褪黑素在维持软骨细胞表型、防治骨性关节炎中的作用及分子机制研究

Melatonin is an important promoter for development, metabolism and repair of bone and cartilage. It is supposed to have therapeutic value for osteoarthritis (OA), but the specific mechanism remained unknown. Our studies show melatonin could cure lesions of osteoarthritis by promoting anabolism and maintaining phenotype of chondrocyte. Moreover, the function of melatonin may be mediated by interaction between extracellular regulated protein kinases 1/2 (ERK1/2) and Smad2. We plan to do this research from three levels to figure out the molecular mechanism of melatonin’s therapeutical effect on OA. Firstly, we will study melatonin’s therapeutical effect of OA through maintaining phenotype of chondrocyte on rat models. Secondly, we will confirm whether melatonin could maintain the phenotype of chondrocyte by the interaction of ERK1/2 pathway and TGFβ/Smad2 pathway on cell models. Thirdly, we are going to have a look at whether there is any disorders on the pathways related to melatonin in OA patients. Through these, we can manifest the mechanism of melatonin’s effect on maitaining chondrocyte’s phenotype, providing theoretical foundation for melatonin as a candidate drug for OA and offering new explanations to the pathogenesis of OA.

褪黑素是骨软骨发生发育、生长代谢和损伤修复的促进剂，对于骨性关节炎（OA）具有一定的治疗价值，但具体的作用机制尚不明确。本课题组发现褪黑素可以促进软骨细胞合成代谢，维持软骨细胞表型，从而发挥防治OA的作用；而ERK1/2通路与TGFβ/Smad2通路的交互作用可能介导了褪黑素的这种效应。本课题拟从三个层面展开研究，以明确褪黑素维持软骨细胞表型、防治OA的分子机制。包括：①动物模型水平：阐明褪黑素通过促进OA大鼠软骨表型维持，发挥防治OA的作用；②细胞学水平：阐明褪黑素经其膜受体介导，促进ERK1/2与Smad2的相互作用，上调TGFβ/Smad2通路活性，从而维持软骨细胞表型；③临床验证：阐明膝关节OA患者中是否存在细胞学实验发现的褪黑素通路活性的异常。最终系统阐明褪黑素防治OA的分子机制，为褪黑素作为防治OA的候选药物提供必要的理论依据，并为OA发病机制的研究提供新的思路。

骨性关节炎(osteoarthritis, OA)缺乏针对病因的直接有效的治疗手段，危害巨大。褪黑素(melatonin, MLT) 是骨软骨发生发育、功能维持以及损伤修复的促进剂，是治疗OA的重要候选药物之一，但是具体作用机制仍未明确。本项目对于褪黑素作为防治OA的效应及具体分子机制进行了深入探讨，利用动物模型、细胞模型和临床样本研究发现褪黑素确实可以通过不同的分子机制促进干细胞成软骨介导软骨修复、维持软骨代谢平衡延缓软骨退变、延缓软骨下骨破坏，从而达到防治OA的效果。我们研究发现，在生理条件下，褪黑素可通过上调miR-526b-3p和miR-590-5p,下调SMAD7蛋白表达，维持BMP/SMAD通路激活，从而促进干细胞成软骨分化。而在OA炎症环境中，褪黑素能够通过抑制NF-κB信号通路维持干细胞成软骨分化及代谢平衡。基于此，我们的研究提示褪黑素在生理&病理条件下均能促进干细胞成软骨介导软骨修复。在此基础上，我们针对炎症环境对于软骨下骨破坏这一临床现象，进一步探讨了褪黑素对于骨破坏的保护作用与机制。研究发现褪黑素能够逆转TNF-α介导的成骨抑制，提示其有望起到保护软骨下骨的作用。最后，我们发现RORα-STAT3信号轴是褪黑素维持软骨代谢平衡从而防治OA的重要分子通路。本项目支持的研究主要结论如下：1. 褪黑素通过上调miR-526b-3p和miR-590-5p促进人骨髓间充质干细胞成软骨分化；2. 褪黑素通过抑制NF-κB信号通路逆转IL-1β介导的hBMSCs成软骨分化抑制；3. 褪黑素逆转TNF-α诱导的hBMSCs成骨分化抑制；4. 褪黑素通过RORα-STAT3信号轴维持软骨代谢平衡从而防治OA。至此，通过本项目的开展，我们基本阐明了褪黑素在软骨修复中的作用方式以及信号转导机制，为褪黑素作为OA的候选药物提供了必要的理论依据，还为OA发病机制的研究提供了新的思路，为新治疗靶点的寻找奠定了基础。随着本项目的顺利开展，我们将上述研究成果整理成文，截至目前共发表SCI论文7篇，总影响因子56.167。