基于力学刺激下的软骨代谢与分子转变优化骨关节炎运动疗法的软骨保护机制研究

Mechanical load plays an important role in cartilage degeneration and repair in pathophysiological process of osteoarthritis. Exercise therapy that aims to correct the abnormal load on cartilage is a promising conservative treatment for osteoarthritis. Physiological mechanical load is crucial for cartilage to maintain function, while abnormal load induces imbalanced cartilage extracellular matrixhomeostasis. The proper level of load on cartilage during exercise and underlying molecular mechanisms of its protective effect remain largely unknown. As shown by our previous studies, Wnt signaling pathway regulates cartilage differenciation and matrix aggregation in articular chondrocytes, which is aslo modelated by mechanical stimulation modulates. We therefore hypothesized the effect of exercise therapy was mediated by the interplay between load and Wnt signaling pathway. In the present study, we will establish the in-vitro tensile strain model and an experimental rat osteoarthritis model of destabilized medial meniscus, and apply different levels of mechanical load. Expression of Wnt signaling components, chondrocytes proliferation and apoptosis, extracellular matrix synthesis and inflammatory related signalings will be analyzed. Finally, the findings will demonstrate the interaction and molecular mechanisms between Wnt signaling pathway and mechanical load in the process of exercise, and the possibility of optimizing exercise as safe and effective strategies for clinical management of osteoarthritis.

力学刺激是骨关节炎软骨损伤与修复的重要影响因素。生理水平的力学刺激对软骨功能的维持至关重要，但异常应力则破坏其稳态。大量研究证实以模拟关节软骨正常周期性力学刺激的运动疗法是一项最具前景的骨关节炎保守治疗技术。如何在运动中保持适当强度、频度和周期的力学刺激及运动治疗对软骨保护作用的分子机制尚未明确。我们前期研究发现，Wnt信号通路参与软骨分化和基质聚集，而力学刺激也对软骨代谢、功能产生影响。鉴于此，我们拟构建力学刺激下的软骨细胞体外培养模型与运动干预下的小鼠膝骨关节炎模型，通过检测Wnt和其他与力学刺激紧密相关的信号通路关键靶基因表达、软骨细胞增殖与基质合成及炎性相关信号活化水平等，探索参与软骨力学刺激反应并在其代谢及分子转变中扮演重要角色的Wnt信号通路的功用，明确力学刺激通过调控Wnt信号通路的转录激活而对软骨功能产生的影响与分子机制，为进一步探索优化运动疗法的软骨保护作用提供依据。

运动治疗膝关节骨关节炎（Osteoarthritis，OA）是近年的研究热点，并且Wnt/β-catenin信号通路对于维持软骨的稳态具有重要的调节作用，但具体的功能目前充满争议，前人的研究显示Wnt/β-catenin信号通路不仅参与了OA的发生发展，而且也在力学刺激对软骨细胞和正常关节软骨的作用中发挥了重要的调控作用。在本项目研究进展中，我们发现中强度运动的参数对于延缓OA进展最为有效，并且Wnt/β-catenin信号通路参与了力学刺激对OA关节的作用，我们通过跑步机的方式对OA造模大鼠关节施加力学刺激，并在大鼠关节腔内分别注射了Wnt/β-catenin信号通路的激活剂和抑制剂来干预Wnt/β-catenin信号通路，之后我们对不同干预组大鼠的步态进行了分析，用micro-CT表征不同干预组大鼠的软骨下骨变化，用HE、番红染色大体评估不同干预组关节软骨的变化，用免疫组化染色评估不同干预组关节炎相关蛋白的表达以及表征了大鼠代谢组分的变化，通过这些手段我们发现力学刺激对OA的影响与Wnt/β-catenin经典信号通路的活性之间存在微妙的平衡，这与以往单方面增强或抑制某个信号通路会产生截然相反的生活学效应是不同的。我们通过优化OA运动疗法的参数，阐明了运动剂量与OA之间的量效关系，证明了长期OA运动疗法的有效性，揭示了Wnt/β-catenin信号通路如何参与力学刺激对OA的作用，为后续OA治疗提供理论支持。