科学家发现可以彻底改变骨关节炎治疗的祖细胞

自然通讯》最近发表的一项研究中，研究人员报告称，骨关节炎 (OA) 是由Gremlin 1 ( Grem1 ) 谱系软骨祖细胞 (CP)丢失引起的。

研究：  Grem1 谱系软骨祖细胞的丢失会导致骨关节炎。图片来源：airdone / Shutterstock.com

什么是OA？

骨关节炎影响关节中的所有组织，从而导致关节疼痛、不稳定和残疾。骨关节炎无法治愈，治疗方法包括改变生活方式和控制疼痛。

OA 常常因损伤、衰老或慢性机械应力而发生。关节软骨 (AC) 的再生能力有限，其丧失是 OA 的一个特征。

先前的研究报告称，骨骼干细胞（SSC）产生基质、骨骼和软骨，但不产生脂肪谱系。骨髓中的骨脂肪祖细胞群被独立鉴定。

骨髓和生长板 (GP) 中的骨脂肪祖细胞和骨基质软骨祖细胞分别表达瘦素受体( Lepr ) 和Grem1标记物。在一项研究中，组织驻留的 SSC 可以被激活以产生 AC；然而，它们的位置未知，并且刺激仅产生软骨而不产生软骨下骨。

研究结果

在本研究中，研究人员使用了两种诱导 OA 的小鼠模型，包括胶原酶 VII 诱导的 OA (CIOA) 和内侧半月板不稳定手术 (DMM)。这些小鼠模型用于检查OA 中的Grem1谱系细胞、Lepr 间充质干细胞和聚集蛋白聚糖( Acan ) 标记的关节软骨细胞。

Rosa – TdTomato报告小鼠与Lepr – cre、Grem1 – creERT和Acan – creERT小鼠杂交，分别产生Lepr – TdT、Grem1 – TdT和Acan – TdT小鼠。给小鼠注射他莫昔芬，两周后进行手术 DMM。这导致 AC 的非钙化和浅层区域的增殖细胞显着减少，从而证实了 OA 病理学。

只有Grem1谱系群体在蛋白多糖损失部位显着减少。CIOA模型中的OA病理更为严重。同样，在AC 厚度减小的Grem1-TdT小鼠中观察到Grem1谱系 CP 细胞的显着损失。

研究人员随后研究了Grem1 CP 细胞是否是正常产后 AC 发育和维持的常驻干祖细胞。为此，一周后立即在半月板和软骨骨骺中观察到Grem1 CP细胞，产生约40%的AC。在发育后期，Grem1-谱系 CP 细胞在软骨下骨中产生强大的成骨细胞，一个月后遍布整个关节。

在 AC 中未检测到Lepr谱系细胞。随着衰老，观察到Grem1谱系关节 CP 细胞显着减少。AC 再生能力降低的部分原因是Grem1系关节 CP 细胞和软骨细胞增殖的减少。

产生了敲入小鼠模型（Grem1 – DTR – Td ），其中表达Grem1的细胞同时表达白喉毒素（DT）受体（DTR）和TdTomato报告基因，这使得细胞对DT消融敏感。这些小鼠关节内注射了两剂DT，显着减少了AC中的Grem1 CP细胞，升高了关节软骨细胞，并诱导了OA的病理改变。数据表明，表达Grem1的 CP 细胞是衰老过程中丢失的正常祖细胞，它们的消耗导致 OA。

使用单细胞核糖核酸测序 (scRNA-seq) 数据分析基因表达。叉头盒蛋白-o 1 ( Foxo1 ) 表达与关节 CP 细胞中的Grem1表达相关，并且在 AC 中的Grem1谱系细胞中显着高于在 GP 中。成人 AC 中表达 FOXO1 的大多数细胞属于Grem1谱系，而GP 中表达 FOXO1 的Grem1细胞较少。

产生条件敲除小鼠（Grem1 – TdT – Foxo1 ）并给予他莫昔芬以诱导Grem1谱系细胞中Foxo1缺失。这导致Grem1谱系 AC 细胞显着减少并增加 OA 病理，因此表明Foxo1对于维持Grem1关节 CP 细胞和 AC 完整性至关重要。

当在新生儿早期给予他莫昔芬时，与成年早期接受他莫昔芬的小鼠相比，Grem1 – TdT – Foxo1小鼠表现出Grem1谱系关节 CP 细胞的显着损失、AC 厚度减少以及更严重的 OA 病理。

鉴于外源成纤维细胞生长因子 18 (FGF18) 在实验性 OA 治疗中作为 FGF 受体 3 (FGFR3) 激动剂的作用，研究人员还研究了外源成纤维细胞生长因子 18 (FGF18) 对Grem1谱系 AC 干细胞的影响。为此，他莫昔芬治疗的成年Grem1 – TdT小鼠接受 FGF18 治疗两周，这显着增加了Grem1-谱系关节 CP 细胞并增加了 AC 厚度。同样，对 OA 诱导的小鼠进行 FGF18 治疗会增加治疗关节中的Grem1谱系细胞和 AC 厚度，从而减少 OA 病理。

结论

研究结果表明，Grem1谱系 CP 细胞有助于新生儿关节细胞的形成，并且对其成年后的维持至关重要。消除膝关节中的Grem1谱系细胞会导致 OA。

FOXO1 表达仅限于表层 AC 软骨细胞。此外，Grem1谱系细胞中的Foxo1缺失会耗尽AC中的FOXO1，但不会耗尽更深的软骨细胞层中的FOXO1，从而导致OA。

因此，OA可能是由于关节细胞损伤或储备不足而诱发，随后是CP细胞凋亡和随后的关节软骨再生失败，这强调了OA是一种由于CP细胞丧失而导致的细胞疾病。

期刊参考：Ng, J. Q., Jafarov, T. H., Little, C. B., et al. (2023). Loss of Grem1-lineage chondrogenic progenitor cells causes osteoarthritis. Nature Communications. doi:10.1038/s41467-023-42199-1