基于机械炎症与细胞因子驱动炎症的创伤后骨关节炎软骨退变计算建模框架

《PLOS Computational Biology》：A computational framework to model cartilage degeneration induced by mechanoinflammation and cytokine-driven inflammation in post-traumatic osteoarthritis

　　

摘要专业翻译 膝关节损伤是创伤后骨关节炎（post-traumatic osteoarthritis, PTOA）的主要危险因素，常与早期软骨退变相关。机械过载与细胞因子驱动的炎症是这一过程的关键驱动因素，然而其潜在机制及其对软骨降解在时间和空间上的不同贡献仍不清楚。本研究提出一个力学生物学有限元框架，通过模拟由损伤性载荷驱动的机械炎症（mechanoinflammation）和细胞因子驱动的炎症所引发的细胞介导蛋白水解活性，来模拟软骨降解。该模型再现了实验观察到的胶原蛋白（collagen）和聚集蛋白聚糖（aggrecan）随深度变化的丢失模式，其中机械炎症诱导瞬时反应，而细胞因子驱动的炎症则维持持续的基质降解。敏感性分析进一步表明，机械炎症驱动的降解主要受每个细胞的蛋白酶产量调控，而细胞因子驱动的降解对细胞刺激速率更为敏感。综上，该框架为研究蛋白水解性软骨退变提供了机制基础，并支持未来对旨在减轻PTOA软骨降解的治疗策略进行计算机模拟（in silico）评估。

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一、研究背景与意义

膝关节在承受数倍体重负荷的同时，仍需保持关节面间近乎无摩擦的运动，这一性能源于关节软骨独特的成分与层级结构。软骨是一种双相组织，由固体细胞外基质和富含水的间质液相构成，其细胞外基质主要由胶原纤维网络和带高电荷的聚集蛋白聚糖（aggrecan）蛋白聚糖组成，共同实现负荷支撑和液体增压功能。关节损伤及伴随的促炎细胞因子上调可破坏这一结构平衡，使软骨易失去组织稳态，分解代谢活性超过合成修复能力。当这种失衡持续存在时，将驱动不可逆的软骨基质退变，导致关节功能障碍、活动受限和慢性疼痛，这些均为创伤后骨关节炎（post-traumatic osteoarthritis, PTOA）的核心特征。

尽管数十年的实验研究已在组织和细胞尺度上明确了软骨退变的关键特征，但机械损伤与炎症对软骨基质降解在时间和空间上的不同贡献所依赖的细胞介导生物学机制仍不清楚。特别是，机械炎症（mechanoinflammation）和细胞因子驱动的炎症所诱导的蛋白水解活性如何独立及联合促进胶原蛋白（collagen）和聚集蛋白聚糖的进行性丢失，这一问题尚未得到明确解答。计算建模为在生理相关的PTOA条件下研究机械过载与炎症致软骨损伤的关联机制提供了有力工具。然而，此前的力学生物学模型虽建立了机械损伤、炎症与细胞反应之间相互作用的关键基础，但均未同时考虑损伤诱导的机械炎症和细胞因子介导的炎症条件下胶原蛋白的降解过程。

二、研究内容与主要结论

研究人员开发了一个时间依赖的计算框架，用于模拟机械炎症（损伤性载荷）和细胞因子驱动的炎症（白细胞介素-1，interleukin-1, IL-1扩散）如何差异化驱动细胞介导的胶原蛋白和聚集蛋白聚糖蛋白水解性降解。该模型将损伤诱导的分解代谢细胞和IL-1驱动的健康及分解代谢细胞刺激所促进的蛋白酶活性纳入考量。研究得出三项主要结论：第一，IL-1驱动的蛋白水解活性可再现实验观察到的12天后胶原蛋白和聚集蛋白聚糖含量随深度变化的减少，而机械炎症驱动的蛋白水解活性可解释随深度变化的聚集蛋白聚糖丢失，但仅能部分解释胶原蛋白丢失；第二，当损伤性载荷与IL-1扩散联合时，机械炎症产生急性短期蛋白水解反应，而IL-1驱动的炎症则维持长期基质降解，表明两条通路具有不同的时间窗口；第三，机械炎症驱动的软骨降解更受每个分解代谢细胞的蛋白酶产量影响，而非细胞受刺激产生蛋白酶的速率；相反，当蛋白水解活性由IL-1炎症信号驱动时，蛋白酶刺激速率在基质降解中发挥更为突出的作用。

该框架将蛋白水解活性呈现为损伤后软骨降解通过不同机械炎症和细胞因子驱动的炎症通路运作的基本机制，可作为量化软骨中难以通过实验分辨的时空蛋白酶活性的计算机模拟平台，并支持PTOA进展中抗炎或蛋白酶抑制治疗策略的虚拟设计。

三、主要关键技术方法

研究人员构建了由生物力学模型和生化模型两部分组成的计算框架。生物力学模型在Abaqus软件中建立离体软骨外植体的有限元（finite element, FE）模型，将软骨模拟为具有渗透膨胀效应的纤维增强孔超弹性材料，施加50%压缩应变、100%/s应变率的单次无约束压缩载荷循环，以模拟损伤性载荷并获取最大剪切应变的空间分布。生化模型在COMSOL Multiphysics软件中建立相同尺寸的二维几何，通过反应-扩散方程组描述细胞群体（健康、分解代谢、死亡三种表型）、蛋白酶（基质金属蛋白酶，matrix metalloproteinases, MMPs和聚集蛋白聚糖酶，aggrecanases）浓度以及胶原蛋白和聚集蛋白聚糖含量的时间变化。实验数据来源于1至2周龄牛膝关节髌股沟四个位置采集的圆柱形软骨外植体（n=60；直径3 mm，高度1 mm），分为损伤性载荷（INJ）、IL-1α刺激（IL）、联合（INJ+IL）和对照（CTRL）四组，在培养第0、3和12天终止培养，分别采用傅里叶变换红外显微光谱（Fourier-transform infrared microspectroscopy, FTIR）和数字密度测定法（digital densitometry, DD）量化胶原蛋白和聚集蛋白聚糖含量。

四、研究结果

4.1 模型与实验结果比较：胶原蛋白含量

第0天时，CTRL与INJ组之间沿组织深度无显著差异。第3天时，实验显示INJ或IL组与CTRL相比在整个组织厚度上胶原蛋白含量无显著差异，而INJ+IL组在15-56%归一化深度范围内平均降低17%。第12天时，所有损伤或炎症组均较CTRL出现显著胶原蛋白减少：INJ组在23-74%深度平均降低24%，IL组在18-100%深度平均降低15%，INJ+IL组在20-100%深度平均降低18%。模型在第12天的深度分布曲线在大部分组织深度上均落在实验数据95%置信区间内。

4.2 模型与实验结果比较：聚集蛋白聚糖含量

第0天时INJ与CTRL组间无显著差异。第3天时，INJ组在16-47%深度平均降低13%，IL组在整个组织深度平均降低13%，而INJ+IL组无显著差异。第12天时，INJ组在25-100%深度平均降低10%，IL组在整个深度平均降低17%，INJ+IL组在整个深度平均降低约20%。模型模拟的聚集蛋白聚糖丢失趋势与实验一致，且在第12天各组的深度分布曲线均落在实验95%置信区间内。

4.3 机械炎症与IL-1驱动通路对活性蛋白酶浓度的相对时间贡献

在INJ+IL联合模型中，对于MMPs，机械炎症通路在损伤后第2天前占主导地位，占活性MMP总量的60%；第3天时IL-1信号成为主要驱动因素，占58%；至第12天进一步增至91%。对于聚集蛋白聚糖酶，机械炎症通路仅在损伤后第一天占主导，占58%；第3天时IL-1信号占69%；第12天增至96%。

4.4 敏感性分析

敏感性分析表明，在INJ模型中，将每个分解代谢细胞的MMP产量增加50%导致第12天胶原蛋白丢失增加6%，聚集蛋白聚糖酶产量增加50%导致聚集蛋白聚糖丢失增加8%；而将蛋白酶刺激速率增加50%仅导致胶原蛋白和聚集蛋白聚糖含量约1%的额外丢失。相比之下，将IL-1炎症刺激速率增加50%导致胶原蛋白和聚集蛋白聚糖含量均增加6%的丢失。对INJ+IL模型的敏感性分析显示，改变机械炎症相关参数对两条通路的时间贡献影响可忽略，而增加IL-1刺激速率可使第3天IL对活性MMP总量的贡献从58%增至68%，对聚集蛋白聚糖酶总量的贡献从69%增至77%。

五、讨论与结论

5.1 INJ单独模型与IL单独模型

损伤性载荷和IL-1扩散的模拟在第12天均产生与实验观察一致的显著胶原蛋白和聚集蛋白聚糖丢失，但两条通路的降解空间模式不同。INJ模型在浅层和深层区域与实验吻合最好，但低估了实验中观察到的中层深度胶原蛋白丢失，提示该区域可能存在酶促蛋白水解之外的其他机制，如机械损伤诱导的纤维变性。IL模型在大部分组织深度上再现了胶原蛋白丢失，但模型预测浅层区域的胶原蛋白和聚集蛋白聚糖丢失高于实验，可能源于IL-1扩散边界条件设定的影响。聚集蛋白聚糖的模型-实验一致性在INJ和IL条件下均较强，表明聚集蛋白聚糖丢失可能比胶原蛋白丢失更直接受蛋白水解扩散-反应过程调控。

5.2 INJ+IL联合模型

联合模拟在第12天对胶原蛋白和聚集蛋白聚糖的深度依赖性分布均与实验高度一致。值得注意的是，INJ+IL实验并未显示比单独INJ或IL更大幅度的胶原蛋白丢失，而聚集蛋白聚糖丢失进一步加重，但仍呈非加性方式。模型通过两条分解代谢通路的相互作用捕捉了这一反应：IL-1炎症刺激加速了损伤诱导的分解代谢细胞向细胞死亡的转变，从而限制了机械炎症驱动的蛋白酶分泌。这一行为与炎症细胞因子在软骨中发挥双重作用的实验观察一致——既刺激基质降解蛋白酶表达又增加细胞死亡。模拟结果产生了损伤后短期内蛋白水解活性瞬时增加、随后逐渐转向IL-1主导的长期降解的动态模式，支持机械损伤相关的机械炎症驱动急性蛋白水解反应，而IL-1炎症信号延长并维持蛋白酶活性，最终主导长期基质降解的观点。

5.3 敏感性分析

敏感性分析表明，INJ模型中基质降解更受每个分解代谢细胞的蛋白酶产量影响而非蛋白酶刺激速率，提示软骨基质丢失主要由局部活性蛋白酶浓度决定，快速细胞激活本身不足以产生显著基质降解。相反，IL-1驱动的蛋白酶刺激速率对基质降解影响更大，原因有二：IL-1介导的刺激同时作用于健康细胞和分解代谢细胞，涉及更大的细胞群体参与蛋白酶分泌；且IL-1刺激由细胞因子扩散驱动，形成持续刺激，而损伤诱导的机械炎症刺激更为急性和局部化。敏感性分析还强调了实验表征蛋白酶产生和激活时间演变的潜在价值，以进一步约束模型并减少预测不确定性。

5.4 研究结论

研究人员开发了一个时间依赖的计算框架，模拟机械炎症和细胞因子驱动的炎症如何差异化驱动细胞介导的胶原蛋白和聚集蛋白聚糖蛋白水解性降解。模型结果表明，IL-1驱动的蛋白水解活性可再现12天后实验观察到的深度依赖性胶原蛋白和聚集蛋白聚糖减少，而机械炎症驱动的蛋白水解活性可解释深度依赖性聚集蛋白聚糖丢失但仅部分解释胶原蛋白丢失。当损伤性载荷与IL-1扩散联合时，机械炎症产生急性短期蛋白水解反应，而IL-1驱动的炎症维持长期基质降解，表明两条通路具有不同的时间窗口。机械炎症驱动的软骨降解更受每个分解代谢细胞的蛋白酶产量影响，而细胞因子驱动的降解对细胞刺激速率更为敏感。该框架为研究蛋白水解性软骨退变提供了机制基础，并支持未来对旨在减轻PTOA软骨降解的治疗策略进行计算机模拟评估。