前交叉韧带损伤后关节软骨与软骨下骨动态变化及内在机制

Anterior cruciate ligament (ACL) injury is a common sport injury. There is increasing concern regarding its secondary osteoarthritis. Evidence from our previous and many other studies confirms that subchondral bone plays a vital role in the development of osteoarthritis, and that mechanical stimulus may regulate cell function. In order to implement precisely preventive strategies for the secondary osteoarthritis, it should be a prerequisite to comprehensively understand changes of articular cartilage and subchondral bone as well as the underlying mechanism. Based on these findings, we hypothesize that the complex biomechanical environment subsequent to ACL injury may dynamically modulate cartilage metabolism and subchondral bone remodeling, which may be largely attributable to the paralleling changes in metabolic models of osteoblast and chondrocyte as well as their interactions. To prove our hypothesis, in vivo and in vitro experiments will be performed to examine the morphological and structural changes of articular cartilage and subchondral bone with time following ACL injury. Cell metabolomics analysis will be applied to understand metabolic models of osteoblast and chondrocyte at different time points, and to determine unique metabolites and key metabolic pathways of both cells. Further bioinformatics methods wuld enable to understand the correlation of cell metabolic profiling with tissue structure and cell biological characteristics, as well as the interactions between osteoblast and chondrocyte in these processes. Such information should be helpful for detail depiction of cell metabolic mechanisms underlying the development of osteoarthritis secondary to ACL injury. The data from this proposal will provide evidence for novel preventive and therapeutic agents in osteoarthritis targeting subchondral bone, and therefore shed light on novel individualized management of this disorder.

前交叉韧带损伤是一种常见的运动损伤，损伤后继发性骨关节炎是个令人关注的课题。我们前期大量研究和文献证实软骨下骨在骨关节炎发生中的重要作用以及机械刺激对细胞功能等的影响。了解损伤后软骨和软骨下骨的动态变化及内在机制是有效预防骨关节炎发生的必要前提。基于此，我们设想：前交叉韧带损伤后漫长的病理过程中，复杂力学环境变化会动态影响相关细胞的代谢模式与相互交流，进而改变组织的结构等特征。为验证此假设，本研究将通过体外和体内实验探讨损伤后软骨和软骨下骨结构等的动态变化规律；应用细胞代谢组学等技术探明不同阶段软骨细胞和成骨细胞的代谢模式，寻找特征性代谢物和代谢通路；通过生物信息学手段建立细胞代谢模式与组织结构、细胞生物学特性等之间的关系，探明二种细胞间的相互作用，从代谢组学角度揭示损伤后骨关节炎发生的内在机制。本研究的成果将为以软骨下骨为靶向的骨关节炎防治提供理论依据，还为个体化疾病管理提供新的思路。

创伤性骨关节炎是骨关节炎的一种常见亚型，通常好发于身体活动量较大的青少年人群。由于创伤性骨关节炎通常有一个明确的损伤时间点，使得创伤后继发的骨关节炎存在及时预防和治疗的可能。我们的研究聚焦于前交叉韧带损伤（一种常见的运动损伤）继发的骨关节炎，通过构建前交叉韧带离断的大鼠动物模型并结合原代软骨细胞和成骨细胞离体细胞培养，来探讨前交叉韧带损伤后关节软骨和软骨下骨的动态变化过程，以及软骨细胞和成骨细胞之间的信号交流，从而进一步阐明前交叉韧带损伤后继发骨关节炎的分子机制。在本项目中，体内研究发现：前交叉韧带离断后关节软骨出现缺损、变薄、软骨细胞数量减少的变化；术后12周时关节软骨表面出现缺损，16周出现粘连，20周后出现关节腔狭窄与半月板粘连等，软骨随着术后周数的延长，出现的病理性改变越严重。此外，软骨下骨较关节软骨先出现病理性变化，其微结构发生变化随着术后时间的延长而进行性加重。血清NMR代谢组学的研究发现前交叉韧带离断后早期葡萄糖浓度显著升高，且糖酵解和三羧酸循环（TCA循环）的底物（丙酮酸、柠檬酸和琥珀酸）浓度也发生了不同程度的改变。体外研究发现：前交叉韧带切断对软骨细胞和成骨细胞的代谢模式均造成了显著影响，在术后不同时间软骨细胞和成骨细胞代谢模式差异的特征性代谢物中均包含牛磺酸等；代谢通路分析显示，在手术组术后0～12周的时间进展中，软骨细胞受到显著调控的代谢通路主要是牛磺酸与次牛磺酸代谢，成骨细胞受到显著调控的代谢通路主要是牛磺酸代谢、苯丙氨酸代谢、丙氨酸代谢以及谷胱甘肽代谢。基于上述代谢组学的结果，我们通过体外实验进一步分析了葡萄糖和牛磺酸这两种小分子代谢物在骨关节炎中的作用，初步发现使用高浓度葡萄糖（4.5g/L）培养软骨细胞并不会加重LPS诱导的软骨细胞炎性改变，这与我们对糖尿病可能会加重骨关节炎的认知相悖；而牛磺酸添加则可能通过抗氧化作用减轻软骨细胞炎性改变，从而缓解骨关节炎病变。本项目研究结果表明：前交叉韧带离断后，关节软骨和软骨下骨会发生时间依赖性的软骨退变和骨微结构的变化；而血清和细胞代谢组学结果提示与氧化应激以及能量代谢相关的通路可能在其中起到关键作用；此外，牛磺酸补充可能是创伤性骨关节炎的潜在治疗策略。