2025年7月21日，同濟大學生命科學與技術學院、附屬東方醫院岳銳教授團隊聯合海南醫科大學鄒衛國教授團隊在國際頂級學術期刊《Cell》在線發表了題為“Procr⁺ chondroprogenitors sense mechanical stimuli to govern articular cartilage mAIntenance and regeneration”的研究論文。該研究首次發現了對力學刺激敏感的Procr⁺軟骨干細胞，并證明其不僅對關節軟骨穩態維持至關重要，而且在關節損傷后能顯著促進軟骨細胞再生，提示其有望成為治療骨性關節炎等退行性骨關節病的新一代種子細胞。

南模生物為該研究提供了M-NSG（目錄號：NM-NSG-001）小鼠。

骨關節炎（osteoarthritis，OA）是一種高發的退行性關節病，全球患者已逾2.4億，其患病率與年齡高度相關：60歲以上人群中，男性達10%，女性更高達18%。該疾病以關節間隙狹窄、軟骨磨損、軟骨下骨硬化、滑膜炎、持續疼痛、關節變形及活動障礙為主要表現，晚期可致嚴重殘疾。現有療法（如口服非甾體抗炎藥）僅能暫時緩解疼痛和炎癥，無法逆轉軟骨破壞，但嚴重病例可能需要進行全關節置換手術。

基質相關自體軟骨細胞植入術（matrix-associated autologous chondrocyte implantation，MACI）是一種利用患者自體軟骨細胞培養修復軟骨缺損的治療方法，目前已獲美國食品藥品監督管理局批準，可用于修復18~55歲患者的孤立性關節軟骨損傷。然而，自體軟骨細胞增殖能力有限，導致MACI術后康復周期延長且可修復區域受到限制。

成人膝關節內，究竟哪種細胞才是關節軟骨祖細胞？以及這些細胞如何調控軟骨再生？這些問題都尚未可知。

為明確這些問題，作者進行了以下研究：

1 Procr⁺細胞優先定位于脛骨關節軟骨和半月板的淺層
Procr蛋白被認為是髓核祖細胞的標志物，然而，它是否標記其他骨骼部位的祖細胞仍不明確。為驗證Procr⁺細胞是否存在于成人長骨中，作者選用 Procr-CreERT2;tdTomato 小鼠進行譜系示蹤：他莫昔芬誘導后，4周齡小鼠脛骨關節軟骨和半月板表層均出現 tdTomato⁺信號（圖1A），股骨關節軟骨亦可見零星陽性細胞；且隨年齡增長，脛骨與半月板內的 tdTomato⁺細胞數量遞減，提示 Procr⁺細胞在青春期更為豐富（圖1B，1C）。
 

Fig1. Procr⁺表層細胞在出生后膝關節中生成關節軟骨細胞和半月板軟骨細胞

2 Procr⁺淺表細胞是軟骨祖細胞，可生成關節和半月板軟骨細胞
為追蹤 Procr⁺淺表細胞在出生后膝關節發育中的命運，作者在4周齡Procr-CreERT2; tdTomato小鼠中給予他莫昔芬，并在1~2個月后分析其細胞命運。結果表明，除淺表層外，脛骨關節軟骨和半月板中/深層區的tdTomato⁺細胞數量逐漸增加（圖1D-1G）。提示Procr⁺細胞能夠進一步分化產生中層/深層關節軟骨細胞。為排除骨骼來源細胞生成關節軟骨細胞的可能性，作者利用IR1報告小鼠進行雙重重組酶譜系示蹤（圖1H）。結果顯示，在Acan-Dre; Procr-CreERT2; IR1小鼠中，關節軟骨和半月板中均未檢測到 ZsGreen⁺細胞（圖1I，1J），提示非骨骼來源的 Procr⁺細胞（如內皮或造血干細胞）不參與出生后膝關節軟骨形成。

3 機械刺激調節關節軟骨和半月板中Procr+細胞的分布和頻率
鑒于脛骨平臺比股骨遠端承受更大的機械負荷，Procr⁺細胞在脛骨中的優先分布提示其可能是對機械刺激敏感的淺表細胞亞群。為驗證這一假設，作者對4周齡Procr-CreERT2; tdTomato小鼠進行為期4周的強制跑步（每天1h，圖2A）。結果顯示，跑步組小鼠股骨遠端松質骨骨量、骨小梁數量及厚度顯著增加，骨小梁間距減小，皮質骨面積、厚度及極慣性矩亦顯著增加。為分析跑步對Procr?淺表細胞的影響，作者在實驗結束時給予他莫昔芬，并于2天后分析其分布和數量。結果顯示，與對照組相比，機械刺激顯著增加了脛骨和半月板及股骨中的Procr?細胞數量（圖2B-2F）。

隨后，作者對4周齡Procr-CreERT2; tdTomato小鼠進行為期4周的尾部懸吊以模擬機械卸載（圖2G）。結果顯示，懸吊組小鼠股骨遠端松質骨骨量、骨小梁數量顯著減少，骨小梁間距增加，皮質骨厚度及極慣性矩亦顯著降低。與跑步實驗相反，尾部懸吊顯著減少了脛骨和半月板中的Procr⁺細胞數量，而股骨中 Procr⁺細胞數量極少（圖2H，2L）。以上結果提示，機械刺激對關節軟骨和半月板中Procr⁺細胞的分布和數量起著關鍵的調節作用。
 

Fig2. 生理條件下 Procr⁺表層細胞對機械刺激敏感

4 骨關節炎激活Procr?軟骨祖細胞以促進關節軟骨修復
骨關節炎（Osteoarthritis，OA）會顯著改變膝關節的機械負荷。為驗證OA是否調控Procr⁺細胞的激活與分化，作者在8周齡Procr-CreERT2; tdTomato小鼠中連續5天給予他莫昔芬，2天后通過內側半月板失穩術（DMM）建立OA模型（圖3A）。結果表明，與假手術組相比，DMM組脛骨、股骨及半月板中/深層區的 tdTomato⁺軟骨細胞數量顯著增加（圖 3C，3E-3H），提示 Procr⁺細胞在關節軟骨損傷后被激活并分化為下游軟骨細胞。

為驗證 Procr⁺細胞是否對 OA 進展起保護作用，作者構建了Procr-CreERT2; tdTomato; DTA小鼠，通過給予他莫昔芬誘導白喉毒素表達以特異性清除Procr⁺細胞（圖3B）。8周齡小鼠連續5天給予他莫昔芬，2天后行DMM手術。結果顯示，在Procr⁺細胞被特異性消融的小鼠中，OA相關指標OARSI評分升高（圖3I，3J）、骨贅形成增多（圖3K，3L）。以上結果提示，OA激活Procr⁺軟骨祖細胞以促進關節軟骨修復。
 

Fig3. OA激活 Procr⁺軟骨干細胞以促進關節軟骨修復

5 PIezo1介導Procr⁺軟骨祖細胞在OA進展中的機械感應
為進一步揭示Procr⁺軟骨祖細胞在OA進展中感應機械刺激的分子機制，作者對DMM模型小鼠的關節細胞進行單細胞RNA測序（圖4A）。結果顯示，Procr⁺細胞中機械敏感基因Piezo1高表達，且Klf2調控的軟骨分化相關通路激活。為驗證Piezo1是否介導Procr⁺軟骨祖細胞的機械感應，作者進行了下一步實驗。他們向DMM誘導骨關節炎后的 Procr-CreERT2; tdTomato小鼠關節腔內，每周注射Piezo/TRPV通道非特異性抑制劑 GsMTx4。結果顯示，GsMTx4顯著抑制了 DMM 后 tdTomato⁺軟骨細胞的生成（圖4J, 4K），并加劇了OA癥狀（圖4L, 4M）。以上結果提示，Piezo1是Procr⁺軟骨祖細胞感知機械刺激并修復關節軟骨的關鍵分子。
 

Fig4. Piezo1信號在OA進展中介導Procr⁺軟骨干細胞的機械感知

6 基因敲除Piezo1損害Procr⁺細胞激活及關節軟骨再生
為排除GsMTx4脫靶效應，作者構建了Procr特異性敲除Piezo1的小鼠模型（Procr-CreERT2; tdTomato; Piezo1^fl/fl），DMM術后結果顯示，cKO小鼠tdTomato?軟骨細胞數量顯著低于對照組（圖5A，5B），OARSI評分及軟骨下骨厚度顯著增加（圖5C-5F），骨贅形成及半月板鈣化加劇（圖5G，5H）。

為驗證Piezo1在生理條件下是否調控 Procr⁺細胞，作者在4周齡cKO及對照小鼠中給予他莫昔芬，隨后進行4周強制跑步。結果與DMM模型一致，Piezo1缺失顯著抑制跑步誘導的tdTomato⁺軟骨細胞生成（圖 5I-5K）。綜上，Piezo1 在生理及病理條件下均為 Procr?細胞激活及關節軟骨再生所必需。
 

Fig5. Piezo1基因缺失損害Procr⁺細胞的激活和關節軟骨再生

7 藥理性激活Piezo1可緩解OA癥狀
為驗證Piezo1信號激活是否具有治療潛力，作者對8周齡野生型小鼠進行了DMM手術，并每周在關節腔注射Piezo1激動劑Yoda1，8周后評估OA表型。結果顯示，Yoda1以劑量依賴性方式顯著降低OARSI評分（圖6A，6B），并減少軟骨下骨厚度（圖6C，6D）。Micro-CT亦顯示360 μM Yoda1顯著抑制骨贅形成（圖6E，6F），但對半月板鈣化體積無顯著影響（圖6G，6H）。以上結果提示，關節腔內給予Piezo1激動劑可顯著改善OA癥狀。
 

8 Procr⁺細胞原位移植促進關節軟骨修復
為驗證Procr⁺細胞能否是否可以促進軟骨的原位再生，作者進行了原位移植來修復關節軟骨缺損。作者通過流式分選了mTmG小鼠Procr⁺CD105⁺CD200⁺或 Procr?細胞，經2D擴增、3D球體培養后植入缺損區（圖7J）。結果顯示，Procr⁺細胞組缺損區出現大量軟骨樣組織，Safranin O染色陽性，而Procr?組僅見纖維樣組織（圖7K，7L）。mTmG來源細胞的tdTomato熒光證實再生的軟骨來自供體細胞（圖7K）。

為評估人源PROCR⁺細胞的轉化潛力，作者從29~86歲志愿受試者關節軟骨中分選出PROCR?細胞，經2D擴增、3D球體培養后，植入8周齡M-NSG免疫缺陷小鼠關節軟骨缺損處（由南模生物提供）。與未分選細胞相比，年輕及老年供體的PROCR?細胞均顯著促進軟骨再生（圖7N-7Q）。人源特異性LAMIN A/C免疫熒光證實再生軟骨為人源（圖 7N，7P，S6F）。以上結果提示，PROCR?細胞可作為治療關節疾病的理想軟骨祖細胞來源，或許有望突破當前MACI技術在年齡限制上的瓶頸。
 

Fig7. Procr⁺表層細胞具有干細胞活性，移植后可高效修復關節軟骨缺損

綜上所述，該研究工作在小鼠膝關節軟骨和半月板淺表層中發現了對機械力刺激敏感的Procr⁺軟骨祖細胞，并證明其在出生后關節穩態維持和損傷修復過程中能夠通過Piezo1感受機械力刺激，從而密切調控關節軟骨細胞的分化與再生。此外，研究還發現了人類PROCR⁺細胞可以用于細胞治療高效再生關節軟骨。
 

圖8. 研究模式圖

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Reference：
[1] Zhu Q, Yin F, Qin J, et al. Procr⁺ chondroprogenitors sense mechanical stimuli to govern articular cartilage maintenance and regeneration. Cell. Published online July 17, 2025. doi:10.1016/j.cell.2025.06.036

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