滑囊來源的細(xì)胞在體外對生理和病理負(fù)荷表現(xiàn)出明顯的機械反應(yīng)
眾所周知，機械刺激尤其能被機械負(fù)荷高的組織細(xì)胞感知，這些組織直接負(fù)責(zé)骨骼、肌腱和肌肉的運動。對于僅間接負(fù)荷的鄰近組織，這種機械響應(yīng)性迄今尚未研究。其中一個相鄰的組織是肩峰下滑囊（subacromial bursa），它負(fù)責(zé)減少肩袖肌腱和肩峰之間的摩擦。為了更好地理解肩峰下滑囊作為肩關(guān)節(jié)中減少摩擦的結(jié)構(gòu)的生理功能，需要了解滑囊來源細(xì)胞（bursa-derived cells）的機械反應(yīng)性。
與具有PDZ結(jié)合基序（TAZ）的轉(zhuǎn)錄共激活因子一起，YAP首先被描述為重要的機械轉(zhuǎn)換器。YAP活化高度依賴于ECM剛度，而ECM剛度又受ECM成分（如膠原蛋白和蛋白聚糖）的組成調(diào)節(jié)。非肌肉肌球蛋白II（NMM-II）是一種肌動蛋白結(jié)合蛋白，在細(xì)胞增殖、遷移和粘附中具有重要作用。此外，NMM-II對于ECM剛度的產(chǎn)生以及基質(zhì)和剪切應(yīng)力的傳感至關(guān)重要。整合素作為跨膜受體將ECM連接到肌動蛋白細(xì)胞骨架上�；|(zhì)金屬蛋白酶（MMPs）及其組織抑制劑（TIMPs）調(diào)節(jié)各種組織的建模和重塑，MMPs和TIMPs之間的平衡對于維持組織穩(wěn)態(tài)很重要。MMPs是整合素的下游靶標(biāo)，其表達(dá)在機械刺激下受到調(diào)節(jié)，這在不同肌肉骨骼細(xì)胞類型的體外研究中得到了證實。研究不同機械負(fù)荷幅度對ECM形成和重塑的相關(guān)性對于了解滑囊對機械應(yīng)力條件的適應(yīng)非常重要。
基于此，德國柏林朱利葉斯·沃爾夫研究所、BIH再生療法中心（BCRT）、烏爾姆大學(xué)骨科研究與生物力學(xué)研究所的一項聯(lián)合研究，旨在通過研究肩峰下滑囊來源的細(xì)胞是否以及如何通過適應(yīng)基質(zhì)形成和重塑來響應(yīng)機械應(yīng)變，從而提高對其作為減少摩擦組織的生理作用的理解。低（1%），中（5%）和高（10%）應(yīng)變量級已用于改進的機械加載裝置。為了確認(rèn)這些細(xì)胞中的機械轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，研究評估了YAP核易位和NMM-II的活化。作為細(xì)胞機械反應(yīng)的數(shù)據(jù)，關(guān)鍵參數(shù)包括細(xì)胞活性，細(xì)胞骨架的方向，與ECM形成和重塑相關(guān)的標(biāo)記物（Col I和III，Versican，F(xiàn)ibromodulin，MMPs和TIMPs）的基因表達(dá)，以及部分各自的蛋白質(zhì)分泌，目標(biāo)是檢測機械反應(yīng)的可能的生理和病理極限。目前，滑囊組織被廣泛視為肩關(guān)節(jié)的被動結(jié)構(gòu)。了解到這些細(xì)胞可以主動感知不同的機械應(yīng)變信號并將其轉(zhuǎn)導(dǎo)為細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)，對該組織的新解釋可能是必要的，并最終幫助目前肩峰下滑囊相關(guān)病變的治療策略。
首先，實驗測試了滑囊來源細(xì)胞對不同負(fù)荷條件的反應(yīng)，評估了形態(tài)變化、細(xì)胞活力以及細(xì)胞取向變化。滑囊來源的細(xì)胞在體外拉伸裝置下以1Hz，1%、5%和10%的機械應(yīng)變幅度分別加載，發(fā)現(xiàn)其加載后沒有明顯的形態(tài)變化（圖1 A）。1小時時，細(xì)胞活力在所有加載條件下均保持穩(wěn)定，4小時時，細(xì)胞活力在10%幅度時趨于降低，但沒有統(tǒng)計學(xué)意義（圖1 B）。
與未刺激的對照組相比，1%和5%負(fù)荷組的細(xì)胞具有更致密的肌動蛋白細(xì)胞骨架，具有不同的肌動蛋白纖維，而在10%負(fù)荷下，細(xì)胞看起來更緊張，肌動蛋白密度下降，部分肌動蛋白細(xì)胞骨架破壞（圖2 A）。雖然定向角度表現(xiàn)出很高的可變性，但從直方圖中可以看出，從對照組和1%負(fù)荷組的加載角度到5%和10%負(fù)荷組的更高角度的變化（圖2 B）。當(dāng)研究從每個圖像的平均方向計算的平均方向角時，細(xì)胞似乎在最大拉伸（0°）和最大壓縮（90°）應(yīng)變之間的方向上定向（圖2 C），10%負(fù)荷組觀察到的最高平均取向角為53.4°，與對照組（37.5°） 和1%負(fù)荷組（40.0°）相比差異顯著（圖2 C）。盡管取向角不同，但5%負(fù)荷組觀察到最均勻的細(xì)胞取向（圖2 D）。
這些數(shù)據(jù)表明，滑囊來源的細(xì)胞通過適應(yīng)細(xì)胞取向?qū)Σ煌虞d條件具有直接反應(yīng)，并提示在10%負(fù)荷條件下誘導(dǎo)病理狀態(tài)。
圖2 與未刺激的對照相比，在1 Hz下，以1、5和10%的應(yīng)變刺激3天，每天4小時后的滑囊來源細(xì)胞的形態(tài)和取向。（A）所有加載和控制條件下肌動蛋白絲的鬼筆環(huán)肽和 DAPI 染色的代表性z-stack 圖像。（B）使用 FibrilTool 宏測量的取向角的總頻率，取自來自五個個體供體（0° = 加載方向，90° = 垂直于加載方向）的硅培養(yǎng)皿中三個位置（a、b、c）拍攝的圖像。（C）根據(jù)每個圖像的平均方向計算的所有加載條件的平均方向角，并以絕對度值給出。（D）與平均取向角的平均偏差。
為了進一步證明滑囊來源細(xì)胞對機械負(fù)荷的機械反應(yīng)性，接下來研究了機械轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，在所有刺激條件下檢測YAP激活。結(jié)果表明，在 1% 和 5% 負(fù)荷組細(xì)胞核YAP染色較強（圖3 A）。與對照相比，在1%負(fù)荷組中可以觀察到Y(jié)AP活化顯著增加，如更高的YAPnuc/YAPcyt比率所示，5%負(fù)荷組也存在類似的趨勢（圖3 B）。蛋白質(zhì)印跡檢測觀察到，MLC磷酸化對NMM-II的激活與YAP活化相比顯示出相似的趨勢，1%和5%負(fù)荷組略有增加，但信號非常弱，無顯著差異（圖3 C）。
這些數(shù)據(jù)表明，滑囊來源細(xì)胞中機械轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的部分激活，證明了它們的機械反應(yīng)性，特別是在1%和5%負(fù)荷條件下。
圖3 與未刺激的對照相比，滑囊來源細(xì)胞中的機械轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在 3 天時以 1 Hz 每天 4 小時以 1、5% 和 10% 的應(yīng)變刺激。（A）所有加載和控制條件下的YAP熒光染色的示例圖像。（B）YAP核易位計算為YAP陽性核面積與YAP陽性細(xì)胞質(zhì)面積之間的比率，并給予未刺激對照的倍數(shù)。（C）來自蛋白質(zhì)印跡分析的pMLC條帶和GAPDH參考條帶的代表性圖像。
此外，使用研究了不同負(fù)荷條件對ECM形成和重塑重要基因表達(dá)的影響。在ECM標(biāo)志物組中，COL1A1表達(dá)在5%和1 h刺激條件下趨于降低，而COL3A1表達(dá)不受機械負(fù)荷調(diào)節(jié)。Versican和Fibromodulin 的表達(dá)在機械刺激的滑囊來源細(xì)胞中保持不變。ITGA1表達(dá)不受應(yīng)變依賴性調(diào)節(jié)，ITGA2表達(dá)在10%和4 h刺激條件下呈應(yīng)變依賴性趨勢升高。膠原酶MMP1和明膠酶MMP2的表達(dá)不受滑囊來源細(xì)胞中施加的應(yīng)變條件的調(diào)節(jié)。MMP3在刺激1h時表達(dá)較低，而在加載4 h后在使用條件下均升高。在測試條件下，TIMP1表達(dá)水平在滑囊來源細(xì)胞中較高且未變化，而TIMP2表達(dá)顯著降低。TIMP2 表達(dá)的降低暗示了在較高負(fù)荷條件下 MMP/TIMP 的不平衡。
最后，在蛋白質(zhì)水平上研究了不同負(fù)荷條件對滑囊來源細(xì)胞的影響。與1%負(fù)荷相比，10%負(fù)荷1小時后，滑囊來源細(xì)胞的Col I分泌顯著增加，與對照組相比，每天加載4小時導(dǎo)致所有應(yīng)變量級的Col I分泌相等（圖4 A）。MMP1分泌非常低，在4 h刺激組中才發(fā)現(xiàn)輕微的應(yīng)變依賴性增加（圖4 B），MMP2分泌顯示出所有分析的MMPs中最高的蛋白質(zhì)水平（圖4 C），MMP3分泌在所有樣品中均低于測定的檢測限。TIMP1蛋白分泌不受機械負(fù)荷的顯著調(diào)節(jié)，但與對照相比，在5%負(fù)荷的1小時刺激下觀察到減少的趨勢（圖4 D）。
這些數(shù)據(jù)清楚地表明，滑囊來源的細(xì)胞會調(diào)整其ECM分泌和重塑過程，特別是在強烈和長時間的機械刺激下。
圖4 在1 Hz下，每天機械加載1和4小時，持續(xù) 3 天后滑囊來源細(xì)胞分泌的 Col I （A）、MMP1 （B）、MMP2 （C） 和 TIMP1 （D） 的蛋白質(zhì)分泌。
總之，該研究的結(jié)果表明，滑囊來源細(xì)胞具有明顯的機械反應(yīng)性，這可以通過它們的細(xì)胞骨架組織、YAP激活以及ECM形成和重塑的增加來證明。超過“生理應(yīng)變”極限，長時間的10%應(yīng)變刺激似乎會在這些細(xì)胞中誘導(dǎo)超負(fù)荷狀態(tài)。這也表明滑囊組織及其包裹的細(xì)胞對特定的機械應(yīng)變值高度敏感。在尋找與ECM形成和重塑的適應(yīng)性相關(guān)的應(yīng)變調(diào)節(jié)時，很明顯，較高的應(yīng)變幅度導(dǎo)致Col I分泌增加和MMP活性增加，MMP/TIMP失衡。這些發(fā)現(xiàn)表明，滑囊來源的細(xì)胞通過調(diào)整其基質(zhì)轉(zhuǎn)換和增強重塑來對高機械組織應(yīng)變產(chǎn)生反應(yīng)。這項初步研究提供了對滑囊來源細(xì)胞的機械反應(yīng)性的初步見解，這種組織僅被認(rèn)為是間接機械負(fù)荷的。因此，關(guān)于滑囊組織作用的觀點可能需要改變，并且更詳細(xì)地去了解生理學(xué)和病理學(xué)中的機械反應(yīng)性是相關(guān)的，以便更全面地了解滑囊在肩關(guān)節(jié)中的作用。
參考文獻：Klatte-Schulz F, Bormann N, Voss I, Melzer J, Schmock A, Bucher CH, Thiele K, Moroder P, Haffner-Luntzer M, Ignatius A, Duda GN, Wildemann B. Bursa-Derived Cells Show a Distinct Mechano-Response to Physiological and Pathological Loading in vitro. Front Cell Dev Biol. 2021 May 31;9:657166. doi: 10.3389/fcell.2021.657166. PMID: 34136480; PMCID: PMC8201779.
原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34136480/
小編旨在分享、學(xué)習(xí)、交流生物科學(xué)等領(lǐng)域的研究進展。如有侵權(quán)或引文不當(dāng)請聯(lián)系小編修正。如有任何的想法以及建議，歡迎聯(lián)系小編。感謝各位的瀏覽以及關(guān)注！
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與具有PDZ結(jié)合基序（TAZ）的轉(zhuǎn)錄共激活因子一起，YAP首先被描述為重要的機械轉(zhuǎn)換器。YAP活化高度依賴于ECM剛度，而ECM剛度又受ECM成分（如膠原蛋白和蛋白聚糖）的組成調(diào)節(jié)。非肌肉肌球蛋白II（NMM-II）是一種肌動蛋白結(jié)合蛋白，在細(xì)胞增殖、遷移和粘附中具有重要作用。此外，NMM-II對于ECM剛度的產(chǎn)生以及基質(zhì)和剪切應(yīng)力的傳感至關(guān)重要。整合素作為跨膜受體將ECM連接到肌動蛋白細(xì)胞骨架上�；|(zhì)金屬蛋白酶（MMPs）及其組織抑制劑（TIMPs）調(diào)節(jié)各種組織的建模和重塑，MMPs和TIMPs之間的平衡對于維持組織穩(wěn)態(tài)很重要。MMPs是整合素的下游靶標(biāo)，其表達(dá)在機械刺激下受到調(diào)節(jié)，這在不同肌肉骨骼細(xì)胞類型的體外研究中得到了證實。研究不同機械負(fù)荷幅度對ECM形成和重塑的相關(guān)性對于了解滑囊對機械應(yīng)力條件的適應(yīng)非常重要。
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首先，實驗測試了滑囊來源細(xì)胞對不同負(fù)荷條件的反應(yīng)，評估了形態(tài)變化、細(xì)胞活力以及細(xì)胞取向變化。滑囊來源的細(xì)胞在體外拉伸裝置下以1Hz，1%、5%和10%的機械應(yīng)變幅度分別加載，發(fā)現(xiàn)其加載后沒有明顯的形態(tài)變化（圖1 A）。1小時時，細(xì)胞活力在所有加載條件下均保持穩(wěn)定，4小時時，細(xì)胞活力在10%幅度時趨于降低，但沒有統(tǒng)計學(xué)意義（圖1 B）。
圖1 （A）從硅培養(yǎng)皿中B區(qū)（中間）的對照細(xì)胞和機械負(fù)荷細(xì)胞中獲取的滑囊來源細(xì)胞形態(tài)的代表性圖像。（B）每天機械負(fù)荷1和4小時后滑囊來源細(xì)胞的細(xì)胞活力。
與未刺激的對照組相比，1%和5%負(fù)荷組的細(xì)胞具有更致密的肌動蛋白細(xì)胞骨架，具有不同的肌動蛋白纖維，而在10%負(fù)荷下，細(xì)胞看起來更緊張，肌動蛋白密度下降，部分肌動蛋白細(xì)胞骨架破壞（圖2 A）。雖然定向角度表現(xiàn)出很高的可變性，但從直方圖中可以看出，從對照組和1%負(fù)荷組的加載角度到5%和10%負(fù)荷組的更高角度的變化（圖2 B）。當(dāng)研究從每個圖像的平均方向計算的平均方向角時，細(xì)胞似乎在最大拉伸（0°）和最大壓縮（90°）應(yīng)變之間的方向上定向（圖2 C），10%負(fù)荷組觀察到的最高平均取向角為53.4°，與對照組（37.5°） 和1%負(fù)荷組（40.0°）相比差異顯著（圖2 C）。盡管取向角不同，但5%負(fù)荷組觀察到最均勻的細(xì)胞取向（圖2 D）。
這些數(shù)據(jù)表明，滑囊來源的細(xì)胞通過適應(yīng)細(xì)胞取向?qū)Σ煌虞d條件具有直接反應(yīng)，并提示在10%負(fù)荷條件下誘導(dǎo)病理狀態(tài)。
為了進一步證明滑囊來源細(xì)胞對機械負(fù)荷的機械反應(yīng)性，接下來研究了機械轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，在所有刺激條件下檢測YAP激活。結(jié)果表明，在 1% 和 5% 負(fù)荷組細(xì)胞核YAP染色較強（圖3 A）。與對照相比，在1%負(fù)荷組中可以觀察到Y(jié)AP活化顯著增加，如更高的YAPnuc/YAPcyt比率所示，5%負(fù)荷組也存在類似的趨勢（圖3 B）。蛋白質(zhì)印跡檢測觀察到，MLC磷酸化對NMM-II的激活與YAP活化相比顯示出相似的趨勢，1%和5%負(fù)荷組略有增加，但信號非常弱，無顯著差異（圖3 C）。
這些數(shù)據(jù)表明，滑囊來源細(xì)胞中機械轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的部分激活，證明了它們的機械反應(yīng)性，特別是在1%和5%負(fù)荷條件下。
此外，使用研究了不同負(fù)荷條件對ECM形成和重塑重要基因表達(dá)的影響。在ECM標(biāo)志物組中，COL1A1表達(dá)在5%和1 h刺激條件下趨于降低，而COL3A1表達(dá)不受機械負(fù)荷調(diào)節(jié)。Versican和Fibromodulin 的表達(dá)在機械刺激的滑囊來源細(xì)胞中保持不變。ITGA1表達(dá)不受應(yīng)變依賴性調(diào)節(jié)，ITGA2表達(dá)在10%和4 h刺激條件下呈應(yīng)變依賴性趨勢升高。膠原酶MMP1和明膠酶MMP2的表達(dá)不受滑囊來源細(xì)胞中施加的應(yīng)變條件的調(diào)節(jié)。MMP3在刺激1h時表達(dá)較低，而在加載4 h后在使用條件下均升高。在測試條件下，TIMP1表達(dá)水平在滑囊來源細(xì)胞中較高且未變化，而TIMP2表達(dá)顯著降低。TIMP2 表達(dá)的降低暗示了在較高負(fù)荷條件下 MMP/TIMP 的不平衡。
最后，在蛋白質(zhì)水平上研究了不同負(fù)荷條件對滑囊來源細(xì)胞的影響。與1%負(fù)荷相比，10%負(fù)荷1小時后，滑囊來源細(xì)胞的Col I分泌顯著增加，與對照組相比，每天加載4小時導(dǎo)致所有應(yīng)變量級的Col I分泌相等（圖4 A）。MMP1分泌非常低，在4 h刺激組中才發(fā)現(xiàn)輕微的應(yīng)變依賴性增加（圖4 B），MMP2分泌顯示出所有分析的MMPs中最高的蛋白質(zhì)水平（圖4 C），MMP3分泌在所有樣品中均低于測定的檢測限。TIMP1蛋白分泌不受機械負(fù)荷的顯著調(diào)節(jié)，但與對照相比，在5%負(fù)荷的1小時刺激下觀察到減少的趨勢（圖4 D）。
這些數(shù)據(jù)清楚地表明，滑囊來源的細(xì)胞會調(diào)整其ECM分泌和重塑過程，特別是在強烈和長時間的機械刺激下。
總之，該研究的結(jié)果表明，滑囊來源細(xì)胞具有明顯的機械反應(yīng)性，這可以通過它們的細(xì)胞骨架組織、YAP激活以及ECM形成和重塑的增加來證明。超過“生理應(yīng)變”極限，長時間的10%應(yīng)變刺激似乎會在這些細(xì)胞中誘導(dǎo)超負(fù)荷狀態(tài)。這也表明滑囊組織及其包裹的細(xì)胞對特定的機械應(yīng)變值高度敏感。在尋找與ECM形成和重塑的適應(yīng)性相關(guān)的應(yīng)變調(diào)節(jié)時，很明顯，較高的應(yīng)變幅度導(dǎo)致Col I分泌增加和MMP活性增加，MMP/TIMP失衡。這些發(fā)現(xiàn)表明，滑囊來源的細(xì)胞通過調(diào)整其基質(zhì)轉(zhuǎn)換和增強重塑來對高機械組織應(yīng)變產(chǎn)生反應(yīng)。這項初步研究提供了對滑囊來源細(xì)胞的機械反應(yīng)性的初步見解，這種組織僅被認(rèn)為是間接機械負(fù)荷的。因此，關(guān)于滑囊組織作用的觀點可能需要改變，并且更詳細(xì)地去了解生理學(xué)和病理學(xué)中的機械反應(yīng)性是相關(guān)的，以便更全面地了解滑囊在肩關(guān)節(jié)中的作用。
參考文獻：Klatte-Schulz F, Bormann N, Voss I, Melzer J, Schmock A, Bucher CH, Thiele K, Moroder P, Haffner-Luntzer M, Ignatius A, Duda GN, Wildemann B. Bursa-Derived Cells Show a Distinct Mechano-Response to Physiological and Pathological Loading in vitro. Front Cell Dev Biol. 2021 May 31;9:657166. doi: 10.3389/fcell.2021.657166. PMID: 34136480; PMCID: PMC8201779.
原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34136480/
小編旨在分享、學(xué)習(xí)、交流生物科學(xué)等領(lǐng)域的研究進展。如有侵權(quán)或引文不當(dāng)請聯(lián)系小編修正。如有任何的想法以及建議，歡迎聯(lián)系小編。感謝各位的瀏覽以及關(guān)注！
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