衰老巨噬细胞通过铁死亡途径加速骨关节炎相关肌肉萎缩的机制研究

本研究揭示了骨关节炎(OA)患者关节周围肌肉萎缩的新机制。研究人员发现衰老巨噬细胞通过诱导骨骼肌细胞铁死亡(ferroptosis)促进肌肉萎缩，阐明了铁超载-线粒体损伤-天冬酰胺-mTORC1-HMGCR-辅酶Q10(CoQ10)合成障碍的信号通路，证实补充CoQ10可有效缓解肌肉萎缩和关节损伤，为OA治疗提供了新靶点。

关节周围肌肉萎缩是骨关节炎(OA)患者的常见症状，但其发生机制长期不明。传统观点认为肌肉萎缩仅是OA的伴随症状，然而越来越多的证据表明肌肉质量下降与关节症状和病理进展密切相关。这一临床难题的解决面临两大挑战：一是缺乏对OA相关肌肉萎缩病理特征的系统认识；二是其分子机制尚未阐明。

陆军军医大学大坪医院的研究团队在《Nature Aging》发表的研究成果为这一领域带来了突破性进展。研究人员通过临床观察发现，OA患者患侧股四头肌明显萎缩，肌肉力量和疼痛阈值显著降低。为深入探究其机制，团队构建了内侧半月板失稳(DMM)诱导的小鼠OA模型，结合转录组测序(RNA-seq)、单细胞RNA测序(scRNA-seq)和蛋白质组学等多组学技术，系统揭示了衰老巨噬细胞通过铁死亡途径促进OA相关肌肉萎缩的分子机制。

关键技术方法包括：建立DMM诱导的小鼠OA模型；采用流式细胞术分析肌肉基质细胞组成；通过SA-β-gal活性和p16^INK4a检测细胞衰老；利用透射电镜观察线粒体形态；采用LC-MS检测CoQ₁₀水平；构建AAV载体进行基因治疗；临床样本来自15例单侧膝OA患者和健康对照。

研究结果部分：

"Decline of muscle mass in quadriceps around OA joint"部分证实，临床OA患者和DMM模型小鼠均表现出明显的股四头肌萎缩，肌肉横截面积(CSA)减小，收缩功能受损。肌肉超声显示患者患侧股直肌(RF)和股中间肌(VI)显著萎缩，小鼠模型显示肌纤维向小型化转变。

"Chronic inflammation in quadriceps during OA"部分通过转录组分析发现，OA股四头肌持续激活炎症相关通路(PI3K-Akt、NF-κB等)，炎症因子IL-6和IL-16水平升高，组织血管化增强，呈现慢性炎症特征。

"Increase of macrophages in quadriceps around OA joints"部分通过流式细胞术证实，OA股四头肌中巨噬细胞(CD45⁺CD11b⁺F4/80⁺)显著增加，而卫星细胞和FAPs减少。双光子显微镜活体成像显示LysM-Cre;ROSA-tdTomato小鼠OA关节周围巨噬细胞浸润增加。

"Macrophages in atrophic quadriceps show senescent features"部分通过scRNA-seq发现，OA股四头肌巨噬细胞表现出衰老相关特征：SA-β-gal活性增强，p16^INK4a表达升高，DNA损伤标志物γH2AX增加，线粒体质量异常，SASP因子分泌增多。衰老巨噬细胞表现出增殖能力下降和凋亡抵抗特性。

"Senescent macrophages promote atrophy of quadriceps in OA"部分通过基因编辑和细胞移植实验证实，清除Itgam⁺巨噬细胞或特异性敲除巨噬细胞中抗凋亡基因Bcl-xl可减轻肌肉萎缩，而移植衰老巨噬细胞则加重萎缩，明确了衰老巨噬细胞的致病作用。

"Senescent macrophages induce ferroptosis in skeletal muscle"部分揭示，衰老巨噬细胞通过破坏局部铁稳态，导致骨骼肌细胞(SkMCs)铁超载，引发线粒体损伤和脂质过氧化(LPO)。透射电镜显示OA肌肉线粒体嵴减少，SDH活性降低，铁死亡抑制因子GPX4和FSP1表达下降，而ACSL4升高。体外实验证实巨噬细胞条件培养基可诱导肌管铁死亡。

"Asparagine-mTORC1-HMGCR regulates ferroptosis in SkMCs"部分阐明了分子机制：铁超载导致线粒体损伤，减少天冬酰胺代谢物，抑制mTORC1-USP20-HMGCR信号轴，进而损害CoQ_{10合成。代谢组学显示OA肌肉中天冬酰胺和CoQ10水平降低，AAV介导的HMGCR过表达可恢复CoQ10水平。}

"CoQ₁₀ increases mass of quadriceps and cartilage in OA mice"部分证实，补充CoQ₁₀可改善线粒体形态，降低LPO水平，增加肌纤维CSA，减轻软骨损伤，但对正常肌肉无影响，表明其治疗作用具有特异性。

这项研究首次系统阐明了OA相关肌肉萎缩的细胞和分子机制，创新性地提出了"衰老巨噬-铁死亡"轴在肌肉萎缩中的作用，揭示了天冬酰胺-mTORC1-HMGCR-CoQ₁₀信号通路的关键调控作用。临床转化方面，研究证实常用心血管药物CoQ₁₀可有效缓解OA肌肉萎缩和关节损伤，为临床治疗提供了即时可用的干预策略。理论意义上，该研究拓展了对巨噬细胞异质性和铁代谢在肌肉疾病中作用的认识，为肌肉衰老和退行性疾病的机制研究提供了新视角。