衰老细胞在骨关节炎中的作用及干预措施研究进展

杨哲 蓝常贡

基金项目：广西壮族自治区骨与关节退行性疾病生物医用材料工程研究中心项目（桂发改高技函20211688）；2020年广西壮族自治区医疗卫生重点学科和重点培育学科——急诊医学科（桂卫科教发〔2021〕8号）；右江民族医学院附属医院2019年度第一批高层次人才科研项目（R20196326）

第一作者简介：杨哲，男，住院医师，医学学士，在读硕士研究生，研究方向：骨关节炎。E-mail：779602123@qq.com

通信作者：蓝常贡。E-mail：landlong120@sina.com

［本文引用格式］杨哲，蓝常贡.衰老细胞在骨关节炎中的作用及干预措施研究进展［J］.右江医学，2024，52（3）：264-267.

【关键词】  骨关节炎；衰老软骨细胞；衰老细胞裂解剂；衰老分泌相关蛋白抑制剂

中图分类号：R684.3    文献标志码：A    DOI：10.3969/j.issn.1003-1383.2024.03.013

骨关节炎（osteoarthritis，OA）是一种以关节内部软骨和骨质破坏为主要特征的关节病，最终导致骨骼之间的接触面磨损和骨骼间隙缩小。其长期发展会导致关节功能丧失，骨骼和关节周围组织的改变，如骨质增生、关节畸形和骨折［1］。OA是全球高发疾病，其总体发病率在10%～15%之间。该病高龄易感，65岁以上人群的发病率为20%～30%。在发达国家，髋关节和膝关节是骨关节炎的好发部位，而在发展中国家，肩部和手部的关节则更为普遍［2］。OA的临床治疗主要是对症治疗，大部分患者需要进行人工关节置换缓解疼痛，恢复关节功能［3］。因此，迫切需要对OA发生发展的相关机制进行研究，以期从源头上解决OA的防治难题。本文以衰老细胞（senescent cells， SNCs）在OA发生中的作用及干预策略的研究进展做一综述。

1  衰老软骨细胞与OA

衰老是OA最重要的风险因素。高龄人群的软骨细胞衰老比例会显著增加，由此引发的软骨退化及炎症，又会加剧健康的软骨细胞功能受损。这种以细胞周期停滞为特征的增殖活性丧失，还会引起心血管疾病、癌症，以及运动系统疾病。作为SNCs的活性分泌因子，衰老分泌相关蛋白（SASP）也起到重要作用［4］。

“细胞衰老”概念最早由海夫里克于20世纪60年代提出，是指细胞在经历了一定数量的分裂之后，会发生一种不可逆转的生长停滞现象［5］。细胞衰老后虽然增殖能力降低却不会死亡，依然保持着代谢活性［6］。在此过程中，SNCs会持续释放出一系列SASP，如基质金属蛋白酶、促炎因子等［7］，引起周围正常细胞衰老［8］。积累的SNCs会损害所在组织，加速自然衰老过程。对软骨细胞而言，它在机体内大多时间处于静止期，但其增殖潜力强大，在软骨受损时（通常在OA的早期阶段）会从静止期进入分裂期，以合成受损的关节软骨。此外，在软骨细胞体外培养时也会开启细胞分裂［9］。受到损害刺激的软骨细胞分裂时，更易出现细胞周期阻滞并诱发细胞衰老［10］。骨细胞的衰老也可能是造成OA的另一原因。骨-软骨作为同一功能体在运动系统中发挥协同作用，其衰老后会破坏关节软骨依附面和微环境［11］。SNCs的积累可能是OA发生的关键环节［12］。研究显示，将很少量的SNCs注射到小鼠的膝关节中，会引发OA病理表现，提示SNCs改变了关节微环境并引起了类OA病变［13］。总之，即使关节内的软骨细胞在遇到损害时有一定的损伤修复能力，但是如果有害因素过于强大，细胞衰老就难以避免，这会给关节功能带来负面影响。一方面，细胞衰老导致的增殖活性丧失会破坏软骨更新能力。另一方面，已经衰老的软骨细胞还通过旁分泌衰老因子损害关节内的细胞微环境。

2  衰老软骨细胞的特征

2.1  衰老相關β-半乳糖苷酶

β-半乳糖苷酶染色是检测衰老细胞的常用技术之一，其显色原理是β-半乳糖苷酶活性上调引起。实验发现，OA小鼠软骨细胞SA-β-gal表达增高［14］。然而，SA-β-gal阳性并不绝对意味细胞衰老。比如，细胞的自噬通路对溶酶体酶活性有调控作用，一项研究显示二甲双胍能增强自噬并使衰老患者的T细胞线粒体功能正常化，逆转阳性表达［15］。因此，SA-β-gal的阳性表达体现的可能是自噬水平变化；还有一些动物的视网膜神经元在胚胎发育过程中开始分化时，也会被这种组织化学技术标记，可能与胚胎发育的程序性调控有关［16］。综上所述，细胞衰老大多会出现SA-β-gal阳性表达，但阳性表达并不一定反映细胞衰老。

2.2  细胞外囊泡

SNCs拥有的微环境塑造能还可能与细胞外囊泡（extracellular vesicle，EV）有关。EV是脂膜结合的小颗粒，以运输蛋白及RNA为媒介来实现细胞之间的交流［17］，在SNCs中EV分泌会增加［18］。实验发现，捕获衰老相关microRNA的EV会出现衰老。而衰老相关EV在血清中的含量随年龄增加而下降，但是该过程会伴随B细胞和单核细胞的功能活化。这可能说明衰老相关EV导致了年龄相关的炎症反应。研究表明，OA患者的软骨组织中存在大量衰老的软骨细胞及衰老相关EV［19］。深入研究发现，OA患者的EV与正常的软骨细胞一起培养后，后者出现了明显的衰老和蛋白质聚糖含量下降。免疫荧光检测发现囊泡会在6小时内进入软骨细胞中。衰老相关EV和其他EV之间miR-140-3p（一种microRNA）降低，同时伴随着软骨损伤［20］；而miR-34a-5p则会增加，该过程伴随着SASP的表达升高［21］。随着年龄的增长，SNCs可以明显引起细胞微环境的变化，功能更加复杂的EV很可能是重要驱动因素，而不仅仅是SASP。

2.3  P16

P16是可以参与细胞周期负性调控的抗癌基因，在细胞衰老中可使细胞周期停滞［22］。在DNA损伤、活性氧或有害刺激等细胞压力下能激活该基因，其好处是能抑制肿瘤的发生，坏处是可能引起细胞衰老［23-24］。研究表明，P16在软骨中的表达水平与OA相关［25］。P16升高的软骨细胞显示出细胞外基质（extracellular matrix，ECM）减少，SASP（MMP13、MMP1）的分泌增多［26］。这表明软骨细胞周期停滞后，P16是软骨损伤的重要特征［27］。P16不但与OA相关，也是一种可靠的衰老基因，P16表达增加可能提示OA发病原因复杂。

3  以SNCs为目标的OA防治策略

3.1  SNCs裂解剂（senolytics）

研究显示，通过定向清除高表达P16基因的SNCs［28-29］，干预组小鼠寿命获得显著延长，与衰老有关的病理变化也出现更晚。利用相似实验技术，清除OA小鼠关节软骨内的SNCs后，OA病理表现显著缓解［12］。基因干预技术存在伦理风险，通过比较SNCs的特征筛选小分子药物，或是抗衰老的有效策略。Bcl-2家族蛋白是调控细胞存亡的关键蛋白，包括两种类型，一种是抗凋亡蛋白如Bcl-2、Bcl-XL等；另一种是促凋亡蛋白，如Bak、Bax等。前者作为SNCs对抗凋亡的关键因子，为药物干预提供了SNCs作用靶点［30］。ABT-263（navitoclax）是一种泛Bcl-2家族抑制剂，通过靶向Bcl-2、Bcl-XL促进SNCs凋亡。实验证明ABT-263能促进OA中的衰老软骨细胞凋亡，维持软骨细胞表型［31］。然而，ABT-263强大的血液系统抑制作用可能会成为临床应用的阻碍。A-1331852和A-1155463作为选择性更强的Bcl-XL抑制剂，其作用是否会更平衡尚有待探索。

P53是具有多種功能的肿瘤抑制基因，也是一个senolytic靶点。它除了能与下游基因P21共同实现细胞周期阻滞外［32］，还对细胞凋亡具有调控作用。有研究表明，FOXO4（FOXO4基因编码的蛋白）可以通过与P53的相互作用来防止衰老纤维细胞死亡［33］。研究者设计一种肽（FOXO4-DRI）来模拟FOXO4和P53的连接，阻止它们的相互作用，以诱导衰老成纤维细胞凋亡。除此之外，FOXO4-DRI也被证明可以通过选择性诱导衰老性腺间质细胞凋亡，缓解老年雄性小鼠与年龄相关性腺功能减退症［34］。基于P53基因的另一个靶点是E3连接酶（MDM2），E3连接酶是P53的负调节因子。UBX0101是MDM2/P53相互作用的抑制剂，在骨关节炎小鼠模型中诱导衰老软骨细胞凋亡，并成功改善骨关节炎的软骨退化现象［12］。但关节内注射UBX0101治疗骨关节炎的2期临床试验未达到期望效果。

总之，目前senolytics疗法的临床前试验的预期结果不尽相同，有好有坏。这种通过使SNCs凋亡而达到“去旧存新”，改善微环境的策略可能是最有效的抗衰老实现路径。

3.2  SASP抑制剂（senomorphics）

由于SASP因子与衰老相关病变的关系，阻断SASP因子是另一种治疗手段［35］。白细胞介素6（IL-6）是一种重要衰老因子，与类风湿关节炎（RA）发生发展密切相关，其受体抑制剂托珠单抗（Tocilizumab）对RA疗效显著。RA与OA的病理表现相似，Tocilizumab对手部OA的临床试验正在进行。MMPs是功能复杂的胶原蛋白水解酶类，能促进细胞外基质的降解，也是一种SASP因子。该家族成员MMP13可以降解关节软骨中的Ⅱ型胶原蛋白。OA患者来源的软骨细胞中MMP13的表达高于正常人。此外，使用转基因小鼠过表达MMP13也诱导了OA样关节病，提示MMP13是OA发病机制的重要因素。而敲除编码MMP13基因的软骨细胞后，降低了半月板韧带损伤（MLI）诱导的OA病理变化。据此，人们设计了MMP13抑制剂CL82198处理MLI小鼠，证实CL82198可减轻OA，上调Ⅱ型胶原含量。研究发现，OA患者关节液中白细胞介素1β（IL-1β）水平增高［36］。这种炎症趋化因子可以激活cGAS-STING信号通路，诱导软骨细胞衰老［37］。据报道，紫檀芪通过抑制 PI3K/AKT/NF-κB信号通路缓解由IL-1β诱导的软骨细胞衰老［38］。抗氧化剂NAC处理也可缓解IL-1β诱发的软骨细胞的衰老相关表型的增加［39］。

目前来看，senomorphics作为可以选择性抑制特定SASP因子的干预策略是另一种对抗衰老的实现方法。值得注意的是，单纯抑制SASP因子不能解决SNCs可能是这种方法的不足之处。

4  结论与展望

OA的发生机理复杂，目前尚无明确具体的细胞类型决定其发生发展。对于SNCs清除可能产生的不良作用也存在争议［40］。尽管这些永久进入周期停滞的细胞在OA的发生发展中起着重要作用，但如果提前清除SNCs和阻断其旁分泌通路，或许会影响OA的早期修复。出于这个原因，有关senolytics和senomorphics的研究，应该在不同的OA病理发展时期，进行组合使用或许有更好的效果。总的来说，未来的方向应进一步明确SNCs的特质及代谢特点与OA的关系，并设计基于这些机制的疗法以消除或减缓OA的发生，为关节软骨修复和OA治疗提供新思路。

参  考  文  献

［1］   ZHOU F， CHU L Y， LIU X Q， et al. Subchondral trabecular microstructure and articular cartilage damage variations between osteoarthritis and osteoporotic osteoarthritis：a cross-sectional cohort study［J］. Front Med，2021，8：617200.

［2］   王欢，孙贺，张耀南，等.中国40岁以上人群原发性膝骨关节炎各间室患病状况调查［J］.中华骨与关节外科杂志，2019，12（7）：528-532.

［3］   中华医学会骨科学分会关节外科学组.骨关节炎诊疗指南（2018年版）［J］.中华骨科杂志，2018，38（12）：705-715.

［4］   ZHANG D W， ZHANG G， LI Z Y， et al. Activation of the cannabinoid receptor 1 by ACEA suppresses senescence in human primary chondrocytes through sirt1 activation［J］. Exp Biol Med， 2018， 243（5）：437-443.

［5］   HAYFLICK L， MOORHEAD P S. The serial cultivation of human diploid cell strains［J］. Exp Cell Res， 1961， 25：585-621.

［6］   CAI Y S， ZHOU H H， ZHU Y H， et al. Elimination of senescent cells by β-galactosidase-targeted prodrug attenuates inflammation and restores physical function in aged mice［J］. Cell Res， 2020， 30（7）： 574-589.

［7］   BASISTY N， KALE A， JEON O H，et al. A proteomic atlas of senescence-associated secretomes for aging biomarker development［J］. PLoS Biol， 2020， 18（1）：e3000599.

［8］   YUN J N， HANSEN S， MORRIS O， et al. Senescent cells perturb intestinal stem cell differentiation through Ptk7 induced noncanonical Wnt and YAP signaling［J］. Nat Commun， 2023， 14（1）：156.

［9］   楊帆，刘保一，刘家河，等.体外培养SD大鼠关节软骨细胞原代至第3代的形态学特点［J］.中国组织工程研究，2021，25（14）：2161-2165.

［10］   OGRODNIK M， SALMONOWICZ H， JURK D， et al. Expansion and cell-cycle arrest：common denominators of cellular senescence［J］. Trends Biochem Sci， 2019， 44（12）：996-1008.

［11］   VAN DEN BOSCH M H J.Osteoarthritis year in review 2020：biology［J］. Osteoarthritis Cartilage， 2021， 29（2）：143-150.

［12］   JEON O H， KIM C， LABERGE R M， et al. Local clearance of senescent cells attenuates the development of post-traumatic osteoarthritis and creates a pro-regenerative environment［J］. Nat Med， 2017， 23（6）：775-781.

［13］   XU M， BRADLEY E W， WEIVODA M M， et al. Transplanted senescent cells induce an osteoarthritis-like condition in mice［J］. J Gerontol A Biol Sci Med Sci， 2017， 72（6）：780-785.

［14］   POUDEL S B， DIXIT M，YILDIRIM G，et al. Sexual dimorphic impact of adult-onset somatopause on life span and age-induced osteoarthritis［J］. Aging Cell， 2021， 20（8）：e13427.

［15］   BHARATH L P， AGRAWAL M， MCCAMBRIDGE G， et al. Metformin enhances autophagy and normalizes mitochondrial function to alleviate aging-associated inflammation［J］. Cell Metab， 2020， 32（1）：44-55.e6.

［16］   DE MERA-RODRGUEZ J A， LVAREZ-HERNN G， GAN Y， et al. Is senescence-associated β-galactosidase a reliable in vivo marker of cellular senescence during embryonic development？［J］. Front Cell Dev Biol， 2021， 9：623175.

［17］   KALLURI R， LEBLEU V S. The biology， function， and biomedical applications of exosomes［J］. Science， 2020， 367（6478）：eaau6977.

［18］   HA D H， KIM H K， LEE J， et al. Mesenchymal stem/stromal cell-derived exosomes for immunomodulatory therapeutics and skin regeneration［J］. Cells， 2020， 9（5）：1157.

［19］   JEON O H， WILSON D R， CLEMENT C C， et al. Senescence cell-associated extracellular vesicles serve as osteoarthritis disease and therapeutic markers［J］. JCI Insight， 2019， 4（7）：e125019.

［20］   LI X H， ZHEN Z L， TANG G D， et al. MiR-29a and miR-140 protect chondrocytes against the anti-proliferation and cell matrix signaling changes by IL-1β［J］. Mol Cells， 2016， 39（2）：103-110.

［21］   MANAKANATAS C， GHADGE S K， AGIC A， et al. Endothelial and systemic upregulation of miR-34a-5p fine-tunes senescence in progeria［J］. Aging，2 022， 14（1）：195-224.

［22］   DIEKMAN B O， SESSIONS G A， COLLINS J A， et al. Expression of p16INK4a is a biomarker of chondrocyte aging but does not cause osteoarthritis［J］. Aging Cell， 2018， 17（4）：e12771.

［23］   SARGEN M R， PFEIFFER R M， ELDER D E， et al. The impact of longitudinal surveillance on tumor thickness for melanoma-prone families with and without pathogenic germline variants of CDKN2A and CDK4［J］. Cancer Epidemiol Biomarkers Prev， 2021， 30（4）：676-681.

［24］   BADHEEB M， ABDELRAHIM A， ESMAIL A， et al. Pancreatic tumorigenesis：precursors，genetic risk factors and screening［J］. Curr Oncol，2022， 29（11）：8693-8719.

［25］   SESSIONS G A， COPP M E， LIU J Y， et al. Controlled induction and targeted elimination of p16 INK4a-expressing chondrocytes in cartilage explant culture［J］. FASEB J， 2019， 33（11）：12364-12373.

［26］   RIM Y A， NAM Y， JU J H. The role of chondrocyte hypertrophy and senescence in osteoarthritis initiation and progression［J］. Int J Mol Sci， 2020， 21（7）：2358.

［27］   JIN J L， TAO J G， GU X， et al. P16 INK4a deletion ameliorated renal tubulointerstitial injury in a stress-induced premature senescence model of bmi-1 deficiency［J］. Sci Rep， 2017， 7（1）：7502.

［28］   BAKER D J， CHILDS B G， DURIK M， et al. Naturally occurring p16Ink4a-positive cells shorten healthy lifespan［J］. Nature， 2016， 530：184-189.

［29］   PATIL P， DONG Q， WANG D， et al. Systemic clearance of p16INK4a-positive senescent cells mitigates age-associated intervertebral disc degeneration［J］. Aging Cell， 2019， 18（3）：e12927.

［30］   BASU A. The interplay between apoptosis and cellular senescence：Bcl-2 family proteins as targets for cancer therapy［J］. Pharmacol Ther， 2022， 230：107943.

［31］   杨昊.Navitoclax（ABT263）改善骨关节炎中炎癥微环境和减轻软骨破坏的研究［D］.重庆：中国人民解放军陆军军医大学，2020.

［32］   MIJIT M， CARACCIOLO V， MELILLO A， et al. Role of p53 in the regulation of cellular senescence［J］. Biomolecules， 2020， 10（3）：420.

［33］   BAAR M P， BRANDT R M C， PUTAVET D A， et al. Targeted apoptosis of senescent cells restores tissue homeostasis in response to chemotoxicity and aging［J］. Cell， 2017， 169（1）：132-147.e16.

［34］   ZHANG C， XIE Y， CHEN H C， et al. FOXO4-DRI alleviates age-related testosterone secretion insufficiency by targeting senescent Leydig cells in aged mice［J］. Aging， 2020， 12（2）：1272-1284.

［35］   LAGOUMTZI S M， CHONDROGIANNI N. Senolytics and senomorphics：natural and synthetic therapeutics in the treatment of aging and chronic diseases［J］. Free Radic Biol Med， 2021， 171：169-190.

［36］   马小梅，符培亮，朱维健.膝关节液中白细胞介素1β、白细胞介素6、白细胞介素8及肿瘤坏死因子α表达与组织病理学的相关性研究［J］.第二军医大学学报，2020，41（9）： 1046-1051.

［37］   AARREBERG L D， ESSER-NOBIS K， DRISCOLL C， et al. Interleukin-1β induces mtDNA release to activate innate immune signaling via cGAS-STING［J］. Mol Cell， 2019， 74（4）：801-815.e6.

［38］   王瑜.紫檀芪通过抑制PI3K/AKT/NF-κB信号通路抗软骨细胞衰老治疗OA的机制研究［D］.沈阳：中国医科大学，2022.

［39］   徐伟，廖冬发，吴畏，等.IL-1β通过诱导氧化应激促进软骨表层细胞衰老［J］.免疫学杂志，2022，38（2）：164-169.

［40］   VOSKAMP C， KOEVOET W J L M， VAN OSCH G J V M， et al. Senescence during early differentiation reduced the chondrogenic differentiation capacity of mesenchymal progenitor cells［J］. Front Bioeng Biotechnol， 2023， 11：1241338.

（收稿日期：2023-09-05  修回日期：2023-10-31）

（编辑：王琳葵  潘明志）