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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(jī)械反應(yīng)

瀏覽次數(shù):401 發(fā)布日期:2023-11-29  來源:Naturethink
眾所周知,機(jī)械刺激尤其能被機(jī)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(yùn)動(dòng)。對于僅間接負(fù)荷的鄰近組織,這種機(jī)械響應(yīng)性迄今尚未研究。其中一個(gè)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(jī)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(jī)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(dòng)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(dòng)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(jī)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(shí)。研究不同機(jī)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(jī)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(xiàng)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(jī)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(jí)已用于改進(jìn)的機(jī)械加載裝置。為了確認(rèn)這些細(xì)胞中的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)過程,研究評(píng)估了YAP核易位和NMM-II的活化。作為細(xì)胞機(jī)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(jī)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(dòng)結(jié)構(gòu)。了解到這些細(xì)胞可以主動(dòng)感知不同的機(jī)械應(yīng)變信號(hào)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(shí)驗(yàn)測試了滑囊來源細(xì)胞對不同負(fù)荷條件的反應(yīng),評(píng)估了形態(tài)變化、細(xì)胞活力以及細(xì)胞取向變化;襾碓吹募(xì)胞在體外拉伸裝置下以1Hz,1%、5%和10%的機(jī)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(shí)時(shí),細(xì)胞活力在所有加載條件下均保持穩(wěn)定,4小時(shí)時(shí),細(xì)胞活力在10%幅度時(shí)趨于降低,但沒有統(tǒng)計(jì)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(jī)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(jī)械負(fù)荷1和4小時(shí)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(dòng)蛋白細(xì)胞骨架,具有不同的肌動(dòng)蛋白纖維,而在10%負(fù)荷下,細(xì)胞看起來更緊張,肌動(dòng)蛋白密度下降,部分肌動(dòng)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(gè)圖像的平均方向計(jì)算的平均方向角時(shí),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(shí)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(dòng)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(gè)個(gè)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(gè)位置(a、b、c)拍攝的圖像。(C)根據(jù)每個(gè)圖像的平均方向計(jì)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(jìn)一步證明滑囊來源細(xì)胞對機(jī)械負(fù)荷的機(jī)械反應(yīng)性,接下來研究了機(jī)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(qiáng)(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(hào)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(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的部分激活,證明了它們的機(jī)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(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在 3 天時(shí)以 1 Hz 每天 4 小時(shí)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(jì)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(jī)械負(fù)荷調(diào)節(jié)。Versican和Fibromodulin 的表達(dá)在機(jī)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(shí)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(shí)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(shí)導(dǎo)致所有應(yīng)變量級(jí)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(jī)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(shí)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(huì)調(diào)整其ECM分泌和重塑過程,特別是在強(qiáng)烈和長時(shí)間的機(jī)械刺激下。

圖4   在1 Hz下,每天機(jī)械加載1和4小時(shí),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(jī)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(shí)間的10%應(yīng)變刺激似乎會(huì)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(jī)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(shí),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(qiáng)重塑來對高機(jī)械組織應(yīng)變產(chǎn)生反應(yīng)。這項(xiàng)初步研究提供了對滑囊來源細(xì)胞的機(jī)械反應(yīng)性的初步見解,這種組織僅被認(rèn)為是間接機(jī)械負(fù)荷的。因此,關(guān)于滑囊組織作用的觀點(diǎn)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(jī)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(xiàn):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/

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