眾suo周zhi，機械刺激尤其能被機械負荷高的組織細胞感知，這些組織直接負責骨骼、肌腱和肌肉的運動。對于僅間接負荷的鄰近組織，這種機械響應性迄今尚未研究。其中一個相鄰的組織是肩峰下滑囊（subacromial bursa），它負責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節中減少摩擦的結構的生理功能，需要了解滑囊來源細胞（bursa-derived cells）的機械反應性。

與具有PDZ結合基序（TAZ）的轉錄共激活因子一起，YAP首先被描述為重要的機械轉換器。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）的組成調節。非肌肉肌球蛋白II（NMM-II）是一種肌動蛋白結合蛋白，在細胞增殖、遷移和粘附中具有重要作用。此外，NMM-II對于ECM剛度的產生以及基質和剪切應力的傳感至關重要。整合素作為跨膜受體將ECM連接到肌動蛋白細胞骨架上。基質金屬蛋白酶（MMPs）及其組織抑制劑（TIMPs）調節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態很重要。MMPs是整合素的下游靶標，其表達在機械刺激下受到調節，這在不同肌肉骨骼細胞類型的體外研究中得到了證實。研究不同機械負荷幅度對ECM形成和重塑的相關性對于了解滑囊對機械應力條件的適應非常重要。

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）、烏爾姆大學骨科研究與生物力學研究所的一項聯合研究，旨在通過研究肩峰下滑囊來源的細胞是否以及如何通過適應基質形成和重塑來響應機械應變，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%）應變量級已用于改進的機械加載裝置。為了確認這些細胞中的機械轉導過程，研究評估了YAP核易位和NMM-II的活化。作為細胞機械反應的數據，關鍵參數包括細胞活性，細胞骨架的方向，與ECM形成和重塑相關的標記物（Col I和III，Versican，Fibromodulin，MMPs和TIMPs）的基因表達，以及部分各自的蛋白質分泌，目標是檢測機械反應的可能的生理和病理極限。目前，滑囊組織被廣泛視為肩關節的被動結構。了解到這些細胞可以主動感知不同的機械應變信號并將其轉導為細胞內反應，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病變的治療策略。

首先，實驗測試了滑囊來源細胞對不同負荷條件的反應，評估了形態變化、細胞活力以及細胞取向變化。滑囊來源的細胞在體外拉伸裝置下以1Hz，1%、5%和10%的機械應變幅度分別加載，發現其加載后沒有明顯的形態變化（圖1 A）。1小時時，細胞活力在所有加載條件下均保持穩定，4小時時，細胞活力在10%幅度時趨于降低，但沒有統計學意義（圖1 B）。

圖1     （A）從硅培養皿中B區（中間）的對照細胞和機械負荷細胞中獲取的滑囊來源細胞形態的代表性圖像。（B）每天機械負荷1和4小時后滑囊來源細胞的細胞活力。

與未刺激的對照組相比，1%和5%負荷組的細胞具有更致密的肌動蛋白細胞骨架，具有不同的肌動蛋白纖維，而在10%負荷下，細胞看起來更緊張，肌動蛋白密度下降，部分肌動蛋白細胞骨架破壞（圖2 A）。雖然定向角度表現出很高的可變性，但從直方圖中可以看出，從對照組和1%負荷組的加載角度到5%和10%負荷組的更高角度的變化（圖2 B）。當研究從每個圖像的平均方向計算的平均方向角時，細胞似乎在最大拉伸（0°）和最大壓縮（90°）應變之間的方向上定向（圖2 C），10%負荷組觀察到的最高平均取向角為53.4°，與對照組（37.5°） 和1%負荷組（40.0°）相比差異顯著（圖2 C）。盡管取向角不同，但5%負荷組觀察到最均勻的細胞取向（圖2 D）。

這些數據表明，滑囊來源的細胞通過適應細胞取向對不同加載條件具有直接反應，并提示在10%負荷條件下誘導病理狀態。

圖2       與未刺激的對照相比，在1 Hz下，以1、5和10%的應變刺激3天，每天4小時后的滑囊來源細胞的形態和取向。（A）所有加載和控制條件下肌動蛋白絲的鬼筆環肽和 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，取自來自五個個體供體（0° = 加載方向，90° = 垂直于加載方向）的硅培養皿中三個位置（a、b、c）拍攝的圖像。（C）根據每個圖像的平均方向計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。

為了進一步證明滑囊來源細胞對機械負荷的機械反應性，接下來研究了機械轉導途徑，在所有刺激條件下檢測YAP激活。結果表明，在 1% 和 5% 負荷組細胞核YAP染色較強（圖3 A）。與對照相比，在1%負荷組中可以觀察到YAP活化顯著增加，如更高的YAPnuc/YAPcyt比率所示，5%負荷組也存在類似的趨勢（圖3 B）。蛋白質印跡檢測觀察到，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%負荷組略有增加，但信號非常弱，無顯著差異（圖3 C）。

這些數據表明，滑囊來源細胞中機械轉導途徑的部分激活，證明了它們的機械反應性，特別是在1%和5%負荷條件下。

圖3    與未刺激的對照相比，滑囊來源細胞中的機械轉導途徑在 3 天時以 1 Hz 每天 4 小時以 1、5% 和 10% 的應變刺激。（A）所有加載和控制條件下的YAP熒光染色的示例圖像。（B）YAP核易位計算為YAP陽性核面積與YAP陽性細胞質面積之間的比率，并給予未刺激對照的倍數。（C）來自蛋白質印跡分析的pMLC條帶和GAPDH參考條帶的代表性圖像。

此外，使用研究了不同負荷條件對ECM形成和重塑重要基因表達的影響。在ECM標志物組中，COL1A1表達在5%和1 h刺激條件下趨于降低，而COL3A1表達不受機械負荷調節。Versican和Fibromodulin 的表達在機械刺激的滑囊來源細胞中保持不變。ITGA1表達不受應變依賴性調節，ITGA2表達在10%和4 h刺激條件下呈應變依賴性趨勢升高。膠原酶MMP1和明膠酶MMP2的表達不受滑囊來源細胞中施加的應變條件的調節。MMP3在刺激1h時表達較低，而在加載4 h后在使用條件下均升高。在測試條件下，TIMP1表達水平在滑囊來源細胞中較高且未變化，而TIMP2表達顯著降低。TIMP2 表達的降低暗示了在較高負荷條件下 MMP/TIMP 的不平衡。

最后，在蛋白質水平上研究了不同負荷條件對滑囊來源細胞的影響。與1%負荷相比，10%負荷1小時后，滑囊來源細胞的Col I分泌顯著增加，與對照組相比，每天加載4小時導致所有應變量級的Col I分泌相等（圖4 A）。MMP1分泌非常低，在4 h刺激組中才發現輕微的應變依賴性增加（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蛋白分泌不受機械負荷的顯著調節，但與對照相比，在5%負荷的1小時刺激下觀察到減少的趨勢（圖4 D）。

這些數據清楚地表明，滑囊來源的細胞會調整其ECM分泌和重塑過程，特別是在強烈和長時間的機械刺激下。

圖4   在1 Hz下，每天機械加載1和4小時，持續 3 天后滑囊來源細胞分泌的 Col I （A）、MMP1 （B）、MMP2 （C） 和 TIMP1 （D） 的蛋白質分泌。

總之，該研究的結果表明，滑囊來源細胞具有明顯的機械反應性，這可以通過它們的細胞骨架組織、YAP激活以及ECM形成和重塑的增加來證明。超過“生理應變"極限，長時間的10%應變刺激似乎會在這些細胞中誘導超負荷狀態。這也表明滑囊組織及其包裹的細胞對特定的機械應變值高度敏感。在尋找與ECM形成和重塑的適應性相關的應變調節時，很明顯，較高的應變幅度導致Col I分泌增加和MMP活性增加，MMP/TIMP失衡。這些發現表明，滑囊來源的細胞通過調整其基質轉換和增強重塑來對高機械組織應變產生反應。這項初步研究提供了對滑囊來源細胞的機械反應性的初步見解，這種組織僅被認為是間接機械負荷的。因此，關于滑囊組織作用的觀點可能需要改變，并且更詳細地去了解生理學和病理學中的機械反應性是相關的，以便更全面地了解滑囊在肩關節中的作用。

參考文獻：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：pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34136480/

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