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

Keywords: osteoarthritis; sodium chloride; synovial fibroblast.

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

高鹽飲食或炎癥導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)學研究中心及雷根斯堡大學醫(yī)院正畸科的研究團隊以參與維持關節(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節(jié)滑膜成纖維細胞在暴露于高鹽條件下誘導破骨細胞生成。

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（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）,。細胞外鹽的減少導致拉伸應變后Nfat5 mRNA降低，而在細胞外NaCl水平增加后,，間歇性壓縮應變處理的細胞中Nfat5水平?jīng)]有顯著影響（圖3 b）,。

與靜態(tài)壓縮應變相比,，間歇性拉伸應變降低了 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變的反應,。然而，最有趣的是,，研究數(shù)據(jù)顯示,，機械應力導致 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激信號方面發(fā)揮重要作用,。

參考文獻：Proff A, Nazet U, Schr?der 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.

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