创伤后和非创伤性膝关节挛缩的形成：巨噬细胞极化在关节囊和骨骼肌中的作用

《Tissue and Cell》：Formation of post-traumatic and non-traumatic knee joint contracture: Role of macrophage polarization in joint capsule and skeletal muscle

　　冯 Wang | 范 白 | 周 铃 | 刘 赫 | 吴 丁江 | 周 雲 | 李 文
皖南医学院第二附属医院康复医学系，芜湖241000，中国

**摘要**
**目的**
本研究探讨了不同巨噬细胞极化动态如何驱动创伤后关节挛缩（PTJC）与非创伤性关节挛缩（NTJC）的严重程度。

**方法**
首先，我们通过对人类数据集GSE135854与巨噬细胞极化基因集进行生物信息学分析，以识别核心致病靶点。随后，建立了手术诱导的创伤后挛缩和仅制动引起的非创伤性挛缩的大鼠模型。本研究评估了关节活动范围、组织病理纤维化、巨噬细胞极化动态以及包括TLR4/MyD88/NF-κB信号通路和纤维化介质在内的分子通路的时间变化。

**结果**
生物信息学分析确定了1,137个将巨噬细胞极化与关节纤维化联系起来的核心基因，这些基因在免疫相关生物过程和NF-κB信号通路中富集。临床上，TLR4和MYD88在人类纤维化晚期表达下调，表明早期炎症信号的时间分辨率。在大鼠模型中，PTJC表现出比NTJC更严重的挛缩和更强烈的纤维增生重塑。机制上看，PTJC通过TLR4/MyD88/NF-κB通路激活诱导了强烈的M1巨噬细胞激增，随后是延迟的病理M2反应。相比之下，NTJC的巨噬细胞动态较轻。早期大鼠模型（上调）与晚期临床样本（下调）之间的差异突显了TLR4轴作为纤维化级联反应的早期启动器。

**结论**
创伤通过涉及巨噬细胞塑性和局部组织相互作用的具体、强烈的纤维增生级联反应导致严重的挛缩。有效管理PTJC需要针对不同阶段的策略：针对早期TLR4介导的M1激增，并调节晚期的病理M2反应，这与NTJC的预防需求不同。

**引言**
一般来说，纤维增生性疾病（FPDs）有一个共同特征：结缔组织的合成和降解之间失衡（Ezzo和Hinz，2023）。这种失衡是由失调和持续的炎症引起的，导致结缔组织过度生成（Mack，2018）。关节挛缩通常发生在关节损伤和/或制动后。作为一种纤维增生性疾病，关节挛缩的特点是关节囊和肌纤维中的纤维化发展，导致活动范围（ROM）逐渐受限（Nakahara等人，2025；Wang等人，2023a；Zhang等人，2022）。虽然通常不像某些其他FPDs那样危及生命，但它会引起关节的结构和生物力学变化，从而导致慢性疼痛和功能丧失。完全发展的关节挛缩非常难以治疗，并严重影响患者的生活质量和社会生产力（Wang等人，2024）。因此，识别关节挛缩的形成机制对于预防或延迟其发生至关重要。

**先前研究**
已经建立了多种关节挛缩的动物模型，这些模型主要根据病因分为两大类：创伤后关节挛缩（PTJC）和非创伤性关节挛缩（NTJC）。从临床角度来看，NTJC模型更适合模拟需要长期卧床休息的感染或昏迷等情况，而PTJC模型更准确地模拟由骨折或软组织损伤等因素引起的挛缩。在PTJC和NTJC的形成过程中，关节囊组织中始终观察到炎症，进一步促进囊纤维化。在Zhang Y等人报道的大鼠膝关节PTJC模型中，在膝关节处以屈曲状态制动之前，内侧和外侧股骨髁的皮质骨以及前交叉韧带和后交叉韧带受损（Zhang等人，2022）。后关节囊的组织学分析显示炎症细胞数量和密度增加，以及胶原纤维增生和结构紊乱。在另一项由前交叉韧带重建（ACLR）诱导的大鼠膝关节PTJC模型中，术后第一周内观察到单核炎症细胞大量浸润，并且白细胞介素（IL）-1β的基因表达显著上调（Kaneguchi等人，2021）。NTJC中也存在类似的炎症反应。与Ozawa J等人的描述一致，我们之前的研究使用H&E染色显示膝关节囊中对制动的各种炎症反应（Ozawa等人，2018；Hu等人，2023）。这些反应包括关节宽度增加、炎症细胞浸润、关节囊水肿和关节腔出血。Yabe Y等人还报告，在制动早期，缺氧可诱导炎症，其特征是促炎细胞因子（包括IL-1α、IL-1β、IL-6和肿瘤坏死因子（TNF）-β）在囊内的增加（Yabe等人，2013）。此外，在同一研究人员的另一项研究中，观察到制动第一周内后囊中CD68阳性细胞（巨噬细胞标志物）的数量增加（Kanazawa等人，2015）。因此，由过度炎症驱动的关节囊纤维化可能是PTJC和NTJC的共同病理基础。

**近年来**
巨噬细胞在炎症诱发的FPDs中的作用越来越受到重视，特别是巨噬细胞极化。巨噬细胞具有高度的可塑性，因为它们的功能表型取决于特定的微环境。巨噬细胞极化是一个有趣的现象，巨噬细胞会根据从周围微环境接收到的信号发生特定的表型和功能变化（Murray，2017）。已经识别出两种具有不同功能的巨噬细胞亚群：经典激活或炎性（M1）巨噬细胞和替代激活或抗炎（M2）巨噬细胞。当遇到Toll样受体（TLR）配体时，巨噬细胞会发生表型转变，称为经典激活巨噬细胞或M1巨噬细胞（Ying等人，2021）。这种激活状态的特点是产生大量促炎细胞因子，包括TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-8、IL-12、IL-23和C-C基序趋化因子配体2（CCL2），以及关键酶如环氧化酶-2（COX-2）和可诱导的一氧化氮合酶（iNOS）（Tsai等人，2021；Yan等人，2024；Li等人，2022）。此外，M1激活的巨噬细胞与活性氧（ROS）的上调相关（Tsai等人，2021）。相比之下，M2巨噬细胞具有抗炎细胞因子特征，表现为IL-4、IL-10、IL-13和转化生长因子（TGF）-β的高产。功能上，M2巨噬细胞具有强大的吞噬能力，可以清除碎片和凋亡细胞，促进组织修复和伤口愈合，并表现出促血管生成和促纤维化特性（Zhu等人，2017；Rao等人，2021）。先前的研究表明，从促炎M1巨噬细胞向促纤维化M2巨噬细胞的转变失衡是心脏、肺、肝和肾纤维化的关键驱动力（Ying等人，2021；Rao等人，2021；Kim等人，2021；Wu等人，2020；Lu等人，2018）。基于这些发现，我们假设巨噬细胞极化在调节关节囊纤维化和肌纤维化中也起着重要作用。

**本研究的目标是：**
(a) 比较不同关节挛缩模型（包括PTJC和NTJC）中巨噬细胞极化的参与；
(b) 研究巨噬细胞极化在关节囊纤维化和肌纤维化发展中的作用。为实现这些目标，我们检查了肌腱切断前后被动ROM的时间依赖性变化，以及关节囊和骨骼肌中的纤维化反应、炎症谱型和巨噬细胞极化。

**数据片段**
人类临床转录组数据集GSE135854是从Gene Expression Omnibus (GEO, http://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo)数据库中检索的。通过使用关键词“关节挛缩”或“关节纤维化”进行系统搜索，并通过物种过滤器“Homosapiens”（生物）和“allarrays”（阵列）进行限制。排除初次全膝关节置换术（PTKA）样本后，对修复全膝关节置换术与人类临床样本进行了比较分析，发现巨噬细胞动态和TLR4/MyD88/NF-κB通路是关节挛缩的核心事件。PCA显示纤维化组（RTKA-A）和非纤维化对照组（RTKA-NA）之间有明显的聚类和转录组分离（图1.A），表明样本一致性高。差异表达分析基于|log2FC| > 0.585和P < 0.05的阈值识别了一组DEGs。这些DEGs在临床样本中的总体分布通过火山图可视化（图1.B）。随后，维恩图确定了1137个重叠的核心靶点。