應(yīng)用于關(guān)節(jié)軟骨的機械過載可能在骨關(guān)節(jié)炎 (OA) 的發(fā)病機制中起重要作用。然而，對機械過載引起的軟骨退化的病理機制知之甚少。

迄今為止，大量研究報道了 Interleukin-1β（IL-1β）與OA之間存在密切的病理關(guān)系。IL-1β 已被證明會引起軟骨細胞中 Ca²⁺ 水平的瞬時變化，并通過防止調(diào)節(jié)性容積回縮來影響對低滲透性壓力的反應(yīng)。此外，之前的一項研究表明，與正常軟骨細胞相比，OA 軟骨細胞中 IL-1 受體 (IL-1R) 的表達水平翻了一番，這表明 OA 軟骨對 IL-1 的敏感性增加。

基于此，日本慶應(yīng)義塾大學醫(yī)學院骨科系、病理學系，日本熊本大學生命科學研究部骨科系的專家學者進行了聯(lián)合研究，假設(shè) IL-1 的敏感性和基質(zhì)降解酶的表達會通過機械壓縮應(yīng)力和隨后的 ROS 誘導(dǎo)而增加，這可能是由 TRPV4 控制的，TRPV4作為鈣通道機械傳感器，據(jù)報道在細胞體積變化的調(diào)節(jié)中起重要作用。

該研究使用了I型膠原蛋白支架中的 3D 軟骨結(jié)構(gòu)和循環(huán)負荷生物反應(yīng)器，可以應(yīng)用3D 結(jié)構(gòu)的壓縮變形，模擬人體關(guān)節(jié)軟骨的體內(nèi)環(huán)境。該研究旨在評估 3D 培養(yǎng)的 ATDC5 細胞中機械壓縮應(yīng)力誘導(dǎo)的 IL-1R 表達，以及 TRPV4 修飾對 IL-1R 表達的影響。相關(guān)研究成果發(fā)表在 BMC Musculoskeletal Disorders  題為《Compressive mechanical stress enhances susceptibility to interleukin-1 by increasing interleukin-1 receptor expression in 3D-cultured ATDC5 cells》。

在該研究中，將培養(yǎng)的細胞接種到膠原蛋白支架中，制成 3D 培養(yǎng)的支架。然后在 0.5Hz 下施加 0 kPa、20 kPa 或 40 kPa 的循環(huán)壓力加載3h。采用 RT-PCR 分析 40 kPa 循環(huán)壓力負荷 3h 后 0、1、3、6、12 h 時培養(yǎng)結(jié)構(gòu) ADAMTS4、MMP-3 和 IL-1R mRNA 的表達水平。定量測定 0、20、40 kPa 循環(huán)壓力加載 3h 后 6h 時 ADAMTS4、MMP-3、IL-6、IL-1β、IL-1R mRNA 表達水平 (圖 1)。

圖 1

實驗結(jié)果：

循環(huán)壓力負荷對 3D 培養(yǎng)組織的影響

觀察 MMP-3、ADAMTS4、IL-1R mRNA 在 40kpa 循環(huán)壓力加載 3h 后表達水平的時間過程 (圖2 a)。

MMP-3 和 ADAMTS4 mRNA 在前 6h 內(nèi)逐漸增加，12h 后降至對照水平。IL-1R mRNA 表達水平在加載1h 后升高，維持至6h，然后在 12h 后降至對照水平。ADAMTS4、MMP-3、IL-6 和 IL-1R 的 mRNA 表達水平均在 6h 壓力負荷 40kPa 時升高，而在 20kPa 負荷下未觀察到這種 mRNA 表達的增加 (圖2 b)。無論壓力負荷的大小，IL-1β mRNA 的表達沒有變化。

經(jīng)循環(huán)壓力處理的 3D 培養(yǎng)組織表現(xiàn)出 ROS 積累，而無循環(huán)壓力處理的細胞則沒有 ROS 積累 (圖3 a)。PDTC是一種抗氧化劑，可顯著防止機械誘導(dǎo)的ADAMTS4和IL-1R的mRNA表達 (圖3 b)。
 

圖 2

圖 3

通過循環(huán)壓力負荷增加 3D 培養(yǎng)組織的 IL-1 敏感性

在沒有壓力負荷的情況下，用足量的 IL-1β (10 ng/ml) 處理 3D 培養(yǎng)組織，觀察到 ADAMTS4 和 IL-1R mRNA 的表達增加 (圖 4)。雖然少量的 IL-1β (1 pg/ml) 單獨不能上調(diào) ADAMTS4 和 IL-1R mRNA 的表達水平，但少量的 IL-1β (1 pg/ml) 與 40-kPa 壓力負荷的結(jié)合顯著使ADAMTS4 和 IL-1R mRNA 表達分別增加了 5 倍和 8 倍。

圖 4

TRPV4 通道修飾對 3D 培養(yǎng)組織中ADAMTS4 和 IL-1R mRNA 表達水平的影響

在沒有循環(huán)壓力負荷的情況下，TRPV4 激動劑和拮抗劑都不影響 ADAMTS4 和 IL-1R mRNA 的表達水平。然而，TRPV4 激動劑可抑制由 40 kPa 循環(huán)壓力負荷誘導(dǎo)的 ADAMTS4 和 IL-1R mRNA 水平的上調(diào)。相反，TRPV4 拮抗劑會加速 ADAMTS4 和 IL-1R mRNA 的表達。在 20 kPa 的循環(huán)壓力負荷下未觀察到兩種 mRNA 的表達增加 (圖 5)。
 

圖 5

TRPV4 和 IL-1R 的免疫反應(yīng)性隨著循環(huán)壓力的增加而增加

與沒有循環(huán)壓力加載的結(jié)構(gòu)相比，甲苯胺藍染色的 I 型膠原支架中，3D 培養(yǎng)組織在施加循環(huán)壓力后表現(xiàn)出圓形形態(tài) (圖6 a、b)。在3D培養(yǎng)組織中，細胞在0 kPa時延長細胞突起，在40 kPa時細胞突起消失。施加循環(huán)壓力對TRPV4 (圖6 d、e) 和IL-1R (圖6 g、h) 的免疫反應(yīng)顯著增加 (圖6 e、 h)，而沒有循環(huán)壓力加載則沒有增加 (圖6 d、g)。
 

圖 6

實驗結(jié)論：

循環(huán)壓力負荷通過 ROS 在 3D 培養(yǎng)的 ATDC5 細胞中誘導(dǎo) ADAMTS4 和 IL-1R 的 mRNA 表達，并且這受 TRPV4 調(diào)節(jié)。過大的壓力負荷可能會影響 TRPV4 調(diào)節(jié)。這些發(fā)現(xiàn)表明，TRPV4 調(diào)節(jié) IL-1R 的表達水平和隨后由循環(huán)壓力負荷誘導(dǎo)的 IL-1 信號傳導(dǎo)，并參與軟骨穩(wěn)態(tài)。

參考文獻：Takeda Y, Niki Y, Fukuhara Y, Fukuda Y, Udagawa K, Shimoda M, Kikuchi T, Kobayashi S, Harato K, Miyamoto T, Matsumoto M, Nakamura M. Compressive mechanical stress enhances susceptibility to interleukin-1 by increasing interleukin-1 receptor expression in 3D-cultured ATDC5 cells. BMC Musculoskelet Disord. 2021 Mar 1;22(1):238. doi: 10.1186/s12891-021-04095-x. PMID: 33648469; PMCID: PMC7923672.

文章來源：http://www.naturethink.com/?news/135.html

小編旨在分享、學習、交流生物科學等領(lǐng)域的研究進展。如有侵權(quán)或引文不當請聯(lián)系小編修正。微信搜索公眾號“Naturethink”，學習更多關(guān)于流體機械力學刺激細胞培養(yǎng)相關(guān)知識吧！