IRS2/FOXO1轴通过调控软骨细胞自噬和线粒体功能缓解骨关节炎的机制研究

　　本研究聚焦骨关节炎（OA）这一缺乏有效治疗手段的关节疾病，揭示了胰岛素受体底物2（IRS2）在OA软骨中表达显著下调的现象。研究人员通过体内外实验证实，IRS2过表达可通过激活PI3K/AKT信号通路促进FOXO1磷酸化，进而恢复软骨细胞自噬流和线粒体功能，最终改善关节软骨退变。该研究为OA治疗提供了新的靶点策略，发表于《Molecular Medicine》期刊。

　　

在全球范围内，骨关节炎（Osteoarthritis, OA）影响着超过2.4亿人的健康，是一种导致持续性疼痛和功能丧失的慢性关节疾病。随着人口老龄化加剧，OA已成为重大的公共卫生问题，特别是在新冠肺炎（COVID-19）大流行之后，其对医疗系统和社会经济造成的负担更加凸显。OA的典型病理特征包括关节软骨破坏、骨重塑、骨赘形成以及滑液异常等，然而其发病机制尚未完全阐明。目前认为遗传、年龄、创伤和代谢异常等因素共同促进了OA的发生发展。值得注意的是，2型糖尿病（T2DM）患者表现出更高的OA患病风险，但连接这两种疾病的分子桥梁仍有待揭示。

在这项发表于《Molecular Medicine》的研究中，秦超仁等人将目光投向了胰岛素信号通路中的关键适配蛋白——胰岛素受体底物2（IRS2）。既往研究已知IRS2在细胞存活、增殖和代谢中发挥重要作用，其表达降低与胰岛素抵抗密切相关。然而，IRS2在OA中的作用却是一片未知的领域。通过生物信息学分析多个OA相关数据集（GSE178557、GSE169077等），研究人员发现IRS2是OA软骨中下调最显著的差异表达基因之一，且其涉及的通路正是PI3K/AKT信号通路。这促使他们提出科学假设：IRS2可能通过PI3K/AKT/FOXO1轴调控软骨细胞自噬和线粒体稳态，从而影响OA进程。

为了验证这一假设，研究团队综合运用了多种关键技术方法：从接受膝关节置换术的OA患者获取临床软骨样本；利用内侧半月板失稳（DMM）手术构建小鼠OA模型；通过腺病毒载体（Ad-Irs2）在原代小鼠软骨细胞和ATDC5细胞系中过表达IRS2；采用组织学染色（HE、番红O固绿）、免疫组化/免疫荧光、Western blot、qPCR等技术评估软骨表型、蛋白表达和信号通路变化；通过微CT扫描分析软骨下骨结构；并应用流式细胞术、EDU染色、CCK-8等方法检测细胞凋亡、增殖与活性氧（ROS）水平。

IRS2在OA软骨中表达降低且与PI3K/AKT通路抑制相关

通过对人类OA软骨数据集的分析，研究发现IRS2表达在OA患者中显著下调。在人类和小鼠OA软骨样本中，免疫组化染色进一步证实IRS2蛋白水平降低，同时伴随基质金属蛋白酶13（MMP13）升高和聚集蛋白聚糖（ACAN）减少。在白细胞介素1β（IL-1β）刺激的软骨细胞中，IRS2在转录和蛋白水平均显著降低，表明IRS2表达减少与OA病理密切相关。

IRS2过表达恢复IL-1β诱导的软骨细胞功能障碍

通过腺病毒介导的IRS2过表达，研究发现IRS2能够逆转IL-1β引起的软骨细胞外基质代谢失衡：上调COL2A1和ACAN表达，降低MMP13水平。EDU和CCK-8实验表明IRS2过表达增强了软骨细胞增殖能力，流式细胞术检测显示其显著降低了IL-1β诱导的细胞凋亡率。

IRS2过表达恢复OA软骨细胞自噬水平

研究发现在IL-1β刺激下，软骨细胞自噬相关基因（Beclin-1、ATG7和LC3-II）表达降低，而自噬底物P62积累。IRS2过表达可逆转这些变化，增加自噬流活性。免疫荧光显示IRS2恢复了自噬相关蛋白的点状结构形成。线粒体膜电位检测表明，IRS2改善了IL-1β引起的线粒体碎片化和膜电位下降。

IRS2通过调控FOXO1磷酸化调节软骨细胞自噬和氧化应激

在人和小鼠OA软骨中，FOXO1总蛋白水平无显著变化，但其磷酸化（p-FOXO1）水平显著降低。体外实验表明，IRS2过表达可通过PI3K/AKT通路恢复FOXO1磷酸化，而AKT抑制剂处理则阻断这一效应。FOXO1敲除实验证实，缺少FOXO1时，IRS2无法恢复自噬活性。免疫荧光显示IRS2过表达减少了FOXO1的核转位，同时降低了IL-1β诱导的ROS水平升高。

p-FOXO1通过结合ATG7调控软骨细胞线粒体自噬

研究发现，随着TBHP（叔丁基过氧化氢）浓度增加，FOXO1逐渐向细胞核转移。免疫共沉淀实验表明，磷酸化FOXO1（p-FOXO1）与自噬关键蛋白ATG7存在相互作用，而AKT激活剂SC79可增强这种相互作用，促进线粒体自噬。同时，SC79处理提高了细胞内谷胱甘肽（GSH）和超氧化物歧化酶（SOD）水平，改善了线粒体形态。

关节内注射Ad-Irs2改善DMM诱导的小鼠OA

体内实验表明，关节内注射表达Irs2的腺病毒可显著增加软骨细胞中IRS2表达。组织学分析显示，Ad-Irs2治疗组小鼠关节软骨损伤明显减轻，番红O染色显示基质蛋白聚糖丢失得到恢复。免疫组化显示p-FOXO1、COL2A1和ACAN蛋白水平上调，MMP13表达下降。微CT分析证实Ad-Irs2注射减少了骨赘形成和软骨下骨硬化，改善了关节面光滑度。

本研究系统揭示了IRS2/FOXO1轴在OA发病机制中的关键作用。在正常软骨细胞中，IRS2激活PI3K/AKT信号通路，促使FOXO1磷酸化并出核，胞浆中的p-FOXO1与ATG7相互作用启动自噬，维持细胞稳态。而在OA情况下，IRS2表达下降导致这一通路抑制，FOXO1磷酸化减少，自噬功能受损，有害代谢物积累，最终加剧软骨退变。

该研究的创新之处在于发现了IRS2/FOXO1信号轴通过调控软骨细胞自噬和线粒体功能影响OA进程的新机制，特别是揭示了p-FOXO1以不依赖于乙酰化的方式与ATG7相互作用调控自噬的分子途径。这些发现不仅为理解代谢性疾病（如T2DM）与OA之间的关联提供了分子基础，也为开发针对IRS2/FOXO1轴的OA治疗策略提供了重要理论依据。尽管研究存在一定的局限性（如未能完全排除FOXO1其他翻译后修饰的参与，以及缺乏T2DM诱导的OA模型），但其结果无疑为OA的靶向治疗开辟了新的方向。未来研究可进一步探索IRS2/FOXO1信号在长期OA进展中的保护作用，以及其在代谢相关性OA中的具体应用价值。