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骨关节炎是一种常见的老年疾病,临床上病症主要表现为关节软骨退化、软骨下骨硬化、滑膜炎症、关节囊肿等。目前骨关节炎的治疗方法以修复关节软骨,抑制关节软骨降解为主。近年研究表明,在骨关节炎的进展中软骨下骨发挥了重要的作用,靶向软骨下骨治疗骨关节炎可以成为新的治疗策略。骨关节炎早期阶段,外界压力会导致软骨下骨产生微小损伤,损伤处的成骨细胞和骨细胞分泌RANKL和前列腺素E2（PGE2）招募破骨前体细胞,开启非偶联的骨重塑。破骨细胞会进一步吸收骨质,分泌细胞因子,促进血管和神经侵入到软骨下骨和钙化软骨层,加剧软骨下骨非偶联的骨重塑,促进骨赘的产生。已经有大量研究表明在骨质疏松、骨关节炎、肿瘤、神经疼痛、肾脏和心血管等疾病中PGE2信号通路都有重要作用。在骨关节炎研究中,PGE2信号通路主要在调控关节软骨稳态方面。有研究表明,PGE2可以通过激活EP4抑制软骨细胞蛋白聚糖的合成并促进细胞外基质降解。还有研究表明,PGE2可以通过激活EP2抑制关节软骨的分解代谢,抑制MMP-1,MMP-3,MMP-13和ADAMTS5的表达。此外,PGE2可以通过激活EP2抑制软骨细胞中蛋白聚糖合成。在骨关节炎痛觉调控方面,PGE2可以激活感觉神经中的EP4,从而对骨关节炎产生的痛觉进行调控。PGE2还可以激活树突状细胞中的EP4促进Th1细胞分化、增殖和产生IL-23来促进炎症从而产生痛觉。在软骨下骨稳态调控方面,PGE2同样有重要作用。有研究表明,骨关节炎软骨下骨组织中的成骨细胞和骨细胞会分泌大量PGE2,破坏软骨下骨稳态,加剧关节退变。特异性敲除骨细胞中环氧合酶-2（COX-2）或者抑制COX-2的活性,可以抑制软骨下骨稳态被破坏,对关节起到保护作用。但PGE2究竟如何调控软骨下骨稳态目前还不清楚。PGE2可以通过其四种受体（EP1、EP2、EP3、EP4）调控细胞生物学功能。为此,本课题从PGE2下游的4个受体入手,探究PGE2如何调控软骨下骨稳态。有大量研究表明,破骨细胞在软骨下骨骨重塑过程中发挥重要作用,用于抑制破骨细胞活性的药物（例如双膦酸盐）对骨关节炎患者有一定的治疗效果以本课题以破骨细胞为切入点,探究PGE2如何调控软骨下骨稳态。实验结果表明,PGE2可以显著促进破骨前体细胞迁移和分化。在PGE2刺激的破骨细胞分化过程中,Ep2和Ep4表达升高。Ep1表达无明显变化,Ep3表达下降。所以我们对EP2和EP4进一步进行了研究。EP2和EP4的特异性小分子拮抗剂和在破骨前体细胞中敲除Ep2和Ep4均能抑制PGE2诱导的破骨前体细胞迁移和分化。在骨关节炎情况下,病人和小鼠软骨下骨组织中的EP4表达升高,EP2表达无明显变化。在小鼠体内实验中,全身敲除Ep2后不能抑制由前交叉韧带断裂术（ACLT）所诱发的骨关节炎,对软骨下骨稳态的破坏没有保护作用。而在破骨前体细胞中特异性敲除Ep4可以缓解由ACLT引发的骨关节炎,显著抑制破骨细胞活性,减少软骨下骨破骨前体细胞的数量,抑制软骨下骨非偶联骨重塑,维持软骨下骨稳态。此外在破骨前体细胞中特异性敲除Ep4,可以抑制破骨细胞分泌Netrin-1从而抑制CGRP+感觉神经侵入软骨下骨,进而抑制痛觉的产生。在破骨前体细胞中特异性敲除Ep4,可以抑制破骨前体细胞分泌PDGF-BB从而抑制软骨下骨H型血管的产生。根据前面的研究,本课题利用PGE2诱导破骨细胞分化的筛选策略筛选到了EP4特异性小分子拮抗剂HL-1-148。在体内ACLT小鼠骨关节炎模型中,HL-1-148能维持软骨下骨稳态,抑制破骨细胞活性,抑制软骨下骨非偶联骨重塑。在自然衰老小鼠中,HL-1-148也能维持软骨下骨稳态。在痛觉调控上,HL-1-148可以抑制软骨下骨中CGRP+感觉神经侵入,从而缓解痛觉。此外,HL-1-148还可以抑制软骨下骨中H型血管产生,延缓骨关节炎发展。机制上我们发现,PGE2可以通过激活Gαs促进破骨前体细胞的迁移和分化,并且不依赖于β-arrestin1和β-arrestin2。PGE2可以激活破骨前体细胞中MAPK和NF-κB信号通路。MAPK信号通路的抑制剂可以显著抑制PGE2促进的破骨前体细胞迁移和分化。在破骨前体细胞上敲除Ep4可以抑制PGE2对MAPK信号通路和NF-κB信号通路的激活。综上所述,在骨关节炎情况下,PGE2可以激活破骨前体细胞中的EP4,促进破骨前体细胞的迁移和分化,促进软骨下骨中非偶联的骨重塑,破坏软骨下骨稳态。靶向EP4开发特异性小分子拮抗剂可以通过抑制软骨下骨非偶联骨重塑来作为治疗骨关节炎新的策略,为骨关节炎临床治疗打下良好基础。