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

Keywords: osteoarthritis; sodium chloride; synovial fibroblast.

quanshijie有數百萬人患有骨關節炎（OA），這是一種慢性退行性關節病。膝關節是最常受OA影響的關節之一，因為它是人體最大的承重關節，需要每天承受著來自各方面的機械應力。各種關節結構，包括軟骨和滑膜，都與該病的發生和進展有顯著關系。在以往的研究中，機械應力因素已經與OA的發展聯系在一起。雖然適度的機械應力對關節的保護至關重要，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+ 含量可觸發滲透保護性轉錄因子NFAT5的表達。此外，成纖維細胞經歷機械負荷后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。滲透保護轉錄因子 NFAT5 在細胞外鈉水平調控方面起決定性的作用。

鑒于此，德國科隆分子醫學研究中心及雷根斯堡大學醫院正畸科的研究團隊以參與維持關節穩態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 發病機制中的滑膜成纖維細胞中起著關鍵作用。研究成果發表在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可調節炎癥相關基因Il6和前列腺素內過氧化物合酶-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（圖1 e、f），但骨保護素（OPG）的mRNA或蛋白質水平均未受到影響（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基中施加靜態壓縮（2 g/cm2），檢測Nai+ 水平。結果表明，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）和蛋白質分泌（d）、Ptgs2 mRNA（e）和 PGE2分泌（f）、OPG mRNA（g）和蛋白質分泌（h），以及 RANKL mRNA（i）和蛋白質分泌（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水平沒有顯著影響（圖3 b）。

與靜態壓縮應變相比，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）和蛋白質分泌（d）、Ptgs2 mRNA（e）和 PGE2分泌（f）OPG mRNA（g）和蛋白質分泌（h），以及 RANKL mRNA（i）和蛋白質分泌（j）的影響。

總體而言，這項體外研究的數據表明，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，研究數據顯示，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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