南京医科大学第三附属医院 | 软骨纤维化核心机制揭示:糖酵解驱动乳酸化修饰

临床样本中 FSTL1 在骨关节炎患者关节液、软骨与滑膜中显著高表达，且与 VAS、K-L 评分等疾病严重程度指标正相关；小鼠实验显示 FSTL1 会加重 DMM 模型软骨磨损、骨赘生成与纤维化，敲低 FSTL1 可缓解病变；细胞实验证实 FSTL1 呈剂量依赖性诱导软骨细胞纤维化，通过 Ras 激活 PI3K/AKT/mTOR 通路进而上调 HIF-1α，增强糖酵解并积累乳酸；外源性乳酸可模拟 FSTL1 的促纤维化作用，FSTL1 显著提升 H3K18la 水平，该修饰富集于 Itga6、Cxcl10、Parp16 纤维化基因启动子并激活其转录；抑制乳酸生成可降低 H3K18la 并阻断纤维化，补充乳酸则可恢复纤维化表型，完整验证调控通路。

Figure 1：FSTL1 与骨关节炎进展密切相关，是疾病潜在标志物

这张图通过对健康人和骨关节炎患者软骨细胞的单细胞测序数据降维与分群分析，清晰展示出骨关节炎状态下软骨细胞群出现明显分化偏移，效应型与稳态型软骨细胞比例显著下降，而纤维化前软骨细胞、纤维化软骨细胞比例大幅上升，直接证明软骨细胞纤维化是骨关节炎进展的核心病理改变；同时通过 ELISA、免疫组化等实验检测发现，FSTL1 在骨关节炎患者的关节液、软骨及滑膜组织中表达量均显著高于健康对照，且关节液中 FSTL1 水平与患者疼痛 VAS 评分、K-L 分级、年龄及 BMI 呈显著正相关，免疫荧光共定位也显示 FSTL1 与纤维化标志物 I 型胶原表达高度同步，充分说明 FSTL1 不仅在骨关节炎中异常高表达，还与疾病严重程度紧密关联，是参与骨关节炎发生发展的重要分子。

Figure 2：FSTL1 会加剧 DMM 小鼠骨关节炎模型的软骨损伤与纤维化进程

这张图围绕小鼠 DMM 骨关节炎模型展开，先展示了动物实验的整体设计流程，通过关节腔注射 FSTL1 蛋白或 FSTL1 干扰腺相关病毒进行干预，术后 10 周检测相关指标；X 线与 Micro-CT 结果显示，注射 FSTL1 的小鼠膝关节骨赘生成明显增多，软骨下骨骨体积分数、骨密度上升而孔隙率下降，而敲低 FSTL1 则能逆转这些异常改变；HE 染色、番红 O - 固绿染色及免疫组化结果进一步证实，FSTL1 会导致关节软骨降解加剧，透明软骨标志物 II 型胶原、SOX9 表达降低，纤维化及基质降解标志物 I 型胶原、MMP13、α-SMA 表达升高，敲低 FSTL1 可使软骨损伤程度接近假手术组，明确了 FSTL1 在体内会加速软骨侵蚀、骨赘形成并推动软骨纤维化，加重骨关节炎病变。

Figure 3：FSTL1 通过 HIF-1 信号通路诱导软骨细胞纤维化并增强糖酵解活性

这张图首先提出滑膜细胞来源的 FSTL1 介导透明软骨细胞向纤维化软骨细胞转化的机制假说，随后细胞实验显示，不同浓度 FSTL1 刺激会使软骨细胞发生剂量依赖性的细胞骨架重排，形态向纤维化细胞转变，同时透明软骨特征蛋白表达下调、纤维化相关蛋白表达上调，且 40ng/mL FSTL1 促纤维化效果最显著；转录组测序与富集分析表明，FSTL1 处理后软骨细胞中糖酵解相关基因富集程度最高，KEGG 分析提示 HIF-1 信号通路被显著激活；细胞糖酵解功能检测显示 FSTL1 能明显提升软骨细胞的细胞外酸化率与乳酸生成量，蛋白互作网络分析也锁定 LDHA、HK2、PKM 等关键糖酵解酶，充分证明 FSTL1 可通过激活 HIF-1 信号通路，在诱导软骨细胞纤维化的同时显著增强其糖酵解代谢能力。

Figure 4：FSTL1 经 PI3K/AKT/mTOR 信号通路增强软骨细胞糖酵解

这张图聚焦 FSTL1 调控糖酵解的上游信号机制，通过对糖代谢相关基因的富集分析发现，FSTL1 主要影响 Ras、PI3K-AKT、mTOR 等信号通路，且 Ras 是 PI3K-AKT-mTOR 的上游调控分子；热图与 GSEA 富集分析证实，FSTL1 处理后软骨细胞的 HIF-1 信号通路和糖酵解过程均被显著激活；使用 PI3K/mTOR 抑制剂 Paxalisib 干预后，FSTL1 介导的透明软骨标志物下调、纤维化标志物上调、HIF-1α 表达升高的效应被明显抑制，同时 PI3K、AKT、mTOR 的磷酸化水平也被阻断，细胞糖酵解检测进一步显示 Paxalisib 能消除 FSTL1 对软骨细胞糖酵解的促进作用，完整证实 FSTL1 是通过 Ras 激活 PI3K/AKT/mTOR 通路，进而调控 HIF-1 信号来增强软骨细胞糖酵解。

Figure 5：外源性乳酸可模拟 FSTL1 的作用，直接诱导软骨细胞纤维化

这张图旨在验证糖酵解产物乳酸在 FSTL1 促纤维化中的核心作用，先通过 CCK-8 实验确定安全作用浓度，随后 Western blot 和免疫荧光结果显示，外源性乳酸处理软骨细胞后，会出现与 FSTL1 处理一致的表型改变，即透明软骨标志物 SOX9、II 型胶原表达下降，纤维化相关蛋白 I 型胶原、MMP13、α-SMA 表达上升；转录组联合分析发现，FSTL1 组和乳酸组的上调基因高度重合，GSEA 与 GO 富集分析表明二者均参与软骨细胞纤维化过程，且不依赖经典 TGF-β 通路，热图也显示两组纤维化相关基因均显著上调，充分说明乳酸是 FSTL1 促进软骨细胞纤维化的关键下游分子，外源性乳酸可直接复刻 FSTL1 的促纤维化效应。

Figure 6：FSTL1 通过组蛋白乳酸化修饰上调软骨细胞纤维化相关基因表达

这张图揭示了乳酸介导软骨纤维化的表观遗传机制，Western blot 结果显示 FSTL1 可诱导软骨细胞广泛的组蛋白乳酸化，其中 H3K18 位点乳酸化（H3K18la）升高最为显著，且抑制剂 Paxalisib 能降低 FSTL1 诱导的 H3K18la 水平；CUT&Tag 实验表明，FSTL1 处理后软骨细胞 H3K18la 在转录起始位点附近的富集峰明显增多，基因组分布主要集中在启动子区域；通过多组学基因交集筛选，锁定 Itga6、Cxcl10、Parp16 三个纤维化关键基因，ChIP-qPCR 验证发现 FSTL1 会使 H3K18la 在这三个基因的启动子区域富集程度显著升高，证明 FSTL1 通过提升 H3K18 乳酸化修饰，直接激活纤维化相关基因的转录，进而推动软骨细胞纤维化。

Figure 7：抑制乳酸生成可缓解 FSTL1 诱导的软骨细胞纤维化，乳酸可逆转该保护效应

这张图通过干预实验反向验证乳酸在软骨纤维化中的核心地位，使用乳酸脱氢酶抑制剂 Oxamate 阻断乳酸生成后，FSTL1 诱导的软骨细胞纤维化表型被显著抑制，H3K18la 水平、Itga6/Cxcl10/Parp16 及纤维化相关蛋白表达均明显下降，而补充外源性乳酸则能完全恢复纤维化表型；小鼠体内实验也显示，Oxamate 干预可减轻 DMM 模型小鼠的软骨纤维化病变，联合乳酸注射后保护作用消失，充分证实乳酸是 FSTL1 驱动软骨纤维化的必需分子，抑制乳酸生成能够有效阻断软骨纤维化进程，直接为骨关节炎的干预治疗提供实验依据。

本研究证实 FSTL1 是骨关节炎软骨纤维化的关键驱动因子，其通过激活 PI3K/AKT/mTOR/HIF-1α 信号轴增强软骨细胞糖酵解，导致乳酸堆积并触发 H3K18 组蛋白乳酸化，进而上调纤维化相关基因表达，最终推动软骨纤维化进程。该研究阐明了骨关节炎中 “代谢重编程 - 表观修饰 - 细胞表型转化” 的全新分子机制，证明靶向 FSTL1 或乳酸代谢可有效缓解软骨纤维化，为骨关节炎提供代谢与表观双靶点的治疗新策略。

局限性：临床对照样本匹配度有限，未全面筛查组蛋白乳酸化位点，未验证 PPI 网络中其他潜在基因。展望：深入挖掘更多乳酸化修饰位点，开展 FSTL1 与乳酸代谢抑制剂的临床转化研究，完善骨关节炎纤维化的干预靶点。

文章来源： Lu F, Yu Y, Yin G, Hu H, Li S, Tang Y, Liu Y, Li M, Wang LL, Xu C, Zhao G, Zhou B, Wang Y. FSTL1 Orchestrates Metabolic-Epigenetic Crosstalk: Glycolysis-Dependent H3K18 Lactylation Drives Cartilage Fibrosis in Osteoarthritis. Adv Sci (Weinh). 2026 Feb;13(8):e12002. doi: 10.1002/advs.202512002. Epub 2025 Nov 26. PMID: 41293926; PMCID: PMC12884748.