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

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

骨关节炎（OA）是一种累及全身关节的退行性疾病，尤其好发于承重关节，显著影响中老年人群的生活质量。随着全球人口老龄化进程加速，OA患者数量持续攀升，已成为临床常见病。然而，目前针对OA的治疗药物主要局限于缓解疼痛症状，无法有效阻止关节软骨的进行性丢失和退变。因此，深入探究OA的发病机制并寻找有效的治疗靶点，以遏制疾病进展，是当前亟待解决的重大临床需求。

点击了解: 仿生压力细胞培养仪

异常的机械应力是诱发和加速OA进展的关键因素。关节软骨细胞暴露于超负荷或异常的机械应力下，可触发多种细胞死亡途径，包括凋亡、坏死以及近年来备受关注的铁死亡。铁死亡是一种铁依赖性的、由脂质过氧化驱动的新型细胞死亡方式，其特征是谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）活性受抑，导致活性氧（ROS）积累和细胞膜磷脂的氧化损伤。研究表明，机械应力可通过激活压电离子通道等途径诱导软骨细胞发生铁死亡，从而加剧软骨破坏和OA进展。

点击了解: 细胞力学刺激培养

血小板反应蛋白-1（THBS1）是一种重要的细胞外基质蛋白，在细胞-基质相互作用和机械信号转导中扮演关键角色。它作为整合素的重要配体，其构象在机械应力作用下发生改变，暴露出整合素结合位点，从而增强与整合素的结合亲和力。在人类OA患者的承重区域软骨组织中，THBS1蛋白的表达水平显著降低。这提示THBS1表达下降可能与OA的机械应力损伤和软骨细胞死亡密切相关。因此，山东大学齐鲁医院骨科在一项研究中，深入探讨THBS1在机械应力诱导软骨细胞铁死亡中的作用及其分子机制，并评估THBS1作为延缓OA进展的新型治疗策略的潜力。研究成果发表于“Frontiers in immunology”期刊题为“Thrombospondin-1 mitigates osteoarthritis progression by inhibiting mechanical stress-induced chondrocyte ferroptosis via the integrin/YAP pathway”。

首先，研究人员在膝关节骨关节炎（OA）患者的软骨组织样本中，转录组测序分析揭示了一个重要现象，与非负重区域相比，负重区域的THBS1表达显著降低（图1a）。进一步的富集分析显示，细胞外基质（ECM）及其受体相互作用通路在此背景下显著富集（图1b）。鉴于THBS1已被报道在细胞-ECM相互作用中起关键作用，这一发现提示THBS1表达下调可能与机械应力诱导的软骨损伤相关。为验证此关联，分析了OA患者负重区与卸载区的软骨切片。组织学染色清晰显示负重区存在严重的软骨结构破坏，表现为多处软骨裂隙和蛋白聚糖丢失（图1c-e）。更重要的是，免疫组织化学染色证实了负重区软骨细胞中THBS1蛋白表达水平的确降低（图1f,g）。此外，透射电镜观察负重区软骨细胞，发现了线粒体嵴减少、膜增厚等特征性改变，提示存在铁死亡迹象（图1h）。这些结果共同指向THBS1表达减少与OA负重区软骨细胞在机械应力下损伤的密切联系。

图1    在患有膝骨关节炎的病人中，其关节软骨上承受压力的区域，THBS1这种蛋白质的表达量减少了。

然后，为探究THBS1在骨关节炎（OA）中的作用，研究人员构建腺相关病毒载体（AAV-THBS1）进行关节腔过表达实验。将30只Wistar大鼠分为对照组（CON）、AAV-GFP组和AAV-THBS1组，分别注射PBS、AAV-GFP及AAV-THBS1至左膝关节腔（图2a）。注射2周后IVIS检测证实病毒成功递送（图2b），4周时随机取样显示AAV-THBS1组软骨组织THBS1转录及蛋白表达显著高于对照组（图2c-e）。12周龄时建立DMM骨关节炎模型，8周后分析显示，微CT证实AAV-THBS1组显著抑制了OA相关的骨赘增生（图2f,g）；Safranin O染色揭示该组软骨破坏程度减轻，OARSI评分降低（图2h,i）；IHC分析进一步表明THBS1过表达促进合成代谢标志物表达，同时抑制分解代谢标志物（图2j-n）。这些结果证实THBS1过表达可通过调控软骨代谢平衡延缓OA进展。

图2    THBS1保护关节软骨并延缓骨关节炎的进展。

接着，为阐明THBS1在机械应力下保护软骨细胞的机制，研究人员建立体外加压模型（1 MPa）。结果显示，异常机械应力可诱导软骨细胞铁死亡，表现为线粒体嵴减少、膜增厚及GPX4表达下降（图3i,j）；而添加重组人THBS1（rhTHBS1）能显著逆转上述改变，恢复线粒体活性并降低ROS水平（图3a-h）。同时，rhTHBS1上调合成代谢标志物和GPX4的表达，抑制分解代谢因子的转录与蛋白水平（图3j-l）。关键验证实验中，软骨特异性GPX4敲除小鼠失去THBS1的骨保护作用，表现为骨赘增生加剧和软骨损伤恶化。此外，rhTHBS1同样可拮抗RSL3引发的线粒体功能障碍和GPX4抑制。这些结果证实THBS1通过调控GPX4依赖性铁死亡通路抵抗机械应力损伤。

图3    THBS1抑制过度机械应力诱导的软骨细胞铁死亡。

为阐明THBS1调控机械应力诱导软骨细胞铁死亡的机制，研究人员通过STRING数据库构建THBS1互作网络，发现其与整合素β1、β3及CD36、CD47等受体存在潜在关联（图4A）。聚焦细胞膜受体（图4B），免疫荧光染色显示，在机械应力刺激下，THBS1与整合素β1显著共定位，而与整合素β3、CD36、CD47无共定位现象（图4C,D）。进一步通过Co-IP实验验证，THBS1抗体在机械应力条件下可特异性沉淀整合素β1，而在静态条件下结合较弱（图4E）。该结果证实机械应力增强THBS1与整合素β1的直接结合，为解析其下游信号通路奠定基础。

图4    在机械应力作用下，THBS1与整合素αVβ1之间的相互作用增强。

为验证THBS1是否通过整合素β1通路抑制机械应力诱导的软骨细胞铁死亡，研究人员引入整合素β1抑制剂进行阻断实验。结果显示，机械应力下rhTHBS1原本可恢复的细胞活性（图5A,B）和线粒体功能（图5C,D）在整合素抑制后完全失效；透射电镜观察到抑制剂组线粒体嵴消失、膜破裂等典型铁死亡特征（图5E）。同时，rhTHBS1对机械应力下ROS清除（图5F-I）、GSH水平维持（图5J）以及代谢标志物的调控作用均被抑制剂逆转（图5K-N）。这些数据证实THBS1通过整合素β1依赖的分子机制调控GPX4活性及氧化还原平衡，从而抵抗机械应力诱导的铁死亡。

图5    THBS1通过整合素αVβ1抑制机械应力诱导的软骨细胞铁死亡。

为解析THBS1通过整合素/YAP通路调控软骨细胞铁死亡的机制，研究人员发现，机械应力刺激下，敲低THBS1可显著抑制YAP1的核转位（图6a-d）；而外源性rhTHBS1通过整合素β1信号促进YAP1核转位及蛋白表达，该效应可被整合素抑制剂阻断（图6e-h）。功能验证显示，YAP1抑制剂可消除rhTHBS1对机械应力诱导的铁死亡的保护作用，表现为线粒体膜电位降低（图6l,m）、GSH耗竭（图6n）及线粒体结构损伤（图6k）。这些结果证实THBS1通过整合素β1/YAP1轴增强软骨细胞抗氧化能力，维持线粒体稳态以抵抗铁死亡。

图6    THBS1通过整合素V1/YAP通路抑制软骨细胞铁死亡。

最后，为评估THBS1样肽（ABT-510）的治疗潜力，研究人员在小鼠DMM骨关节炎模型中开展实验。术后给予膝关节腔注射ABT-510，8周后分析显示，Micro-CT证实ABT-510组骨赘形成显著减少（图7b,c）；Safranin O染色显示关节软骨破坏减轻，OARSI评分降低（图7d,e）；IHC分析表明ABT-510促进合成代谢标志物表达，抑制分解代谢因子表达（图7f-n）。综上，THBS1模拟肽ABT-510通过调控软骨代谢平衡有效延缓OA进展。

图7    研究表明，THBS1样肽能显著抑制骨关节炎的进展并保护关节软骨。

图8    图片摘要。

总之，研究揭示血小板反应蛋白-1（THBS1）通过整合素β1/YAP信号轴调控机械应力诱导的软骨细胞铁死亡，为骨关节炎（OA）治疗提供新靶点。机械应力通过激活整合素β1介导THBS1构象改变，促进其与整合素结合并激活YAP核转位，进而维持谷胱甘肽（GSH）稳态和GPX4活性，抑制脂质过氧化及线粒体损伤。该通路阐明机械应力通过THBS1-整合素β1-YAP-GPX4级联反应驱动OA进展，靶向该通路通过平衡软骨代谢有效延缓疾病发展。

参考文献：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.
原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40475787/

图片来源：所有图片均来源于参考文献 

小编旨在分享、学习、交流生物科学等领域的研究进展。如有侵权或引文不当请联系小编修正。如有任何的想法以及建议，欢迎联系小编。感谢各位的浏览以及关注！进入官网www.naturethink.com或关注“Naturethink”公众号，了解更多相关内容。

点击了解: 仿生压力细胞培养仪
点击了解: 细胞力学刺激培养