作者：宋洋 北京积水潭医院

在这项研究中，我们观察到软骨细胞在缺乏所有葡萄糖的培养基中培养并被半乳糖取代时，发生了关键的代谢变化。在富含葡萄糖的培养基中，对照软骨细胞表现出对ATP生成的糖酵解途径的高度依赖性，当细胞被IL1β促分解代谢激活时，这种依赖性变得更加突出。这种对糖酵解的依赖性与通过OXPHOS产生的ATP的缺乏相反。因此，在富含葡萄糖的培养基中的这些条件模拟与OA相关的线粒体功能障碍。在半乳糖替代培养基中，软骨细胞的糖酵解作用显著减少；线粒体活性产生的ATP随着线粒体整体功能的增加而增加。更重要的是，IL1β治疗后促分解代谢特征的发展，包括软骨外植体中MMP13的产生和蛋白聚糖的丢失，都被半乳糖替代培养基中的体外培养所阻断。
在本研究中，我们使用IL1β激活软骨细胞。许多研究人员通常使用IL1β诱导和模拟OA样特征，包括与OA相关的代谢变化，如NO增加，导致线粒体损伤和ROS释放，以及细胞外酶软骨损伤的激活，这是OA20的主要问题。然而，人类OA的发生更为复杂和多方面。在自然状态下，OA的发病是由于创伤、衰老、炎症以及组织损伤降解产物（称为DAMPs）的反馈作用引起的。IL1β可能不会诱发人类疾病的所有特征，但它具有高度的可重复性，并且由于它被许多研究人员使用，因此可以在研究之间进行交叉比较。在我们之前的研究中，我们对IL1β和其他常用诱导剂进行了比较，包括：；炎症细胞因子TNFα、DAMPS的三个相关实例，即纤维连接蛋白片段、HA寡糖和LPS。这些诱导物都能够激活牛或人OA软骨细胞以及软骨外植体中OA的分子标记和特征（如MMP13和软骨蛋白聚糖释放）。
众所周知，即使在有氧条件下，富含葡萄糖的培养物中的许多细胞也会适应糖酵解途径的显著使用。这使得研究线粒体和氧磷的作用变得困难。在一些细胞中，这被称为“Crabtree效应”，即糖酵解途径在有氧条件下和高外部葡萄糖浓度下的ATP生成中的使用增加，并且即使线粒体仍然存在且功能正常，对氧磷的依赖性也很小。本文的数据表明，控制软骨细胞中存在功能性线粒体，尽管~ 75%的ATP是由糖酵解生成的。为了克服这些适应性变化，研究人员使用了半乳糖替代品。半乳糖可以通过Leloir途径代谢为葡萄糖-1-磷酸，然后在修饰为葡萄糖-6-磷酸后进入糖酵解途径。然而，半乳糖到葡萄糖-6-磷酸的多步骤转化比从葡萄糖开始的转化慢，导致了促进氧化磷酸化生成ATP5的条件。半乳糖也可以通过磷酸-戊糖分流代谢为甘油醛-3-磷酸和丙酮酸，但是，该过程不产生净ATP，因此再次迫使细胞依赖线粒体对ATP26的氧化磷酸化。幸运的是，培养的细胞通常在半乳糖替代条件下生长良好，这种条件允许更准确地评估线粒体在一系列细胞活动中的作用。
为了进一步证明HAS2-OE和4MU的代谢变化在一定程度上是由于葡萄糖衍生物细胞内前体库的耗竭所致，我们检查了低剂量糖酵解途径抑制剂（如2DG2）的使用情况。与HAS2-EO和4NU一样，糖酵化抑制剂2DG可以挽救活化软骨细胞中的线粒体活性，导致OA样促分解代谢表型的下游抑制。此外，HAS2-OE1、4MU或2DG2,4能够阻断TNFα或DAMPS诱导的软骨细胞的促分解代谢特征。然而，所有这些实验都是在标准的富含葡萄糖的培养基中进行的。
最后，我们不太可能在体内复制半乳糖替代物。然而，这并不是本研究的目标。相反，这项研究表明，减少OA的促分解代谢表型可以通过针对根本原因来实现；即修复线粒体功能障碍，这可能是比阻断细胞因子或抑制基质金属蛋白酶更好的方法。即使在对照组中，人OA软骨细胞中检测不到的p-AMPK水平也可以通过半乳糖替代物恢复，从而抑制下游MMP13蛋白的生成。因此，如果在疾病早期使用，寻找更有希望的药物途径来在关节软骨细胞中产生线粒体重新激活，可能会导致更有效的治疗策略来治疗OA（或至少减少OA进展）。而且可能不需要所有线粒体的完全恢复。半乳糖替代比2DG更好地挽救了线粒体功能（2DG与HAS2-OE、4MU和DCA相匹配）。然而，半乳糖替代阻断了MMP13的增加，软骨破坏程度与2DG相似。因此，即使在很小的程度上（如2DG），迫使线粒体活化就足以挽救促分解代谢表型。