基于MRI UTE成像研究腺苷对前交叉韧带重建后关节软骨及半月板变性的影响及机制

Anterior cruciate ligament (ACL) injury leading to the degeneration of knee cartilage and meniscus. The widespread reconstruction surgery is difficult to fully correct the abnormal biomechanical condition of knee, nearly 50% of postoperative patients continue developing into osteoarthritis. however, the mechanisms of metabolic molecule underlying have remained largely unexplored. In our previous study, the concentration of adenosine in synovial fluid associates with the change in MRI UTE-T2* value of cartilage and meniscus after ACL reconstruction. To further investigate this relationship between imaging findings and adenosine, we will make rabbit ACL reconstruction models and chondrocyte model to elucidate the biological function of adenosine for chondrocytes at abnormal mechanical environment and its mechanism, and then try intra-articular infusion of adenosine regularly to evaluate the improvement in meniscus and cartilage degeneration associating imaging changes after ACL reconstruction. Our study will shed light on the molecular mechanism of cartilage and meniscus degeneration after reconstruction and expand the application of adenosine to the treatment of cartilage and meniscus.

前交叉韧带（anterior cruciate ligament, ACL）损伤会导致关节软骨和半月板的变性，普遍采用的ACL重建术难以完全纠正膝关节异常受力，术后仍有50%的患者进展为骨性关节炎，目前对该种进行性病变的代谢分子机制仍知之甚少。腺苷是一种重要的小分子代谢产物，不仅参与机体的能量供应，还能发挥抑制炎症和促进组织修复的功能。我们前期研究发现，ACL损伤后膝关节液中腺苷含量与关节软骨及半月板变性相对应的MRI UTE-T2*值改变存在相关性。本研究将建立兔ACL重建模型和异常受力软骨细胞模型，阐述腺苷对异常力学环境下软骨细胞生物学功能的影响及其机制，并在关节腔内定期输注腺苷，评价其改善ACL重建术后MRI UTE所检测到的关节软骨及半月板变性的效果。研究所获结果将有助于阐述ACL重建术后发生骨性关节炎的分子机制，同时促进腺苷应用于关节软骨及半月板变性的治疗。

本项目通过代谢组学和定量MRI分析了前交叉韧带断裂后关节液代谢轮廓和软骨基质生化改变。首先本研究选取18只新西兰大耳兔右侧膝关节制作ACL损伤模型，左侧作为假手术对照。在术后4周进行双侧关节液采集及定量MRI扫描。模型建立后，其中3只兔子膝关节出现感染征象，给予排除。采用T2 mapping对软骨和半月板生化改变进行监测，将膝关节软骨分为内侧股骨、胫骨，外侧股骨、胫骨4个区域，将半月板分为内侧前角、后角，外侧前角、后角，分别测量软骨及半月板各区域的T2值，结果显示模型侧软骨及半月板的T2值显著高于对照组，表明术后4周膝关节软骨及半月板发生早期软骨退变相关的生化改变。扫描结束后抽取双侧膝关节关节液，运用6530 Accurate Mass Q-TOF液相色谱／质谱对关节液样本进行检测，共得到1569种物质。后续多参数分析显示模型组与对照组膝关节液代谢轮廓存在显著差异，其中有27个差异代谢产物在模型组中显著上调，一个显著下调，且主要为脂质，提示ACL损伤后关节液中脂质成分发生显著改变。相关性分析显示，其中3种脂质（lysoPC(18:3(6Z, 9Z, 12Z)), PA(16:0/16:0) and PE(14:0/15:0)）与软骨及半月板T2值的变化存在显著相关性。其后本研究建立兔膝关节ACL损伤模型12只，对侧为假手术对照。在术前、术后4周、8周三个时间点分别进行双侧膝关节UTE-T2* mapping扫描及关节液采集，测量各软骨区域（内侧股骨、胫骨，外侧股骨、胫骨）的UTE-T2*值，UTE-T2*值显示膝关节外侧胫骨软骨在随访中较对照侧显著下降，表明ACL损伤后胫骨外侧最易发生早期软骨退变。运用超高效液相色谱质谱联用技术和多参数分析比较不同时间点关节液多类小分子代谢代谢轮廓改变。结果显示103种小分子代谢产物在三组不同时间点样本中显著改变，且主要涉及脂质及氨基酸代谢。同时进行通路分析和受试者工作特性曲线分析对关节液中可能的分子通路改变和潜在的分子标志物进行分析和筛选。进行相关性分析，筛选出与胫骨外侧软骨UTE-T2*值相关的关节液差异代谢物。结果显示25种代谢物与软骨UTE-T2*值存在显著相关性，而其中6种代谢物的受试者工作特性曲线下面积大于0.90，具有较高的敏感性和特异性，可作为软骨退变相关的潜在生物标志物。