通过cAMP信号通路调控M1/M2亚群巨噬细胞定向重编程抑制骨关节炎的分子机制研究

Osteoarthritis (OA) is the most common joint disease, up to now the pathogenesis of OA is still unclear. The latest viewpoint considers it as a condition of consistent low-grade inflammation. Recent studies have illustrated that failed switching macrophage from M1 to M2 subgroup might be critical for the formation of the vicious chronic low-grade inflammation. What is more, our preliminary data have shown that the macrophage is proved to be of high plasticity. cAMP signaling pathway has been involved in the regulation of the directional reprogramming of macrophage M1 to M2 subgroup in osteoarthritis. However, the mechanism behind this phenomenon has not been clarified and still needs further study. This project tends to focus on the starting point of the chronic low-grade inflammation. We would like to take macrophage as our main object. We expect to fully understand the mechanism of cAMP signaling pathway regulating the directional reprogramming of macrophage switching from M1 to M2 subgroup and its role in both inhibition of OA chronic low-grade inflammation and promoting cartilage repair from molecular, cellular and tissue levels by creatively using techniques including 99mTc-EC20 tracer. The successful implementation of this project will provide new sights and theoretical basis for future OA pathogenesis related researches. In addition, it can also provide potential targets for exploring new pharmaceuticals for clinical OA prevention and treatment.

骨关节炎（OA）是以关节软骨退变为主的常见关节疾病，其发病机制仍不明确。最新观点认为该病是一种持续的慢性炎症状态。已有研究表明，OA病理过程中巨噬细胞M1亚群向M2亚群转变失败可能是局部炎症难以消散，疾病进入慢性炎症恶性循环的关键环节。此外，我们还发现，cAMP信号通路参与调控了巨噬细胞M1亚群向M2亚群的定向重编程，但其具体机制尚未阐明，有待进一步深入研究。本项目着眼于OA病程中慢性炎症的启动环节，以巨噬细胞为主要研究对象，创新性的运用99mTc-EC20 SPECT示踪等多种手段，从分子、细胞及组织三个水平研究cAMP信号通路调控M1/M2巨噬细胞定向重编程，抑制OA慢性炎症和促进软骨修复的机制。该项目的顺利实施将为OA发病机制相关研究提供新思路和理论基础，并为开发临床防治OA的新药物提供潜在靶点。

骨关节炎(Osteoarthritis, OA)是以关节软骨退变为主的常见关节疾病，其发病机制仍不明确。近年来，巨噬细胞异常激活，特别是在软骨修复阶段巨噬细胞正常极化失败，在OA慢性炎症发病机制中的作用受到了广泛的关注。本项目完成了既定431例DOXY队列膝关节OA患者的血液及关节液生物学标志物在不同随访时间节点（12月、16月及18月）的筛选工作。发现巨噬细胞M1极化的标志物LPS、IL-6、TLR4及LBP与代表疾病严重程度的JSW（膝关节关节间隙）、JSN（膝关节间隙分级）呈明显正相关。同时，我们针对接受全膝关节置换术患者的滑膜及关节软骨组织的免疫荧光，流式细胞分析的结果也提示M1、M2巨噬细胞比例失调在OA中极为常见且与疾病严重程度呈现正相关。通过深度测序我们鉴定出cAMP信号通路在严重OA患者的滑膜组织呈现低表达的状态。在此基础上，我们利用THP-1细胞系诱导M1、M2极化的体外模型，鉴定出M1与M2极化巨噬细胞存在36个差异表达基因。经过生物信息学分析后，我们发现这些基因主要富集在三个信号通路，即cAMP信号通路，胰岛素相关通路及Toll样受体通路。三个cAMP信号通路的关键节点即PPARGC1、PRKACB以及HK3对调控巨噬细胞M2极化起着重要的作用。我们还发现使用α防御素1可以同时激活这三个基因，使M1巨噬细胞向M2巨噬细胞极化，其体外作用的最佳浓度为10ng/mL。在针对巨噬细胞旁分泌作用的相关研究中，我们发现M2极化的巨噬细胞可以促进软骨细胞外基质的合成，抑制分解酶的合成。随后在SD大鼠OA动物模型中，通过关节腔内注射α防御素1，我们发现其具有抑制骨关节炎表型的作用。进一步分析发现，α防御素1的体内作用也是通过促进滑膜巨噬细胞M2极化消散滑膜炎症实现的，其主要的分子机制为激活PPARGC1、PRKACB以及HK3促进cAMP信号通路转导。在体内实验的实施过程中，我们改进了原有的SPECT EC20示踪技术，利用18F标记EC20化合物成功实现了更高分辨率及灵敏度的巨噬细胞活体示踪。本项目紧密围绕“cAMP信号通路调控巨噬细胞重编程”这一科学问题，以“滑膜巨噬细胞与软骨细胞相互作用”为载体，采用层层递进的研究模式，进行临床表型关联分析，有望揭示OA病程中慢性炎症形成机制，并为开发临床防治OA的新药物提供潜在靶点。