Nature子刊：通过机械约束调节由软骨细胞形成的软骨基质

【引言】

骨关节炎是一种以关节软骨变性为特征的慢性疾病，是严重残疾的主要原因。由于关节软骨是无血管性的并且具有有限的内在愈合能力，即使关节软骨的小缺陷也可能恶化并导致骨关节炎。由含有软骨细胞的水凝胶形成的软骨组织可以成为损伤软骨的替代物。之前的方法经常使用弹性水凝胶。然而，弹性应力可能限制软骨基质的形成并改变软骨细胞表型。

【成果简介】

近日，斯坦福大学Ovijit Chaudhuri（通讯作者）等人研究了粘弹性水凝胶的使用，其中应力随着时间的推移而松弛，并且表现出蠕变，用于软骨细胞的三维（3D）培养。发现较快的松弛促进了由软骨细胞形成的互连软骨基质体积的显著增加。在较慢的松弛凝胶中，通过弹性应力限制细胞体积膨胀导致IL-1β的分泌增加，这又导致与软骨降解和细胞死亡相关的基因的强烈上调。相关成果以题为“Mechanical confinement regulates cartilage matrix formation by chondrocytes”发表在了Nature Materials上。

【图文导读】

图1 水凝胶中更快的应激松弛促进增加软骨基质的产生和形成较大体积的互连软骨基质

a，在3kPa水凝胶中培养21天的软骨细胞的免疫组织化学染色

b，在快速松弛凝胶（τ_1/2 = 63s）培养21天的透明软骨中的细胞周质基质和豆形软骨细胞的免疫组织化学染色

c，软骨细胞构建的每个细胞II型胶原的面积

d，e，培养21天的软骨细胞产生的胶原蛋白（d）和硫酸化糖胺聚糖（sGAG）（e）的定量

f，g，21天后积累的胶原蛋白（f）和sGAG（g）的定量

图2 较慢的应激松弛诱导IL-1β的分泌

a，7天后对软骨细胞的IL-1β基因表达的定量

b，7天后分泌到水凝胶中的IL-1β的定量

c，在IL-1Ra存在（IL-1Ra）或不存在（CNTR）的最缓慢凝胶中培养的软骨细胞的培养基中的LDH水平

d，e，在IL-1Ra存在下（IL-1Ra）或不存在（CNTR）的MMP₁₃和ADAMTS₄的相对基因表达

图3 水凝胶应激松弛通过限制细胞体积膨胀和软骨基质形成来调节软骨细胞表型

初级软骨细胞首先在水凝胶包封后膨胀其体积。在弹性水凝胶中，来自固体基质的弹性应力抵抗扩张并限制细胞体积。

【小结】

IL-1β，一种在骨关节炎发病中发挥关键作用的促炎细胞因子参与介导水凝胶松弛的影响，这表明与骨关节炎有内在的联系。因此，这些结果表明在骨关节炎研究期间，PCM的生物物理性质和细胞扩增之间可能存在相互作用。

文献链接：Mechanical confinement regulates cartilage matrix formation by chondrocytes（Nat. Mater.,2017,DOI:10.1038/nmat4993）

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