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Nature Aging重磅:哈佛医学院等发现运动延缓软骨衰老新机制

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随着年龄增长,关节软骨细胞及其细胞外基质(ECM)发生持续性改变,其中ECM硬化及异常机械转导被认为是年龄相关膝骨关节炎(KOA)发生发展的重要因素。

运动被认为是KOA预防和管理的重要干预方式,但“运动产生的全身性有益信号如何传递到远端衰老组织”仍缺乏明确机制。

细胞外囊泡(EVs)能够携带miRNA、蛋白质和脂质等生物活性分子,被认为可能是运动产生系统性健康效应的重要介质。

2026年9月29日,来自哈佛医学院、查尔斯顿斯波尔丁舍恩·亚当斯研究所等单位的研究人员在Nature Aging杂志发表题为“Exercise enhances aged chondrocyte health through microRNA-29-enriched extracellular vesicles”的文章。

该研究以关节软骨为模型,结合人群运动干预、EV分离、miRNA网络分析、衰老软骨细胞模型、工程化EV以及老龄小鼠KOA模型,系统解析运动来源EV改善衰老软骨的分子机制。



研究人员首先分析了既往老年人急性有氧运动后的循环EV small RNA-seq数据,纳入10名平均69.3岁的老年男性,在运动前后比较循环EV中的miRNA变化,共鉴定出16个差异表达miRNA,其中15个在运动后升高。进一步利用miEAA和miRTarBase预测靶基因,共获得43个较可靠的靶基因;这些基因在软骨特异性功能网络中形成高度互联的调控网络,并主要富集于细胞-基质黏附、细胞-底物黏附等过程,其中ITGB1和COL4A1等与miR-29家族密切相关。



随后,研究人员建立了软骨特异性功能基因网络,并利用算法模拟EV-miRNA扰动后的下游效应。结果显示,运动相关miRNA靶基因的扰动能够进一步影响ACAN、DCN、GDF5和COL9A3等软骨稳态相关基因,并显著涉及整合素信号、黏着斑、TGF-β、PI3K-Akt和ECM-受体相互作用等通路。这提示运动EV可能通过调节软骨细胞-ECM机械转导网络,改变衰老软骨细胞状态。

紧接着,研究人员在10名65–85岁老年人中实施3个月中等强度有氧运动,并分别获得运动前EV(EVpre)和运动后EV(EVpost)。两组EV在粒径、数量及基本纯度方面没有明显差异,提示运动并非简单改变EV的数量或基本物理性质,而可能改变其生物活性cargo。将EV作用于置于100 kPa衰老样硬基质上的人源衰老软骨细胞后发现,EVpost能够显著改变细胞形态,使其整体形态更加接近年轻样软基质中的软骨细胞;同时,EVpost降低了ITGB1表达,提示运动来源EV可以抑制硬基质诱导的异常整合素介导机械转导。



进一步机制研究发现,EVpost不仅改善软骨细胞形态,还显著提高Ⅱ型胶原、Aggrecan和SOX9等软骨合成代谢标志物,同时降低MMP13和ADAMTS4等分解代谢标志物,使衰老软骨细胞重新呈现年轻样表型。机制上,EVpost降低DNMT1表达,同时提高α-Klotho蛋白及KLOTHO mRNA水平,并降低KLOTHO启动子甲基化以及整体DNA甲基化水平。

为了验证上述机制是否具有体内意义,研究人员采用21–22月龄老龄小鼠进行实验,并通过关节腔注射比较运动前后EV的作用。每只小鼠一侧膝关节接受EVpre,另一侧接受EVpost,从而减少个体间差异。结果发现,EVpost处理膝关节的OARSI软骨损伤评分显著降低,同时Ⅱ型胶原表达增加,而MMP13和ADAMTS4表达降低。也就是说,来自运动后循环血液的EV不仅能够在体外改善衰老软骨细胞,还能在老龄动物体内能够减少软骨退变、提高软骨合成代谢水平。

在16个运动响应miRNA中,miR-29a-3p和miR-29b-3p成为最重要的候选者。计算机模拟删除miR-29a/b后,预测的EV-miRNA靶基因数量由43个骤降至7个;进一步的网络扰动分析显示,在多种年龄相关KOA通路中,超过75%的网络扰动效应可归因于miR-29a-3p和miR-29b-3p。同时,老年KOA人群循环miR-29水平低于健康人群,而3个月有氧运动能够显著提高EV中的miR-29a/b水平,并且运动诱导的miR-29增加与软骨细胞α-Klotho表达升高相关。

最后,研究人员构建了富集miR-29a-3p和miR-29b-3p的工程化EV。结果显示,这类EV能够降低软骨细胞ITGB1表达、提高α-Klotho水平,并促进Ⅱ型胶原和Aggrecan表达,同时抑制MMP13等分解代谢表型。更关键的是,在敲低KLOTHO后,miR-29-EV促进Ⅱ型胶原和Aggrecan表达以及抑制MMP13的作用均出现部分减弱,说明miR-29并非仅与Klotho相关,而是至少部分通过miR-29–Klotho轴介导软骨细胞年轻化。



总而言之,该研究发现有氧运动能够改变老年人循环EV中的miRNA,其中miR-29a-3p和miR-29b-3p是重要的响应分子。运动来源EV通过调控ITGB1介导的细胞-基质黏附和机械转导,并降低DNMT1、解除KLOTHO启动子甲基化抑制,从而恢复α-Klotho表达,最终使衰老软骨细胞重新进入更加年轻的合成代谢状态,并在老龄小鼠中减轻软骨退变。

参考文献:

https://www.nature.com/articles/s43587-026-01225-9

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