Nature子刊：通過機械約束調節由軟骨細胞形成的軟骨基質

【引言】

骨關節炎是一種以關節軟骨變性為特征的慢性疾病，是嚴重殘疾的主要原因。由于關節軟骨是無血管性的并且具有有限的內在愈合能力，即使關節軟骨的小缺陷也可能惡化并導致骨關節炎。由含有軟骨細胞的水凝膠形成的軟骨組織可以成為損傷軟骨的替代物。之前的方法經常使用彈性水凝膠。然而，彈性應力可能限制軟骨基質的形成并改變軟骨細胞表型。

【成果簡介】

近日，斯坦福大學Ovijit Chaudhuri（通訊作者）等人研究了粘彈性水凝膠的使用，其中應力隨著時間的推移而松弛，并且表現出蠕變，用于軟骨細胞的三維（3D）培養。發現較快的松弛促進了由軟骨細胞形成的互連軟骨基質體積的顯著增加。在較慢的松弛凝膠中，通過彈性應力限制細胞體積膨脹導致IL-1β的分泌增加，這又導致與軟骨降解和細胞死亡相關的基因的強烈上調。相關成果以題為“Mechanical confinement regulates cartilage matrix formation by chondrocytes”發表在了Nature Materials上。

【圖文導讀】

圖1 水凝膠中更快的應激松弛促進增加軟骨基質的產生和形成較大體積的互連軟骨基質

a，在3kPa水凝膠中培養21天的軟骨細胞的免疫組織化學染色

b，在快速松弛凝膠（τ_1/2 = 63s）培養21天的透明軟骨中的細胞周質基質和豆形軟骨細胞的免疫組織化學染色

c，軟骨細胞構建的每個細胞II型膠原的面積

d，e，培養21天的軟骨細胞產生的膠原蛋白（d）和硫酸化糖胺聚糖（sGAG）（e）的定量

f，g，21天后積累的膠原蛋白（f）和sGAG（g）的定量

圖2 較慢的應激松弛誘導IL-1β的分泌

a，7天后對軟骨細胞的IL-1β基因表達的定量

b，7天后分泌到水凝膠中的IL-1β的定量

c，在IL-1Ra存在（IL-1Ra）或不存在（CNTR）的最緩慢凝膠中培養的軟骨細胞的培養基中的LDH水平

d，e，在IL-1Ra存在下（IL-1Ra）或不存在（CNTR）的MMP₁₃和ADAMTS₄的相對基因表達

圖3 水凝膠應激松弛通過限制細胞體積膨脹和軟骨基質形成來調節軟骨細胞表型

初級軟骨細胞首先在水凝膠包封后膨脹其體積。在彈性水凝膠中，來自固體基質的彈性應力抵抗擴張并限制細胞體積。

【小結】

IL-1β，一種在骨關節炎發病中發揮關鍵作用的促炎細胞因子參與介導水凝膠松弛的影響，這表明與骨關節炎有內在的聯系。因此，這些結果表明在骨關節炎研究期間，PCM的生物物理性質和細胞擴增之間可能存在相互作用。

文獻鏈接：Mechanical confinement regulates cartilage matrix formation by chondrocytes（Nat. Mater.,2017,DOI:10.1038/nmat4993）

本文由材料人生物材料組Allen供稿，材料牛整理編輯。

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