鸢尾素抑制人关节软骨细胞中铁死亡的作用及其机制

doi:10.12307/2026.568

中国组织工程研究 ›› 2026, Vol. 30 ›› Issue (6): 1359-1367.doi: 10.12307/2026.568

• 软骨组织构建 cartilage tissue construction • 上一篇下一篇

鸢尾素抑制人关节软骨细胞中铁死亡的作用及其机制

吕国庆，艾孜麦提江·肉孜，熊道海

新疆医科大学第五附属医院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830000

收稿日期:2024-11-21 接受日期:2025-01-14 出版日期:2026-02-28 发布日期:2025-07-14
通讯作者: 熊道海，硕士，主任医师，新疆医科大学第五附属医院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830000
作者简介:吕国庆，女，1976年生，汉族，硕士，副主任医师，主要从事肌骨疼痛康复及危重症康复的基础研究。
基金资助:
新疆维吾尔自治区自然科学基金项目(2022D01C313)，项目负责人：吕国庆

Irisin inhibits ferroptosis in human articular chondrocytes: roles and mechanisms

Lyu Guoqing, Aizimaitijiang·Rouzi, Xiong Daohai

The Fifth Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830000, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China

Received:2024-11-21 Accepted:2025-01-14 Online:2026-02-28 Published:2025-07-14
Contact: Xiong Haidao, MS, Chief physician, The Fifth Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830000, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
About author:Lyu Guoqing, MS, Associate chief physician, The Fifth Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830000, Xinjiang Uygur Autonomous Region, China
Supported by:
the Natural Science Foundation of Xinjiang Uygur Autonomous Region, No. 2022D01C313 (to LGQ)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
细胞程序性死亡：是一种受基因调控的主动性细胞死亡形式，包括细胞凋亡、铁死亡、自噬性死亡、坏死性凋亡等。它通过特定信号通路和分子机制维持组织稳态，清除受损或异常细胞，是开发治疗策略的重要研究方向。
铁死亡(Ferroptosis)：是一种依赖铁离子代谢失调的程序性细胞死亡形式，其特征是细胞内铁过载导致脂质过氧化的积累，进而引发细胞膜不可逆损伤，在多种疾病如癌症、神经退行性疾病和骨关节炎中发挥关键作用，是研究新型治疗靶点的重要方向。

背景：研究表明，鸢尾素能够通过调控软骨细胞的代谢稳态、抑制炎症反应和氧化应激而减缓关节退化。
目的：进一步探讨鸢尾素在骨关节炎中的治疗作用机制。
方法：①生物信息分析：收集GSE51588和GSE207881数据集中骨关节炎和健康对照软骨组织的基因表达数据。通过基因集变异分析(GSVA)评估程序性细胞死亡在骨关节炎中的活化情况。利用差异表达分析鉴定骨关节炎与对照之间的差异表达基因，并分析相关信号通路。进一步筛选出差异表达的铁死亡相关基因，并通过受试者工作特征(ROC)曲线计算曲线下面积(AUC)值，将AUC> 0.9的基因视为核心基因。②细胞实验：将人关节软骨细胞分为4组：对照组(软骨细胞)、模型组(用肿瘤坏死因子α处理软骨细胞建立炎症模型)、模型+Erastin(铁死亡诱导剂)组、模型+Erastin+鸢尾素组。采用ELISA检测软骨细胞谷胱甘肽、丙二醛及活性氧水平；JC-1试剂盒检测线粒体膜电位变化；RT-qPCR检测核心基因及铁死亡相关蛋白的mRNA表达；Western blot检测核心基因、铁死亡相关蛋白、ERK信号通路及凋亡蛋白的蛋白表达。
结果与结论：①基因集变异分析显示铁死亡在骨关节炎中显著激活。②差异表达分析表明，骨关节炎和健康对照之间的差异基因显著富集于Erk信号通路，进一步鉴定出16个差异表达的铁死亡相关基因，其中HMOX1、G6PD和ALOX5的AUC值均> 0.9。③在人关节软骨细胞模型+Erastin组中，谷胱甘肽和线粒体膜电位显著降低，丙二醛和活性氧水平显著升高；HMOX1、G6PD、ALOX5、谷胱甘肽过氧化物酶4和SLC7A11的表达显著降低；p-ERK和Bax的表达显著升高，而Bcl2的表达显著降低(均P < 0.05)；鸢尾素处理后，铁死亡相关指标显著改善(均P < 0.05)。④结论：HMOX1、G6PD、ALOX5等基因可能是骨关节炎潜在的治疗靶点，鸢尾素通过调控铁死亡相关基因及信号通路，对骨关节炎具有保护作用。

https://orcid.org/0009-0001-0786-2768(吕国庆)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

关键词: 骨关节炎, 鸢尾素, 铁死亡, 治疗靶点, 核心基因, 生物信息分析, 信号通路

Abstract: BACKGROUND: Studies have shown that irisin can delay joint degeneration by modulating the metabolic homeostasis of chondrocytes and inhibiting inflammatory responses and oxidative stress.
OBJECTIVE: To further explore the mechanism by which irisin exerts therapeutic effects on osteoarthritis.
METHODS: (1) Bioinformatics analysis: Gene expression data from cartilage tissues of patients with osteoarthritis and healthy controls were obtained from the GSE51588 and GSE207881 datasets. Gene set variation analysis assessed the activation of programmed cell death in osteoarthritis. Differential expression analysis identified differentially expressed genes between osteoarthritis and control samples, followed by pathway enrichment analysis. Ferroptosis-related differentially expressed genes were further identified, with those having an area under the receiver operating characteristic curve greater than 0.9 designated as core genes. (2) Cell experiment. Human articular chondrocytes were divided into four groups: control (chondrocytes), model (inflammatory models were established in chondrocytes induced by tumor necrosis factor α), model+Erastin (a ferroptosis inducer), and model+Erastin+irisin. ELISA measured glutathione, malondialdehyde and reactive oxygen species levels, while JC-1 assays assessed mitochondrial membrane potential. RT-qPCR quantified mRNA levels of core and ferroptosis-related genes, and western blot analyzed the expression of core genes, ferroptosis-related proteins, ERK pathway components, and apoptotic proteins.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Gene set variation analysis indicated significant ferroptosis activation in osteoarthritis. (2) Differential expression analysis highlighted significant enrichment of differentially expressed genes in the ERK signaling pathway. Sixteen ferroptosis-related differentially expressed genes including HMOX1, G6PD, and ALOX5, were identified, all with the area under the curve values above 0.9. (3) In the human articular chondrocytes model+Erastin group, glutathione levels and mitochondrial membrane potential decreased significantly, while malondialdehyde and reactive oxygen species levels increased. The expression of HMOX1, G6PD, ALOX5, glutathione peroxidase 4, and SLC7A11 was significantly downregulated, while p-ERK and Bax levels rose, and Bcl2 decreased (all P < 0.05). Irisin treatment significantly improved ferroptosis-related markers (all P < 0.05). To conclude, HMOX1, G6PD, and ALOX5 may be potential therapeutic targets of osteoarthritis. Irisin offers protective effects in osteoarthritis by modulating ferroptosis-related genes and pathways.

Key words: osteoarthritis, irisin, ferroptosis, therapeutic target, core gene, bioinformatics analysis, signaling pathway

中图分类号:

吕国庆, 艾孜麦提江·肉孜, 熊道海. 鸢尾素抑制人关节软骨细胞中铁死亡的作用及其机制[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(6): 1359-1367.

Lyu Guoqing, Aizimaitijiang·Rouzi, Xiong Daohai. Irisin inhibits ferroptosis in human articular chondrocytes: roles and mechanisms[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2026, 30(6): 1359-1367.

图/表（结果） 8

2.1 铁死亡及其他程序性细胞死亡形式在骨关节炎与对照组间的差异对比在骨关节炎软骨组织中，不同类型的程序性细胞死亡形式表现出差异化的表达模式。GSE51588数据集中，与健康对照组相比，细胞凋亡和铁死亡在骨关节炎组中显著激活(P < 0.001)；在GSE207881数据集中，除细胞凋亡和铁死亡外，自噬、坏死性凋亡和细胞焦亡也表现出显著上调(P < 0.001)，见图1。
2.2 骨关节炎差异基因及富集分析在GSE51588数据集中，共鉴定到567个显著上调基因和523个显著下调基因(图2A)，而在GSE207881数据集中，显著上调基因为409个，下调基因为3 395个(图2B)。进一步通过韦恩图分析(图2C)，共发现1 762个基因在两个数据集中同时存在，而与铁死亡相关的差异基因中，有16个基因(PGD、ALOX5、HMOX1、G6PD、GCLC、DPP4、SLC3A2、ACSL1、CS、ACACA、TF、HSPB1、ACSL5、VDAC3、ACO1、BACH1)在GSE51588、GSE207881和铁死亡相关基因中均有交集，提示这些基因可能与骨关节炎中的铁死亡机制密切相关。信号通路富集分析(图2D)显示，差异基因显著富集于Erk信号通路、焦亡、坏死性凋亡及铁死亡等程序性细胞死亡相关通路，这表明这些信号通路可能在骨关节炎的发病机制中起到重要作用。
2.3 骨关节炎诊断标志物的ROC曲线分析与核心基因识别结果显示，ALOX5、HMOX1和G6PD的AUC值分别为0.968，0.956和0.927，显示出较高的诊断效能，提示这些基因可能作为区分骨关节炎患者与健康个体的核心诊断标志物，见图3。
2.4 MTT检测结果结果显示，肿瘤坏死因子α的最佳剂量为20 ng/mL，Erastin的最佳剂量为10 μmol/L，鸢尾素的最佳剂量为100 ng/mL，见图4。后续实验各组按照上述最佳剂量进行。
2.5 软骨细胞谷胱甘肽、丙二醛和活性氧水平 ELISA法检测结果表明，在人关节软骨细胞的炎症模型中，Erastin处理显著降低了抗氧化物谷胱甘肽的水平，并显著增加了氧化应激标志物丙二醛和活性氧的水平(P < 0.001)。然而，加入鸢尾素后，谷胱甘肽水平显著回升，丙二醛和活性氧的水平显著降低，表明鸢尾素具有显著的抗氧化作用，能够有效缓解Erastin诱导的氧化应激反应，详见图5。
2.6 线粒体膜电位变化 JC-1检测结果显示，与对照组相比，模型组的线粒体膜电位显著下降，表现为绿色荧光(低膜电位)的增加和红色荧光(高膜电位)的减少。Erastin处理进一步降低了线粒体膜电位，显示出显著的绿色荧光。而在Erastin+鸢尾素组中，红色荧光部分恢复，说明鸢尾素能够显著改善Erastin诱导的线粒体功能障碍，恢复线粒体膜电位，详见图6。
2.7 软骨细胞核心基因及铁死亡相关蛋白的mRNA表达 RT-qPCR检测结果表明，在骨关节炎炎症模型中，HMOX1、G6PD、ALOX5、谷胱甘肽过氧化物酶4和SLC7A11的mRNA表达水平均显著下调(均P <

0.05)，Erastin处理进一步降低了这些基因的表达，表明铁死亡相关基因在炎症和Erastin诱导的铁死亡条件下表达受到抑制。然而，鸢尾素处理显著恢复了这些基因的表达水平，使其接近对照组的状态，详见图7。
2.8 软骨细胞核心基因、铁死亡相关蛋白、ERK信号通路及凋亡蛋白的蛋白表达 Western blot结果表明，在骨关节炎炎症模型中，铁死亡相关蛋白HMOX1、

G6PD、ALOX5、谷胱甘肽过氧化物酶4和SLC7A11的表达显著下调，Erastin处理进一步加重了这些蛋白的下调(P 均< 0.05)。而鸢尾素的处理显著恢复了这些蛋白的表达水平，接近对照组，表明鸢尾素能够抑制铁死亡相关蛋白的下调。此外，p-ERK1/ERK2的磷酸化水平在Erastin处理下显著升高，而鸢尾素能够显著降低其活化水平(P均< 0.05)，提示鸢尾素通过调节ERK信号通路的活性抑制了铁死亡。凋亡相关蛋白Bax的表达在模型组中显著升高，而Bcl2的表达显著下降，鸢尾素处理恢复了Bax和Bcl2的正常表达，详见图8。

参考文献

[1] HU S, LI Y, ZHANG X, et al. Increasing burden of osteoarthritis in China: trends and projections from the Global Burden of Disease Study 2019. Med Sci Monit. 2024;30:e942626.
[2] HOLYOAK DT, TIAN YF, VAN DER MEULEN MC, et al. Osteoarthritis: Pathology, Mouse Models, and Nanoparticle Injectable Systems for Targeted Treatment. Ann Biomed Eng. 2016;44(6):2062-2075.
[3] EKMAN B, NERO H, LOHMANDER LS, et al. Costing analysis of a digital first-line treatment platform for patients with knee and hip osteoarthritis in Sweden. Plos one.2020;15(8):e0236342.
[4] XU Y, YANG Z, DAI T, et al. Characteristics and time points to inhibit ferroptosis in human osteoarthritis. Sci Rep. 2023;13(1):21592.
[5] CHANG S, TANG M, ZHANG B, et al. Ferroptosis in inflammatory arthritis: a promising future. Front Immunol. 2022;13:955069.
[6] HU Y, WANG Y, LIU S, et al. The Potential Roles of Ferroptosis in Pathophysiology and Treatment of Musculoskeletal Diseases-Opportunities, Challenges, and Perspectives. J Clin Med. 2023; 12(6):2125.
[7] ZHAO R, CHEN Y, WANG D, et al. Role of irisin in bone diseases. Front Endocrinol (Lausanne). 2023;14:1212892.
[8] ROGGIO F, PETRIGNA L, TROVATO B, et al. The role of lubricin, irisin and exercise in the prevention and treatment of osteoarthritis. Int J Mol Sci. 2023;24(6):5126.
[9] AL-HETTY HRAK, ABDULAMEER SJ, ALGHAZALI MW, et al. The role of ferroptosis in the pathogenesis of osteoarthritis. J Membr Biol. 2023;256(3):223-228.
[10] YAO X, SUN K, YU S, et al. Chondrocyte ferroptosis contribute to the progression of osteoarthritis. J Orthop Translat. 2020;27:33-43.
[11] GUO Z, LIN J, SUN K, et al. Deferoxamine alleviates osteoarthritis by inhibiting chondrocyte ferroptosis and activating the Nrf2 pathway.Front Pharmacol. 2022;13:791376.
[12] ZHANG S, XU J, SI H, et al. The role played by ferroptosis in osteoarthritis: evidence based on iron dyshomeostasis and lipid peroxidation. Antioxidants (Basel). 2022;11(9):1668.
[13] LIU Y, ZHANG Z, FANG Y, et al. Ferroptosis in osteoarthritis: current understanding. J Inflamm Res. 2024;17:8471-8486.
[14] TAO L, WANG J, WANG K, et al. Exerkine FNDC5/irisin‐enriched exosomes promote proliferation and inhibit ferroptosis of osteoblasts through interaction with Caveolin‐1. Aging Cell. 2024;23(8):e14181.
[15] ASKARI H, RAJANI SF, POOREBRAHIM M, et al. A glance at the therapeutic potential of irisin against diseases involving inflammation, oxidative stress, and apoptosis: an introductory review. Pharmacol Res. 2018;129:44-55.
[16] TIAN L, LIU Q, WANG X, et al. Fighting ferroptosis: Protective effects of dexmedetomidine on vital organ injuries. Life Sci. 2024;354:122949.
[17] RAYEGO-MATEOS S, MARQUEZ-EXPOSITO L, BASANTES P, et al. CCN2 activates RIPK3, NLRP3 inflammasome, and NRF2/oxidative pathways linked to kidney inflammation. Antioxidants (Basel). 2023;12(8):1541.
[18] KONG K, YANG Y, CHANG Y, et al. A Ubiquitin‐Competitive Strategy Based on the Element Microenvironment to Treat Osteoarthritis. Adv Funct Mater. 2024;34(51):2409707.
[19] HAN J, ZHAN L, HUANG Y, et al. Moderate mechanical stress suppresses chondrocyte ferroptosis in osteoarthritis by regulating NF-κB p65/GPX4 signaling pathway. Sci Rep. 2024;14(1):5078.
[20] LI X, ZHU X, WU H, et al. Roles and mechanisms of irisin in attenuating pathological features of osteoarthritis. Front Cell Dev Biol. 2021;9: 703670.
[21] JIA S, YANG Y, BAI Y, et al. Mechanical stimulation protects against chondrocyte pyroptosis through irisin-induced suppression of PI3K/Akt/NF-κB signal pathway in osteoarthritis. Front Cell Dev Biol. 2022; 10:797855.
[22] LI X, LIU Y, LIU Q, et al. Recombinant human irisin regulated collagen II, matrix metalloproteinase‑13 and the Wnt/β‑catenin and NF‑κB signaling pathways in interleukin‑1β‑induced human SW1353 cells. Exp Ther Med. 2020;19(4):2879-2886.
[23] JIA S, YU Z, BAI L. Exerkines and osteoarthritis. Front Physiol. 2023;14: 1302769.
[24] POSA F, ZERLOTIN R, ARIANO A, et al. Irisin role in chondrocyte 3D culture differentiation and its possible applications. Pharmaceutics. 2023;15(2):585.
[25] LIU Y, HOU M, PAN Z, et al. Arctiin-reinforced antioxidant microcarrier antagonizes osteoarthritis progression. J Nanobiotechnology. 2022; 20(1):303.
[26] AMIRKHIZI F, HAMEDI-SHAHRAKI S, RAHIMLOU M. Dietary total antioxidant capacity is associated with lower disease severity and inflammatory and oxidative stress biomarkers in patients with knee osteoarthritis. J Health Popul Nutr. 2023;42(1):104.
[27] NING K, WANG Z, ZHANG X. Exercise-induced modulation of myokine irisin in bone and cartilage tissue—Positive effects on osteoarthritis: A narrative review. Front Aging Neurosci. 2022;14:934406.
[28] ROGGIO F, PETRIGNA L, TROVATO B, et al. The role of lubricin, irisin and exercise in the prevention and treatment of osteoarthritis. Int J Mol Sci. 2023;24(6):5126.
[29] LV J, ZHANG H, CHEN N. Exercise Mimetic Pills for Chronic Diseases Based on Autophagy. Exercise, Autophagy and Chronic Diseases. 2021: 247-260.
[30] GUBERT C, HANNAN A J. Exercise mimetics: harnessing the therapeutic effects of physical activity. Nat Rev Drug Discov. 2021;20(11):862-879.

引言

骨关节炎是全球范围内最常见的退行性关节疾病，主要影响老年人群。根据全球疾病负担研究数据，骨关节炎的患病率在过去几十年显著上升，预计未来20年内这一趋势还将继续增加。这一疾病给全球医疗系统带来了巨大的经济负担，尤其是在人口老龄化加速的国家，骨关节炎已成为导致残疾的主要原因之一[1]。在骨关节炎的病理过程中，软骨的退化和关节结构的破坏是主要的致病机制[2]。然而，目前尚无有效的治疗方法可以阻止或逆转骨关节炎的进展。现有的治疗方案主要集中在缓解疼痛和炎症，包括非类固醇类抗炎药、关节注射和关节置换手术等，尽管这些治疗方法在短期内可以缓解症状，但它们并不能解决关节软骨的进一步退化问题[3]。因此，寻找能够延缓或阻止骨关节炎进展的创新治疗手段成为当前研究的重点。
铁死亡(ferroptosis)是一种铁依赖性的细胞死亡形式，其特征是由于铁离子过载导致脂质过氧化累积和细胞膜的不可逆损伤[4]。在骨关节炎中，铁死亡被认为是软骨细胞损伤和退化的重要机制之一。研究表明，铁死亡的激活与谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)的抑制密切相关，这种抑制会加剧细胞内脂质过氧化，最终导致软骨细胞的死亡和关节退化[5]。此外，铁死亡在骨关节炎早期阶段的激活更为显著，这表明它可能在疾病的初始阶段中发挥关键作用，抑制铁死亡有望成为缓解早期骨关节炎症状的潜在治疗手段[6]。
近年来，鸢尾素作为一种由运动诱导分泌的肌肉因子，显示出潜在治疗骨关节炎的能力。鸢尾素在骨骼和关节组织中的调节作用使它成为抗骨关节炎治疗的新靶点。研究表明，鸢尾素能够通过调控软骨细胞代谢稳态、抑制炎症反应和氧化应激减缓关节退化[7]。此外，鸢尾素还可以通过调节基质金属蛋白酶的表达，促进软骨细胞外基质的合成，从而延缓软骨的降解[8]。这些发现表明，鸢尾素具有强大的抗炎和保护软骨的作用，值得进一步研究它在骨关节炎治疗中的应用。
此次研究旨在通过体内外实验，系统探讨鸢尾素在调控铁死亡及其相关信号通路中对骨关节炎的治疗作用，并验证鸢尾素在减缓铁死亡进程中的潜在应用价值。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

材料方法

1.1 设计生物信息学分析，细胞学实验，采用盲法评估。
1.2 时间及地点实验于2024年1-10月在新疆医科大学第五附属医院完成。
1.3 数据收集及预处理从Gene Expression Omnibus (GEO)基因表达数据库(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/)中下载骨关节炎和健康对照软骨组织的基因表达数据，数据集编号为GSE51588和GSE207881。GSE51588数据集中包含40例骨关节炎患者和10例健康对照的关节软骨组织样本，GSE207881数据集包含63例骨关节炎患者和6例健康对照的关节软骨组织样本。数据经R语言的limma包进行标准化处理，并采用log2转换。
1.4 方法
1.4.1 生物信息学数据分析使用基因集变异分析(gene set variation analysis，GSVA)方法评估序性细胞死亡相关基因集在不同样本间的活性差异。程序性细胞死亡相关的基因集包括细胞凋亡、细胞焦性、铁死亡、自噬、坏死性凋亡、铜死亡，基因集来源于京都基因与基因组百科全书(Kyoto
Encyclopedia of Genes and Genomes，KEGG)数据库。GSVA计算每个样本中不同基因集的活化评分，分析程序性细胞死亡相关基因集在骨关节炎与健康对照中的差异表达水平。
利用limma包对骨关节炎患者组与健康对照组的基因表达进行差异分析。采用Benjamini-Hochberg方法校正多重检验，得到|logFC| > 1且P < 0.05的差异表达基因，并利用limma包绘制火山图。差异基因通过KEGG(https://www.kegg.jp/kegg/pathway.html)富集分析鉴定相关信号通路，进一步筛选出差异表达的铁死亡相关基因，利用limma包绘制韦恩图；并通过R语言中的pROC包绘制受试者工作特征(receiver operating characteristic，ROC)曲线和曲线下面积(area under the curve，AUC)，计算AUC值，将AUC > 0.9的基因视为核心基因。
1.4.2 细胞培养及筛选最佳处理剂量使用人关节软骨细胞(HACs，购自武汉普诺赛生命科技有限公司)作为体外实验模型，在含有体积分数10%胎牛血清和1%青霉素/链霉素的DMEM培养基中培养，置于37 ℃、体积分数5% CO₂的恒温培养箱内维持细胞的生长状态。实验分为4组：对照组(未处理的正常人关节软骨细胞)、模型组[15，20，25 ng/mL肿瘤坏死因子α(MedChemExpress)处理24 h以建立炎症模型]、模型+Erastin组[在模型组的基础上加入0.5，10，12.5 μmol/L铁死亡诱导剂Erastin(MedChemExpress)处理24 h]以及模型+Erastin+鸢尾素组[在模型+Erastin组基础上加入25，50，100 ng/mL鸢尾素(Sigma)处理24 h]。细胞以1×104 L-1的细胞浓度接种于6孔板中，每孔接种2 mL。MTT检测确定各组最佳处理剂量。处理结束后，收集细胞用于后续的生化和分子生物学检测。
1.4.3 MTT实验处理24 h后，将6孔板中的细胞用胰酶消化并收集。将细胞悬液转移至96孔板中，每孔加入100 µL细胞悬液，置于37 ℃、体积分数5% CO₂的培养箱中培养4 h。每孔加入10 µL MTT溶液，继续置于37 ℃、体积分数5% CO₂的培养箱中孵育6，12，24，36 h。每孔加入100 µL 二甲基亚砜。使用酶标仪在570 nm波长下测定每孔的吸光度(A)值。细胞抑制率(%)=(1-实验组A值 / 对照组A值)× 100%。
1.4.4 实时定量PCR(Real-time quantitative PCR，

RT-qPCR)实验使用TRIzol试剂(Invitrogen)裂解细胞提取总RNA。使用反转录试剂盒将总RNA反转录为cDNA。采用SYBR Green PCR试剂盒(Invitrogen)进行实时定量PCR扩增反应，反应体系总量为20 μL，包括2 μL cDNA模板、10 μL 2×SYBR Green混合液、0.4 μL上下游引物(10 μmol/L)及7.6 μL无核酸酶水。PCR反应程序为：95 ℃预变性2 min；95 ℃变性10 s，60 ℃退火30 s，72 ℃延伸30 s，共40个循环。使用2-ΔΔCt法计算目标基因的相对表达量，内参基因为GAPDH。引物序列见表1。

1.4.5 Western Blot实验使用RIPA裂解液(含蛋白酶抑制剂)提取各组细胞的总蛋白，并通过BCA蛋白定量试剂盒(碧云天)对蛋白浓度进行定量。等量的蛋白样品(30 μg)经12% SDS-PAGE凝胶电泳分离后，转移至PVDF膜上，使用5%脱脂奶粉在室温下封闭1 h。随后，膜片与一抗(HMOX1、G6PD、ALOX5、谷胱甘肽过氧化物酶4、SLC7A11、p-ERK、Bax、Bcl2、β-actin，稀释比例均为1∶1 000，爱博泰克)孵育过夜。次日，用TBST洗膜后，孵育HRP标记的二抗(1∶2 000稀释，爱博泰克)，室温下孵育1 h。使用ECL化学发光法显影，并在凝胶成像系统中曝光。通过Image J软件对条带的灰度值进行分析，并以β-actin作为内参计算蛋白的相对表达量。
1.4.6 线粒体膜电位检测采用JC-1试剂盒(碧云天)检测各组人关节软骨细胞的线粒体膜电位。首先，处理后的细胞用PBS洗涤2次，并用新鲜培养基重悬细胞。根据试剂盒说明，加入JC-1染料工作液，37 ℃孵育20 min。孵育结束后弃去染料液，用PBS洗涤细胞3次。然后，使用荧光显微镜观察细胞的红色荧光(高膜电位)和绿色荧光(低膜电位)的比值，分析各组细胞的线粒体膜电位变化。
1.4.7 ELISA实验收集各组细胞的上清液，按照ELISA试剂盒(Biosharp)的说明书进行处理。将样品加入预包被抗体的ELISA板中，孵育指定时间后洗板，加入酶标二抗继续孵育。再次洗板后，加入显色底物(TMB)并孵育，最后加入终止液。在450 nm波长下使用酶标仪读取吸光度值，计算各组的谷胱甘肽(glutathione，GSH)、丙二醛及活性氧的水平。
1.5 主要观察指标 ①铁死亡及其他程序性细胞死亡形式在骨关节炎与对照组间的差异对比；②骨关节炎差异基因及富集分析；③骨关节炎诊断标志物的ROC曲线分析与核心基因识别；④软骨细胞谷胱甘肽、丙二醛和活性氧水平；⑤软骨细胞线粒体膜电位变化；⑥软骨细胞核心基因及铁死亡相关蛋白的mRNA表达；⑦软骨细胞核心基因、铁死亡相关蛋白、ERK信号通路及凋亡蛋白的蛋白表达。
1.6 统计学分析使用Graphpad Prism 9.3.0进行数据统计分析。至少3次独立实验的数据表示为x±s。使用t检验和单因素方差分析(One-Way ANOVA)进行比较分析。P < 0.05认为组间差异有显著性意义。文章的统计学方法已经由新疆医科大学第五附属医院统计学专家审核无误。

讨论

此次研究系统性地探讨了鸢尾素在骨关节炎中的作用机制，特别是它对铁死亡的调控效应。骨关节炎的病理过程中，铁死亡的激活已被证明是导致软骨细胞功能失调和关节退化的关键因素[9-13]。通过一系列体内外实验，研究发现鸢尾素能够通过上调抗氧化基因(如谷胱甘肽过氧化物酶4、HMOX1等)抑制氧化应激[14-15]，从而显著改善软骨细胞的存活率和功能[16-18]。实验数据表明，鸢尾素对Erastin诱导的铁死亡有明显的抑制作用，这种保护作用可能通过调控ERK信号通路及抑制细胞凋亡来实现。此外，研究还表明，铁死亡的激活在早期骨关节炎中尤为明显，而鸢尾素的干预能够有效减缓铁死亡相关病理过程，从而为骨关节炎的治疗提供了新的靶点。
鸢尾素在骨关节炎中的保护作用已经得到广泛的研究和验证。鸢尾素是一种由运动诱导分泌的肌肉因子，它通过多种细胞和分子机制对骨关节炎的进展产生有益影响。研究表明，鸢尾素能够通过抑制炎症反应、改善软骨细胞代谢状态以及促进软骨生成等途径减缓骨关节炎的病理进程[19]。具体而言，鸢尾素通过调控PI3K/Akt/NF-κB信号通路，抑制NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3(NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3，NLRP3)炎性小体和caspase-1的活性，从而减少软骨细胞焦亡，这种机制显著改善了软骨组织的健康状况[20]。此外，鸢尾素还能够通过Wnt/β-catenin和核因子κB信号通路，逆转白细胞介素1β引起的Ⅱ型胶原和基质金属蛋白酶13的表达异常，进一步保护软骨细胞[21]。另有研究指出，鸢尾素不仅在软骨细胞中发挥作用，还能影响滑膜细胞和间充质干细胞，从而在骨关节炎的系统性治疗中具有潜在应用价值[22]。因此，鸢尾素作为一种“运动模拟药物”具有广泛的治疗潜力，尤其对于那些无法进行常规运动的骨关节炎患者而言，可能提供一种新的治疗途径[23]。
鸢尾素的抗氧化和抗凋亡作用在骨关节炎的治疗中具有重要意义。氧化应激是骨关节炎进展的关键因素之一，过量的自由基生成会导致脂质过氧化，进而损害软骨细胞和关节结构。鸢尾素能够通过减少氧化应激，显著降低脂质过氧化产物(如丙二醛)的生成，并提高抗氧化酶(如谷胱甘肽)的水平，从而减轻氧化损伤[24]。此外，鸢尾素还能抑制氧化应激诱导的细胞凋亡，特别是通过上调抗凋亡蛋白Bcl-2的表达并下调促凋亡蛋白Bax的水平，恢复线粒体膜电位，进而抑制铁死亡的发生[25]。这些研究表明，鸢尾素通过调控氧化应激和凋亡途径，在保护软骨细胞方面具有显著的治疗潜力。此外，鸢尾素还能够促进软骨细胞外基质的合成，进一步增强了其在抗关节退化中的作用[24]。
鸢尾素的临床意义体现在对骨密度和软骨稳态的积极调节作用，这为通过运动干预来对抗骨关节炎提供了重要的机制见解。研究表明，鸢尾素不仅能够通过调节软骨基质代谢和抑制炎症反应延缓骨关节炎的进展，还能在维持软骨组织的完整性中发挥关键作用[26]。作为一种由运动诱导分泌的肌肉因子，鸢尾素被称为“运动激素”，它在骨关节健康中的作用可能为未来骨关节炎的治疗提供了新的治疗策略，尤其是对于那些因身体原因无法进行常规运动的患者[27-28]。此外，鸢尾素的发现和应用为开发运动模拟药物提供了理论基础[29-30]，未来的研究可以进一步评估鸢尾素在临床环境中的长期疗效和安全性，特别是与其他抗炎药物或再生医学手段的联合应用，可能在骨关节炎的综合治疗中发挥协同作用。
此次研究虽然揭示了鸢尾素在调控铁死亡及骨关节炎治疗中的潜在作用，但存在局限性：包括实验模型主要依赖体外和动物实验，可能无法完全反映临床复杂性；治疗剂量和长期效果缺乏充分评估；与现有治疗方案的协同作用尚未探讨；以及缺乏大规模临床试验验证其安全性和有效性，这些因素限制了研究结果的临床转化和广泛应用。
综上所述，此次研究揭示了鸢尾素通过调控铁死亡、抗氧化应激和抑制细胞凋亡等机制在骨关节炎治疗中的潜在作用，鸢尾素不仅能够恢复软骨细胞的代谢平衡，减轻炎症反应，还展示了改善线粒体功能和调节ERK信号通路的能力。这些发现为未来骨关节炎的个性化治疗提供了新的思路。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

鸢尾素抑制人关节软骨细胞中铁死亡的作用及其机制

Irisin inhibits ferroptosis in human articular chondrocytes: roles and mechanisms

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表（结果） 8

参考文献

相关文章 15

引言

材料方法

讨论

文章快阅

延伸阅读

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	王正业, 刘万林, 赵振群. miRNA在激素诱导股骨头坏死机制中的研究进展[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(5): 1207-1214.
[2]	邹荣基, 喻芳芳, 王茂林, 贾卓鹏 . 雷公藤内酯酮抑制铁死亡改善大脑动脉闭塞/再灌注模型大鼠脑缺血再灌注损伤[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(4): 873-881.
[3]	杨肖, 白月辉, 赵甜甜, 王东昊, 赵琛, 袁硕. 颞下颌关节骨关节炎软骨退变：机制及再生的挑战[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(4): 926-935.
[4]	许凡萍, 李勤椿, 唐冬芳. 不同嵌合抗原受体T细胞相关靶点治疗B细胞血液恶性肿瘤：长期随访数据综述[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(1): 248-259.
[5]	尹路, 蒋川锋, 陈俊杰, 易明, 王子赫, 石厚银, 汪国友, 沈骅睿. 沙苑子苷A对关节软骨细胞凋亡的影响[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(8): 1541-1547.
[6]	赵楠楠, 李彦杰, 秦合伟, 朱博超, 丁慧敏, 徐振华. 通脉开窍丸治疗血管性痴呆模型大鼠海马区神经元的铁死亡变化[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(7): 1401-1407.
[7]	王咪, 马书杰, 刘杨, 齐瑞. 缺血性脑卒中铁死亡特征基因NFE2L2的鉴定与验证[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(7): 1466-1474.
[8]	赵瑞华, 陈思娴, 郭杨, 石磊, 吴承杰, 吴毛, 杨光露, 张昊恒, 马勇. 温肾通督方促进小鼠脊髓损伤的修复[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(6): 1118-1126.
[9]	高洋, 秦合伟, 刘丹丹. ACSL4介导铁死亡及在动脉粥样硬化性心血管病中的潜在作用[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(6): 1239-1247.
[10]	朗么磋, 张义林, 汪莉. miR-338-3p靶向核因子κB受体活化因子配体影响牙槽骨成骨细胞增殖及凋亡[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(5): 899-907.
[11]	徐田杰, 樊佳欣, 郭小玲, 贾祥, 赵兴旺, 刘凯楠, 王茜. 二甲双胍抑制PI3K/AKT/mTOR信号通路保护骨关节炎模型大鼠关节软骨[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(5): 1003-1012.
[12]	王琛, 张伟男, 沈冀宁, 刘璠, 袁即山, 刘雅克. 铁死亡抑制剂通过活性氧途径对钴纳米颗粒毒性的抑制作用[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(34): 7310-7317.
[13]	谌超, 胡耀全, 吕正品, 何其聪, 杨阳子久, 罗皓严, 吴贵帅, 左乾林, 王学楠, 张帆. 叔丁基氢过氧化物可诱导髓核细胞发生铁死亡[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(32): 6858-6865.
[14]	潘玉, 赵刃峰, 李兴平, 张成栋, 匙峰, 蒲超, 罗栩伟, 肖东琴. 铁过载诱导成骨前体细胞铁死亡并抑制成骨分化[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(30): 6381-6390.
[15]	樊佳欣, 贾祥, 徐田杰, 刘凯楠, 郭小玲, 张辉, 王茜. 二甲双胍抑制铁死亡改善骨关节炎模型大鼠的软骨损伤[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(30): 6398-6408.