线粒体动力学失衡与骨关节炎软骨退变的关联分析

doi:10.12307/2026.918

中国组织工程研究 ›› 2026, Vol. 30 ›› Issue (在线): 1-8.doi: 10.12307/2026.918

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线粒体动力学失衡与骨关节炎软骨退变的关联分析

方凤超1，2，杨文武1，2，吴鸿涛1，2，彭鹏2，梁智业1，2，姜涛2，陈伟坚2，刘文刚1，2，赵传喜1，2

1广州中医药大学第五临床医学院，广东省广州市 510405；2广东省第二中医院(广东省中医药工程技术研究院)骨伤一科，广东省广州市 510095

收稿日期:2025-11-11 修回日期:2026-03-23 出版日期:2026-01-01 发布日期:2026-05-08
通讯作者: 赵传喜，硕士，主任中医师，博士生导师，广州中医药大学第五临床医学院，广东省广州市 510405；广东省第二中医院(广东省中医药工程技术研究院)骨伤一科，广东省广州市 510095
作者简介:方凤超，女，2001年生，广东省东莞市人，汉族，广州中医药大学在读硕士，主要从事中医骨伤科的研究。
基金资助:
广东省基础与应用基础研究基金项目-广东省自然科学基金(2024A1515010499)，项目负责人：赵传喜；广东省基础与应用基础研究基金项目-省企联合基金(2023A1515220154)，项目负责人：赵传喜；中医证候全国重点实验室项目(SKLKY2024B0019)，项目负责人：彭鹏；广东省医学科研基金(A2025133)，项目负责人：彭鹏

Association between mitochondrial dynamics imbalance and cartilage degeneration in osteoarthritis

Fang Fengchao1, 2, Yang Wenwu1, 2, Wu Hongtao1, 2, Peng Peng2, Liang Zhiye1, 2, Jiang Tao2, Chen Weijian2, Liu Wengang1, 2, Zhao Chuanxi1, 2

1The Fifth Clinical Medical School, Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China; 2Guangdong Provincial Second Hospital of Traditional Chinese Medicine (Guangdong Provincial Engineering Technology Research Institute of Traditional Chinese Medicine), Guangzhou 510095, Guangdong Province, China

Received:2025-11-11 Revised:2026-03-23 Online:2026-01-01 Published:2026-05-08
Contact: Zhao Chuanxi, MS, Chief physician, Doctoral supervisor, The Fifth Clinical Medical School, Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China; Guangdong Provincial Second Hospital of Traditional Chinese Medicine (Guangdong Provincial Engineering Technology Research Institute of Traditional Chinese Medicine), Guangzhou 510095, Guangdong Province, China
About author:Fang Fengchao, MS candidate, The Fifth Clinical Medical School, Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China; Guangdong Provincial Second Hospital of Traditional Chinese Medicine (Guangdong Provincial Engineering Technology Research Institute of Traditional Chinese Medicine), Guangzhou 510095, Guangdong Province, China
Supported by:
Guangdong Provincial Fund for Basic and Applied Basic Research - Guangdong Provincial Natural Science Foundation, No. 2024A1515010499 (to ZCX); Guangdong Provincial Fund for Basic and Applied Basic Research-Provincial-Enterprise Joint Fund, No. 2023A1515220154 (to ZCX); the General Project of State Key Laboratory of Traditional Chinese Medicine Syndrome, No. SKLKY2024B0019 (to PP); Guangdong Provincial Medical Research Fund, No. A2025133 (to PP)

摘要/Abstract

摘要：

背景：骨关节炎发病过程中，软骨细胞表现为能量供应不足。线粒体作为细胞的发电站，其动力学失衡与软骨细胞、软骨退变间的关系尚不明确。
目的：探究关节软骨细胞线粒体动力学稳态对膝骨关节炎软骨退变的影响。
方法：①将SD大鼠随机分为对照组与模型组，模型组行前交叉韧带离断构建膝骨关节炎大鼠模型，均正常饲养4周。苏木精-伊红及番红固绿染色观察关节软骨改变，免疫组化、免疫荧光、Western blot 及RT-PCR技术检测软骨视神经萎缩蛋白1、动力相关蛋白1的蛋白及mRNA表达水平、线粒体DNA表达，ATP比色法测定ATP表达。②另收集10例人胫骨平台软骨，其中5例源于无骨关节炎而接受截肢或外伤手术患者的为正常组，另5例源于行膝关节置换术的膝骨关节炎患者为病变组。采用Western blot及RT-PCR检测上述指标，并检测线粒体融合蛋白1和分裂蛋白的表达。
结果与结论：①大鼠模型软骨观察指标：与对照组比较，模型组软骨层变薄，软骨下骨结构破坏、软骨细胞排列紊乱、数量减少；软骨细胞线粒体融合蛋白(视神经萎缩蛋白1)水平及其mRNA的表达、mtDNA表达均降低，而线粒体分裂蛋白(动力相关蛋白1)水平及其mRNA的表达均升高，ATP含量降低。②人体胫骨平台软骨观察指标：与正常组比较发现，病变组软骨细胞线粒体融合蛋白(视神经萎缩蛋白1、线粒体融合蛋白1)的蛋白及mRNA表达、mtDNA表达均降低，线粒体分裂蛋白(动力相关蛋白1、线粒体分裂蛋白1)的蛋白及mRNA表达均升高，ATP含量降低。③结论：关节软骨细胞线粒体动力学稳态失衡表现为线粒体融合蛋白表达下调、分裂蛋白表达上调和ATP合成障碍，与软骨损伤呈显著正相关。
https://orcid.org/0000-0001-7241-4622(赵传喜)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

关键词: 线粒体动力学, 关节软骨, 骨关节炎, 线粒体分裂, 线粒体融合

Abstract: BACKGROUND: During the pathogenesis of osteoarthritis, chondrocytes exhibit insufficient energy supply. As mitochondria serve as the energy generators of cells, it remains unclear how changes in mitochondrial dynamic homeostasis affect chondrocyte function and cartilage degeneration.
OBJECTIVE: To investigate the effect of mitochondrial dynamics homeostasis in articular chondrocytes on cartilage degeneration in knee osteoarthritis.
METHODS: (1) Sprague-Dawley rats were randomly divided into a control group and a model group. The model group underwent anterior cruciate ligament transection to establish a rat model of knee osteoarthritis, and all rats were normally fed for 4 weeks. Articular cartilage changes were observed using hematoxylin-eosin and safranin O-fast green staining. The protein and mRNA expression levels of optic atrophy 1 and dynamin-related protein 1 in cartilage, as well as mitochondrial DNA expression, were detected using immunohistochemistry, immunofluorescence, western blot, and RT-PCR. Adenosine triphosphate expression was measured using an ATP colorimetric assay. (2) Additionally, 10 tibial plateau cartilage samples were collected. Five samples from patients without osteoarthritis undergoing amputation or trauma surgery served as the normal group, and five samples from patients with knee osteoarthritis undergoing knee replacement surgery served as the lesion group. Western blot and RT-PCR were used to examine the above indicators, along with the expression of mitofusin 1 and mitochondrial fission protein 1.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Cartilage observation indicators in rat models: Compared with the control group, the model group showed thinning of the cartilage layer, destruction of subchondral bone structure, disorganized chondrocyte arrangement, and reduced cell number. The levels of the mitochondrial fusion protein (optic atrophy 1) and its mRNA expression, as well as mitochondrial DNA expression, were decreased in chondrocytes, while the levels of the mitochondrial fission protein (dynamin-related protein 1) and its mRNA expression were increased, and adenosine triphosphate content was decreased. (2) Human tibial plateau cartilage observation indicators: Compared with the normal group, the lesion group showed decreased protein expression of mitochondrial fusion proteins (optic atrophy 1 and mitofusin 1) and their mRNA expression, as well as decreased mitochondrial DNA expression, while the protein expression of mitochondrial fission proteins (dynamin-related protein 1 and mitochondrial fission protein 1) and their mRNA expression were increased, and adenosine triphosphate content was decreased. In conclusion, the imbalance of mitochondrial dynamics homeostasis in articular chondrocytes is manifested by downregulation of mitochondrial fusion protein expression, upregulation of fission protein expression, and impaired adenosine triphosphate synthesis, which is significantly positively correlated with cartilage damage.

Key words: mitochondrial dynamics, articular cartilage, osteoarthritis, mitochondrial fission, mitochondrial fusion

中图分类号:

方凤超, 杨文武, 吴鸿涛, 彭鹏, 梁智业, 姜涛, 陈伟坚, 刘文刚, 赵传喜. 线粒体动力学失衡与骨关节炎软骨退变的关联分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(在线): 1-8.

Fang Fengchao, Yang Wenwu, Wu Hongtao, Peng Peng, Liang Zhiye, Jiang Tao, Chen Weijian, Liu Wengang, Zhao Chuanxi. Association between mitochondrial dynamics imbalance and cartilage degeneration in osteoarthritis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2026, 30(在线): 1-8.

图/表（结果） 7

2.1 实验动物数量分析实验选用20只大鼠，分为2组，均无脱失，全部纳入结果分析。
2.2 两组大鼠软骨组织病理学变化
2.2.1 苏木精-伊红染色结果对照组大鼠膝关节软骨表面光滑平整，软骨层结构完整，软骨细胞排列整齐、形态规则，数量丰富；模型组大鼠膝关节软骨表面磨损且粗糙不平，软骨层结构破坏，软骨细胞排列紊乱、肿胀、破裂，数量减少，见图2A。
2.2.2 番红O-固绿染色结果对照组软骨细胞数量多，染色均匀，细胞核呈现蓝色，软骨基质呈现红色，潮线完整；模型组软骨细胞数量减少，染色不均匀，部分软骨基质呈现浅红色，潮线不完整，见图2B。

2.2.3 免疫组化结果如图3所示，OPA1方面，对照组可见较多棕黄色颗粒分布于细胞质内，说明OPA1蛋白表达水平升高；模型组OPA1阳性细胞数量减少，对棕色区域进行定量分析发现OPA1蛋白表达水平低于对照组(P < 0.01)。DRP1方面，模型组出现较多棕色区域，说明DRP1蛋白表达水平升高；对照组仅有少量棕色区域，定量分析后发现模型组DRP1蛋白表达水平高于模型组(P < 0.01)。

2.2.4 免疫荧光结果软骨细胞核被DAPI染成蓝色，OPA1、DRP1被染成绿色。对照组大鼠软骨组织OPA1染色为强阳性，DRP1染色为弱阳性，而在模型组大鼠软骨组织OPA1染色为弱阳性，DRP1染色为强阳性，表明与对照组比较，模型组OPA1荧光强度降低，DRP1荧光强度升高，见图4A，B。

2.3 大鼠和人体软骨组织mtDNA的变化
2.3.1 大鼠实验与对照组比较，模型组软骨组织mtDNA表达水平降低(P < 0.001)，见图5A。
2.3.2 人体软骨组织实验与正常组比较，病变组软骨组织mtDNA表达水平降低(P < 0.001)，见图5B。

2.4 大鼠和人体软骨组织ATP的变化
2.4.1 大鼠实验与对照组比较，模型组软骨组织ATP含量降低(P < 0.01)，见图6A。
2.4.2 人体软骨组织实验与正常组比较，病变组软骨组织ATP含量降低(P < 0.01)，见图6B。
2.5 大鼠软骨组织OPA1和DRP1蛋白的变化与对照组比较，模型组软骨组织OPA1蛋白表达水平降低(P < 0.01)，DRP1蛋白表达水平升高(P < 0.01)，见图7。

2.6 人体软骨组织线粒体动力学相关蛋白mRNA的变化与正常组比较，病变组软骨组织OPA1、Mfn1 mRNA表达水平降低(P < 0.001)，DRP1、FIS1 mRNA表达水平升高(P < 0.001)，见图8。

2.7 人体软骨组织线粒体动力学相关蛋白的变化与正常组比较，病变组软骨组织OPA1、Mfn1蛋白表达水平降低(P < 0.01)，DRP1、FIS1蛋白表达水平升高(P < 0.01，P < 0.001)，见图9。

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引言

骨关节炎的临床表现为关节疼痛、肿胀，部分患者可出现关节畸形甚至残疾，严重降低患者的生活质量[1-2]。软骨退化是骨关节炎主要病理改变之一[3]。现阶段暂无特异疗法，早中期膝骨关节炎的治疗仅限于改善症状和恢复关节功能，至终末期则只能选择关节置换[4]，因此，亟待探索骨关节炎发病的分子机制和新的治疗方法。
相关研究发现，软骨生物学与线粒体稳态密切相关[5]。在骨关节炎发病过程中存在线粒体稳态破坏，表现为膜电位下降、产生活性氧、引起氧化应激、炎症因子分泌增多等[6]，这种不平衡在软骨细胞凋亡和软骨退化中起重要作用[7]。此外，ANSARI等[8]研究者通过动物实验证实调控线粒体分裂、融合可延缓软骨细胞凋亡进程、缓解膝骨关节炎的进展[9]。线粒体功能障碍日益成为软骨退变的重要机制[10]，针对线粒体的治疗为逆转软骨退化、延缓骨关节炎进程提供了新希望[11-12]。
线粒体动力学是线粒体稳态的关键环节之一[13]，是指线粒体融合、分裂的协调循环过程[14]。线粒体分裂由动力相关蛋白1(dynamin related protein 1，DRP1)和线粒体分裂蛋白1(mitochondrial fission protein 1，FIS1)介导，而线粒体融合则由视神经萎缩蛋白1(optic atrophy 1，OPA1)、线粒体融合蛋白1(mitofusin1，Mfn1)及线粒体融合蛋白2(mitofusin 2，Mfn2)调控，二者共同调控线粒体大小、数量和形态，从而适应生物能量供应[15]。线粒体过度分裂或抑制融合可导致线粒体碎片化，使其难以产生足够的生物能量，引起氧化应激促进细胞凋亡[16]；而活化的融合或抑制分裂则使线粒体延长，抑制细胞凋亡。总之，线粒体动力学发生紊乱，线粒体稳态遭受破坏，将导致功能障碍。
目前线粒体动力学正作为心血管疾病、肾脏疾病、癌症及神经系统等多种疾病的重要机制而备受关注[17-18]，但骨关节炎的发生发展与软骨细胞线粒体动力学改变的关系尚不明确。此次研究通过检测及比对膝骨关节炎患者正常软骨组织和病变软骨组织、健康大鼠和膝骨关节炎模型大鼠的关节软骨线粒体融合、分裂蛋白表达差异，深入探讨线粒体动力学与软骨退变的相关性。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

材料方法

1 材料和方法 Materials and methods

1.1 设计随机对照动物实验，人体软骨组织病例-对照，实验设计流程图见图1。

1.2 时间及地点动物实验于2024年2-6月在广东省第二中医院(广东省中医药工程技术研究院)实验中心完成。
1.3 材料
1.3.1 实验动物健康雄性SD大鼠20只，8周龄，SPF级，体质量180-200 g，购于广东省医学实验动物中心，生产许可证号：SCXK(粤)2022-0002，于广东省第二中医院(广东省中医药工程技术研究院)SPF级动物实验室分笼饲养，使用许可证编号：SYXK(粤)2020-0059。饲养环境：室温(24±2) ℃，湿度(50±10)%，昼夜分明交替饲养。采用随机数字表法将大鼠分为对照组和模型组，每组10只。
该实验方案已获得广东省第二中医院实验动物伦理委员会批准(伦理批准号：IACUC No.049297)。
1.3.2 人体软骨组织人体软骨组织来源于既往采集的临床样本库，将接受全膝关节置换术的5例膝骨关节炎患者胫骨平台软骨组织作为病变组，既往无骨关节炎而接受截肢或外伤手术史的5例患者胫骨平台软骨组织作为正常组[15]。
该研究获得广东省第二中医院伦理委员会的批准，伦理文件批号：粤二中医(2021)伦审K59号。所有患者及家属均知晓此次研究目的和意义，并自愿签署知情同意书。
1.3.3 主要试剂与仪器抗OPA1抗体、抗FIS1抗体(货号CY7035、CY8730，自北京安必维抗体技术有限公司)；抗DRP1抗体、抗Mfn1抗体(货号12957-1-AP、13798-1-AP，自武汉三鹰生物技术有限公司)；山羊抗兔抗体(货号G1213，武汉赛维尔生物科技有限公司)；三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)含量测试盒(货号A095-1-1，南京建成生物工程研究所)；线粒体DNA提取试剂盒(货号D0215，武汉百浩天生物科技有限公司)；BX53型荧光显微镜(日本OLYMPUS公司)；CascadaⅠ型超纯水系统(美国PALL公司)。
1.4 实验方法
1.4.1 大鼠膝骨关节炎模型制备、取材对照组大鼠正常饲养，不做任何处理。模型组采用前交叉韧带离断法(ACLT)对大鼠右侧膝关节进行造模[16]。1%戊巴比妥钠(70 mg/kg)腹腔注射麻醉大鼠，麻醉成功后剔除大鼠右后肢毛发，碘伏消毒后用尖刀片沿膝关节内侧切开约1 cm，暴露膝关节内侧前交叉韧带后用刀尖挑断前交叉韧带，行前抽屉试验检查阳性提示造模手术成功。无菌生理盐水冲洗切口后逐层缝合。造模后肌肉注射青霉素(4万单位)抗感染，每日1次，连续3 d。术后驱赶大鼠活动，每日2次，每次30 min，连续4周。第5周腹腔注射过量戊巴比妥钠处死大鼠并取材，一部分膝关节标本放入-80 ℃冰箱保存备后续实验，另一部分标本放入40 g/L多聚甲醛固定48 h后使用脱钙液进行脱钙4周，为后续石蜡包埋、切片、脱蜡至水做准备。
1.4.2 苏木精-伊红染色将5 μm厚大鼠软骨组织石蜡切片脱蜡入水，浸泡于苏木精染色液中染色5 min，冲洗后1%盐酸乙醇分化5 s，返蓝，浸入伊红染液中染色3 min，PBS冲洗后乙醇梯度脱水，二甲苯透明，中性树胶封固后于光学显微镜下观察。

1.4.3 番红O-固绿染色将大鼠软骨组织切片经常规脱蜡、水化后，用苏木精染色5 min，流水冲洗10 min，加入0.02%快速

固绿液浸染5 min，再用1%醋酸溶液漂洗30 s，再加入0.1%番红O染色5 min，最后使用常规梯度乙醇脱水、二甲苯透明、中性树胶封固，最终获得番红O-固绿染色切片，显微镜下观察各组软骨组织病理学改变。

1.4.4 免疫荧光染色将固定样本组织切片后脱蜡处理，使用适量修复液(1×柠檬酸，pH 6.0)高温高压修复2 min后冷却至室温后取出用PBS冲洗擦干，免疫组化笔画圈，滴加体积分数10%山羊血清室温封闭孵育30 min；依次加入一抗(OPA1、DRP1，稀释比1∶100)、二抗(稀释比1∶200)、滴加DAPI工作液避光孵育5 min，PBST 5 min×3次洗去多余的DAPI，滴加抗荧光封片剂封固，在荧光显微镜下观察采集图像。

1.4.5 线粒体DNA提取和检测取动物及人体胫骨平台软骨组织研磨匀浆后根据线粒体DNA提取试剂盒操作说明书，通过差速离心法得到较纯净的线粒体，利用DNA酶消化裂解缓冲系统等多步骤去掉核DNA，最后得到纯净的线粒体DNA，再利用PCR技术测定线粒体DNA浓度和纯度。以β-actin为内参，NADH脱氢酶亚基1作为检测mtDNA含量的目的基因，基因引物序列见表1。

1.4.6 比色法检测ATP水平将动物及人体胫骨平台软骨组织，按照质量(g)∶体积(mL)=1∶9的比例，加入9倍体积的冷双蒸水，冰水浴制备10%组织匀浆，再置于沸水浴中煮10 min，取出混匀，3 500 r/min离心10 min后取上清液备用。按照试剂盒说明书步骤操作，在636 nm、光径0.5 cm处计测吸光度值，计算ATP表达水平。

1.4.7 RT-qPCR检测软骨组织中线粒体动力学相关蛋白mRNA表达取人体胫骨平台软骨组织在液氮低温下研磨匀浆后用Trizol法提取总RNA，并检测各样本RNA浓度，设置反转录反应体系进行RNA反转录为cDNA，将cDNA作为模板进行实时荧光定量PCR扩增，反应条件为预变性95 ℃30 s循环1次；变性95 ℃10 s、退火60 ℃30 s、延伸60 ℃30 s循环40次。以β-actin为内参，引物序列见表2。

1.4.8 Western blot检测软骨组织中线粒体动力学相关蛋白表达取人体胫骨平台软骨组织充分研磨匀浆后加入RIPA裂解液，根据BCA法计算蛋白样品浓度，蛋白质定量配平后煮沸蛋白，然后依次进行配胶、SDS-PAGE电泳、转膜、封闭后，加入一抗(OPA1抗体1∶1 000；Mfn1抗体1∶2 000；DRP1抗体1∶2 000；FIS1抗体1∶1 000)孵育和山羊抗兔二抗(1∶5 000)孵育，漂洗后加入ECL显影液开始显影，凝胶扫描成像系统下拍照，采用Image J软件分析条带灰度值，以β-actin(1∶20 000)为内参计算蛋白相对表达水平。
1.5 主要观察指标 ①两组大鼠软骨组织病理学变化；②两组大鼠和人体病变组、正常组软骨组织中mtDNA和ATP的表达；③两组大鼠软骨组织中OPA1和DRP1的蛋白表达；④人体病变组、正常组软骨组织OPA1、Mfn1、FIS1、DRP1的蛋白和mRNA表达水平。
1.6 统计学分析采用SPSS 25.0软件对数据进行统计分析，计量数据用x±s表示，符合正态分布的计量数据采用t检验，不符合正态分布的数据采用秩和检验，以P < 0.05为差异有显著性意义。文章的统计学方法已经广东省第二中医院统计学专家审核。

讨论

长期以来，骨关节炎被认为是一种“磨损性”疾病，是造成全球残疾的主要原因之一，其病理进程始于分子层面的紊乱，尤其是关节组织代谢异常，进而引发解剖与生理结构的改变，包括软骨退变、骨质增生及关节炎症，最终导致功能丧失[19]。
3.1 不同状态下线粒体稳态与软骨细胞的关系线粒体是细胞的“能量产生器”和“稳定器”，由内膜、外膜、基质和膜间间隙组成，不仅负责产生细胞活动所需的ATP，还参与调节活性氧生成、细胞内钙信号及氧化还原状态。关节软骨无血管分布，其内的软骨细胞依赖滑膜液中氧气与营养的被动扩散[6]。生理状态下，软骨细胞的能量主要来源于糖酵解，约25%来自于线粒体氧化磷酸化[20]。线粒体动力学调控线粒体的分布、形态及数量以适应细胞不同的能量需求，线粒体稳态维持了软骨细胞的代谢灵活性、供能稳定性。
大量研究表明，退行性疾病中mtDNA随年龄增加出现复制错误的增长和损伤修复能力的下降[21]。骨关节炎进展中，炎症环境可直接导致线粒体损伤，表现为软骨细胞的线粒体过度分裂，引起活性氧堆积、线粒体膜受破坏，驱动细胞衰老[22-23]。
由于线粒体结构破坏，电子传递链和 ATP 酶的蛋白质复合物附着的表面积锐减，ATP合成效率减慢[24]。软骨损伤急性期内可识别线粒体呼吸功能持续受损[25]，当软骨细胞能量代谢模式不能通过氧化磷酸化适应供能，便导致细胞内ATP水平降低和能量耗竭[26]。此次研究中在人体病变软骨及大鼠关节不稳定的模型软骨中，线粒体分裂蛋白及其受体表达均上调，线粒体融合蛋白及其受体表达均下降，说明骨关节炎病变时，线粒体分裂在软骨细胞中占据优势。线粒体过度分裂导致线粒体分解代谢加剧，线粒体碎片化。当线粒体稳态遭破坏，活性氧产生增加，灭活不足，细胞内氧化应激增强，导致mtDNA的复制错误加重及修复不及[16]。若不能通过线粒体自噬恢复线粒体稳态，动力学失衡则进一步引发功能障碍，活性氧持续囤积直接破坏软骨细胞 [27]。此外，线粒体稳态破坏不仅降低软骨细胞Ⅱ型胶原分泌，软骨细胞外基质降解[28]，还增加关节对机械应力的敏感性[29]。
3.2 线粒体动力学失衡对软骨退变的影响线粒体动力学稳态对于维持线粒体完整性和功能至关重要，线粒体通过持续融合与分裂以维持数量和形态的动态稳定，从而影响细胞ATP供应和能量代谢[30]。
3.2.1 线粒体分裂及其相关蛋白对软骨退变的影响线粒体分裂是指线粒体裂变为2个较小的子代线粒体。DRP1是线粒体分裂的关键蛋白，主要存在于细胞质中，当细胞处于缺血、缺氧等应激条件下DRP1被激活，通过受体蛋白被招募至线粒体外膜，组装成环状结构，促使线粒体缢缩与分裂[31]。
许多研究表明，过度的线粒体分裂及异常自噬会导致线粒体功能障碍[32]。在炎症因子刺激下，DRP1活性增加，导致线粒体间断变小、形态向球形变化，线粒体网络变得更加碎片化[8]。DRP1的持续激活不仅引发自噬，线粒体自噬体累积产生的外泌体还会激发炎症相关因子的表达，进而激活坏死性凋亡信号通路，加剧细胞损伤[33]。
此次研究通过对比人体正常与病变软骨组织以及大鼠膝骨关节炎模型，发现病变组中DRP1与FIS1蛋白及其mRNA表达显著升高。大鼠模型中也观察到类似趋势：模型组软骨DRP1蛋白及其mRNA表达上升，与既往研究相符[10，34-35]。这些结果一致表明，膝骨关节炎软骨中存在线粒体分裂增多、能量供应障碍与细胞功能紊乱的病理特征。另一方面，DRP1及其受体FIS1的表达上调，提示分裂活动增强，导致线粒体片段化、分布异常，使其更易发生膜电位丧失与促凋亡因子释放的风险。值得注意的是，有研究报道称中等强度机械应力或富血小板血浆治疗可通过调节DRP1与Mfn1表达改善线粒体动力学、抑制软骨细胞凋亡[36-37]。
近年来，DRP1磷酸化修饰在多学科研究中被广泛关注，然而很少研究探究DRP1磷酸化在骨关节炎发展中的生理及病理机制[38]。已有研究证实，TBK1介导的Ser637位点的磷酸化可抑制DRP1的分裂活性并阻止其片段化功能，进而影响细胞存活与自噬过程[27]；而Ser616位点的磷酸化可促进DRP1的激活和易位到线粒体[39]。因此通过调控DRP 1磷酸化可能是逆转软骨退化、改善骨关节炎进程的潜在治疗策略。
FIS1是一种位于线粒体外膜的关键蛋白，通过抑制融合蛋白(如Mfn2和OPA1)或是直接与DRP1相互作用，促进线粒体分裂、防止线粒体融合，从而参与维持线粒体质量控制。此次研究发现，在终末期膝骨关节炎患者的关节软骨中，FIS1蛋白及其mRNA表达均升高。然而，亦有研究报道在骨关节炎病理过程中FIS1存在表达耗竭，并通过减少过氧化物酶体、改变miRNA谱系，进而导致溶酶体失活和自噬抑制，最终软骨细胞趋向凋亡[40]。此外，毛星刚[41]研究发现在胶质母细胞瘤干细胞中，FIS1在缺氧条件下可经Sentrin特异性蛋白酶(SENPs)介导的去小泛素样修饰而被激活，进而促进线粒体自噬，维持内环境稳定，发挥保护细胞作用。目前针对FIS1在骨关节炎中的研究仍较为有限，因此，未来有必要进一步系统探讨FIS1在膝骨关节炎不同发展阶段(早、中、晚期)及不同软骨区域中的表达变化及上下游调控机制，以揭示其与软骨退化的具体作用。
3.2.2 线粒体融合及其相关蛋白对软骨退变的影响线粒体的融合是指线粒体通过整合受损细胞器的成分来调节细胞凋亡和钙信号来控制压力和能量需求。在分子机制上，线粒体融合主要由3个关键蛋白调控：位于外膜的Mfn1与Mfn2以及位于内膜的OPA1。Mfn1、Mfn2通过介导线粒体外膜对接与融合，OPA1则负责内膜融合及嵴的结构维持，三者协同保障线粒体内容物交换与功能协调以确保最佳线粒体活性。
OPA1的表达下调不仅引起线粒体碎片化、嵴的结构异常，还影响耗氧速率与氧化代谢效率，加剧能量危机[42]。此次研究结果显示，OPA1在人体病变软骨及大鼠模型组中表达降低，线粒体ATP水平、mtDNA含量均下降。结合既往研究，OPA1的表达下降引起线粒体形态变小、嵴的结构破坏，影响能量输出。OPA1的缺失虽然会增强氧化代谢而显著增加ATP生成，但OPA1表达下调同时会导致细胞耗氧量增加[43-44]。因此，细胞的总体ATP水平呈下降趋势。此外，OPA1表达下调可干扰多细胞器间的相互作用(如内质网-线粒体接触)，影响自噬与细胞内稳态，进一步加速软骨退变进程[43]。亦有研究证实，OPA1 缺失可引起的代谢失衡与骨的退变[35]。因此，OPA1与能量供应、衰老、软骨的退变均相关。
Mfn2通过介导线粒体-内质网偶联，在缓解内质网应激与维持线粒体钙稳态中发挥关键作用，从而有助于延缓软骨细胞衰老；相反，软骨细胞中Mfn2表达的缺失会引起线粒体功能障碍与软骨基质代谢紊乱，加速软骨的退变进程[44]。然而，Mfn2在骨关节炎中的作用机制较为复杂，部分研究观察到其在病变过程中表达水平升高，且过表达Mfn2可能通过加剧炎症反应与异常自噬，诱导细胞凋亡与代谢紊乱，从而促进骨关节炎进展[45-46]。Mfn2与线粒体能量代谢密切相关，Mfn2敲除后线粒体利用脂肪酸作为底物氧化产能的能力受损[47]，但敲低Mfn2后能逆转糖酵解水平的下降并减少活性氧的生成，进而延缓骨关节炎的病理进程[48]。
综上，此次研究通过对人体正常软骨组织和病变软骨组织、健康大鼠和膝骨关节炎动物模型的软骨组织进行线粒体动力学分析，探讨线粒体动力学、能量供应及软骨退变的关系。研究结果表明，病变软骨组织和膝骨关节炎动物模型软骨组织的线粒体融合蛋白表达水平显著降低，线粒体分裂蛋白表达水平显著升高，对应了更低的能量供应和更重的软骨损伤。由此发现软骨细胞的线粒体动力学失衡与软骨细胞内能量不足、软骨损伤程度呈正相关。
此次研究初步揭示了线粒体动力学稳态失衡与膝骨关节炎软骨退变之间的密切关联，但仍存在以下局限：①缺乏对骨关节炎发展过程中线粒体动力学变化的检测，临床样本、动物实验未进行从早期代偿到晚期失代偿的连续观察，难以判断线粒体动力学失衡是骨关节炎的驱动因素还是继发结果；②人体病变软骨组织均取自膝关节置换术的终末期患者，样本来源与数量存在一定局限，可能影响统计结果的稳健性；③该研究并未在体外细胞水平进行论证。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

线粒体动力学失衡与骨关节炎软骨退变的关联分析

Association between mitochondrial dynamics imbalance and cartilage degeneration in osteoarthritis

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