磨损微粒促进巨噬细胞糖酵解在人工关节无菌性松动中的作用和机制研究

Artificial joint aseptic loosening (AP) is the most common reason for the failure of joint replacement during mid- to long-term. The inflammatory response induced by the wear particles is one of the major pathological changes. However, the exact molecular mechanism is not yet clear. Recent studies have shown that energy metabolism is involved in the regulation of macrophage function. Our preliminary study has showed that GLUT1, a key glycoprotein, was increased in aseptic loosening tissue samples. Further, TNF-α induced by wear particles was downregulated by glycolysis inhibitor in macrophages in vitro, which suggested that intervening glycolysis may be a new strategy for the treatment of aseptic loosening. Therefore, we propose a hypothesis: the upregulation of glycolysis by wear particles in macrophages maybe responsible for the secretion of inflammatory cytokines and osteolysis. To confirm this hypothesis, we intend to analyze the role of glycolysis in macrophage inflammatory responses at molecular, cellular, animal and human levels by in macrophage cells, mouse skull osteolysis models and clinical patient tissue samples. Further, the mechanism of wear debris-induced glycolysis will be investigated and the role of glycolysis in AP will be illustrated. The project will reveal the mechanism of AP from the new view of glycolysis and provide new strategies for the prevention and treatment of AP.

人工关节无菌性松动（AP）是关节置换术中、远期失败最主要的原因。磨损微粒诱导的巨噬细胞炎症反应是AP的主要病理变化之一，但其发生的确切分子机制尚未明确。有研究表明巨噬细胞功能受能量代谢的调控。课题组前期研究发现，AP患者组织标本中，巨噬细胞糖酵解关键蛋白GLUT1增多；细胞模型中，磨损微粒引起巨噬细胞糖酵解指标增高，抑制糖酵解可减低巨噬细胞分泌的TNF-α，提示干预巨噬细胞糖酵解可能成为治疗无菌性松动的新策略。据此提出假说：磨损微粒可促进巨噬细胞糖酵解，进而上调炎症因子分泌，参与骨溶解的发生。为验证该假说，我们拟通过体外巨噬细胞、小鼠颅骨骨溶解模型和临床患者组织标本，从分子、细胞、动物和人体水平分析糖酵解在巨噬细胞炎症反应中的作用，探讨磨损微粒促进巨噬细胞糖酵解的机理，明确糖酵解在AP发生中的作用。本项目将从糖酵解这个新视点揭示AP发生的机制，为AP的防治提供新思路。

背景：人工关节无菌性松动(AP)是关节置换术中、远期失败最主要的原因。磨损微粒诱导的巨噬细胞炎症反应是AP的主要病理变化之一，但其发生的确切分子机制尚未明确。葡萄糖代谢是巨噬细胞最重要的代谢途径之一，代谢的改变可影响巨噬细胞功能和极化，已有研究表明阻断糖酵解过程可抑制巨噬细胞向促炎型的转变。本研究以磨损微粒引起的巨噬细胞糖酵解代谢为切入点，深入探讨糖酵解过程在人工关节无菌性松动过程中的作用和机制。主要研究内容包括临床无菌性松动界膜组织标本中巨噬细胞糖酵解变化的研究，磨损微粒促进巨噬细胞糖酵解机制的研究，糖酵解的发生对巨噬细胞分泌炎症因子影响，以及糖酵解增强对颅骨骨骨溶解的影响。重要结果：临床无菌性松动组织标本巨噬细胞中糖酵解磨损微粒在体内外引起了糖酵解相关蛋白的升高；糖酵解参与介导了磨损微粒引起的巨噬细胞炎症因子上调；抑制糖酵解可减轻磨损微粒引起的小鼠颅骨骨溶解。关键数据：采用免疫荧光检测技术，发现无菌性松动患者标本中巨噬细胞糖酵解增强现象；体外磨损微粒刺激巨噬细胞后，其糖酵解相关蛋白及基因表达升高；磨损微粒刺激巨噬细胞引起炎症因子分泌增多，给予糖酵解抑制剂后，升高的炎症因子表达被抑制；动物实验中，磨损微粒引起颅骨及周围组织中糖酵解关键蛋白的表达上调，ELISA检测提示组织中炎症因子表达上调，TRAP染色显示组织中破骨细胞增多，micro-CT发现颅骨骨溶解发生，在糖酵解抑制组中，炎症因子表达及破骨细胞减少，小鼠颅骨骨溶解被抑制。科学意义：有助于阐明磨损微粒诱导巨噬细胞糖酵解在促炎因子分泌过程中的作用和机制；探讨了调节糖酵解治疗无菌性松动的潜在可行性，为无菌性松动的治疗提供新思路；拓展了代谢研究的外沿，为能量代谢的研究提供新的抓手，使之与临床结合更加紧密。