Thrombospondin-1 mitigates osteoarthritis progression by inhibiting mechanical stress-induced chondrocyte ferroptosis via the integrin/YAP pathway

Keywords: THBS1; chondrocytes; ferroptosis; mechanical stress; osteoarthritis.

骨關節炎（OA）是一種累及全身關節的退行性疾病，尤其好發于承重關節，顯著影響中老年人群的生活質量。隨著全球人口老齡化進程加速，OA患者數量持續攀升，已成為臨床常見病。然而，目前針對OA的治療藥物主要局限于緩解疼痛癥狀，無法有效阻止關節軟骨的進行性丟失和退變。因此，深入探究OA的發病機制并尋找有效的治療靶點，以遏制疾病進展，是當前亟待解決的重大臨床需求。

異常的機械應力是誘發和加速OA進展的關鍵因素。關節軟骨細胞暴露于超負荷或異常的機械應力下，可觸發多種細胞死亡途徑，包括凋亡、壞死以及近年來備受關注的鐵死亡。鐵死亡是一種鐵依賴性的、由脂質過氧化驅動的新型細胞死亡方式，其特征是谷胱甘肽過氧化物酶4（GPX4）活性受抑，導致活性氧（ROS）積累和細胞膜磷脂的氧化損傷。研究表明，機械應力可通過激活壓電離子通道等途徑誘導軟骨細胞發生鐵死亡，從而加劇軟骨破壞和OA進展。

血小板反應蛋白-1（THBS1）是一種重要的細胞外基質蛋白，在細胞-基質相互作用和機械信號轉導中扮演關鍵角色。它作為整合素的重要配體，其構象在機械應力作用下發生改變，暴露出整合素結合位點，從而增強與整合素的結合親和力。在人類OA患者的承重區域軟骨組織中，THBS1蛋白的表達水平顯著降低。這提示THBS1表達下降可能與OA的機械應力損傷和軟骨細胞死亡密切相關。因此，山東大學齊魯醫院骨科在一項研究中，深入探討THBS1在機械應力誘導軟骨細胞鐵死亡中的作用及其分子機制，并評估THBS1作為延緩OA進展的新型治療策略的潛力。研究成果發表于“Frontiers in immunology"期刊題為“Thrombospondin-1 mitigates osteoarthritis progression by inhibiting mechanical stress-induced chondrocyte ferroptosis via the integrin/YAP pathway"。

首先，研究人員在膝關節骨關節炎（OA）患者的軟骨組織樣本中，轉錄組測序分析揭示了一個重要現象，與非負重區域相比，負重區域的THBS1表達顯著降低（圖1a）。進一步的富集分析顯示，細胞外基質（ECM）及其受體相互作用通路在此背景下顯著富集（圖1b）。鑒于THBS1已被報道在細胞-ECM相互作用中起關鍵作用，這一發現提示THBS1表達下調可能與機械應力誘導的軟骨損傷相關。為驗證此關聯，分析了OA患者負重區與卸載區的軟骨切片。組織學染色清晰顯示負重區存在嚴重的軟骨結構破壞，表現為多處軟骨裂隙和蛋白聚糖丟失（圖1c-e）。更重要的是，免疫組織化學染色證實了負重區軟骨細胞中THBS1蛋白表達水平的確降低（圖1f,g）。此外，透射電鏡觀察負重區軟骨細胞，發現了線粒體嵴減少、膜增厚等特征性改變，提示存在鐵死亡跡象（圖1h）。這些結果共同指向THBS1表達減少與OA負重區軟骨細胞在機械應力下損傷的密切聯系。

圖1    在患有膝骨關節炎的病人中，其關節軟骨上承受壓力的區域，THBS1這種蛋白質的表達量減少了。

然后，為探究THBS1在骨關節炎（OA）中的作用，研究人員構建腺相關病毒載體（AAV-THBS1）進行關節腔過表達實驗。將30只Wistar大鼠分為對照組（CON）、AAV-GFP組和AAV-THBS1組，分別注射PBS、AAV-GFP及AAV-THBS1至左膝關節腔（圖2a）。注射2周后IVIS檢測證實病毒成功遞送（圖2b），4周時隨機取樣顯示AAV-THBS1組軟骨組織THBS1轉錄及蛋白表達顯著高于對照組（圖2c-e）。12周齡時建立DMM骨關節炎模型，8周后分析顯示，微CT證實AAV-THBS1組顯著抑制了OA相關的骨贅增生（圖2f,g）；Safranin O染色揭示該組軟骨破壞程度減輕，OARSI評分降低（圖2h,i）；IHC分析進一步表明THBS1過表達促進合成代謝標志物表達，同時抑制分解代謝標志物（圖2j-n）。這些結果證實THBS1過表達可通過調控軟骨代謝平衡延緩OA進展。

圖2    THBS1保護關節軟骨并延緩骨關節炎的進展。

接著，為闡明THBS1在機械應力下保護軟骨細胞的機制，研究人員建立體外加壓模型（1 MPa）。結果顯示，異常機械應力可誘導軟骨細胞鐵死亡，表現為線粒體嵴減少、膜增厚及GPX4表達下降（圖3i,j）；而添加重組人THBS1（rhTHBS1）能顯著逆轉上述改變，恢復線粒體活性并降低ROS水平（圖3a-h）。同時，rhTHBS1上調合成代謝標志物和GPX4的表達，抑制分解代謝因子的轉錄與蛋白水平（圖3j-l）。關鍵驗證實驗中，軟骨特異性GPX4敲除小鼠失去THBS1的骨保護作用，表現為骨贅增生加劇和軟骨損傷惡化。此外，rhTHBS1同樣可拮抗RSL3引發的線粒體功能障礙和GPX4抑制。這些結果證實THBS1通過調控GPX4依賴性鐵死亡通路抵抗機械應力損傷。

圖3    THBS1抑制過度機械應力誘導的軟骨細胞鐵死亡。

為闡明THBS1調控機械應力誘導軟骨細胞鐵死亡的機制，研究人員通過STRING數據庫構建THBS1互作網絡，發現其與整合素β1、β3及CD36、CD47等受體存在潛在關聯（圖4A）。聚焦細胞膜受體（圖4B），免疫熒光染色顯示，在機械應力刺激下，THBS1與整合素β1顯著共定位，而與整合素β3、CD36、CD47無共定位現象（圖4C,D）。進一步通過Co-IP實驗驗證，THBS1抗體在機械應力條件下可特異性沉淀整合素β1，而在靜態條件下結合較弱（圖4E）。該結果證實機械應力增強THBS1與整合素β1的直接結合，為解析其下游信號通路奠定基礎。

圖4    在機械應力作用下，THBS1與整合素αVβ1之間的相互作用增強。

為驗證THBS1是否通過整合素β1通路抑制機械應力誘導的軟骨細胞鐵死亡，研究人員引入整合素β1抑制劑進行阻斷實驗。結果顯示，機械應力下rhTHBS1原本可恢復的細胞活性（圖5A,B）和線粒體功能（圖5C,D）在整合素抑制后wanquan失效；透射電鏡觀察到抑制劑組線粒體嵴消失、膜破裂等典型鐵死亡特征（圖5E）。同時，rhTHBS1對機械應力下ROS清除（圖5F-I）、GSH水平維持（圖5J）以及代謝標志物的調控作用均被抑制劑逆轉（圖5K-N）。這些數據證實THBS1通過整合素β1依賴的分子機制調控GPX4活性及氧化還原平衡，從而抵抗機械應力誘導的鐵死亡。

圖5    THBS1通過整合素αVβ1抑制機械應力誘導的軟骨細胞鐵死亡。

為解析THBS1通過整合素/YAP通路調控軟骨細胞鐵死亡的機制，研究人員發現，機械應力刺激下，敲低THBS1可顯著抑制YAP1的核轉位（圖6a-d）；而外源性rhTHBS1通過整合素β1信號促進YAP1核轉位及蛋白表達，該效應可被整合素抑制劑阻斷（圖6e-h）。功能驗證顯示，YAP1抑制劑可消除rhTHBS1對機械應力誘導的鐵死亡的保護作用，表現為線粒體膜電位降低（圖6l,m）、GSH耗竭（圖6n）及線粒體結構損傷（圖6k）。這些結果證實THBS1通過整合素β1/YAP1軸增強軟骨細胞抗氧化能力，維持線粒體穩態以抵抗鐵死亡。

圖6    THBS1通過整合素V1/YAP通路抑制軟骨細胞鐵死亡。

最后，為評估THBS1樣肽（ABT-510）的治療潛力，研究人員在小鼠DMM骨關節炎模型中開展實驗。術后給予膝關節腔注射ABT-510，8周后分析顯示，Micro-CT證實ABT-510組骨贅形成顯著減少（圖7b,c）；Safranin O染色顯示關節軟骨破壞減輕，OARSI評分降低（圖7d,e）；IHC分析表明ABT-510促進合成代謝標志物表達，抑制分解代謝因子表達（圖7f-n）。綜上，THBS1模擬肽ABT-510通過調控軟骨代謝平衡有效延緩OA進展。

圖7    研究表明，THBS1樣肽能顯著抑制骨關節炎的進展并保護關節軟骨。

圖8    圖片摘要。

總之，研究揭示血小板反應蛋白-1（THBS1）通過整合素β1/YAP信號軸調控機械應力誘導的軟骨細胞鐵死亡，為骨關節炎（OA）治療提供新靶點。機械應力通過激活整合素β1介導THBS1構象改變，促進其與整合素結合并激活YAP核轉位，進而維持谷胱甘肽（GSH）穩態和GPX4活性，抑制脂質過氧化及線粒體損傷。該通路闡明機械應力通過THBS1-整合素β1-YAP-GPX4級聯反應驅動OA進展，靶向該通路通過平衡軟骨代謝有效延緩疾病發展。

參考文獻：Wang S, Zhou X, Zhang F, Zhai H, Zhang Y, Guo Y. Thrombospondin-1 mitigates osteoarthritis progression by inhibiting mechanical stress-induced chondrocyte ferroptosis via the integrin/YAP pathway. Front Immunol. 2025 May 22;16:1577234. doi: 10.3389/fimmu.2025.1577234. PMID: 40475787; PMCID: PMC12137073.

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