吡咯喹啉醌通过核因子红系2相关因子2介导的应激反应以及胰岛素样生长因子1受体的上调，缓解与年龄相关的骨关节炎

《Phytomedicine》：Pyrroloquinoline quinone alleviates age-related osteoarthritis via nuclear factor erythroid 2–related factor 2-mediated stress response and insulin-like growth factor 1 receptor upregulation

吡咯喹啉醌（PQQ）通过激活Nrf2信号通路减轻小鼠年龄相关骨关节炎，减少氧化损伤、细胞衰老及软骨降解，同时通过Nrf2-IGF1R轴促进软骨基质合成。

　　

薛琪|顾月强|秦然|陈子佳|李杰|李明颖|李一平|李长浩|高伟成|刘宝华|杨仁磊

中国南京医科大学附属友谊整形外科医院整形外科

摘要

背景

与年龄相关的膝关节骨关节炎（OA）是由于累积的氧化损伤、软骨细胞衰老和细胞外基质丢失引起的；然而，目前仍缺乏安全有效的干预措施来改善与衰老相关的OA。吡咯喹啉醌（PQQ；分子式C₁₄H₆N₂O₈）是一种天然生物活性化合物，据报道它可以激活核因子红系2相关因子2（Nrf2），这是一种调节抗氧化和细胞保护基因表达的转录因子。然而，PQQ对与年龄相关的OA的影响及其潜在机制仍不清楚。

方法

12个月大的小鼠连续12个月通过饲料摄入PQQ（4 mg/kg），并使用Safranin O-Fast Green染色、国际骨关节炎研究学会（OARSI）评分、骨赘和滑膜炎评分以及微计算机断层扫描（μCT）来评估关节病理。同时分析了氧化损伤、细胞衰老和细胞外基质标志物。人类和小鼠的软骨细胞以及人类软骨切片在体外用白细胞介素-1β（IL-1β）处理以模拟OA；测量了PQQ对氧化应激、细胞增殖、细胞衰老和基质蛋白的影响，并检测了Nrf2信号通路的激活情况。机制研究探讨了Nrf2如何调节胰岛素样生长因子1受体（IGF1R）。还评估了Nrf2或IGF1R功能丧失对相关途径的影响。

结果

长期摄入PQQ显著减少了小鼠的自发性、与年龄相关的OA。它降低了OARSI评分，减少了骨赘形成和滑膜炎，同时保持了软骨和软骨下骨结构。PQQ还减少了软骨中的氧化DNA损伤，降低了衰老标志物和与衰老相关的分泌表型（SASP）因子，并恢复了Lamin B1的表达。此外，它降低了基质金属蛋白酶-13（MMP13）的水平，并维持了COL2A1的表达。在IL-1β刺激的人类软骨细胞和切片中，PQQ抑制了氧化应激，恢复了细胞增殖，减轻了细胞衰老，并防止了基质降解。PQQ增强了Nrf2在细胞核中的积累，提高了抗氧化反应元件（ARE）的活性和抗氧化基因的表达。机制研究确定IGF1R是Nrf2的直接靶点；IGF1R的敲低阻断了PQQ诱导的细胞外信号调节激酶（ERK）信号通路和COL2A1的上调。然而，PQQ无法保护Nrf2缺陷的软骨细胞和关节，这表明其效果依赖于Nrf2。

结论

PQQ通过激活Nrf2介导的抗氧化/抗衰老反应并转录上调IGF1R来支持基质合成，从而缓解与年龄相关的OA。PQQ-Nrf2-IGF1R轴是预防或延缓与年龄相关的OA进展的一个有前景的治疗靶点。

引言

骨关节炎（OA）是一种常见的退行性关节疾病，其特征是软骨破坏、滑膜炎和骨赘形成，导致老年人慢性疼痛、功能障碍和生活质量显著下降（Chin等人，2023；Neogi等人，2013；Zhang等人，2010）。除了个体发病率高之外，OA还通过增加医疗保健使用、生产力损失和护理需求带来了沉重的社会经济负担。疾病进展反映了由氧化应激、持续炎症和细胞衰老驱动的软骨合成与降解之间的平衡失调（Ansari等人，2024；Chen等人，2023；Jeon等人，2017；Zhao等人，2025）。除了遗传倾向外，可改变的因素如体力活动和营养提供了实际的干预点（Liu等人，2025；Sophocleous等人，2023）。 吡咯喹啉醌（PQQ；C₁₄H₆N₂O₈）是一种具有氧化还原活性的醌类化合物，最初被鉴定为细菌的氧化还原辅因子，其分子结构与维生素和矿物质等已知辅因子不同（Jonscher等人，2021；Kasahara等人，2003）。在人体中，PQQ主要来自饮食；尚未发现内源性合成。一些植物性食物中含有相对较高的PQQ含量，包括青椒、猕猴桃和欧芹，以及发酵大豆制品如纳豆（Kumazawa等人，1995；Noji等人，2007；Yan等人，2024），这支持将其归类为植物药用成分。口服摄入的PQQ在肠道下段被有效吸收（Smidt等人，1991），因此饮食是个体循环PQQ水平的主要决定因素。PQQ缺乏与与衰老相关的表型有关，包括生长障碍、免疫功能障碍和生殖能力下降（Killgore等人，1989），而补充PQQ则显示出对抗与年龄相关的神经退行性变、代谢紊乱和骨质疏松症的保护作用（Li等人，2023；2024；Wang等人，2023）。由于PQQ具有多种生物活性，包括抗氧化作用、抑制炎症信号传导以及促进线粒体生成和功能（Yan等人，2024），因此对其兴趣日益增加。在我们之前的研究中，我们已经证明PQQ补充剂可以减轻与年龄相关的骨质流失和椎间盘退变（IVDD）（Li等人，2023；Xue等人，2024）。尽管有这些有希望的发现，但PQQ在预防与年龄相关的OA方面的疗效及其潜在机制仍不清楚。 我们最近发现PQQ通过破坏Keap1–Nrf2复合物来激活核因子红系2相关因子2（Nrf2）信号通路（Xue等人，2024）。在氧化或亲电应激下，Keap1的抑制使Nrf2能够转移到细胞核中并诱导抗氧化反应元件（ARE）驱动的基因转录（Baird等人，2020；Liu等人，2022）。Nrf2信号通路越来越多地被认为是软骨稳态的关键调节因子，并能抑制OA中的炎症反应（Sheng等人，2024；Zhang等人，2024）。然而，Nrf2信号通路激活对OA表型的影响主要在创伤后OA模型中进行测试，这些模型并不能完全反映更普遍的与年龄相关的OA形式（Jeon等人，2017；Zhang等人，2024）。因此，本研究旨在评估PQQ诱导的Nrf2激活在预防与年龄相关的OA方面的疗效，并阐明其潜在机制。 我们发现长期摄入PQQ可以减轻与年龄相关的OA，Nrf2对于这种软骨保护作用至关重要，它可以减少氧化损伤、细胞衰老和关节基质降解。值得注意的是，PQQ激活了促进软骨基质合成的Nrf2–IGF1R轴。这些结果将Nrf2-IGF1R轴确定为治疗靶点，并支持PQQ作为缓解与年龄相关OA的安全补充剂。

PQQ的来源和纯度

本研究中使用了纯度为99.82%的PQQ（MedChemExpress，HY-100196）。其化学结构如图1所示。对于体外实验，PQQ按指定浓度溶解在双蒸水中（ddH2O）。对于体内实验，PQQ以4 mg/kg的剂量添加到饲料中；饲料未经高温处理，并在避光条件下储存和提供。

伦理声明

所有动物实验均按照机构批准的方案进行。

PQQ补充剂可减缓与年龄相关的OA进展

为了评估长期PQQ补充剂是否可以缓解自然衰老引起的OA，12个月大的野生型（WT）雄性小鼠被喂食含有PQQ的饲料（4 mg PQQ/kg），持续12个月，而对照组（12个月和24个月大的小鼠）则喂食标准饲料（图2A）。通过Safranin O–Fast Green染色进行组织学评估，结果显示PQQ显著改善了24个月大小鼠的软骨完整性，表现为OARSI评分降低，骨赘形成和滑膜炎减少。

讨论

本研究显示，长期PQQ补充剂通过激活Nrf2介导的抗氧化防御和增强IGF1R信号通路，减轻了小鼠的与年龄相关的骨关节炎。PQQ处理的小鼠表现出更好的软骨完整性，OARSI评分降低，骨赘形成和滑膜炎减少，软骨下骨得到保护。从机制上看，PQQ在软骨细胞中激活了Nrf2，减少了氧化损伤、细胞衰老和SASP表达，同时转录上调IGF1R以促进基质合成。

结论

本研究确定了PQQ-Nrf2-IGF1R轴是一种新的保护机制，可以预防与年龄相关的OA。PQQ激活的Nrf2-ARE信号通路减少了氧化应激、细胞衰老和软骨降解，并通过Nrf2-IGF1r轴维持软骨ECM的合成。这些发现表明PQQ补充剂是一种有前景、安全且易于实施的OA预防干预措施，并强调了Nrf2-IGF1r轴作为延缓与年龄相关的OA发病或进展的治疗靶点。

未引用的参考文献

Zhang等人，2023

CRediT作者贡献声明

薛琪：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、软件使用、方法学设计、实验设计、数据分析、数据管理。 顾月强：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、资源获取、方法学设计、实验设计、数据分析。 秦然：数据可视化、验证、软件使用、方法学设计、实验设计、数据分析。 陈子佳：初稿撰写、数据可视化、验证、软件使用、资源获取、项目协调。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本工作得到了江苏省自然科学基金（BK20240274）的支持。我们感谢南京医科大学第一附属医院的影像采集方面的协助。