机械应力决定了关节软骨中TGFβ激活的形态

骨关节炎 (OA) 是最常见的退化性关节疾病，也是导致身体残疾的主要原因。最近的一份报告显示，膝关节 OA 和髋关节 OA 的全球年龄标准化患病率分别为 3.8% 和 0.85% 。由于缺乏改善疾病的治疗，OA 患者通常在经历了数十年的关节疼痛和僵硬后，在疾病末期接受关节置换手术。

近年来，人们对OA的发病机制进行了大量的研究，并发现了许多关节软骨(AC)退化的内在信号通路。然而，针对这些通路，并没有产生任何阻止 AC 退化的疗法。作为骨骼组织，AC 不断受到机械应力的挑战。当 AC 可以缓冲来自动关节的机械力时，它也接收由下方软骨下骨 (SB) 传递的反作用力。

异常的机械负荷是AC退化的主要病因之一。SB和AC之间的生物力学相互作用，以及物理信号转导到生物化学信号的分子和细胞机制仍有待阐明。

近日，来自美国约翰霍普金斯大学骨科系、哥伦比亚大学生物医学工程系等在内的专家团队对此进行了相关研究，在Nature Communications上发表题为《Mechanical stress determines the configuration of TGFβ activation in articular cartilage》的研究论文。

TGFβ 对软骨细胞的合成代谢活性至关重要。有趣的是，TGFβ可能也在AC的机械信号传播中发挥重要作用。TGFβ已被证明能促进软骨细胞增殖和细胞外基质(ECM)蛋白的合成和释放。

在该团队之前的研究中，发现非耦合重塑导致过度的转化生长因子 β (TGFβ) 的激活，从而诱导骨髓腔中骨祖细胞的聚集和血管生成以及在骨关节炎 (OA)发病时软骨下骨(SB)的异常形成。重要的是，在OA动物模型和OA人类模型中，SB 异常与软骨退化高度相关。当 SB 的微结构得到改善时，OA 动物模型中的 AC 退化得到改善，表明正常的 SB 结构对于 AC 的稳态至关重要。然而，在与SB相互作用过程中产生的AC机械信号如何转化为AC稳态或OA退化的生物信号仍然有待研究。

在本研究中，研究了SB的改变如何影响AC的稳态，重点关注在AC中传播机械应力的分子信号通路，特别是在OA发展过程中。

部分实验过程：

αV 整合素介导机械应力诱导的 AC 中 TGFβ 的激活

实验研究了机械应力如何诱导 AC 中 TGFβ 的激活。通过来自正常人和OA患者的αV整合素和pSmad2/3双免疫荧光染色，发现OA-S软骨TGFβ信号通路上调与αVβ6整合素阳性表达相关。在OA-S软骨中，约63%的pSmad2/3+细胞也呈αVβ6阳性，而αVβ6和pSmad2/3双阳性细胞在OA-M和HC组中很少观察到。在OA 动物模型中也观察到类似的结果。

OA小鼠组，AC中pSmad2/3+细胞数量几乎是假手术组小鼠的两倍，αVβ6+细胞显著增加。值得注意的是，pSmad2/3和αVβ6双阳性细胞约占pSmad2/3+细胞的50%，这一比例与pSmad2/3+细胞在软骨细胞总数中的增加相似，这表明αVβ6整合素可能在骨关节炎软骨中增加TGFβ活性方面发挥作用。

其他含α v整合素的免疫组织染色显示，OA小鼠AC中αVβ3和αVβ5整合素阳性的软骨细胞也较假对照组增加，这表明αVβ6可能不是唯一参与骨关节炎AC中TGFβ激活的αv整合素。

机械刺激下αV整合素表达和TGFβ激活之间存在一个正反馈回路

然后，实验研究了αV整合素是否在机械应力诱导的TGFβ激活中起关键作用。我们发现软骨细胞在连续剪切应力作用48小时后，αV整合素的表达显著增加。

此外，机械应力+组中软骨细胞中 pSmad2/3 的水平也增加了。重要的是，在western blot分析中，使用小干扰核糖核酸(siRNA)敲除αV整合素的表达可以消除机械应力诱导的TGFβ的激活。

条件培养基中活性TGFβ水平在机械应力+组中显著增加，而在αV整合素下调组中没有观察到这种现象。

pSmad2和Smad2的免疫荧光染色显示，剪切应力增强了软骨细胞中pSmad2或Smad2核易位水平，敲除αV整合素消除了剪切应力的影响。

αV整合素在软骨细胞中的表达与剪切应力的大小呈正相关，峰值出现在6.58 dynes/cm2。同样，即使当 αV 水平达到稳定时，pSmad2 的水平也随着剪切力的增加而持续增加。

重组TGFβ1刺激αV整合素的表达并抑制TGFβ信号转导。TGFβ- I型受体抑制剂SB-505124同时消除了TGFβ- 和机械应力刺激的αV整合素表达，表明机械刺激下αV整合素表达和TGFβ激活之间存在一个正反馈回路。

实验结果：

实验发现，异常的软骨下骨 (SB) 结构导致关节软骨(AC)上机械应力的重新分布。机械应力的模式与软骨中TGFβ活性的模式密切相关。机械应力显著促进αV整合素介导的TGFβ在软骨细胞中的活化。机械应力负责加强以人踝蛋白为中心的细胞骨架重组和随后的αV整合素激活。敲除αV整合素逆转了异常的TGFβ活化，并减弱了异常机械负荷诱导的骨关节炎 (OA)软骨退化。

参考文献：Zhen G, Guo Q, Li Y, Wu C, Zhu S, Wang R, Guo XE, Kim BC, Huang J, Hu Y, Dan Y, Wan M, Ha T, An S, Cao X. Mechanical stress determines the configuration of TGFβ activation in articular cartilage. Nat Commun. 2021 Mar 17;12(1):1706. doi: 10.1038/s41467-021-21948-0. PMID: 33731712; PMCID: PMC7969741.

原文链接：https://pubmed-ncbi-nlm-nih-gov.proxy.library.carleton.ca/33731712/

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