机械应变影响巩膜成纤维细胞中胶原代谢相关基因的表达

胶原蛋白，主要是 I型胶原蛋白，是巩膜的主要成分。胶原蛋白重塑是巩膜重塑和近视发展的基础。山东省高校生物药物重点实验室（潍坊医学院）以往的研究表明，胶原代谢会影响正视和近视过程中的巩膜力学特性和巩膜重塑。其以往的研究结果和力学因素分析的材料力学基础理论表明，由于眼压和巩膜力学性能的变化，巩膜和巩膜成纤维细胞受到不同的力学应变（图1 A）。

图1 A：巩膜力学因素分析；B：巩膜成纤维细胞的机械培养方案。

机械因素是巩膜生长、轴向伸长，甚至近视的重要原因。近年来的研究表明，眼压升高会导致巩膜组织重塑和巩膜生物力学特性的变化，以及巩膜成纤维细胞增殖和巩膜生长。这些改变可能是由巩膜组织机械应变引起的变化导致的。研究还证实，机械应变在体外会引起生物学行为的变化，例如增殖和凋亡。然而，不同机械应变对巩膜成纤维细胞胶原代谢的影响仍不清楚。

在本研究中，山东省高校生物药物重点实验室（潍坊医学院）证明了适当的机械应变可改善胶原蛋白的沉积，但较高的机械应变会促进胶原蛋白的分解，尤其是持续较高的应变。研究还表明，机械应变变化介导转化生长因子-β1（TGF-β1）的表达以调节巩膜成纤维细胞中的胶原代谢。这些结果表明机械应变是调节巩膜胶原代谢的重要因素，并推测机械应变影响巩膜组织重塑（图1 B）。

不同应变大小影响巩膜成纤维细胞的胶原代谢

图2 A、B 显示巩膜成纤维细胞中 TGF-β1 和 α1胶原蛋白I 的 mRNA 表达。5% 应变组和 10% 应变组 TGF-β1 和 α1胶原蛋白I mRNA 表达水平均高于静态组；但 15% 应变组 TGF-β1 和 α1胶原蛋白I mRNA 表达水平低于静态组，但差异不显著；此外，20% 应变组 TGF-β1 和 α1胶原蛋白I mRNA 表达水平显著低于静态组。TGF-β1 和 α1胶原蛋白I 的 mRNA 表达随着机械应变的增加而降低。

上述结果表明，适当的机械应变（5%-10% 应变振幅）可提高 TGF-β1 和胶原蛋白I 的表达，而较高的机械应变（15%-20% 应变振幅）可降低 TGF-β1 和胶原蛋白I 的表达。

图2 C 显示巩膜成纤维细胞中基质金属蛋白酶2（MMP-2）mRNA 的表达。5% 应变组和 10% 应变组 MMP-2 mRNA 表达水平均低于静态组；但 15% 应变组 MMP-2 mRNA 表达高于静态组，20% 应变组 MMP-2 mRNA 表达显著高于静态组。巩膜成纤维细胞中 MMP-2 mRNA 的表达随着机械应变的增加而增加。

图2 D 显示巩膜成纤维细胞中组织金属蛋白酶抑制剂2（TIMP-2）mRNA 的表达。5% 应变组和 10% 应变组 TIMP-2 mRNA 表达水平均高于静态组；但 15% 应变组 TIMP-2 mRNA 表达低于静态组，但差异不显著；20% 应变组TIMP-2 mRNA 表达显著低于静态组。TIMP-2 mRNA 表达随着机械应变的增加而降低。

上述结果表明，适当的机械应变（5%-10% 应变幅度）会改变 MMP-2/TIMP-2 的平衡，降低 MMP-2 的功能，而较高的机械应变（15%-20% 应变幅度）也会改变 MMP-2/TIMP-2 的平衡，增强 MMP-2 的功能。

图2 不同机械应变幅度对巩膜成纤维细胞中 TGF-β1（A）、α1 胶原蛋白I （B）、MMP-2（C）和 TIMP-2（D）mRNA 表达的影响。

持续较高的应变影响巩膜成纤维细胞中的胶原代谢

静置培养 36 h 后，12 h 20% 应变组巩膜成纤维细胞中 TGF-β1、α1 胶原蛋白I、MMP-2、TIMP-2 mRNA 表达的变化均恢复。持续 48 h 20% 应变组巩膜成纤维细胞中 TGF-β1、α1 胶原蛋白I 和 TIMP-2 mRNA 表达水平显著低于静态组和 12 h 20% 应变组，但 MMP-2 mRNA 表达水平显著升高（图3）。

这些结果表明，持续较高的应变持续影响巩膜成纤维细胞中胶原代谢相关基因的表达，并且短暂的较高的应变的影响是可以恢复的。

图3 20% 应变对巩膜成纤维细胞中 TGF-β1（A）、α1 胶原蛋白I（B）、MMP-2（C）和 TIMP-2（D）mRNA 表达的影响分析。

TGF-β1 影响巩膜成纤维细胞的胶原代谢

TGF-β1 处理的巩膜成纤维细胞中 α1 胶原蛋白I 和 TIMP-2 mRNA 表达水平显著增加，而 MMP-2 mRNA 表达水平显著降低。相比之下，TGF-β1 和 LY364947（TGF-β1 抑制剂）处理的巩膜成纤维细胞中 α1 胶原蛋白I 和 TIMP-2 mRNA 表达水平显著降低，而 MMP-2 mRNA 表达水平显著升高（图4）。这些结果表明，TGF-β1 影响巩膜成纤维细胞中胶原代谢相关基因的表达。

图4 TGF-β1 和 LY364947 对巩膜成纤维细胞中α1 胶原蛋白I（A）、MMP-2（B）和 TIMP-2（C）mRNA 表达的影响。

总之，该研究证实，机械应变变化介导 TGF-β1 表达以调节巩膜成纤维细胞中的胶原代谢，从而影响巩膜组织重塑。此外，适当的机械应变有利于巩膜基质沉积，持续较高的机械应变会导致巩膜基质分解。

参考文献：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.

原文链接：https://pubmed-ncbi-nlm-nih-gov.proxy.library.carleton.ca/32217440/

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