ABSTRACT Objective Obesity accelerates the development of osteoarthritis (OA) during aging and is associated with altered chondrocyte cellular metabolism. The objective of this study was to investigate the role of sirtuin 5 (SIRT5) in regulating chondrocyte protein lysine malonylation (MaK) and cellular metabolism under obesity-related conditions. Methods MaK and SIRT5 were immunostained in knee articular cartilage of obese db/db mice and different aged C57BL6 mice with or without destabilization of the medial meniscus (DMM) surgery to induce OA. Primary chondrocytes were isolated from 7-day-old WT and Sirt5 −/− mice and treated with varying concentrations of glucose and insulin to mimic obesity. Sirt5-dependent effects on MaK and metabolism were evaluated by Western blot, Seahorse Respirometry, and gas/chromatography-mass/spectrometry (GC-MS) metabolic profiling. Results MaK was significantly increased in cartilage of db/db mice and in chondrocytes treated with high concentrations of glucose and insulin (Glu hi Ins hi ). Sirt5 protein was increased in an age-dependent manner following joint injury, and Sirt5 deficient primary chondrocytes had increased MaK, decreased glycolysis rate, and reduced basal mitochondrial respiration. GC-MS identified 41 metabolites. Sirt5 deficiency altered 13 distinct metabolites under basal conditions and 18 metabolites under Glu hi Ins hi treatment. Pathway analysis identified a wide range of Sirt5-dependent altered metabolic pathways that include amino acid metabolism, TCA cycle, and glycolysis. Conclusion This study provides the first evidence that Sirt5 broadly regulates chondrocyte metabolism. We observed changes in Sirt5 and MaK levels in cartilage with obesity and joint injury, suggesting that the Sirt5-MaK pathway may contribute to altered chondrocyte metabolism that occurs during OA development.

Abstract Background Women have a higher risk of developing osteoarthritis (OA) than men, including with obesity. To better understand this disparity, we investigated sex differences in metabolic and inflammatory factors associated with OA using a diet-induced mouse model of obesity. We hypothesized that 20 weeks of high-fat diet (HFD) would induce sexually dimorphic changes in both systemic and local risk factors of knee OA. Methods Male and female C57BL/6J mice were fed Chow or HFD from 6 to 26 weeks of age ( n = 12 per diet and sex). We performed broad metabolic phenotyping, 16 S gut microbiome analysis, targeted gene expression analysis of synovium-infrapatellar fat tissue, targeted gene expression and proteomic analysis of articular cartilage, chondrocyte metabolic profiling, and OA histopathology. Two-way ANOVA statistics were utilized to determine the contribution of sex and diet and their interaction on outcomes. Results Mice fed HFD weighed 1.76-fold ( p < 0.0001) and 1.60-fold ( p < 0.0001) more than male and female Chow cohorts, respectively, with both sexes reaching similar body fat levels (male: 43.9 ± 2.2%; female: 44.1 ± 3.8%). HFD caused greater cartilage pathology ( p < 0.024) and synovial hyperplasia ( p < 0.038) versus Chow in both sexes. Cartilage pathology was greater in male versus female mice ( p = 0.048), and only male mice developed osteophytes with HFD ( p = 0.044). Both sexes exhibited metabolic inflexibility on HFD, but only male mice developed glucose intolerance ( p < 0.0001), fatty liver ( p < 0.0001), and elevated serum amylase ( p < 0.0001) with HFD versus Chow. HFD treatment caused sex-dependent differences in gut microbiota beta diversity ( p = 0.01) and alteration in specific microbiome clades, such as a HFD-dependent reduction in abundance of Bifidobacterium only in male mice. In knee synovium and infrapatellar fat tissue, HFD upregulated the expression of pro-inflammatory and pro-fibrotic genes predominantly in female mice. In cartilage, lipid metabolism proteins were more abundant with HFD in male mice, whereas proteins involved in glycolysis/gluconeogenesis and biosynthesis of amino acids were greater in cartilage of female mice. Sex-dependent metabolic differences were observed in cartilage from young, healthy mice prior to pubertal maturation, but not in primary juvenile chondrocytes studied in vitro. Conclusions HFD induced numerous sex differences in metabolic and inflammatory outcomes, especially in joint tissues, suggesting that sex-specific cellular processes are involved during development of early-stage OA with obesity.

Abstract Metabolic processes are intricately linked to the resolution of innate inflammation and tissue repair, two critical steps for treating post-traumatic osteoarthritis (PTOA). Here we used the β-adrenergic receptor (βAR) agonist isoproterenol as a tool to perturb intra-articular metabolism 3.5 weeks after applying a non-invasive single-load compression injury to knees of 12-week-old male and female mice. We examined the acute effects of intra-articular treatment with isoproterenol relative to saline on pain behavior, histology, multiplex gene expression, and synovial fluid metabolomics. Injured knees developed PTOA pathology characterized by heterotopic ossification, loss of tibial and femoral articular cartilage, and infrapatellar fat pad (IFP) atrophy and fibrosis. Isoproterenol modestly increased IFP atrophy and fibrosis, and it also caused sexually dimorphic and injury-dependent effects on IFP and synovium gene expression. In injured joints of female mice, isoproterenol suppressed the upregulation of pro-fibrotic genes and downregulated the expression of adipose tissue genes and pro-inflammatory genes ( Adam17 , Cd14 , Icam1 , Csf1r , and Casp1 ). Injury substantially altered synovial fluid metabolites by increasing amino acids, peptides, sphingolipids, phospholipids, bile acids, and dicarboxylic acids, but these changes were not appreciably altered by isoproterenol. Mechanical allodynia was also not altered by isoproterenol, although isoproterenol downregulated the expression of nociception-associated genes, Ngf and Tacr1, in injured IFP-synovium of female mice. Overall, these results suggest that βAR activation functions in a sexually dimorphic manner in PTOA joints. The findings support further exploration of therapeutic strategies that target neuro-metabolic signaling pathways for treating PTOA, particularly in women.

We hypothesized that daily exercise promotes joint health by upregulating anti-inflammatory mediators via adaptive molecular and metabolic changes in the infrapatellar fat pad (IFP). We tested this hypothesis by conducting time-resolved analyses between 1 and 14 days of voluntary wheel running exercise in C57BL/6J mice. IFP structure and cellularity were evaluated by histomorphology, picrosirius red collagen staining, and flow cytometry analysis of stromal vascular fraction cells. Joint inflammation and metabolism were evaluated by multiplex gene expression analysis of synovium-IFP tissue and synovial fluid metabolomics, respectively. Exercise transiently increased cytokine and chemokine gene expression in synovium-IFP tissue, resolving within the first 5 days of exercise. The acute inflammatory response was associated with decreased adipocyte size and elevated CD45+Gr1+ myeloid cells, increased collagen content, and oxidized phospholipids. Exercise acutely altered synovial fluid metabolites, characterized by increased amino acids, peptides, bile acids, sphingolipids, dicarboxylic acids, and straight medium chain fatty acids and decreased hydroxy fatty acids and diacylglycerols. Between 5 and 14 days of exercise, inflammation, collagen, and adipocyte size returned to pre-exercise levels, and CD206+ immuno-regulatory macrophages increased. Thus, although the onset of new daily exercise transiently induced synovium-IFP inflammation and altered tissue structure, sustained daily exercise promoted IFP homeostasis.