科學家發現軟骨再生機制——有望治療骨關節炎

　　骨關節炎（Osteoarthritis, OA）是一種常見且嚴重損害患者身體機能的關節疾病，其特征是軟骨變性和丟失，并且由于其復雜的發病機制而缺乏積極有效的手段。近年來隨著細胞和組織工程技術的發展,利用干細胞治療骨關節炎受到廣泛的關注。自身的關節固有干細胞治療（native joint-resident stem cell-based therapy）似乎是一種有希望的替代療法，并且新的激活內源性干細胞的化合物和因子也在不斷被發現。小分子Kartogenin（KGN）通過激活干細胞分化促進OA軟骨再生，但其藥理作用機制仍不清楚。

　　2019年9月21日，深圳大學醫學院周光前團隊在Theranostics雜志上在線發表了題為“Kartogenin hydrolysis product 4-aminobiphenyl distributes to cartilage and mediates cartilage regeneration”的研究論文，證明了KGN通過其裂解產物4-氨基聯苯（4-aminobiphenyl,4-ABP）促進間充質干細胞（Mesenchymal Stem Cells,MSC）向軟骨分化。4-ABP進入軟骨，可通過激活PI3K-Akt通路，促進MSC和軟骨干/祖細胞（CSPC）的增殖。

　　KGN是一種小分子化學物質，可誘導軟骨內源性MSC的分化，在體外和多種OA動物模型中保護關節軟骨細胞。多項研究表明KGN可能是用作OA內源性干細胞療法的潛在化學物質，然而，KGN本身是否能在關節內注射或全身給藥后進入軟骨尚不明確。

　　KGN結構中含有4-氨基聯苯(4-ABP)和鄰苯二甲酸(PA)，通過酰胺鍵連接。雖然酰胺鍵一般是穩定的，但它的水解是一個由各種酶催化的普遍存在的過程。對其他分子的研究，如新型的有機硝酸鹽RS-7897，表明酰胺鍵的水解比母體分子能釋放更多的活性分子。因此，研究人員在CSPC、MSC或體內小鼠模型施用KGN后，研究KGN是否在酰胺鍵水解成4-ABP和PA，并探討了KGN、4-ABP和PA在細胞和OA動物模型中調節作用的分子機制，4-ABP或PA是否與KGN具有相同的作用。

圖1. KGN的分子結構

　　首先，口服、靜脈內注射或關節內施用KGN后，通過液相色譜-質譜法分析小鼠軟骨中的KGN、4-ABP和PA。結果顯示盡管口服或關節內施用KGN可有效地改善小鼠的OA表型，但在軟骨中僅能檢測到4-ABP。軟骨內存在4-ABP必然對軟骨再生發揮著一定的作用。

圖2. 4-ABP促進半月板(DMM)手術誘導的骨關節炎小鼠模型的軟骨修復

　　然后通過體外評估KGN、4-ABP和PA對骨髓間充質干細胞(MSC)增殖和分化為軟骨的影響。此外，還在內側半月板失穩術誘導的OA小鼠模型中檢測了它們對軟骨保存的影響。用OARSI組織學評分對OA嚴重程度進行量化。結果表明4-ABP可以體外誘導骨髓間充質干細胞增殖、向軟骨細胞分化，通過增加CD44+/CD105+干細胞的數量、防止基質損失，在OA小鼠模型中促進軟骨修復。而且4-ABP在增強軟骨分化和MSC增殖方面強于KGN。最后通過轉錄分析找到了4-ABP的靶點：RPS6KA2（編碼RSK-3）和PI3K-Akt通路，并通過體內體外實驗對其進行了驗證：4-ABP不能促進RPS6KA2敲低的MSC增殖，也不能改善RPS6KA2基因敲除小鼠（賽業生物構建）的MSC增殖和OA損傷修復，這證實了RSK-3是4-ABP關鍵靶點。

圖3. 4-氨基聯苯（4-ABP）激活臍血間充質干細胞PI3K-Akt通路

　　總之，該研究證明4-ABP在軟骨中的生物分布，可以促進MSC增殖、向軟骨分化，并通過激活PI3K-Akt通路來治療骨關節炎病變。但是文章也討論了4-ABP的毒性，必須平衡其有效性和安全性來確定最佳的4-ABP劑量和給藥方案。這項研究對軟骨再生的幾個方面提供了新的見解，包括使用KGN進行軟骨再生的有效組分和安全性問題，未來需要修改KGN或4-ABP化學結構，以避免其潛在毒性并提高其療效。調節RSK-3功能可能是促進骨關節炎(OA)和其他關節疾病的軟骨再生的有效策略。