Gremlin-1 和 BMP-4 在骨关节炎中过表达驱动成骨细胞和肥大软骨细胞中的骨软骨重塑

骨关节炎（OA）是一种全关节疾病，其特征是软骨退化，关节内炎症，软骨下骨重塑和关节痛。骨软骨连接处的重塑被认为在OA中起着决定性作用，让人联想到软骨内骨化过程。它涉及透明关节软骨最深层软骨细胞的增生、肥大，随后软骨基质钙化，致使软骨细胞退化死亡，软骨和骨细胞侵入，骨祖细胞分化为成骨细胞，并在残留的钙化软骨基质上，形成骨组织。这个复杂的过程最重要的是骨形成细胞和软骨细胞之间的相互作用。然而，控制OA中骨软骨连接重塑的机制和生化介质仍然描述不佳。

成骨细胞、骨细胞和软骨细胞都是机械敏感细胞。Gremlin-1（Grem-1）已被确定为一种机械敏感因子，在拉伸机械负荷或关节损伤下，其在关节软骨中的表达增加。有趣的是，OA软骨中Grem-1的表达在软骨最深层增加，那里有肥大的软骨细胞。软骨细胞的肥大分化是OA软骨的典型特征，目前被认为在软骨消失和软骨下骨重塑中起关键作用。Grem-1通过VEGFR-2活化或骨形态发生蛋白（BMP）拮抗作用发挥效应。BMPs在骨骼组织发育和体内平衡中起重要作用。可被Grem-1靶向的BMP-2、BMP-4和BMP-7确实能刺激软骨细胞增殖和细胞外基质生成，并显示出关节保护作用。然而，BMP-4在OA中的作用尚不明确。

基于此，法国索邦大学CRSA医学研究中心、让·莫奈大学医学院以及施维雅研究院的研究团队曾研究了Grem-1及其伴侣在膝关节OA患者骨软骨连接处以及在肥大分化过程中被压缩的成骨细胞和软骨细胞中的表达，还研究了成骨细胞、前肥大软骨细胞和肥大软骨细胞对Grem-1和BMP-4刺激的反应。研究成果发表在 International Journal of Molecular Sciences 期刊题为“Gremlin-1 and BMP-4 Overexpressed in Osteoarthritis Drive an Osteochondral-Remodeling Program in Osteoblasts and Hypertrophic Chondrocytes”。

研究人员首先发现，人OA软骨和骨在组织条件培养基中均释放Grem-1，而骨中的Grem-1浓度高于软骨上清液。而且，软骨损伤与Grem-1阳性免疫染色在软骨和骨中呈正相关。此外，骨条件培养基中BMP-4的浓度高于软骨，相比之下，软骨释放的BMP-2高于骨。值得注意的是，与早期OA相比，它们在晚期OA中在软骨和软骨下骨中的表达似乎更强，并且与OA进展呈正相关。

接下来，实验在体外通过过度的机械负荷来模拟OA软骨和软骨下骨的特征，在施加长时间间歇性压缩力（空气压力16.7 Pa，1 Hz，10%，24h）后的小鼠成骨细胞和经历肥大分化的小鼠关节软骨细胞中研究了Grem-1及其伴侣的表达。机械应力诱导成骨细胞中Grem-1 mRNA表达的强烈上调（图1 A）。当成骨细胞被压缩时，Grem-1的释放也更高（图1 B）。与对照组相比，过度的压缩负荷也上调了压缩成骨细胞中 Bmp-4 mRNA 表达和 BMP-4 的分泌，但对 Bmp-2 mRNA 表达影响不大（图1 C-E）。此外，压缩诱导了Vegfr-2（血管内皮细胞生长因子受体VEGFR）和 Bmpr-1b（骨形态发生蛋白受体BMPRs）mRNA表达的强烈增加，而Bmpr-1a表达下调（图1 F）。

之前在小鼠关节软骨细胞进行性肥大分化模型中发现，前肥大到肥大软骨细胞分化与Bmp-2和Bmp-4 Mrna的过表达有关。同样，Grem-1 mRNA表达和Grem-1分泌随着前肥大软骨细胞的分化而增加（图1 G、H）。相比之下，VEGFR2 和 BMPRs 的 mRNA 表达均未被前肥大软骨细胞向肥大软骨细胞的表型转化所修饰（图1 I）。

这些结果表明，成骨细胞的机械负荷和前肥大软骨细胞的肥大分化都与GREM-1和BMP-4的过表达有关，这表明它们的相互作用可能在OA中骨软骨连接的重塑中发挥作用。

图1 Gremlin-1及其伴侣在压缩成骨细胞和前肥大和肥大软骨细胞中的表达。

最后，研究用重组小鼠Grem-1（rmGREM-1）和BMP-4（rmBMP-4）单独或联合刺激小鼠成骨细胞，前肥大性和肥大软骨细胞，以确定它们对成骨细胞和软骨细胞的组织重塑潜力的影响。

rmGREM-1显著刺激成骨细胞中金属蛋白酶Mmp-3和Mmp-13和血管抑制因子Angptl-4的mRNA表达，而对其他破骨细胞功能和血管生成相关因子未见影响。同样，在前肥大性和肥大软骨细胞中观察到Mmp-3的表达也呈上升趋势。未观察到rmGREM-1对前肥大性和肥大软骨细胞其他基因的影响。

rmBMP-4刺激成骨细胞，前肥大性和肥大软骨细胞中破骨因子Rankl的mRNA表达，而抑制Angptl-4的mRNA表达（图2 C-H）。虽然rmBMP-4对成骨细胞没有其他影响，但它刺激了前肥大性和肥大软骨细胞中Ccl-2的表达（图2 D）并下调前肥大性软骨细胞Mmp-3 和 Cxcl-12的表达（图2 A-F）。在前肥大性和肥大软骨细胞中，rmBMP-4对Pedf（一种有效的血管抑制因子）的表达表现出相反的活性，在前肥大性软骨细胞中的表达降低，在肥大性软骨细胞中的表达增加（图2 I）。

有趣的是，当成骨细胞被rmBMP-4 和 rmGREM-1 共同刺激时，rmBMP-1对Mmp-3和Mmp-13表达以及rmBMP-4对Rankl mRNA表达的刺激作用均被抑制；而且阻断rmGREM-1和rmBMP-4对Angptl-4的mRNA表达的刺激和抑制作用。在前肥大性和肥大软骨细胞中，rmGREM-1和rmBMP-4的共同刺激也抑制了单独使用这些因子的作用。

这些结果表明，Grem-1及其伴侣BMP-4都可以通过在成骨细胞、前肥大性和肥大软骨细胞中诱导组织重塑程序的表达来改变骨软骨连接稳态。Grem-1刺激分解代谢因子，而BMP-4靶向与破骨形成和血管生成相关基因。

图2 rmGremlin-1和rmBMP-4对前肥大软骨细胞的影响。

总之，该研究发现OA中骨软骨连接处的重塑与Grem-1和BMPs的表达增加有关。Grem-1和BMP-4的这种过表达可以通过软骨细胞的肥大分化和机械负荷介导的成骨细胞的表型变化来解释。Grem-1 和 BMP-4 均可通过调节血管生成、破骨细胞生成和基质降解参与 OA 中骨软骨连接处重塑的调节。

参考文献：Pérez-Lozano ML, Sudre L, van Eegher S, Citadelle D, Pigenet A, Lafage-Proust MH, Pastoureau P, De Ceuninck F, Berenbaum F, Houard X. Gremlin-1 and BMP-4 Overexpressed in Osteoarthritis Drive an Osteochondral-Remodeling Program in Osteoblasts and Hypertrophic Chondrocytes. Int J Mol Sci. 2022 Feb 14;23(4):2084. doi: 10.3390/ijms23042084. PMID: 35216203; PMCID: PMC8874623.
原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35216203/

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