機(jī)械應(yīng)力誘導(dǎo)col-I和col-III的合成

目前，越來(lái)越多的老年人患有腰椎管狹窄癥（LSS）。LSS的臨床癥狀包括下肢麻木伴疼痛、腰痛和跛行。LSS通常是由黃韌帶肥厚（LFH）引起的。先前的研究表明，機(jī)械應(yīng)力會(huì)促進(jìn)膠原纖維I（col-I）和膠原纖維III（col-III）的合成，從而有助于LFH。然而，確切的機(jī)制尚不清楚。

根據(jù)先前的一項(xiàng)研究，胰島素樣生長(zhǎng)因子-1（IGF-1）對(duì)合成代謝很重要，并刺激IGF-1R/AKT/mTORC1信號(hào)通路，導(dǎo)致肌肉或骨骼形成。此外，IGF-1升高可促進(jìn)各種組織的肥大，機(jī)械應(yīng)力在IGF-1形成中起著至關(guān)重要的作用。然而，在LFH中，機(jī)械應(yīng)力和IGF-1的關(guān)系尚未得到充分研究。

在南方醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院脊柱外科、足踝外科、創(chuàng)傷骨科等團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)研究中， 假設(shè)機(jī)械應(yīng)力在 IGF-1 合成中起著關(guān)鍵作用。此外，IGF-1 可能通過(guò) IGF-1R/AKT/mTORC1 信號(hào)通路促進(jìn) col-I 和 col-III 的合成。為了驗(yàn)證這些假設(shè)，檢測(cè)col-I和col-III作為L(zhǎng)FH的重要指標(biāo)，并檢查IGF-1R / AKT / mTORC1信號(hào)通路的相關(guān)標(biāo)志物激活。此外，還研究了LFH中機(jī)械應(yīng)力與IGF-1的關(guān)系以及所涉及的潛在機(jī)制。
 

 

首先，免疫熒光染色顯示LFCs表達(dá)高水平的col-I和波形蛋白（vimentin），這表明培養(yǎng)了高度純化的LFCs。在沒(méi)有機(jī)械應(yīng)力的情況下，大多數(shù)LFCs是多邊形的（圖1 a）。在機(jī)械應(yīng)力作用下，LFCs呈梭形并沿應(yīng)力方向排列（圖1 b）。

圖1   有或沒(méi)有機(jī)械應(yīng)力的LFCs的形態(tài)。

（a）LFCs在沒(méi)有機(jī)械應(yīng)力的情況下培養(yǎng)。（b）使用細(xì)胞牽拉系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)組細(xì)胞施加周期性牽拉應(yīng)力，以20% 的牽拉強(qiáng)度牽拉黃韌帶細(xì)胞 10 s，然后停止?fàn)坷?0 s。

 

然后，在應(yīng)力組和非應(yīng)力組中通過(guò)RT-qPCR在6 h、12 h和24 h檢查IGF-1，col-I和col-III的 mRNA。結(jié)果表明，機(jī)械應(yīng)力以時(shí)間依賴性方式上調(diào)IGF-1，col-I和col-III mRNA的產(chǎn)生（圖2 e-g）。此外，通過(guò)ELISA在6 h、12 h和24 h檢查IGF-1，col-I和col-III的蛋白水平。結(jié)果表明，機(jī)械應(yīng)力以時(shí)間依賴性方式增加IGF-1，col-I和col-III蛋白的產(chǎn)生（圖2 h-j）。在應(yīng)力組和非應(yīng)力組中，通過(guò)蛋白質(zhì)印跡分析在6 h、12 h和24 h評(píng)估pIGF-1R、pAKT和pS6的激活情況。結(jié)果表明，機(jī)械應(yīng)力以時(shí)間依賴性方式增加pIGF-1R（圖2 a、b）、pAKT（圖2 a、c）和 pS6（圖2 a、d）的激活。
 

圖2   LFCs中IGF-1R/AKT/mTORC1信號(hào)通路相關(guān)的mRNA和蛋白質(zhì)變化在有或沒(méi)有機(jī)械應(yīng)力作用下。機(jī)械應(yīng)力以時(shí)間依賴性方式上調(diào)了pIGF-1R（a，b），pAKT（a，c）和pS6（a，d）的活化，以及IGF-1（e），col-I（f）和col-III（g）的mRNA水平以及IGF-1（h），col-I（i）和col-III（j）的蛋白質(zhì)水平。

 

接下來(lái)，分別在24 h時(shí)通過(guò)RT-qPCR和ELISA檢查無(wú)應(yīng)力組，應(yīng)力組和應(yīng)力+ 10 μg/ml IGF-1中和抗體組的IGF-1，col-I和col-III的mRNA和蛋白質(zhì)水平。結(jié)果表明，IGF-1中和抗體降低了col-I/col-III的mRNA水平（圖3 f、g），但 IGF-1 沒(méi)有降低（圖3 e）。此外，IGF-1、col-I 和 col-III 蛋白水平被 IGF-1 中和抗體降低（圖3 h-j）。此外，IGF-1中和抗體抑制了pIGF-1R（圖3 a、b）、pAKT（圖3 a、c）和 pS6（圖3 a、d）的活化。
 

圖3   IGF-1中和抗體治療。

IGF-1中和抗體降低了col-I（f）和col-III（g）的mRNA水平，但沒(méi)有降低IGF-1（e）。IGF-1中和抗體還降低了IGF-1（h），col-I（i）和col-III（j）的蛋白質(zhì)表達(dá)。此外，pIGF-1R（a，b），pAKT（a，c）和pS6（a，d）的活化被IGF-1中和抗體降低。

 

此外，在無(wú)應(yīng)力組、應(yīng)力組和應(yīng)力+100ng/ml NVP-AEW541（IGF-1R抑制劑）組分別在24 h時(shí)通過(guò)RT-qPCR和ELISA檢測(cè)IGF-1，col-I和col-III mRNA和蛋白質(zhì)水平。結(jié)果表明，NVP-AEW541降低了col-I/col-III 的mRNA水平（圖4 f、g），但 IGF-1 沒(méi)有降低（圖4 e），并降低了col-I/col-III的蛋白質(zhì)水平（圖4 i、j），但 IGF-1 沒(méi)有降低（圖4 h），而且pIGF-1R（圖4 a、b）、pAKT（圖4 a、c）和 pS6（圖4 a、d）） 的激活被 NVP-AEW541 降低。

圖4   NVP-AEW541治療。

NVP-AEW541降低了col-I（f）和col-III（g）的mRNA水平，但沒(méi)有降低IGF-1（e）的水平。NVP-AEW541降低了col-I（i）和 col-III（j）蛋白水平，但不影響 IGF-1 （h）。此外，NVP-AEW541降低了pIGF-1R（a，b），pAKT（a，c）和pS6（a，d）的活化。

 

最后，在無(wú)應(yīng)力組、應(yīng)力組和應(yīng)力+10 ng/ml雷帕霉素組24 h分別采用RT-qPCR和ELISA檢測(cè)IGF-1、col-I和col-III 的mRNA和蛋白水平。結(jié)果表明，雷帕霉素降低了col-I/col-III的mRNA水平（圖5 d、e），但不影響 IGF-1 （圖5 c），并降低了col-I/col-III的蛋白質(zhì)水平（圖5 g、h），但不影響 IGF-1 （圖5 f）。此外，pS6的誘導(dǎo)被雷帕霉素抑制（圖5 a、b）。

 

圖5   雷帕霉素治療。

雷帕霉素降低了col-I（d）和col-III（e）的mRNA水平，但沒(méi)有降低IGF-1（c）的水平。雷帕霉素降低了col-I（g）和col-III（h）的蛋白質(zhì)水平，但沒(méi)有降低IGF-1（f）的蛋白質(zhì)水平。此外，雷帕霉素降低了pS6（a，b）的活化。

 

圖6   機(jī)械應(yīng)力促進(jìn)膠原纖維I和膠原纖維III合成的潛在機(jī)制。

 

總之，該研究表明，機(jī)械應(yīng)力上調(diào)了IGF-1，col-I和col-III的蛋白和mRNA產(chǎn)生。IGF-1中和抗體、NVP-AEW541、雷帕霉素阻斷了IGF-1R / AKT / mTORC1信號(hào)通路，并減少了LFCs中col-I和col-III的產(chǎn)生。這些發(fā)現(xiàn)表明，循環(huán)機(jī)械應(yīng)力促進(jìn)LFCs分泌IGF-1，通過(guò)IGF-1R / AKT / mTORC1信號(hào)通路誘導(dǎo)col-I和col-III合成（圖6）。這些結(jié)果提供了對(duì)LFH的新理解，并可能有助于開(kāi)發(fā)治療LSS的新方法。

 

參考文獻(xiàn)：Yan B, Zeng C, Chen Y, Huang M, Yao N, Zhang J, Yan B, Tang J, Wang L, Zhang Z. Mechanical Stress-Induced IGF-1 Facilitates col-I and col-III Synthesis via the IGF-1R/AKT/mTORC1 Signaling Pathway. Stem Cells Int. 2021 Dec 6;2021:5553676. doi: 10.1155/2021/5553676. PMID: 34912459; PMCID: PMC8668368.

原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34912459/

 

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