IL -17 and immunologically induced senescence regulate response to injury in osteoarthritis
作者：Heather J. Faust, Hong Zhang, Jin Han,1 Matthew T. Wolf,1 Ok Hee Jeon, Kaitlyn Sadtler, Alexis N. Peña,1 Liam Chung,David R. Maestas Jr., Ada J. Tam, Drew M. Pardoll, Judith Campisi, Franck Housseau, Daohong Zhou, Clifton O. Bingham III, and Jennifer H. Elisseeff(Department of Biomedical Engineering, Johns Hopkins University School of Medicine, Smith Building 5031, 400 N. Broadway, Baltimore, Maryland 21231, USA. )
發表狀況：J Clin Invest. 2020;130(10):5493-5507.doi: 10.1172/JCI134091.
目前，越來越多的研究表明骨關節炎是一種具有廣泛生理影響的系統性疾病，但目前對骨關節炎中關節和全身系統的具體關係仍不明確。
1、在骨關節炎的關節中發現隨著免疫細胞IL-17a+CD4+ T細胞隨著病情加重逐漸增多，此外在小鼠腹股溝淋巴結中也發現了同樣的現象；
2、清楚小鼠關節炎時膝關節中的衰老細胞，可以減少的IL-17a+CD4+ T細胞的生成，在關節腔中抑制IL-17a的表達也可以延緩骨關節炎的進程；
3、衰老細胞可以誘導初始T細胞分化成Th 17細胞，Th17可以誘導細胞發生衰老。
Senescent cells (SnCs) are implicated in the pathogenesis of age-related diseases including osteoarthritis (OA), in part via expression of a senescence-associated secretory phenotype (SASP) that includes immunologically relevant factors and cytokines. In a model of posttraumatic OA (PTOA), anterior cruciate ligament transection (ACL T) induced a type 17 immune response in the articular compartment and draining inguinal lymph nodes (LNs) that paralleled expression of the senescence marker p16INK4a (Cdkn2a) and p21 (Cdkn1a). Innate lymphoid cells, γδ+ T cells, and CD4+ T cells contributed to IL -17 expression. Intra-articular injection of IL -17–neutralizing antibody reduced joint degeneration and decreased expression of the senescence marker Cdkn1a. Local and systemic senolysis was required to attenuate tissue damage in aged animals and was associated with decreased IL -17 and increased IL -4 expression in the articular joint and draining LNs. In vitro, we found that Th17 cells induced senescence in fibroblasts and that SnCs skewed naive T cells toward Th17 or Th1, depending on the presence of TGF-β. The SASP profile of the inflammation-induced SnCs included altered Wnt signaling, tissue remodeling, and cell-cycle pathways not previously implicated in senescence. These findings provide molecular targets and mechanisms for senescence induction and therapeutic strategies to support tissue healing in an aged environment.衰老細胞與包括骨關節炎在內的年齡相關疾病的發病機制有關，部分是通過衰老相關分泌表型(SASP)的表達，包括免疫相關因子和細胞因子。在創傷後骨關節炎(PTOA)模型中，前交叉韌帶切斷在關節腔和引流腹股溝淋巴結(LNs)中誘導了17型免疫反應，該反應與衰老標記物p16INK4a (Cdkn2a)和p21 (Cdkn1a)的表達平行。先天淋巴細胞、γδ+ T細胞和CD4+ T細胞對IL -17的表達有作用。關節內注射白介素-17-中和抗體可減少關節退化和衰老標誌物Cdkn1a的表達。需要局部和全身的衰老分解來減輕老年動物的組織損傷，並且與關節和引流淋巴結中白細胞介素-17的減少和白細胞介素-4表達的增加有關。在體外，我們發現Th17細胞誘導成纖維細胞衰老，SnCs使幼稚T細胞偏向Th17或Th1，但依賴TGF-β的存在。炎症誘導的衰老細胞細胞中SASP圖譜包括改變的Wnt信號傳導、組織重塑和細胞周期通路，這些都與衰老無關。這些發現為衰老誘導和治療策略提供了分子靶點和機制，以支持衰老環境中的組織癒合。
圖1 適應性免疫細胞對創傷性關節損傷的反應是17型免疫反應
(A)流儀分析CD8 +, CD4 +和yδ+ T細胞(CD45 + CD3 +)分析ACL T術後1周、假手術組、空白組關節腔液中的免疫細胞(n = 4)。(B)免疫螢光標記ACL T術後1周、假手術組、空白組中膝關節中滑膜和軟骨IL-17的表達。比例尺:25μm。(C)流式細胞儀檢測IL -17a和IL -17f在ACL T術後4周後腹股溝淋巴細胞中的表達量(CD3-Thy1.2 +NK1.1 -)。(D)ACLT術後2w小鼠膝關節中淋巴細胞 (CD3-Thy1.2 +)炎症標記物的mRNA表達。(E)流式分析年輕小鼠(Y)和18個月齡(A)小鼠ACLT術後2和4周腹股溝淋巴結中Th17含量，免疫螢光染色年輕小鼠ACLT術後2周腹股溝淋巴結中CD4和IL -17表達。比例尺:10um。(F)量化淋巴結組織中IL 17 mRNA表達 (n = 3)。(G)量化Cdkn2a mRNA在年輕和老年小鼠ACLT術後2和4周與非手術組 (n = 3)。(H)手術組和非手術組軟骨細胞中p16染色。比例尺:25μm。* * * P < 0.05, P < 0.01, * * * * P < 0.001, F,股骨; S,滑膜; T,脛骨; RQ,相對定量。
圖2 清除衰老細胞減少了IL-17的免疫信號
（A）定量分析年輕小鼠與老年小鼠在非手術組，假手術組，手術組，以及手術後進行關節腔注射i.a.UBX0101 (UBX)、關節腔注射 UBX加靜脈注射Navi或單獨靜脈注射 Navi幹預後，各組小鼠關節關節中Cdkn2a mRNA表達。（B）定量分析上述組別內的IL-17 mRNA表達。（C）上述處理組內，比較小鼠患肢和對側健肢的重量。（D）流式分析上述組別中小鼠腹股溝淋巴結中CD4+IL -17a+陽性細胞比值。（E）定量分析上述組別中小鼠腹股溝淋巴結中IL-17a的mRNA表達。（F）上述各組別小鼠膝關節的番紅O-固定綠染色以及OARSI評分。(G)小鼠ACLT後膝關節腔中注射IL-17a中和抗體後的番紅O-固定綠染色以及OARSI評分。（H）小鼠關節注射IL-17a中和抗體後患肢與健肢的重量比。（I）小鼠關節注射IL-17a中和抗體後關節Cdkn1a mRNA的定量分析。(n = 3).
圖3 炎症誘導衰老後的成纖維細胞與Th 17細胞共培養和T細胞通過衰老細胞分化偏移
（A）小鼠CD4+IL-17a+、CD4+IL -17f+和CD4+IFN-γ+ T細胞在各共培養條件下的百分比:單純幼稚T細胞(NT)、衰老細胞共培養、衰老細胞加IL -2加TGF-β共培養、含TGF-β的培養基(每組n = 3)。以及流式分析圖。（B）定量分析原始CD4+ T細胞和Th17細胞共培養的成纖維細胞中Cdkn2a和Il6 mRNA的表達(每組n = 3)。右圖：原始CD4+ T細胞和Th17細胞共培養的成纖維細胞的SA–β-gal染色圖。（C）共培養7天後人的CD4+IL -17a+ T細胞的百分比。條件從左到右:無共培養(NT)，Th17陽性對照，高比例衰老細胞共培養，高比例衰老細胞加IL -2加TGF-β共培養，低比例衰老細胞共培養，低比例衰老細胞加IL -2、TGF-β共培養(每組n = 3)。（D）正常成纖維細胞標準化的Th17共培養細胞的火山圖。虛線表示P = 0.05。右圖顯示了與STAT3和Wnt信號有關的差異調節基因。（E）免疫誘導衰老(Th17共培養) 與輻射誘導7天衰老的前50個基因差異表達。
圖4 衰老細胞清除和IL-17減少後傷口癒合需要IL-4
（A）青年和老年小鼠關節中IL-4基因(未手術、假手術、手術組+UBX、手術+ UBX+ Navi，手術組+Navi)的表達量。（B）青年和老年小鼠淋巴結中IL-4基因(未手術、假手術、手術組+UBX、手術+ UBX+ Navi，手術組+Navi)的表達量。（C）青年和老年小鼠淋巴結中在（未手術、假手術、手術組+UBX、手術+ UBX+ Navi，手術組+Navi）CD4+IL-4+ T細胞的百分比。（D）手術肢體相對於對側控制肢體的重量百分比。（E）抗衰老藥物治療後小鼠腹股溝淋巴結IL-17a基因表達的比較。(F) 用抗衰老治療的年輕小鼠WT和IL4r-/-關節的OARSI評分。（G）年輕小鼠WT或IL4R-/-關節用抗衰老治療後的番紅O-固定綠染色圖。
骨關節炎目前越來越多的學者認為是一個全身性的疾病，但這種局部組織病變和全身系統之間的關係是如何，仍然不清楚。本文作者通過將骨關節炎中衰老細胞和Th 17細胞結合聯繫起來，在體內研究結果發現兩者都是隨著骨關節炎的病程，逐漸表達增多。但在膝關節中抑制單獨衰老細胞或Th17，能夠緩解骨關節炎的進展，減少Th17細胞或者衰老細胞。此外，通過共培養實驗，也發現其衰老細胞核Th17細胞也是相輔相成的，可以促進細胞衰老或者可以促進初始T細胞向Th17細胞分化。作者創新性的將骨關節炎中局部的衰老細胞和全身的免疫系統結合起來進行研究，發現免疫誘導的衰老細胞分泌獨特SASP效應，闡述了衰老在組織發育、組織修復和免疫調節中的作用機制。