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

Keywords: osteoarthritis; sodium chloride; synovial fibroblast.

全世界有数百万人患有骨关节炎（OA），这是一种慢性退行性关节病。膝关节是最常受OA影响的关节之一，因为它是人体最大的承重关节，需要每天承受着来自各方面的机械应力。各种关节结构，包括软骨和滑膜，都与该病的发生和进展有显著关系。在以往的研究中，机械应力因素已经与OA的发展联系在一起。虽然适度的机械应力对关节的保护至关重要，但异常高水平的非生理性和低效机械应力与疾病进展过程有关。

高盐饮食或炎症导致组织钠浓度的变化在分子水平上影响许多过程，表明盐平衡在不同细胞类型中起着关键作用。组织中的细胞外Na+ 含量可触发渗透保护性转录因子NFAT5的表达。此外，成纤维细胞经历机械负荷后NFAT5表达也增加。钠MRI研究显示，细胞外钠浓度与细胞外基质的OA特征性分解代谢重塑过程之间存在相关性。渗透保护转录因子 NFAT5 在细胞外钠水平调控方面起决定性的作用。

 鉴于此，德国科隆分子医学研究中心及雷根斯堡大学医院正畸科的研究团队以参与维持关节稳态的滑膜成纤维细胞为研究对象，分析了不同机械负荷方案（静态压缩、间歇拉伸）、细胞外氯化钠浓度（-20 mM、±0 mM、+50 mM）与炎症和骨重塑过程之间的关系，这些过程在OA 发病机制中的滑膜成纤维细胞中起着关键作用。研究成果发表在Cells 期刊题为“Mechanical Stress Induces Sodium Entry and Osmoprotective Responses in Murine Synovial Fibroblasts”。

首先，在没有任何额外机械负荷的情况下，分析了不同细胞外盐浓度对细胞内Na+（Nai+）的影响。细胞外Na+（Nae+）减少 −20 mM使Nai+ 降低（图1 a），而增加Nae+ 增加 +50 mM使Nai+ 水平升高。渗透保护转录因子活化T细胞核因子5（Nfat5）在富盐条件下孵育后基因表达增加（图1 b）。NFAT5可调节炎症相关基因Il6和前列腺素内过氧化物合酶-2（Ptgs2）的表达。因此，高盐条件增加了Il6基因的表达和 IL6 蛋白释放（图1 c、d），Ptgs2 的 mRNA 表达和PGE2 的分泌也随着细胞外NaCl含量的增加而上调（图1 e、f），但骨保护素（OPG）的mRNA或蛋白质水平均未受到影响（图1 g、h）。与低盐组相比，添加盐可增加NF-κB配体的受体激活剂（RANKL）的mRNA表达和蛋白质分泌（图1 i、j）。高盐条件下 Il6/IL6、Ptgs2/PGE2，Rankl/RANKL 的表达/释放增加可能指向小鼠膝关节滑膜成纤维细胞在暴露于高盐条件下诱导破骨细胞生成。

 图1 不同细胞外NaCl浓度48 h对相对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）的影响。

接下来，在不同细胞外盐含量的培养基中施加静态压缩（2 g/cm2），检测Nai+ 水平。结果表明，在未外加NaCl的情况下，Nai+ 在压缩应变后呈上升趋势（图2 a）。值得注意的是，Nae+ 的降低伴随着Nai+ 浓度的降低，而 Nae+ 的增加仅趋于增加 Nai+ 的水平（图2 a）。Nfat5基因表达通过静压刺激增加，并与暴露于静压的细胞中的外部NaCl水平相关（图2 b）。

Il6 mRNA表达和 IL6 蛋白分泌在施加静压时升高（图2 c、d）。细胞外 NaCl 降低 −20 mM 可减少压力诱导的 Il6 基因和蛋白质表达。在高盐条件下，Il6 表达或释放没有进一步检测到增加（图2 c、d）。此外，压缩应变增加 Ptgs2 mRNA 水平和PGE2分泌（图2 e、f），且PGE2的分泌在额外暴露于高细胞外NaCl条件时进一步增加。在施加静压后，额外的细胞外NaCl倾向于进一步提高Ptgs2基因的表达，而额外降低细胞外氯化钠含量则会减少Ptgs2 mRNA水平（图2 e）。

滑膜成纤维细胞受压后Opg mRNA升高（图2 g）。在静力作用下，未检测到细胞外NaCl对Opg基因表达和蛋白质水平的显著附加影响（图2 h）。此外，压缩应变增加Rankl基因表达和 RANKL 蛋白分泌（图2 i、j）。在用静态压缩应变处理的细胞中，额外的细胞外 NaCl 进一步增加了 RANKL 蛋白分泌（图2 i、j）。

图2 静压施加过程中不同细胞外NaCl浓度对相对 Na+i（a）、Nfat5（b）、IL6 mRNA（c）和蛋白质分泌（d）、Ptgs2 mRNA（e）和 PGE2分泌（f）、OPG mRNA（g）和蛋白质分泌（h），以及 RANKL mRNA（i）和蛋白质分泌（j）的影响。

最后，实验研究了间歇性拉伸应变（15%，0.5Hz，两次8h休息，16h拉伸）和细胞外Na+ 对滑膜成纤维细胞的影响。间歇性压缩应变增加 Nai+ 含量和 Nfat5 表达（图3 a、b）。在这些条件下，Nai+ 水平取决于细胞外NaCl的有效性（图3 a）。细胞外盐的减少导致拉伸应变后Nfat5 mRNA降低，而在细胞外NaCl水平增加后，间歇性压缩应变处理的细胞中Nfat5水平没有显著影响（图3 b）。

与静态压缩应变相比，间歇性拉伸应变降低了 Il6 mRNA 和IL6蛋白分泌（图3 c、d）。虽然在间歇拉伸负荷后细胞外NaCl对Il6 mRNA基因表达没有统计学意义的影响，但细胞外NaCl浓度的增加显著提高了IL6蛋白分泌（图3 d）。此外，间歇性拉伸诱导Ptgs2基因表达和PGE2分泌（图3 e、f），细胞外NaCl的增加增强了这种作用。

RANKL诱饵受体OPG的基因和蛋白表达既不受间歇性拉伸的影响，也不受细胞外NaCl含量增加或减少的影响（图3 g、h）。间歇性拉伸降低了 Rankl mRNA 水平和 RANKL 分泌（图3 i、j），这种反应不受细胞外NaCl有效性的影响（图3 i、j）。

图3 间歇拉伸期间不同细胞外 Na+ 浓度对Nai+ 水平（a）、Nfat5（b）、IL6 mRNA（c）和蛋白质分泌（d）、Ptgs2 mRNA（e）和 PGE2分泌（f）OPG mRNA（g）和蛋白质分泌（h），以及 RANKL mRNA（i）和蛋白质分泌（j）的影响。

总体而言，这项体外研究的数据表明，细胞外氯化钠浓度会影响滑膜成纤维细胞对机械应变的反应。然而，最有趣的是，研究数据显示，机械应力导致 Nai+ 和 Nfat5 水平升高，即使在正常盐水平条件下。这表明 Nai+ 和Nfat5可能在向细胞传递机械应激信号方面发挥重要作用。

参考文献：Proff A, Nazet U, Schröder 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.

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38534340/

Impact Factor: 5.1 (2023); 5-Year Impact Factor: 6.0 (2023)

Open Access ISSN: 2073-4409

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