ATF3-Akt轴在周期性机械压力调控骨关节炎进程中的作用机制研究

Mechanical stress plays an important role in the pathogenesis of osteoarthritis (OA), but the mechanism of mechanical stress with different magnitudes regulating the development of OA remains unclear. Our previous studies have demonstrated that different magnitudes of cyclic mechanical stress (CMS) regulated apoptosis and differentiation through regulation of Akt phosphorylation. Preliminary experiments showed that with augmentation of CMS, the inflammation is reduced and then increased in chondrocytes, accompanied with changes of Akt phosphorylation and ATF3 expression levels. We hypothesize that under CMS, ATF3 and Akt become negative feedback in chondrocytes, resulting in moderate-magnitude stress inhibits OA and high-magnitude stress promotes OA. In this project, OA animal model induced by high-magnitude stress using resection of the anterior cruciate ligament and medial meniscus will be used to investigate the correlation between mechanical stress, ATF3-Akt signaling and OA in vivo. Moreover, the effects of different magnitudes of CMS on OA and ATF3-Akt signaling will be examined and the mechanism will be explored in vitro and in vivo. This study will provide guidance and new idea for the prevention and treatment of OA caused by abnormal stress via inhibiting inflammation in chondrocyte under high CMS by regulating ATF3-Akt signaling.

机械应力在骨关节炎（OA）的发病过程中起重要作用，然而应力强度的改变如何调控OA的进程仍不明确。前期研究证实，不同强度的周期性机械压力（CMS）可通过对Akt磷酸化水平的调节来调控细胞的凋亡及分化方向。预实验发现，CMS强度的不断增加可致软骨细胞炎症先减轻后加剧，伴随Akt磷酸化水平以及转录因子ATF3表达的变化。我们推测：在CMS作用下，软骨细胞内ATF3与Akt之间可形成负反馈通路，导致中等强度压力抑制OA而高强度压力促进OA。本项目拟使用切除前交叉韧带及内侧半月板的方法构建大鼠高强度压力所致OA模型，分析压力强度、ATF3-Akt轴与OA发生的相关性；细胞及在体实验探讨不同强度的压力对OA及ATF3-Akt轴的影响及其调控机制。拟通过调控ATF3-Akt轴抑制高强度CMS下软骨细胞炎症的发展，为异常应力所致OA的防治提供新的思路。

周期性应力对于软骨细胞表型的维持以及在骨关节炎（osteoarthritis，OA）的发生发展中均起着重要作用，然而，机械应力由“生理性”变为“病理性”的过程中的转换机制仍然不清楚。本研究：1. 对前期研究中使用的周期性压力施加装置进行优化，使用不同的参数作用于软骨细胞，检测软骨细胞增殖、基质合成以及炎症变化情况确定“生理性”（中等强度应力：moderate mechanical stress，mMS）以及“病理性”（高强度应力：excessive mechanical stress，eMS）应力参数。2.使用切除前交叉韧带和内侧半月板的方法构建大鼠OA模型，发现内侧负重区OA程度明显为重，Integrin αVβ3在膝关节内侧负重区表达明显升高。使用高强度机械应力作用于大鼠软骨细胞结果发现细胞中FAK-ERK信号通路被激活，同时软骨细胞出现炎症反应，而阻断Integrin αVβ3后，此效应被消减。进一步在体研究，使用Integrin αVβ3阻滞剂关节腔注射，发现其可延缓内侧半月板和前交叉韧带切除导致的OA的进展，证实了Integrin αVβ3-FAK-ERK信号通路在机械应力所致OA中起重要作用。3. 使用过氧化氢作用于软骨细胞以建立OA细胞模型，然后将OA软骨细胞分别暴露于mMS和eMS，结果显示MS强度的变化改变了OA关节软骨细胞的炎症。mMS显著上调Collagen II和Aggrecan的表达，并导致OA关节软骨细胞MMP-1、3、13、iNOS、COX-2和Adamts-5表达下调，并抑制NF-κB信号通路的激活，而eMS则可以逆转上述作用。同时，mMS导致OA软骨细胞中Akt磷酸化降低，ERK磷酸化上调。而eMS导致了Akt磷酸化的显著上调以及ERK磷酸化的抑制。用特异性抑制剂阻断Akt和ERK后，结果显示抑制ERK可导致mMS作用下Akt磷酸化增加，而在eMS作用下抑制Akt可导致显著的ERK磷酸化。ERK和Akt之间的相互作用决定了在不同强度的MS下OA软骨细胞中NF-κB的活化，进而调节软骨细胞的代谢和炎症。以上三部分研究揭示了MS强度变化的过程中，其效应由抑制炎症变为促进炎症，其中Integrin αVβ3-FAK-ERK信号通路以及Akt-ERK信号通路的相互影响构成了其基本调节机制，为临床控制OA的发生发展提供了干预方案。

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