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

迄今為止，大量研究報(bào)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(huì)引起軟骨細(xì)胞中 Ca²⁺ 水平的瞬時(shí)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(xiàng)研究表明，與正常軟骨細(xì)胞相比，OA 軟骨細(xì)胞中 IL-1 受體 (IL-1R) 的表達(dá)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(xué)醫(yī)學(xué)院骨科系、病理學(xué)系，日本熊本大學(xué)生命科學(xué)研究部骨科系的專家學(xué)者進(jìn)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(dá)會(huì)通過機(jī)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(jī)械傳感器，據(jù)報(bào)道在細(xì)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(fù)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(xì)胞中機(jī)械壓縮應(yīng)力誘導(dǎo)的 IL-1R 表達(dá)，以及 TRPV4 修飾對 IL-1R 表達(dá)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(xì)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(fù)荷 3h 后 0、1、3、6、12 h 時(shí)培養(yǎng)結(jié)構(gòu) ADAMTS4、MMP-3 和 IL-1R mRNA 的表達(dá)水平。定量測定 0、20、40 kPa 循環(huán)壓力加載 3h 后 6h 時(shí) ADAMTS4、MMP-3、IL-6、IL-1β、IL-1R mRNA 表達(dá)水平。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

循環(huán)壓力負(fù)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(dá)水平的時(shí)間過程 。

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(dá)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(dá)水平均在6 h 壓力負(fù)荷40 kPa 時(shí)升高，而在 20 kPa 負(fù)荷下未觀察到這種 mRNA 表達(dá)的增加。無論壓力負(fù)荷的大小，IL-1β mRNA 的表達(dá)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(xì)胞則沒有 ROS 積累。PDTC 是一種抗氧化劑，可顯著防止機(jī)械誘導(dǎo)的 ADAMTS4 和 IL-1R 的 mRNA 表達(dá)。

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

在沒有壓力負(fù)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(dá)增加。雖然少量的 IL-1β (1 pg/ml) 單獨(dú)不能上調(diào) ADAMTS4 和 IL-1R mRNA 的表達(dá)水平，但少量的 IL-1β (1 pg/ml) 與 40-kPa 壓力負(fù)荷的結(jié)合顯著使 ADAMTS4 和 IL-1R mRNA 表達(dá)分別增加了 5 倍和 8 倍。

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

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

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(lán)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)。在 3D 培養(yǎng)組織中，細(xì)胞在 0 kPa 時(shí)延長細(xì)胞突起，在 40 kPa 時(shí)細(xì)胞突起消失。施加循環(huán)壓力對 TRPV4和 IL-1R 的免疫反應(yīng)顯著增加，而沒有循環(huán)壓力加載則沒有增加。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

循環(huán)壓力負(fù)荷通過 ROS 在 3D 培養(yǎng)的 ATDC5 細(xì)胞中誘導(dǎo) ADAMTS4 和 IL-1R 的 mRNA 表達(dá)，并且這受 TRPV4 調(diào)節(jié)。過大的壓力負(fù)荷可能會(huì)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(dá)水平和隨后由循環(huán)壓力負(fù)荷誘導(dǎo)的 IL-1 信號(hào)傳導(dǎo)，并參與軟骨穩(wěn)態(tài)。

參考文獻(xiàn)：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.

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