和OA进展方面，骨关节炎C57BL/6J小鼠外周NE释放缺失与疾病进展加剧和软骨钙化增加相关，但对软骨表面降解和滑膜炎症无影响。β2-AR信号缺失与瘦素水平升高协同，通过促进成骨细胞活性和抑制破骨细胞活性，构成软骨钙化和软骨下骨改变的机制。相反，衰老小鼠关节交感神经支配通过β1-AR信号促进软骨退变，诱导软骨细胞来源的外泌体miR-125释放并促进软骨下骨成骨细胞分化。在软骨修复方面，下丘脑室旁核介导的神经环路通过抑制β2-AR信号促进成熟关节软骨形成。力学刺激关节软骨可减少下丘脑驱动的NE释放，从而支持浅表层（SFZ）软骨细胞更新。NE作用于软骨细胞Adrb2受体，驱动Adrb2-TβRIII复合物内化以降低TGF-β信号。力学负荷时成骨细胞释放PGE2激活感觉神经EP4受体，将骨骼内感信号传递至下丘脑室旁核，作为负反馈减少交感NE释放，从而恢复TGF-β和润滑素介导的合成代谢。在炎症反应方面，低浓度NE通过α-AR信号促进人关节软骨细胞凋亡，高浓度则通过β-AR信号促进增殖。α2-AR激活与大鼠软骨细胞分解代谢因子释放增加、合成代谢因子减少及线粒体生成增强相关。慢性心理社会应激通过慢性从属群体饲养模型导致小鼠胫骨和股骨长度减少，生长板厚度增加、矿物质沉积减少，生长板处骨髓细胞酪氨酸羟化酶表达增加，表明局部儿茶酚胺合成或交感活性改变干扰生理性软骨内成骨。多巴胺在C57BL/6J小鼠中通过抑制基质降解因子并增加ECM含量减少软骨降解、促进软骨稳定性。肾上腺素通过β2-AR信号参与ATDC5软骨细胞去分化，并在低pH条件下高浓度时对人软骨细胞具有软骨毒性。

3.2 谷氨酸/GABA

培养的大鼠肋软骨细胞表达AMPA受体亚基和囊泡谷氨酸转运体1（VGLUT1），AMPA受体激活后内源性谷氨酸释放延长。大鼠软骨细胞表达兴奋性氨基酸转运体GLAST、GLT-1和EAAC1，谷氨酸摄取呈钠离子和膜电位依赖性。胚胎小鼠软骨模型中兴奋性氨基酸转运体呈分化阶段特异性表达。大鼠OA模型中关节透析液中谷氨酸水平显著升高。人关节软骨细胞通过NMDAR依赖性机制响应力学刺激，正常软骨细胞中NMDAR拮抗抑制机械刺激超极化反应，而OA软骨细胞显示改变的去极化反应且不受NMDAR拮抗影响。正常和OA人软骨细胞NMDAR亚基表达不同，OA软骨细胞中NMDAR信号需细胞外钙，与PSD-95和nNOS活性相关，下游激活河豚毒素敏感钠通道和小电导钙激活钾通道。NMDAR信号参与炎症、凋亡和分解代谢表型改变，IL-1β改变谷氨酸代谢并诱导促炎基因表达。SW1353细胞中抑制NMDAR和补体C5减少凋亡和炎症介质表达。NMDAR信号调控软骨细胞昼夜节律基因和表型，OA软骨细胞中NMDAR抑制恢复BMAL1和PER2表达并减少分解代谢因子。IL-1β介导的PER2和BMAL1调控涉及下游NMDAR/CREB和NF-κB信号通路。鸡肢芽来源软骨祖细胞中NMDAR激活诱导瞬时胞内钙释放，为软骨祖细胞分化为产基质软骨细胞所必需。大鼠肋软骨细胞表达GluR3 AMPA受体亚基和VGLUT1，AMPA受体激活延长内源性谷氨酸释放。谷氨酸通过III型代谢型谷氨酸受体激活、逆向胱氨酸/谷氨酸反向转运体活性、胞内谷胱甘肽耗竭和凋亡介导矿化促进软骨细胞向矿化分化。生理浓度谷氨酸激活III型mGluR抑制cAMP合成并阻止软骨细胞向矿化分化，而超生理浓度细胞外谷氨酸使胱氨酸/谷氨酸反向转运体反向，诱导矿化分化。炎症条件下马软骨细胞谷氨酸诱导的钙信号从单峰瞬变转向振荡模式，GLAST和GLT-1上调。炎症刺激在24小时内增加健康和OA马软骨细胞谷氨酸释放。GABA方面，大鼠生长板软骨细胞和ATDC5细胞表达GABA_A和GABA_B受体亚基，GABA信号可能调控软骨形成分化和软骨细胞增殖。GABA_B受体亚基1（GABA_B-R1）在前肥大和肥大软骨区域表达，GABA_B-R1缺失与体型减小、骨骼钙化延迟和印度 Hedgehog（Ihh）表达降低相关，机制上GABA_B-R1通过增强ATF4核转位和ATF4依赖性Ihh启动子激活促进软骨形成。GABA_B-R1与胞外钙敏感受体在小鼠生长板软骨细胞中共表达、共定位并物理关联，GABA_B-R1缺失损害钙介导信号、减少增殖、增加凋亡并使标志物表达转向晚期分化。猪关节软骨细胞在高渗培养条件下出现时间依赖性转运活性转变，早期激活钠依赖性氨基酸转运系统A，随后延迟诱导甜菜碱-GABA转运，但未检测到BGT-1 mRNA。

3.3 乙酰胆碱

人髋OA和类风湿关节炎（RA）软骨研究中鉴定出参与胆碱摄取和乙酰胆碱释放的多种蛋白，包括有机阳离子转运体1（OCT1）、有机阳离子转运体3（OCT3）、有机阳离子/肉碱转运体1（OCTN1）及胆碱转运体样家族成员。人OA软骨α7nAChR表达较健康软骨降低，与自噬和凋亡失调相关。α7nAChR缺陷软骨细胞LC3水平降低，对化学诱导关节炎敏感性增加。α7nAChR刺激在人鼠软骨细胞中诱导抗炎和抗分解代谢反应。在II型胶原免疫诱导的关节炎模型中，α7nAChR缺陷小鼠关节炎严重程度较轻、软骨破坏减少、适应性免疫指标较低。M3毒蕈碱受体（M3R）缺陷小鼠在胶原抗体诱导关节炎中未受保护，炎症反应增强、II型胶原降解增加。鸡巩膜软骨细胞中毒蕈碱受体拮抗减少硫酸盐掺入（GAG合成指标），提示M1受体活性参与调控软骨ECM代谢。

3.4 血清素

原代马软骨细胞中炎症刺激改变血清素诱导的胞内钙信号，钙瞬变事件从单峰模式转向振荡模式，与Gq蛋白偶联受体（包括mGluR5和5-HT2A）过度刺激相关。OA马软骨细胞在炎症条件下较健康软骨细胞表现出更强的血清素诱导胞内钙释放。人软骨细胞中5-HT3受体拮抗产生抗炎效应，减少IL-6、前列腺素E2和自由基产生，并间接抑制COX-2活性。人OA关节软骨细胞上鉴定出血清素能受体，受体激活与磷脂酶A2激活、前列腺素E2合成增加和胶原溶解活性增强相关。

4. 讨论

4.1 儿茶酚胺类

去甲肾上腺素在软骨生物学中具有最广泛的证据。β2-AR信号通过ERK1/2和PKA激活诱导Jun-B，降低Sox6和II型胶原表达，调控软骨细胞成熟。β2-AR信号在某些模型中支持软骨稳态，而β1-AR信号与软骨退变相关。下丘脑-骨骼神经环路的发现为关节负荷、神经调控和软骨再生提供了机制联系，但证据仅限于少量临床前研究。α-AR信号与软骨细胞凋亡和分解代谢活性相关，β-AR信号与增殖和去分化相关。慢性心理社会应激与生长板软骨细胞代谢改变、增殖减少和软骨内成骨破坏相关。多巴胺在减少软骨降解和促进软骨稳定性方面有初步证据。

4.2 谷氨酸/GABA

谷氨酸能信号通过NMDAR参与机械转导，正常和OA软骨细胞对力学刺激的电生理反应不同。NMDAR信号与促炎和促分解代谢反应相关，并通过下游CREB和NF-κB通路影响昼夜节律基因PER2和BMAL1。NMDAR介导的钙信号为软骨祖细胞分化所必需。AMPA和代谢型谷氨酸受体在软骨细胞功能中也有涉及。GABA_B-R1通过ATF4核转位和Ihh启动子激活参与软骨形成和软骨内成骨，并与钙敏感受体信号相互作用。GABA相关转运参与软骨细胞渗透压适应。

4.3 乙酰胆碱

人软骨中存在非神经元胆碱能信号系统组分。α7nAChR刺激在OA模型中发挥保护性抗炎和抗分解代谢作用，人OA软骨α7nAChR表达降低与自噬和凋亡失调相关。然而在免疫介导的炎症性关节炎模型中，α7nAChR缺陷小鼠关节炎严重程度减轻，提示α7nAChR在退变性OA和免疫介导炎症性关节炎中可能具有不同作用。M3R信号在胶原抗体诱导关节炎中可能发挥保护作用。

4.4 血清素

炎症条件改变马软骨细胞对血清素的钙信号反应，OA软骨细胞表现出更强的血清素诱导钙释放。5-HT3受体信号可能促进炎症，其拮抗减少IL-6、PGE2和自由基产生。血清素受体激活与人OA软骨细胞磷脂酶A2激活、PGE2合成和胶原溶解活性增强相关。

5. 结论

现有数据表明，经典神经递质尽管在无血管无神经的软骨组织中仍参与软骨生物学调控。去甲肾上腺素、谷氨酸、GABA、乙酰胆碱和血清素各自通过不同的受体介导通路参与软骨细胞分化、机械转导、炎症、ECM稳态以及软骨退变和修复过程。尽管许多发现得到动物模型或体外系统支持，向人软骨生物学的转化仍有限。所综述稿件使用了从原代人关节软骨细胞到ATDC5细胞的多种实验模型，因此结果需谨慎解读：人软骨研究具有更高临床相关性，其他模型提示使用更高阶实验系统进一步研究的方向。未来使用人软骨细胞和软骨、受体特异性方法及临床相关疾病模型的研究，对于阐明神经递质特异性机制并确定这些信号通路是否可作为OA及其他软骨相关疾病的新型治疗靶点至关重要。