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深圳大学周光前团队揭示4-氨基联苯(4-ABP)促进软骨再生及其作用机制


    

骨关节炎(Osteoarthritis, OA)是一种常见且严重损害患者身体机能的关节疾病,其特征是软骨变性和丢失,并且由于其复杂的发病机制而缺乏积极有效的手段。近年来随着细胞和组织工程技术的发展,利用干细胞治疗骨关节炎受到广泛的关注。自身的关节固有干细胞治疗(native joint-resident stem cell-based therapy)似乎是一种有希望的替代疗法,并且新的激活内源性干细胞的化合物和因子也在不断被发现。小分子Kartogenin(KGN)通过激活干细胞分化促进OA软骨再生,但其药理作用机制仍不清楚。

 

2019年9月21日,深圳大学医学院周光前团队在Theranostics杂志上在线发表了题为“Kartogenin hydrolysis product 4-aminobiphenyl distributes to cartilage and mediates cartilage regeneration”的研究论文,证明了KGN通过其裂解产物4-氨基联苯(4-aminobiphenyl, 4-ABP)促进间充质干细胞(Mesenchymal Stem Cells, MSC)向软骨分化。4-ABP进入软骨,可通过激活PI3K-Akt通路,促进MSC和软骨干/祖细胞(CSPC)的增殖

 

KGN是一种小分子化学物质,可诱导软骨内源性MSC的分化,在体外和多种OA动物模型中保护关节软骨细胞。多项研究表明KGN可能是用作OA内源性干细胞疗法的潜在化学物质,然而,KGN本身是否能在关节内注射或全身给药后进入软骨尚不明确。

 

KGN结构中含有4-氨基联苯(4-ABP)和邻苯二甲酸(PA),通过酰胺键连接。虽然酰胺键一般是稳定的,但它的水解是一个由各种酶催化的普遍存在的过程。对其他分子的研究,如新型的有机硝酸盐RS-7897,表明酰胺键的水解比母体分子能释放更多的活性分子。因此,研究人员在CSPC、MSC或体内小鼠模型施用KGN后,研究KGN是否在酰胺键水解成4-ABP和PA,并探讨了KGN、4-ABP和PA在细胞和OA动物模型中调节作用的分子机制,4-ABP或PA是否与KGN具有相同的作用。

 

KGN的分子结构

图1. KGN的分子结构

 

首先,口服、静脉内注射或关节内施用KGN后,通过液相色谱-质谱法分析小鼠软骨中的KGN、4-ABP和PA。结果显示尽管口服或关节内施用KGN可有效地改善小鼠的OA表型,但在软骨中仅能检测到4-ABP。软骨内存在4-ABP必然对软骨再生发挥着一定的作用。

 

4-ABP促进半月板(DMM)手术诱导的骨关节炎小鼠模型的软骨修复

图2. 4-ABP促进半月板(DMM)手术诱导的骨关节炎小鼠模型的软骨修复

 

然后通过体外评估KGN、4-ABP和PA对骨髓间充质干细胞(MSC)增殖和分化为软骨的影响。此外,还在内侧半月板失稳术诱导的OA小鼠模型中检测了它们对软骨保存的影响。用OARSI组织学评分对OA严重程度进行量化。结果表明4-ABP可以体外诱导骨髓间充质干细胞增殖、向软骨细胞分化,通过增加CD44+/CD105+干细胞的数量、防止基质损失,在OA小鼠模型中促进软骨修复。而且4-ABP在增强软骨分化和MSC增殖方面强于KGN。最后通过转录分析找到了4-ABP的靶点:RPS6KA2(编码RSK-3)和PI3K-Akt通路,并通过体内体外实验对其进行了验证:4-ABP不能促进RPS6KA2敲低的MSC增殖,也不能改善RPS6KA2基因敲除小鼠(赛业生物构建)的MSC增殖和OA损伤修复,这证实了RSK-3是4-ABP关键靶点。

 

4-氨基联苯(4-ABP)激活脐血间充质干细胞PI3K-Akt通路

图3. 4-氨基联苯(4-ABP)激活脐血间充质干细胞PI3K-Akt通路

 

总之,该研究证明4-ABP在软骨中的生物分布,可以促进MSC增殖、向软骨分化,并通过激活PI3K-Akt通路来治疗骨关节炎病变。但是文章也讨论了4-ABP的毒性,必须平衡其有效性和安全性来确定最佳的4-ABP剂量和给药方案。这项研究对软骨再生的几个方面提供了新的见解,包括使用KGN进行软骨再生的有效组分和安全性问题,未来需要修改KGN或4-ABP化学结构,以避免其潜在毒性并提高其疗效。调节RSK-3功能可能是促进骨关节炎和其他关节疾病的软骨再生的有效策略。

 

原文检索:

Kartogenin hydrolysis product 4-aminobiphenyl distributes to cartilage and mediates cartilage regeneration.

DOI:10.7150/thno.38182.

 

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