3D 培养的 ATDC5 细胞中机械压缩应力诱导的 IL-1R 表达

应用于关节软骨的机械过载可能在骨关节炎 (OA) 的发病机制中起重要作用。然而，对机械过载引起的软骨退化的病理机制知之甚少。

迄今为止，大量研究报道了 Interleukin-1β（IL-1β）与 OA 之间存在密切的病理关系。IL-1β 已被证明会引起软骨细胞中 Ca²⁺ 水平的瞬时变化，并通过防止调节性容积回缩来影响对低渗透性压力的反应。此外，之前的一项研究表明，与正常软骨细胞相比，OA 软骨细胞中 IL-1 受体 (IL-1R) 的表达水平翻了一番，这表明 OA 软骨对 IL-1 的敏感性增加。

基于此，日本庆应义塾大学医学院骨科系、病理学系，日本熊本大学生命科学研究部骨科系的专家学者进行了联合研究，假设 IL-1 的敏感性和基质降解酶的表达会通过机械压缩应力和随后的 ROS 诱导而增加，这可能是由 TRPV4 控制的，TRPV4 作为钙通道机械传感器，据报道在细胞体积变化的调节中起重要作用。

该研究使用了 I 型胶原蛋白支架中的 3D 软骨结构和循环负荷生物反应器，可以应用 3D 结构的压缩变形，模拟人体关节软骨的体内环境。该研究旨在评估 3D 培养的 ATDC5 细胞中机械压缩应力诱导的 IL-1R 表达，以及 TRPV4 修饰对 IL-1R 表达的影响。相关研究成果发表在 BMC Musculoskeletal Disorders 题为《Compressive mechanical stress enhances susceptibility to interleukin-1 by increasing interleukin-1 receptor expression in 3D-cultured ATDC5 cells》。

在该研究中，将培养的细胞接种到胶原蛋白支架中，制成 3D 培养的支架。然后在 0.5Hz 下施加 0 kPa、20 kPa 或 40 kPa 的循环压力加载3h。采用 RT-PCR 分析 40 kPa 循环压力负荷 3h 后 0、1、3、6、12 h 时培养结构 ADAMTS4、MMP-3 和 IL-1R mRNA 的表达水平。定量测定 0、20、40 kPa 循环压力加载 3h 后 6h 时 ADAMTS4、MMP-3、IL-6、IL-1β、IL-1R mRNA 表达水平。

实验结果：

循环压力负荷对 3D 培养组织的影响

观察MMP-3、ADAMTS4、IL-1R mRNA 在 40kpa 循环压力加载 3h 后表达水平的时间过程 。

MMP-3 和 ADAMTS4 mRNA 在前 6h内逐渐增加，12h 后降至对照水平。IL-1R mRNA 表达水平在加载1h 后升高，维持至 6h，然后在 12h 后降至对照水平。ADAMTS4、MMP-3、IL-6 和 IL-1R 的 mRNA 表达水平均在6 h 压力负荷40 kPa 时升高，而在 20 kPa 负荷下未观察到这种 mRNA 表达的增加。无论压力负荷的大小，IL-1β mRNA 的表达没有变化。

经循环压力处理的 3D 培养组织表现出 ROS 积累，而无循环压力处理的细胞则没有 ROS 积累。PDTC 是一种抗氧化剂，可显著防止机械诱导的 ADAMTS4 和 IL-1R 的 mRNA 表达。

通过循环压力负荷增加 3D 培养组织的 IL-1 敏感性

在没有压力负荷的情况下，用足量的 IL-1β (10 ng/ml) 处理 3D 培养组织，观察到 ADAMTS4 和 IL-1R mRNA 的表达增加。虽然少量的 IL-1β (1 pg/ml) 单独不能上调 ADAMTS4 和 IL-1R mRNA 的表达水平，但少量的 IL-1β (1 pg/ml) 与 40-kPa 压力负荷的结合显著使 ADAMTS4 和 IL-1R mRNA 表达分别增加了 5 倍和 8 倍。

TRPV4 通道修饰对 3D 培养组织中 ADAMTS4 和 IL-1R mRNA 表达水平的影响

在没有循环压力负荷的情况下，TRPV4 激动剂和拮抗剂都不影响 ADAMTS4 和 IL-1R mRNA 的表达水平。然而，TRPV4 激动剂可抑制由 40 kPa 循环压力负荷诱导的 ADAMTS4 和 IL-1R mRNA 水平的上调。相反，TRPV4 拮抗剂会加速 ADAMTS4 和 IL-1R mRNA 的表达。在 20 kPa 的循环压力负荷下未观察到两种 mRNA 的表达增加。

TRPV4 和 IL-1R 的免疫反应性随着循环压力的增加而增加

与没有循环压力加载的结构相比，甲苯胺蓝染色的 I 型胶原支架中，3D 培养组织在施加循环压力后表现出圆形形态。在 3D 培养组织中，细胞在 0 kPa 时延长细胞突起，在 40 kPa 时细胞突起消失。施加循环压力对 TRPV4和 IL-1R 的免疫反应显著增加，而没有循环压力加载则没有增加。

实验结论：

循环压力负荷通过 ROS 在 3D 培养的 ATDC5 细胞中诱导 ADAMTS4 和 IL-1R 的 mRNA 表达，并且这受 TRPV4 调节。过大的压力负荷可能会影响 TRPV4 调节。这些发现表明，TRPV4 调节 IL-1R 的表达水平和随后由循环压力负荷诱导的 IL-1 信号传导，并参与软骨稳态。

参考文献：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.

原文链接：https://pubmed-ncbi-nlm-nih-gov.proxy.library.carleton.ca/33648469/

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