膝关节脂肪组织：从其在骨关节炎中的作用到其在组织工程中的潜在角色

膝关节骨关节炎（OA）长期以来被认为是一种软骨疾病。然而，现在已明确，软骨缺陷只是OA最终的表现特征之一。许多研究调查了OA发病和进展的机制，认识到髌下脂肪垫（IFP）不仅是OA的重要参与者，还可能是具有再生潜力的软骨干细胞来源。这真的如此吗？需要谨慎对待。

目前，膝关节被广泛认为是一个复杂而动态的器官，其中各组成结构（如软骨、骨骼、滑膜、半月板、脂肪垫）之间的平衡或失衡对话在维持关节健康或驱动OA进展中起着关键作用。因此，软骨损伤伴随可能形成的骨赘只是OA的最终特征，导致疼痛、残疾和生活质量下降。年龄、性别、肥胖和既往关节损伤是膝关节OA的风险因素，尽管它是老年人群中最常见的疾病，但其发病机制仍不清楚。随着这些易感因素的增加，OA的发病率也随之上升；三分之一的65岁以上人群，尤其是女性，受到OA的影响。此外，肥胖不仅增加了负重和非负重关节的OA风险，还使个体患症状性OA的风险比体重指数（BMI）低于25的人群高一倍。

根据流行病学研究，肥胖与OA之间的联系不能仅用额外体重引起的机械负荷来解释。肥胖加上衰老，极大地增加了慢性低度炎症（炎症老化），进而促进了OA的发展。目前，越来越多的关注集中在脂肪组织的内分泌活动与OA发病/进展的关系上。除了内脏和皮下脂肪组织的系统性作用外，局部脂肪组织在OA中的促炎作用也不容忽视。

膝关节内有多种脂肪组织，它们与邻近组织相互作用，可能影响关节稳态。这些包括髌下脂肪垫（IFP）、髌上脂肪垫（SFP）和其他小脂肪垫，如后膝脂肪垫和后髌上脂肪垫。为了确定与OA相关的因素，IFP组织被认为是与膝关节疾病最密切相关的。它不仅仅是一个具有缓冲功能的被动旁观者，而是一个能够影响关节稳态的活跃参与者。

结构上，IFP由直径平均为1.15±0.11毫米的白色纤维脂肪小叶组成，这些小叶由薄的结缔组织间隔（0.22±0.034毫米）分隔。解剖位置上，IFP位于髌骨下极上方，髌腱前方，胫骨前部和半月板前角下方，股骨髁和髁间窝后方。在其后方，IFP与滑膜膜（SM）相邻；这种紧密的接触使得这两种组织难以分离，表明存在解剖连续性，并导致了解剖-功能单位（AFU）的概念。影像学、组织病理学和分子生物学证据支持AFU的存在。有趣的是，尽管与衰老相关的病理生理变化，AFU在启动和维持OA的发病和进展中起着重要作用，同时也是OA相关膝关节疼痛的目标。

OA直接影响IFP的形态结构特征。我们首次证明，OA-IFP在组织学、病理学和免疫组化数据（包括定量逆转录-聚合酶链反应（qRT-PCR））方面与非OA-IFP（对照）有显著差异。通常，OA-IFP表现出显著更高的血管化、更厚的叶间隔、淋巴细胞浸润（对照中不存在）、较小的脂肪小叶，以及显著更高比例的白介素（IL）-6和单核细胞趋化蛋白-1（MCP-1）阳性圆形细胞和/或冠状结构。此外，在OA患者中观察到神经纤维增加。这些结构改变与组织生物力学的变化有关，进一步加剧了关节损伤和炎症。

关于SM，OA负责亚滑膜和滑膜衬里细胞层增厚。Emmi等人研究表明，非OA SM具有典型的衬里层外观（一层至三层衬里细胞），而在OA中则是增生的，有多层细胞（OA内膜厚度，33.60±3.8微米）。聚焦于SM区域，CD68+巨噬细胞在IFP和SM的血管周围中等存在，但在SM的亚衬里层和衬里层中更为突出，这是OA-AFU的显著特征。Li等人指出，SM和IFP在AFU中整合，在OA进展过程中发生协调变化。

Piezo通道（Piezo1和Piezo2）是机械激活的蛋白质，可以感知压缩和张力载荷，从而传递机械信号，包括有害的机械刺激。有趣的是，Piezo通道介导高应变超生理加载，这是OA的高风险因素；此外，它们的表达在炎症中增加并增强。比较OA-AFU与非OA-AFU，Emmi等人首次展示了它们在AFU内的分布模式：Piezo1在OA-IFP血管（仅在非OA AFU中轻微存在）和OA-SM血管（未在非OA AFU中检测到）中表现出中等表达。考虑到Piezo1对流动诱导剪切应力的敏感性，可以推测其在血管重塑中的作用，进而表明AFU的可塑性；此外，Piezo1高/过度表达与微环境僵硬有关，暗示其与OA相关纤维化的关联。关于Piezo2，在OA-SM血管（未在非OA AFU中检测到）中表达中等，在OA-IFP区（在非OA AFU中轻微）表达强烈。Piezo2在触觉、本体感觉和疼痛的感觉传导中起作用；此外，它们在内皮细胞中作为机械传导器，有助于内皮相关疼痛的刺激依赖性痛觉过敏。显然，了解Piezo1/2受体在病变或健康AFU中的存在和分布对于开发有效的OA疼痛管理治疗至关重要。

目前，如果保守策略无法成功管理膝关节OA，可以考虑部分或全部移除IFP和SM以缓解疼痛并减少滑液中的促炎标志物（例如MCP1）。在此背景下，从废弃组织中分离出感兴趣的细胞群（即脂肪组织衍生干细胞），并在重新植入病变目标组织（例如软骨）后获得治疗优势，将是非常有益的。此外，由于IFP干细胞靠近膝关节，它们在软骨再生方面可能比其他间充质干细胞具有更好的潜力。然而，我们的经验表明，在考虑将OA患者的IFP作为高质量干细胞来源用于再生目的时需要谨慎。

与OA共存并促使其发展的条件（如年龄、肥胖、高血压、2型糖尿病）构建了一个慢性应激临床环境，表现为氧化应激介质（如活性氧）的增加。在膝关节中，这种环境影响IFP组织，导致一种被称为脂肪病的器官功能障碍，给其细胞成分带来压力，包括OA-IFP干细胞。正如Stocco等人所述，从接受全膝关节置换术的OA患者（n=9；中位年龄=74岁；中位体重指数=29.4公斤/平方米）中分离出的IFP干细胞表现出特定特征，表明它们被炎症环境“预处理”。这些干细胞具有独特的免疫表型（CD73+/CD39+/CD90+/CD105+/CD44-/+/CD45-），与高干细胞性（STAT3，NOTCH1，c-Myc，OCT-4，KLF4和NANOG）/自我更新潜能相关，并对微环境刺激作出响应，如CD44、CD105、VEGFR2、FGFR2、IL1R和IL6R的检测所示。此外，HLA-DR/CD34/Fas/FasL的存在表明了一种因炎症引起的表型重编程，若机械刺激失衡/过载，可转变为适应性纤维化重编程（见COL1A1基因高表达水平）。此外，cortactin/CTTN基因的显著表达表明OA-IFP干细胞的分化可能受机械传导调节。相反，CD38/NADase低表达（通常在OA中上调）意味着OA-IFP干细胞无法对抗NAD+介导的OA炎症，导致细胞应激（高calreticulin基因表达）。尽管OA-IFP干细胞表现出抗炎特征（如CD39+/CD73+），但体外研究表明，它们在控制OA免疫反应方面的能力较弱。总体而言，CD34的表达表明OA-IFP干细胞来源于脂肪组织或血管内皮区室；而缺乏周细胞标志物PDGFRb排除了其来自血管壁龛的可能性。

人们正在努力寻找有效的OA相关软骨损伤治疗方案。然而，使用源自IFP的细胞时需谨慎，以避免再生出质量差且功能无效的组织，与天然透明软骨相比。了解膝关节环境中各种细胞（包括软骨细胞、滑膜细胞、成纤维细胞、类成纤维滑膜细胞、成骨细胞、破骨细胞、脂肪细胞和免疫细胞）之间的对话对于优化治疗策略至关重要。这一对话的一个特别有趣的方面是小细胞外囊泡（sEVs），也称为外泌体的作用。外泌体通过传递影响局部微环境并调节软骨行为的生物活性分子，成为细胞间通信的新途径。具体来说，外泌体的货物，包括非编码RNA和蛋白质，在OA的进展中起着根本性作用。由炎症细胞（如巨噬细胞）释放的外泌体携带促炎细胞因子，可以改变软骨细胞和滑膜细胞的行为，导致软骨降解和疼痛。此外，软骨细胞本身可以释放含有基质金属蛋白酶（MMPs）或其他炎症介质的外泌体，促进细胞外基质分解，加速软骨退化。来自滑膜细胞的外泌体也可以影响软骨细胞的活动，具体取决于其分子含量，或促进或抑制软骨修复。此外，外泌体影响成骨细胞和破骨细胞，通过携带促进骨硬化或吸收的信号影响软骨下骨重塑，这是OA进展的两个关键特征。最后，功能研究表明，IFP衍生的外泌体显著促进软骨细胞的细胞外基质分解，触发衰老并加剧实验性OA在小鼠中的进展。

外泌体在OA病理的多个方面发挥积极作用，包括炎症、软骨退化、关节内的细胞间通信、组织修复和骨重塑。实验证据突显了外泌体作为监测OA的生物标志物和治疗干预靶点的潜力，为开发更有效的OA治疗方法提供了有希望的方向。

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