機械應(yīng)變影響鞏膜成纖維細胞中膠原代謝相關(guān)基因的表達

膠原蛋白，主要是 I型膠原蛋白，是鞏膜的主要成分。膠原蛋白重塑是鞏膜重塑和近視發(fā)展的基礎(chǔ)。山東省高校生物藥物重點實驗室（濰坊醫(yī)學(xué)院）以往的研究表明，膠原代謝會影響正視和近視過程中的鞏膜力學(xué)特性和鞏膜重塑。其以往的研究結(jié)果和力學(xué)因素分析的材料力學(xué)基礎(chǔ)理論表明，由于眼壓和鞏膜力學(xué)性能的變化，鞏膜和鞏膜成纖維細胞受到不同的力學(xué)應(yīng)變（圖1 A）。

圖1 A：鞏膜力學(xué)因素分析；B：鞏膜成纖維細胞的機械培養(yǎng)方案。

機械因素是鞏膜生長、軸向伸長，甚至近視的重要原因。近年來的研究表明，眼壓升高會導(dǎo)致鞏膜組織重塑和鞏膜生物力學(xué)特性的變化，以及鞏膜成纖維細胞增殖和鞏膜生長。這些改變可能是由鞏膜組織機械應(yīng)變引起的變化導(dǎo)致的。研究還證實，機械應(yīng)變在體外會引起生物學(xué)行為的變化，例如增殖和凋亡。然而，不同機械應(yīng)變對鞏膜成纖維細胞膠原代謝的影響仍不清楚。

在本研究中，山東省高校生物藥物重點實驗室（濰坊醫(yī)學(xué)院）證明了適當?shù)臋C械應(yīng)變可改善膠原蛋白的沉積，但較高的機械應(yīng)變會促進膠原蛋白的分解，尤其是持續(xù)較高的應(yīng)變。研究還表明，機械應(yīng)變變化介導(dǎo)轉(zhuǎn)化生長因子-β1（TGF-β1）的表達以調(diào)節(jié)鞏膜成纖維細胞中的膠原代謝。這些結(jié)果表明機械應(yīng)變是調(diào)節(jié)鞏膜膠原代謝的重要因素，并推測機械應(yīng)變影響鞏膜組織重塑（圖1 B）。
 

不同應(yīng)變大小影響鞏膜成纖維細胞的膠原代謝

圖2 A、B 顯示鞏膜成纖維細胞中 TGF-β1 和 α1膠原蛋白I 的 mRNA 表達。5% 應(yīng)變組和 10% 應(yīng)變組 TGF-β1 和 α1膠原蛋白I mRNA 表達水平均高于靜態(tài)組；但 15% 應(yīng)變組 TGF-β1 和 α1膠原蛋白I mRNA 表達水平低于靜態(tài)組，但差異不顯著；此外，20% 應(yīng)變組 TGF-β1 和 α1膠原蛋白I mRNA 表達水平顯著低于靜態(tài)組。TGF-β1 和 α1膠原蛋白I 的 mRNA 表達隨著機械應(yīng)變的增加而降低。

上述結(jié)果表明，適當?shù)臋C械應(yīng)變（5%-10% 應(yīng)變振幅）可提高 TGF-β1 和膠原蛋白I 的表達，而較高的機械應(yīng)變（15%-20% 應(yīng)變振幅）可降低 TGF-β1 和膠原蛋白I 的表達。

圖2 C 顯示鞏膜成纖維細胞中基質(zhì)金屬蛋白酶2（MMP-2）mRNA 的表達。5% 應(yīng)變組和 10% 應(yīng)變組 MMP-2 mRNA 表達水平均低于靜態(tài)組；但 15% 應(yīng)變組 MMP-2 mRNA 表達高于靜態(tài)組，20% 應(yīng)變組 MMP-2 mRNA 表達顯著高于靜態(tài)組。鞏膜成纖維細胞中 MMP-2 mRNA 的表達隨著機械應(yīng)變的增加而增加。

圖2 D 顯示鞏膜成纖維細胞中組織金屬蛋白酶抑制劑2（TIMP-2）mRNA 的表達。5% 應(yīng)變組和 10% 應(yīng)變組 TIMP-2 mRNA 表達水平均高于靜態(tài)組；但 15% 應(yīng)變組 TIMP-2 mRNA 表達低于靜態(tài)組，但差異不顯著；20% 應(yīng)變組TIMP-2 mRNA 表達顯著低于靜態(tài)組。TIMP-2 mRNA 表達隨著機械應(yīng)變的增加而降低。

上述結(jié)果表明，適當?shù)臋C械應(yīng)變（5%-10% 應(yīng)變幅度）會改變 MMP-2/TIMP-2 的平衡，降低 MMP-2 的功能，而較高的機械應(yīng)變（15%-20% 應(yīng)變幅度）也會改變 MMP-2/TIMP-2 的平衡，增強 MMP-2 的功能。
 

圖2 不同機械應(yīng)變幅度對鞏膜成纖維細胞中 TGF-β1（A）、α1 膠原蛋白I （B）、MMP-2（C）和 TIMP-2（D）mRNA 表達的影響。

持續(xù)較高的應(yīng)變影響鞏膜成纖維細胞中的膠原代謝

靜置培養(yǎng) 36 h 后，12 h 20% 應(yīng)變組鞏膜成纖維細胞中 TGF-β1、α1 膠原蛋白I、MMP-2、TIMP-2 mRNA 表達的變化均恢復(fù)。持續(xù) 48 h 20% 應(yīng)變組鞏膜成纖維細胞中 TGF-β1、α1 膠原蛋白I 和 TIMP-2 mRNA 表達水平顯著低于靜態(tài)組和 12 h 20% 應(yīng)變組，但 MMP-2 mRNA 表達水平顯著升高（圖3）。

這些結(jié)果表明，持續(xù)較高的應(yīng)變持續(xù)影響鞏膜成纖維細胞中膠原代謝相關(guān)基因的表達，并且短暫的較高的應(yīng)變的影響是可以恢復(fù)的
 

圖3 20% 應(yīng)變對鞏膜成纖維細胞中 TGF-β1（A）、α1 膠原蛋白I（B）、MMP-2（C）和 TIMP-2（D）mRNA 表達的影響分析。

TGF-β1 影響鞏膜成纖維細胞的膠原代謝

TGF-β1 處理的鞏膜成纖維細胞中 α1 膠原蛋白I 和 TIMP-2 mRNA 表達水平顯著增加，而 MMP-2 mRNA 表達水平顯著降低。相比之下，TGF-β1 和 LY364947（TGF-β1 抑制劑）處理的鞏膜成纖維細胞中 α1 膠原蛋白I 和 TIMP-2 mRNA 表達水平顯著降低，而 MMP-2 mRNA 表達水平顯著升高（圖4）。這些結(jié)果表明，TGF-β1 影響鞏膜成纖維細胞中膠原代謝相關(guān)基因的表達。
 

圖4 TGF-β1 和 LY364947 對鞏膜成纖維細胞中α1 膠原蛋白I（A）、MMP-2（B）和 TIMP-2（C）mRNA 表達的影響。

總之，該研究證實，機械應(yīng)變變化介導(dǎo) TGF-β1 表達以調(diào)節(jié)鞏膜成纖維細胞中的膠原代謝，從而影響鞏膜組織重塑。此外，適當?shù)臋C械應(yīng)變有利于鞏膜基質(zhì)沉積，持續(xù)較高的機械應(yīng)變會導(dǎo)致鞏膜基質(zhì)分解。

參考文獻：Xie Y, Ouyang X, Wang G. Mechanical strain affects collagen metabolism-related gene expression in scleral fibroblasts. Biomed Pharmacother. 2020 Jun;126:110095. doi: 10.1016/j.biopha.2020.110095. Epub 2020 Mar 24. PMID: 32217440.
原文鏈接：https://pubmed-ncbi-nlm-nih-gov.proxy.library.carleton.ca/32217440/

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