Mechanical Stress Induces Sodium Entry and Osmoprotective Responses in Murine Synovial Fibroblasts

Keywords: osteoarthritis; sodium chloride; synovial fibroblast.

全世界有數(shù)百萬人患有骨關(guān)節(jié)炎（OA），這是一種慢性退行性關(guān)節(jié)病。膝關(guān)節(jié)是最常受OA影響的關(guān)節(jié)之一，因為它是人體最大的承重關(guān)節(jié)，需要每天承受著來自各方面的機械應(yīng)力。各種關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，包括軟骨和滑膜，都與該病的發(fā)生和進展有顯著關(guān)系。在以往的研究中，機械應(yīng)力因素已經(jīng)與OA的發(fā)展聯(lián)系在一起。雖然適度的機械應(yīng)力對關(guān)節(jié)的保護至關(guān)重要，但異常高水平的非生理性和低效機械應(yīng)力與疾病進展過程有關(guān)。

高鹽飲食或炎癥導(dǎo)致組織鈉濃度的變化在分子水平上影響許多過程，表明鹽平衡在不同細胞類型中起著關(guān)鍵作用。組織中的細胞外Na+ 含量可觸發(fā)滲透保護性轉(zhuǎn)錄因子NFAT5的表達。此外，成纖維細胞經(jīng)歷機械負荷后NFAT5表達也增加。鈉MRI研究顯示，細胞外鈉濃度與細胞外基質(zhì)的OA特征性分解代謝重塑過程之間存在相關(guān)性。滲透保護轉(zhuǎn)錄因子 NFAT5 在細胞外鈉水平調(diào)控方面起決定性的作用。

 鑒于此，德國科隆分子醫(yī)學(xué)研究中心及雷根斯堡大學(xué)醫(yī)院正畸科的研究團隊以參與維持關(guān)節(jié)穩(wěn)態(tài)的滑膜成纖維細胞為研究對象，分析了不同機械負荷方案（靜態(tài)壓縮、間歇拉伸）、細胞外氯化鈉濃度（-20 mM、±0 mM、+50 mM）與炎癥和骨重塑過程之間的關(guān)系，這些過程在OA 發(fā)病機制中的滑膜成纖維細胞中起著關(guān)鍵作用。研究成果發(fā)表在Cells 期刊題為“Mechanical Stress Induces Sodium Entry and Osmoprotective Responses in Murine Synovial Fibroblasts”。

首先，在沒有任何額外機械負荷的情況下，分析了不同細胞外鹽濃度對細胞內(nèi)Na+（Nai+）的影響。細胞外Na+（Nae+）減少 −20 mM使Nai+ 降低（圖1 a），而增加Nae+ 增加 +50 mM使Nai+ 水平升高。滲透保護轉(zhuǎn)錄因子活化T細胞核因子5（Nfat5）在富鹽條件下孵育后基因表達增加（圖1 b）。NFAT5可調(diào)節(jié)炎癥相關(guān)基因Il6和前列腺素內(nèi)過氧化物合酶-2（Ptgs2）的表達。因此，高鹽條件增加了Il6基因的表達和 IL6 蛋白釋放（圖1 c、d），Ptgs2 的 mRNA 表達和PGE2 的分泌也隨著細胞外NaCl含量的增加而上調(diào)（圖1 e、f），但骨保護素（OPG）的mRNA或蛋白質(zhì)水平均未受到影響（圖1 g、h）。與低鹽組相比，添加鹽可增加NF-κB配體的受體激活劑（RANKL）的mRNA表達和蛋白質(zhì)分泌（圖1 i、j）。高鹽條件下 Il6/IL6、Ptgs2/PGE2，Rankl/RANKL 的表達/釋放增加可能指向小鼠膝關(guān)節(jié)滑膜成纖維細胞在暴露于高鹽條件下誘導(dǎo)破骨細胞生成。

 圖1 不同細胞外NaCl濃度48 h對相對Na+i 含量（a）、Nfat5 mRNA（b）、Il6 mRNA（c）和 IL6 蛋白分泌（d）、Ptgs2 mRNA（e）和 PGE2分泌（f）、Opg mRNA（g）和 OPG 蛋白分泌（h），以及 Rankl mRNA（i）和 RANKL 蛋白分泌（j）的影響。

接下來，在不同細胞外鹽含量的培養(yǎng)基中施加靜態(tài)壓縮（2 g/cm2），檢測Nai+ 水平。結(jié)果表明，在未外加NaCl的情況下，Nai+ 在壓縮應(yīng)變后呈上升趨勢（圖2 a）。值得注意的是，Nae+ 的降低伴隨著Nai+ 濃度的降低，而 Nae+ 的增加僅趨于增加 Nai+ 的水平（圖2 a）。Nfat5基因表達通過靜壓刺激增加，并與暴露于靜壓的細胞中的外部NaCl水平相關(guān)（圖2 b）。

Il6 mRNA表達和 IL6 蛋白分泌在施加靜壓時升高（圖2 c、d）。細胞外 NaCl 降低 −20 mM 可減少壓力誘導(dǎo)的 Il6 基因和蛋白質(zhì)表達。在高鹽條件下，Il6 表達或釋放沒有進一步檢測到增加（圖2 c、d）。此外，壓縮應(yīng)變增加 Ptgs2 mRNA 水平和PGE2分泌（圖2 e、f），且PGE2的分泌在額外暴露于高細胞外NaCl條件時進一步增加。在施加靜壓后，額外的細胞外NaCl傾向于進一步提高Ptgs2基因的表達，而額外降低細胞外氯化鈉含量則會減少Ptgs2 mRNA水平（圖2 e）。

滑膜成纖維細胞受壓后Opg mRNA升高（圖2 g）。在靜力作用下，未檢測到細胞外NaCl對Opg基因表達和蛋白質(zhì)水平的顯著附加影響（圖2 h）。此外，壓縮應(yīng)變增加Rankl基因表達和 RANKL 蛋白分泌（圖2 i、j）。在用靜態(tài)壓縮應(yīng)變處理的細胞中，額外的細胞外 NaCl 進一步增加了 RANKL 蛋白分泌（圖2 i、j）。

圖2 靜壓施加過程中不同細胞外NaCl濃度對相對 Na+i（a）、Nfat5（b）、IL6 mRNA（c）和蛋白質(zhì)分泌（d）、Ptgs2 mRNA（e）和 PGE2分泌（f）、OPG mRNA（g）和蛋白質(zhì)分泌（h），以及 RANKL mRNA（i）和蛋白質(zhì)分泌（j）的影響。

最后，實驗研究了間歇性拉伸應(yīng)變（15%，0.5Hz，兩次8h休息，16h拉伸）和細胞外Na+ 對滑膜成纖維細胞的影響。間歇性壓縮應(yīng)變增加 Nai+ 含量和 Nfat5 表達（圖3 a、b）。在這些條件下，Nai+ 水平取決于細胞外NaCl的有效性（圖3 a）。細胞外鹽的減少導(dǎo)致拉伸應(yīng)變后Nfat5 mRNA降低，而在細胞外NaCl水平增加后，間歇性壓縮應(yīng)變處理的細胞中Nfat5水平?jīng)]有顯著影響（圖3 b）。

與靜態(tài)壓縮應(yīng)變相比，間歇性拉伸應(yīng)變降低了 Il6 mRNA 和IL6蛋白分泌（圖3 c、d）。雖然在間歇拉伸負荷后細胞外NaCl對Il6 mRNA基因表達沒有統(tǒng)計學(xué)意義的影響，但細胞外NaCl濃度的增加顯著提高了IL6蛋白分泌（圖3 d）。此外，間歇性拉伸誘導(dǎo)Ptgs2基因表達和PGE2分泌（圖3 e、f），細胞外NaCl的增加增強了這種作用。

RANKL誘餌受體OPG的基因和蛋白表達既不受間歇性拉伸的影響，也不受細胞外NaCl含量增加或減少的影響（圖3 g、h）。間歇性拉伸降低了 Rankl mRNA 水平和 RANKL 分泌（圖3 i、j），這種反應(yīng)不受細胞外NaCl有效性的影響（圖3 i、j）。

圖3 間歇拉伸期間不同細胞外 Na+ 濃度對Nai+ 水平（a）、Nfat5（b）、IL6 mRNA（c）和蛋白質(zhì)分泌（d）、Ptgs2 mRNA（e）和 PGE2分泌（f）OPG mRNA（g）和蛋白質(zhì)分泌（h），以及 RANKL mRNA（i）和蛋白質(zhì)分泌（j）的影響。

總體而言，這項體外研究的數(shù)據(jù)表明，細胞外氯化鈉濃度會影響滑膜成纖維細胞對機械應(yīng)變的反應(yīng)。然而，最有趣的是，研究數(shù)據(jù)顯示，機械應(yīng)力導(dǎo)致 Nai+ 和 Nfat5 水平升高，即使在正常鹽水平條件下。這表明 Nai+ 和Nfat5可能在向細胞傳遞機械應(yīng)激信號方面發(fā)揮重要作用。

參考文獻：Proff A, Nazet U, Schröder A, Jantsch J. Mechanical Stress Induces Sodium Entry and Osmoprotective Responses in Murine Synovial Fibroblasts. Cells. 2024 Mar 13;13(6):496. doi: 10.3390/cells13060496. PMID: 38534340; PMCID: PMC10969659.

原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38534340/

Impact Factor: 5.1 (2023); 5-Year Impact Factor: 6.0 (2023)

Open Access ISSN: 2073-4409

圖片來源：所有圖片均來源于參考文獻

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