基质金属蛋白酶介导的细胞周基质降解对软骨细胞机械信号转导的影响及骨关节炎防治新策略

为探究 PCM 降解与软骨细胞机械信号转导关系，研究人员用 MMPs 处理人软骨细胞，发现其影响机械信号转导，为 OA 治疗提供方向。

　　骨关节炎（OA）是一种常见的慢性关节疾病，全球有数百万人受其困扰。关节软骨中的细胞周基质（PCM）如同包裹软骨细胞的 “防护衣”，对维持软骨细胞正常功能至关重要。在 OA 的发展过程中，PCM 却早早地成为 “受害者”，被基质金属蛋白酶（MMPs）降解。这不仅破坏了软骨的结构，还干扰了软骨细胞对机械刺激的感知和响应，就像切断了细胞与外界 “沟通” 的桥梁，导致软骨逐渐退化。

为了深入了解这一过程，来自德国图宾根大学医院骨科和罗滕堡温霍费尔医学诊所的研究人员展开了一项重要研究。他们的研究成果发表在《Acta Biomaterialia》上，为 OA 的治疗带来了新希望。

研究人员采用了多种关键技术方法。在样本获取上，他们从接受全膝关节置换术的患者处获取关节软骨样本，并严格筛选，排除患有炎症性疾病或恶性肿瘤患者的样本。通过酶消化法分离出软骨细胞（chondrons），随后利用原子力显微镜（AFM）来测量细胞的弹性和机械刺激下的细胞内 Ca²⁺瞬变，还运用免疫组织化学和酶联免疫吸附测定（ELISA）来分析 PCM 的结构和相关蛋白的表达。

研究结果主要如下：

• PCM 结构被 MMPs 显著破坏：免疫组织化学分析显示，MMP - 2、MMP - 3 和 MMP - 7 对 PCM 的关键成分，如 VI 型胶原蛋白和基底膜聚糖（perlecan）具有明显的降解作用。MMP - 7 对 perlecan 的降解作用最为显著，MMP - 2 和 MMP - 3 则几乎使 VI 型胶原蛋白的免疫标记消失。ELISA 结果也进一步证实了这些成分在 MMP 处理后的含量明显降低。
• MMPs 改变软骨细胞生物力学特性：AFM 测量结果表明，未经处理的软骨细胞具有较高的弹性模量（E），而 MMP - 2、MMP - 3 和 MMP - 7 处理后，软骨细胞的 E 值显著降低，分别下降约 68%、58% 和 69%，这意味着软骨细胞的刚度明显下降，其生物力学特性和形态发生了显著改变。
• PCM 降解影响 Ca²⁺信号传导：研究人员利用 AFM 结合 Ca²⁺成像技术发现，MMP 处理后的软骨细胞对机械刺激的 Ca²⁺响应明显减弱。与未处理的软骨细胞相比，MMP - 2、MMP - 3 和 MMP - 7 处理后的软骨细胞响应率降低，Ca²⁺瞬变幅度减小。在无细胞外 Ca²⁺的培养基中，响应细胞数量大幅减少，这表明机械刺激诱导的 Ca²⁺信号主要依赖细胞外 Ca²⁺的流入。
• MMP 抑制影响离子通道表达：qPCR 和 ELISA 分析显示，MMP 处理导致机械敏感离子通道 PIEZO2 和 TRPV4 的基因和蛋白表达下调，而 PIEZO1 的表达在 mRNA 水平无明显变化，但蛋白水平略有增加。
• PIEZO 通道和 TRPV4 的作用差异：使用离子通道抑制剂的实验表明，在 PCM 完整的软骨细胞中，TRPV4 在机械信号转导中起主要作用；而在 PCM 降解的情况下，PIEZO 通道，尤其是 PIEZO1，在 Ca²⁺信号传导中发挥更重要的作用。

研究结论和讨论部分指出，PCM 的完整性对软骨细胞的机械信号转导至关重要，MMP 介导的 PCM 降解显著影响了 PIEZO1、PIEZO2 和 TRPV4 等机械敏感离子通道的功能，进而破坏了软骨细胞对机械刺激的正常响应。这一研究揭示了 OA 发展过程中 PCM 与软骨细胞之间的复杂相互作用机制，为 OA 的治疗提供了新的潜在靶点。未来，针对 MMP - 2、MMP - 3 和 MMP - 7 的活性进行干预，有望成为保护 PCM 完整性、减缓 OA 进展的有效策略，例如使用组织金属蛋白酶抑制剂（TIMPs）或 MMP 特异性抑制剂，通过关节腔内注射等方式精准给药，为众多 OA 患者带来新的治疗希望。