PTX3通过TLR4/NF-κB/FGF21信号轴改善糖皮质激素诱导的股骨头坏死

《Communications Biology》：Pentraxin 3 ameliorates glucocorticoid-induced osteonecrosis of the femoral head via TLR4/NF-κB/FGF21 signaling axis

本研究揭示了糖皮质激素性股骨头坏死(GIONFH)的新机制。研究人员发现Pentraxin 3(PTX3)在GIONFH患者和模型中的表达显著降低，并通过TLR4/NF-κB信号轴下调FGF21，从而改善糖皮质激素诱导的成骨抑制和细胞凋亡。该研究不仅阐明了一条新的分子通路，更为GIONFH的治疗提供了潜在的干预靶点。

　　

长期或大剂量使用糖皮质激素是导致非创伤性股骨头坏死(ONFH)的主要原因之一，这种疾病严重影响着患者的生活质量，并可能最终导致股骨头塌陷和关节功能障碍。糖皮质激素性股骨头坏死(GIONFH)的病理机制复杂，涉及成骨能力下降、脂质堆积、骨内压升高和微循环障碍等，其核心病理特征是骨细胞死亡导致的骨组织结构性破坏和无效的修复反应。尽管临床上对GIONFH已有一定的认识，但其具体的分子机制尚未完全阐明，缺乏有效的靶向治疗策略。

在此背景下，发表在《Communications Biology》上的这项研究为我们带来了新的希望。研究人员将目光投向了一种名为正五聚蛋白3(Pentraxin 3, PTX3)的分子。PTX3是体液阶段模式识别分子长正五聚蛋白家族的原型，在先天免疫、炎症和组织重塑中发挥着重要作用。近年来的证据表明，PTX3在骨稳态中扮演着关键角色，参与成骨细胞的增殖、分化和功能调控。然而，PTX3在激素诱导的股骨头坏死发展中的具体作用机制尚不清楚。

为了回答这个问题，研究团队开展了一系列严谨的实验。他们首先检测了GIONFH患者和糖皮质激素处理的成骨细胞中PTX3的表达水平，随后在细胞和动物模型中探索了PTX3的功能及其下游机制。关键技术方法包括：使用来自GIONFH患者和创伤对照的临床样本进行ELISA和免疫组化分析；利用MC3T3-E1前成骨细胞、骨髓间充质干细胞(BMSCs)和hFOB1.19人成骨细胞系建立体外模型；通过基因敲除技术构建Ptx3缺陷小鼠模型，并结合组织学染色(HE染色、Goldner三色法)、免疫组化、微计算机断层扫描(micro-CT)和扫描电子显微镜(SEM)等技术评估股骨头病理变化；采用RNA测序(RNA sequencing)筛选下游靶点，并通过蛋白质印迹(Western blot)、实时定量PCR(qPCR)、免疫荧光、共免疫沉淀(co-IP)等技术验证分子机制。

Reduced levels of PTX3 in patients with femoral head necrosis compared to healthy individuals

研究发现，与健康个体相比，GIONFH患者血清中的PTX3水平显著降低。对手术切除的股骨头标本进行免疫组化分析也显示，坏死区域的PTX3表达减少。在体外实验中，地塞米松(Dex)处理的MC3T3-E1前成骨细胞、BMSCs和hFOB1.19细胞中，PTX3的mRNA和蛋白水平均受到显著抑制。这些结果表明PTX3的下调与GIONFH的发生发展密切相关。

PTX3 reverses Dex-induced osteogenic impairment

为了探究PTX3的功能，研究人员使用重组PTX3(rPTX3)处理地塞米松刺激的成骨细胞。结果显示，rPTX3能够逆转地塞米松诱导的成骨抑制，上调成骨标志物(包括骨桥蛋白(OPN)、Runt相关转录因子2(Runx2)、I型胶原(Col1)、碱性磷酸酶(ALP)和骨钙素(OCN))的表达。同时，rPTX3还减轻了地塞米松诱导的细胞凋亡，表现为Bcl-2/Bax蛋白比例升高以及凋亡细胞比例减少。矿化实验进一步证实，rPTX3恢复了地塞米松损害的钙结节形成能力。

Knockout of PTX3 accelerates the progression of glucocorticoid-induced ONFH

在动物模型中，Ptx3基因敲除(Ptx3^-/-)小鼠在糖皮质激素诱导下表现出更严重的股骨头骨坏死。组织学分析显示，Ptx3^-/-小鼠股骨头中空骨陷窝数量显著增加，骨样表面/骨表面(OS/BS)比率降低，成骨标志物ALP和OCN的表达减少，并且骨小梁网络中微结构骨折的发生率增加。微CT评估进一步证实，PTX3缺陷导致骨体积分数(BV/TV)、骨小梁数量(Tb.N)、骨小梁厚度(Tb.Th)和体积骨矿物质密度(vBMD)降低，而骨表面/骨体积比(BS/BV)和骨小梁分离度(Tb.Sp)增加。

Administration of rPTX3 delays the progression of glucocorticoid-induced ONFH

相反，在GIONFH模型小鼠中给予rPTX3治疗，可以显著减轻股骨头的坏死程度。组织学分析和微CT评估表明，rPTX3处理组的小鼠骨小梁结构破坏减少，空骨陷窝数量下降，成骨标志物表达升高，骨微结构得到更好的保护。这些结果证明外源性PTX3能够通过促进成骨和稳定骨结构来缓解糖皮质激素驱动的股骨头坏死。

FGF21 is a downstream factor of PTX3 in regulating glucocorticoid-induced ONFH

为了阐明PTX3发挥作用的下游机制，研究人员进行了RNA测序。结果显示，rPTX3处理显著下调了成纤维细胞生长因子21(FGF21)的表达。后续的功能实验证实，抑制FGF21表达能够减轻地塞米松诱导的成骨抑制和细胞凋亡，而外源性添加FGF21则抵消了PTX3的保护作用。这表明FGF21是PTX3下游的一个关键效应因子，在GIONFH的发病机制中扮演着有害角色。

Inhibition of FGF21 expression improves femoral head necrosis in mice.

在体实验中，研究人员使用激活转录因子3(ATF3)激动剂(ATF3 inducer 1)来抑制FGF21的表达。结果显示，ATF3激动剂治疗能够减轻GIONFH模型小鼠的股骨头坏死，表现为骨小梁破坏减少、空骨陷窝数量下降、成骨标志物表达升高。值得注意的是，即使在Ptx3基因敲除小鼠中，抑制FGF21仍然能够发挥保护作用，表明FGF21在GIONFH中具有独立于PTX3的致病作用。

The TLR4/NF-KB pathway is a downstream pathway of PTX3 and plays a role in inhibiting the expression of FGF21.

机制探索表明，PTX3并不直接与FGF21结合，而是通过Toll样受体4/核因子κB(TLR4/NF-κB)信号通路间接调控FGF21的表达。基因集富集分析(GSEA)显示，rPTX3处理激活了TLR和NF-κB信号通路。使用TLR信号通路抑制剂TAK-242和NF-κB信号通路抑制剂SN50均能够逆转PTX3对FGF21的抑制作用，并 abolished PTX3的成骨保护和抗凋亡作用。体内实验进一步验证了TLR4/NF-κB通路在介导PTX3-FGF21信号串扰中的桥梁作用。

综上所述，本研究首次系统地阐明了PTX3-TLR4/NF-κB-FGF21信号轴在糖皮质激素诱导的股骨头坏死中的关键作用。研究发现PTX3通过激活TLR4/NF-κB通路来抑制FGF21的表达，从而抵消糖皮质激素引起的成骨抑制和细胞凋亡，保护骨微结构完整性。这一发现不仅深化了我们对GIONFH发病机制的理解，更重要的是为开发针对该疾病的新型治疗策略提供了重要的理论依据和潜在的干预靶点。PTX3补充或靶向FGF21的策略有望成为预防和治疗糖皮质激素性股骨头坏死的有效手段，具有重要的临床转化前景。