作者：朱瑤 北京積水潭醫院

骨關節炎（OA）是一種與年齡相關的疾病，其特征是關節軟骨退化，是世界范圍內疼痛和殘疾的主要原因。1絲氨酸/蘇氨酸激酶Akt由激活磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）的細胞外信號激活，而磷脂磷酸酶PTEN通過抑制PI3K的活性來負調節Akt的活性。2 PTEN調制的PI3K/Akt信號因其在生理學和疾病中的中心作用而被廣泛研究，特別是在癌癥中，它已成為一個有吸引力的藥理靶點。3廣泛的研究揭示了軟骨內骨化過程中PTEN/Akt途徑在軟骨細胞中的作用。Akt1缺失導致延遲鈣化，而胚胎軟骨細胞中的Akt激活促進軟骨細胞增殖并抑制肥大分化。然而，Akt信號在維持關節軟骨穩態和OA發展中的體內功能在很大程度上尚不明確。許多基于體外實驗的研究報告了關于Akt信號在軟骨穩態中的功能的相互矛盾的結果。PI3K/Akt信號已被證明通過調節軟骨細胞存活、增殖和細胞外基質合成發揮軟骨保護作用。相比之下，一些研究報告了PI3K/Akt途徑對OA的有害影響，這可能通過傳遞促分解代謝刺激或抑制關節軟骨細胞自噬來實現。然而，關節軟骨細胞中PTEN/Akt信號傳導的破壞與OA發病機制之間的因果關系尚不清楚。
衰老被認為是OA流行的主要風險因素。盡管衰老軟骨細胞通常存在于OA軟骨組織中，但直到最近，衰老細胞在OA發病機制中的致病作用才在體內得到證實。然而，對調節關節軟骨細胞衰老的機制知之甚少。過多的活性氧（ROS）已被證明是細胞衰老的誘導劑。在OA軟骨細胞中，ROS誘導的氧化損傷被認為是細胞衰老的主要原因，軟骨細胞增殖、存活和細胞外基質（ECM）合成能力降低以及基質降解酶產量增加都表明了這一點。胰島素/IGF-1/PI3K/Akt/叉頭盒O（FOXO）信號傳導是調節活性氧生成和細胞衰老的主要途徑。 FoxO轉錄因子通過支持氧化應激抵抗發揮軟骨保護作用。然而，在體內OA發病過程中，Akt信號是否起到軟骨保護通路的作用或執行增殖反應，目前尚不清楚。
在目前的研究中，我們采用了一系列小鼠模型來研究Akt信號在OA發展中的功能和相關機制。我們提供了體內遺傳學證據，證明PTEN抑制Akt信號是維持關節軟骨所必需的，這是通過抑制氧化應激誘導的軟骨細胞衰老來實現的。這些發現將為人類OA的生理病理機制和相關藥理靶點提供新的見解。
越來越多的證據表明，細胞衰老在與衰老相關的OA發展中起著重要作用。解開軟骨細胞衰老的觸發機制是理解OA發病機制的關鍵。在此，我們提供了體內遺傳學證據，證明PTEN抑制Akt信號是維持關節軟骨穩態所必需的。關節軟骨細胞中PTEN的丟失通過氧化應激誘導的衰老導致持續的Akt信號和OA。
盡管許多研究支持Akt信號的軟骨保護作用，但我們發現，在體內，Akt持續信號可能會破壞關節軟骨的完整性。在軟骨修復過程中，Akt可以對各種刺激作出反應，同時傳遞促合成代謝和促合成代謝信號。 Akt信號也可能采用不同的下游效應器來執行看似相反的功能。例如，mTOR支持軟骨發育和維護期間的蛋白質合成和細胞外基質生成，而抑制mTOR至少部分通過支持自噬來保護軟骨免受實驗性OA。在本研究中，我們發現人類OA樣本和小鼠OA模型在OA進展期間表現出Akt的強烈和持續激活。我們進一步證明，關節軟骨細胞中PTEN的構成性或誘導性敲除導致OA的發生，提供了第一個體內遺傳證據，證明延長Akt信號本身足以啟動OA，并建議內在Akt信息應適當平衡以維持軟骨完整性。
我們的研究揭示了持續Akt信號的早衰功能，它阻礙了關節軟骨的完整性。轉基因小鼠中p16Ink4a陽性衰老細胞的靶向清除證實了它們對與年齡相關的病理和功能障礙的貢獻。衰老軟骨細胞在創傷后骨性關節炎發病機制中的因果作用也采用了類似的策略。有人認為Akt在癌細胞和衰老秀麗隱桿線蟲中具有衰老作用。在目前的研究中，我們發現PTEN缺乏的關節軟骨細胞表現出高水平的衰老誘導劑p16Ink4a和p53、衰老相關的β-半乳糖苷酶活性和典型的SASP特征，揭示了誘導關節軟骨細胞衰老的機制。我們進一步表明，Akt1基因敲除可顯著挽救PTEN缺陷小鼠的OA表型，表明藥物抑制Akt信號可能是治療OA的一種可行的治療策略。
我們表明，關節軟骨細胞中持續激活的Akt信號通過氧化應激誘導的衰老導致OA。先前的體外研究表明，氧化應激加速軟骨細胞衰老與OA軟骨細胞Akt信號改變之間存在相關性。在本研究中，PTENfl/fl關節軟骨細胞表現出較高的p-mTOR和p-FoxO1/3a水平，同時氧化應激和衰老加劇，表明氧化應激在PTEN缺乏小鼠OA中起著因果作用。一貫地，系統應用抗氧化劑NAC可有效緩解關節軟骨細胞氧化應激誘導的細胞衰老和SASP，并在很大程度上減輕PTENfl/fl小鼠的OA表型。這些發現表明，激活的Akt信號誘導的氧化應激導致軟骨細胞衰老和OA，表明抗氧化劑是治療OA的潛在治療策略。為了支持這種可能性，最近的臨床前研究表明，NAC可以有效抑制氧化損傷并預防創傷后OA.