エネルギー代謝の異常は変形性関節症の軟骨細胞の機能を低下させる

Dysregulated energy metabolism impairs chondrocyte function in osteoarthritis.

抄録

目的:

代謝経路は、細胞が重要な細胞プロセスを維持するために必要なエネルギーとビルディングブロックを得るために、栄養基質を取り込む一連の化学反応である。軟骨細胞の代謝の詳細や、変形性関節症が進行する過程でそれがどのように再構築されるのかは不明である。本研究では、変形性関節症の軟骨において、どのようなエネルギー代謝状態の変化が起こるかを明らかにすることを目的とする。

OBJECTIVES: Metabolic pathways are a series of chemical reactions by which cells take in nutrient substrates for energy and building blocks needed to maintain critical cellular processes. Details of chondrocyte metabolism and how it rewires during the progression of osteoarthritis (OA) are unknown. This research aims to identify what changes in the energy metabolic state occur in OA cartilage.

研究方法:

人工膝関節置換術を受けた患者から、OA軟骨と非OA軟骨の標本を採取した。軟骨を採取し、メタボロミクス、プロテオミクス、トランスクリプトミクス解析を行い、OA軟骨の代謝における全体的な変化を調べました。次に、液体クロマトグラフィー質量分析計（LC-MS）を用いて[U-C]同位体を追跡することにより、代謝経路を決定しました。さらに、酸素消費率（OCR）および細胞外酸性化率（ECAR）の測定により細胞の生体エネルギープロファイルを評価し、軟骨細胞に対する2-deoxyglucose（2DG）の低用量および短期間の影響を検討した。

METHODS: Patient matched OA and non-OA cartilage specimens were harvested from total knee replacement patients. Cartilage was first collected for metabolomics, proteomics, and transcriptomics analyses to study global alterations in OA metabolism. We then determined the metabolic routes by tracking [U-C] isotope with liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS). We further evaluated cellular bioenergetic profiles by measuring oxygen consumption rate (OCR) and extracellular acidification rate (ECAR) and investigated the effects of low-dose and short-term effects of 2-deoxyglucose (2DG) on chondrocytes.

結果:

OA軟骨細胞は、非OA軟骨細胞と比較して、基礎ECARが増加し、乳酸産生量が増加した。[U-C]グルコース標識により、トリカルボン酸（TCA）サイクルに入るグルコース由来の炭素が少ないことが判明した。一方、OA軟骨細胞では、非OA軟骨細胞と比較して、ミトコンドリア呼吸速度が著しく低下していた。これらの変化は、細胞内ATP産生の減少、ミトコンドリア膜電位の低下、ミトコンドリア形態の崩壊を伴っていた。さらに、炎症条件下で培養した軟骨細胞およびウシ軟骨移植片において、短期間の解糖抑制がマトリックス変性遺伝子の発現を抑制することをin vitroで証明した。

RESULTS: OA chondrocytes showed increased basal ECAR and more lactate production compared to non-OA chondrocytes. [U-C] glucose labelling revealed that less glucose-derived carbon entered the tricarboxylic acid (TCA) cycle. On the other hand, mitochondrial respiratory rates were markedly decreased in the OA chondrocytes compared to non-OA chondrocytes. These changes were accompanied by decreased cellular ATP production, mitochondrial membrane potential and disrupted mitochondrial morphology. We further demonstrated in vitro that short-term inhibition of glycolysis suppressed matrix degeneration gene expression in chondrocytes and bovine cartilage explants cultured under inflammatory conditions.

結論:

本研究は、関節リウマチ軟骨細胞における代謝を初めて包括的に比較解析したものであり、関節リウマチにおける代謝の治療標的化のための基礎となるものである。

CONCLUSION: This study represents the first comprehensive comparative analysis of metabolism in OA chondrocytes and lays the groundwork for therapeutic targeting of metabolism in OA.