生物力学仪器 2024年09月08日 07:18 北京🔥星空app官网版下载v.9.55.87-星空app
亮点
•膝内翻患者胫骨平台前内侧承受的压力最大
•Zmpste24 抒发减少，在过度压力下发生核不牢固性
•Zmpste24 过抒发调停因过度压力引起的软骨细胞病弱
玄虚
OA 和内翻膝患者处于相等的机械环境中，本研究的想法是研究机械超负荷导致软骨细胞病弱的分子机制以及 Zmpste24 介导的核膜不牢固在内翻膝中的作用。有限元分析标明，在内翻膝骨关键炎患者中，胫骨平台前内侧区域承受的机械应力最大。免疫组织化学深切前内侧区域的 Zmpste24 抒发较低，病弱象征物 p21 抒发较高。动物现实和细胞拉伸模子也解说了 Zmpste24 与机械携带的病弱之间存在反比关系。Zmpste24 过抒发在体外调停了软骨退化和病弱通过拔除 ROS 来扼制前内侧胫骨平台。总之，在内翻膝关键中，胫骨前内侧平台承受相等压力，Zmpste24 的下归并核膜牢固性可能解释该区域病弱的加多。Zmpste24 和核膜牢固性是治疗由相等成列引起的骨关键炎的潜在靶点。
先容
骨关键炎 (OA) 是最常见的关键疾病，亦然全全国鸿沟内致残、疼痛和社会经济职责的主要原因。其特征是局部软骨磨损、软骨下骨硬化和骨赘酿成。1目下有好多有出息的治疗步伐，举例针对 IL-1β 2和 TNF-α 的抗体、3富血小板血浆、4干细胞5和成纤维细胞滋长因子 18 (FGF18)。6然而，目下尚无不错逆转临了期软骨退化的治疗步伐。OA 是一种多因素疾病，其中最超过的因素是病弱和痴肥，1这些与病弱和相等机械情状磋磨。
膝关键、髋关键是下肢主要承重关键，日常看成中承受较大的战争压应力。7膝关键软骨从关键面向软骨下骨主要分为四个区域8 ：浅层、中层（过渡层）、深层和钙化层。多项研究标明，合理的机械刺激通过下调Mmp1（基质金属卵白酶基因1）和Mmp13的抒发，对软骨细胞代谢有保护作用。9相悖，过度的应激会导致软骨细胞阐明代谢，加快软骨基质的降解。10，11，12一项前瞻性纵向队伍研究深切，内翻和外翻波折均会加多膝关键 OA 进展的风险。13胫骨高位截骨术（HTO）在临床中叶俗应用，并取得了安稳的疗效，这标明矫形与骨关键炎之间存在密切的关系。14因此，探索机械超负荷诱发软骨退变的机制，发展非侵入性治疗步伐具有紧迫真义真义。目下尚无研究报谈核膜牢固性在应力诱发软骨退变中的作用。
除了痴肥，细胞病弱亦然导致OA的紧迫因素。15、16、17病弱细胞会向周围微环境分泌无益的促炎分子，如IL-6、IL-1β和Mmps，这被称为病弱磋磨分泌表型（SASP）。18、19在OA患者的软骨中发现了病弱细胞。15 Jeon等东谈主20研究标明，软骨中病弱细胞的局部拔除可缓解OA的进展。在OA的病因学中，病弱和机械超负荷一样被视为孤独的因素。比年来，一些研究沟通了它们之间的关系，发现氧化应激21、22泛素连续酶10microRNA23和雌激素受体24皆在这种相互作用中阐扬作用。然而，Zmpste24介导的核不牢固性在机械超负荷磋磨的软骨细胞病弱中的作用尚未得到研究。
Zmpste24 是一种锌金属卵白酶，通过切割卵白质在层卵白 A 的造就过程中阐扬紧迫作用。25层卵白 A 是核膜的主要因素，其未造就形势前层卵白 A 的积存会影响核结构和力学，26随后导致基因组不牢固和 DNA 毁伤。27 Zmpste24 基因敲除小鼠发达出赫然的过早病弱表型，包括自觉性骨折和肌肉无力。在 Suo 等东谈主最近的一项研究中，28 Zmpste24 枯竭加快了软骨病弱和退化。其他研究29也教唆Lamin A和核牢固性在机械通气过程中肺泡细胞的机械感受中起紧迫作用。然而，Zmpste24抒发和核膜牢固性的裁汰是否与软骨细胞的机械超负荷磋磨仍不明晰。
更好地了解软骨生物学中机械应力和软骨病弱之间相互作用的分子机制将有助于减速 OA 的发生和进展。在咱们的研究中，咱们构建了膝内翻 OA 患者和机械不牢固性小鼠模子的有限元分析 (FEA) 模子，以研究以下本色：1. 膝内翻 OA 患者胫骨平台软骨的应力散播。2. OA 患者和小鼠的应力散播与病弱细胞象征物 p21 和 Zmpste24 抒发之间的关系。3. 通过体外过抒发 Zmpste24 来保管核牢固性是否不错调停过度机械应力引起的软骨细胞病弱和退化。
服从
关于患有骨关键炎和膝内翻波折的患者，机械应力勾通在胫骨平台的前内侧 (AM) 区域。
胫骨软骨名义分为四个区域：前内侧 (AM)、前外侧 (AL)、后内侧 (PM) 和后外侧 (PL；图 1 F)。主压应力用于表征软骨的压缩状态。半月板和韧带的材料特质如表 1和表2所示。股骨、半月板和胫骨软骨在 AM 中承受的应力水平较高（图 1 G；图 S1 A 和 S1B）。股骨软骨的峰值压缩主应力为 7.96 Mpa，而半月板的峰值压缩主应力为 11.6 Mpa。胫骨软骨的峰值压缩主应力为 4.44 Mpa。如图1所示J中，AM区域压应力最大，压应力大于2 MPa的节点比例跳跃34%；AL区域压应力大于2 MPa的节点比例为9%；PM区域压应力大于2 MPa的节点比例为0.8%；PL区域压应力大于2 MPa的节点比例为0%。4个区域的平均主压应力区别为AM：-1.42 MPa、AL：-0.88 MPa、PM：-0.51 MPa、PL：-0.26 MPa。
图1 建模与有限元分析经由
用Tresca应力来表征软骨的剪切状态，最大剪切力出当今软骨与骨的战争面上，AM区域的Tresca应力水平最高（图1H；图S1C和S1D）。AM区域剪应力较大，剪应力大于1.6 Mpa的节点品貌跳跃25.7%，AL区域为9.3%，PM区域为0.1%，PL区域为0%（图1K ）。4个区域平均Tresca剪应力区别为：AM：0.84 Mpa、AL：0.61 Mpa、PM：0.35 Mpa、PL：0.19 Mpa。
战争压力示意战争引起的名义压力。最大战争压力发生在软骨与骨的战争面上。如图1 I、图 S1 E 和 S1F 所示，AM 区域上的战争压力最大，其中战争压力大于 2 MPa 的量跳跃 22.7%，AL 区域为 0.4%，PM 区域为 0%，PL 区域为 0%（图 1 L）。四个区域的平均战争压力区别为 AM：0.95 Mpa、AL：0.57 Mpa、PM：0.31 Mpa、PL：0.15 Mpa。
将该分析获取的最大主压应力和Tresca剪应力与疏导载荷条目下健康膝关键30的讨论服从进行了相比，如图1M和1N所示。
胫骨平台前内侧区Zmpste24下调，p21上调，且二者存在线性磋磨性
如图2 A所示，咱们在四个区域（AM、AL、PM 和 PL）的中心各钻孔，然后进行组织学和免疫组织化学染色。通盘纳入患者的东谈主口统计数据网罗在表 3中。服从深切 AM 区域的软骨磨损最严重，垂直裂隙/侵蚀蔓延至 50–75% 的软骨（图 2 B）。大多数标本的 OARSI 评分为 5（图 2: 图 2 C）中，PM区磨损进度相对较轻，OARSI评分大多为2~4分，而AL和PL区险些莫得磨损，评分大多为2分或以下。AM区软骨磨损最严重，与该区域的最大应力相一致。IHC服从深切，AM区p21抒发最高（图 2B、2D），其余三组间抒发量相反均无统计学真义真义，AM区Zmpste24抒发低于其余三组（图 2论断：软骨应力作用下p21抒发量赫然高于日常对照组（P<0.01），其余三组间相反均无统计学真义真义（P>0.05）（图2B和2E），其余三组间相反均无统计学真义真义。对Zmpste24与p21抒发量进行线性回想分析，服从深切，二者呈负磋磨，r2为0.4106，回想方程为Y=−0.5176X+104.7（图2F）。要而论之，软骨应力的大小与p21抒发量成正比，与Zmpste24抒发量成反比，软骨受到过大的应力导致软骨细胞病弱，因此Zmpste24可能参与了这一过程。
图2 内翻性全膝关键置换术患者胫骨软骨不同部位p21和Zmpste24的抒发及相互关系
表 3本研究中使用软骨样本的患者的东谈主口统计数据
在接受内侧半月板不牢固治疗的小鼠的内侧平台软骨中，Zmpste24 抒发下调，而 p21 抒发上调
由于日常个体胫骨平台软骨难以获取, 难以与膝内翻患者软骨进行相比, 因此咱们开发了内侧半月板不牢固小鼠模子, 并更正了其下肢的力线。前期研究31报谈DMM 模子会加多胫骨内侧软骨的应力。因此咱们对Sham 组和DMM 组小鼠的软骨下骨进行了重建分析, 发现DMM 组小鼠软骨下骨重建赫然, 软骨下骨硬化进度赫然, 可能进一步加重软骨机械传导相等(图3 A、3B)。HE 和番红花O/固绿染色深切, 大多数磨损发生在内侧软骨(图3C、3D）。IF染色分析深切，DMM组小鼠胫骨内侧软骨中Col2a1和Zmpste24抒发裁汰，p21抒发升高，与患者标本的服从一致（图3E、3F）。此外，对软骨中Zmpste24与p21抒发水平进行线性回想分析，服从深切二者呈负磋磨，r2为0.6178，回想方程为Y=−0.7613X+76.15（图3G）
图 3 DMM 手术小鼠胫骨软骨中 Zmpste24 抒发下调
在细胞拉伸模子中不雅察到 Zmpste24 下归并核不牢固性
东谈主和小鼠膝关键软骨所处环境复杂，因此咱们区别以5%伸长率模拟生理条目下的应力和20%伸长率模拟病理条目下的机械超负荷，对软骨细胞进行拉伸刺激。研究服从深切，在5%拉伸力下，Sox9和col2a1的抒发水平在拉伸12或24小时后加多，而病弱磋磨基因如p21、p16 INK4a和p53，基质阐明磋磨基因如Mmp13以及魁梧性纤维化象征物Col10a1和Col1a1的抒发裁汰（图4 A和S2 A和S2B）。同期，Zmpste24的抒发莫得权臣变化（图4C和4F）。20%张力下，不同加载工夫后Sox9和Col2a1抒发量裁汰，p21、p16 INK4a、p53、Mmp13、Col10a1、Col1a1抒发量加多（图4 B及S2 A和S2B）。20%张力下，β-半乳糖苷酶阳性细胞数目加多，而Zmpste24抒发量裁汰（图4 C、4E和4F）。因此，20%张力对软骨细胞有负面影响，Zmpste24可能参与了这一过程。同期咱们发现，20%张力下，细胞骨架发生重排，核泡状比例大大加多（图4 C和4D），标明机械超载下核膜是不牢固的。
图 4 过度周期性拉伸携带软骨细胞中 Zmpste24 抒发下调、核膜不牢固和细胞病弱
，时长
00:08
Zmpste24 过抒发调停了机械超载引起的核不牢固性、软骨细胞退化和病弱
在本研究中，咱们构建了一个牢固过抒发 Zmpste24 的细胞系，并使其受到 20% 的拉伸应力。qRT-PCR 和 IF 服从深切过表实现功（图 5 A 和 5E）。过抒发 Zmpste24 后，机械超负荷引起的软骨退化和病弱得到权臣调停，如 qRT-PCR 和卵白质脚迹所示（图 5 B-5D）。核膜的 IF 染色也标明，过抒发 Zmpste24 导致核膜更牢固，对过度机械负荷的耐受性更强，因为在机械超负荷后出现核泡的细胞更少（图 5 E-5G）。此外，过度机械应力产生的 ROS 被 Zmpste24 过抒发拔除（图 5E和 5H)。
图 5 Zmpste24 的过抒发不错调停 体外机械超负荷引起的软骨细胞退化和病弱
图6 Zmpste24和核膜牢固性在相等力学条目下软骨退变病弱中的作用
揣度
机械负荷和病弱被视为骨关键炎病因的紧迫因素。把柄咱们的研究服从，咱们阐明了内翻患者胫骨平台前内侧区域存在相等机械应力。Zmpste24 下调在机械负荷引起的软骨细胞病弱中起着紧迫作用。此外，体外现实初步解说了 Zmpste24 过抒发在防御早期机械负荷诱发的骨关键炎方面具有潜在的治疗作用，但不久的将来应开展进一步的体内现实。
FEA 是一种世俗使用的力学分析步伐，其诈欺图像数据和力学参数（举例多样组织因素的弹性模量）构建多样结构的 3D 模子，进一步用于讨论多样组织结构在不同病理条目和手术干扰下所摄取的机械应力。31、32需进行置换手术的膝内翻性OA患者，其胫骨平台内侧软骨及半月板磨损较为严重，各类组织的分割重建较为难堪。为明确膝内翻性OA患者胫骨平台各区域应力散播情况偏激与软骨Zmpste24及病弱象征物p21抒发的关系，由告戒丰富的外科医师与工程师配合，对膝关键韧带、半月板等软组织进行分割，收效重建术前膝关键3D模子，并进行后续分析。
本研究将患者胫骨平台分为四个不同区域，通过FEA和IHC分析发现，前内侧区域的剪切力、压缩应力和战争应力变化最为权臣，与Zmpste24抒发的减少和p21抒发的加多相一致。在患者软骨标本中不雅察到Zmpste24与胫骨平台软骨应力散播和病弱之间存在磋磨性。
核膜起泡是细胞病弱和核膜不牢固的特征。33核膜不牢固会进一步导致异染色质散播、组卵白表不雅遗传状态的变化以及对 DNA 毁伤的敏锐性。28 , 34 , 35 , 36 Mu 等东谈主33阐明Zmpste24概况与细胞骨架共同调控核膜的刚度和干细胞的病弱。本研究服从还阐明，在机械超负荷环境下，软骨细胞F-actin多发生垂直于应力标的的重排，在20%拉伸应力下出现赫然的核泡酿成，而Zmpste24过抒发可权臣造就核膜的牢固性，增强软骨细胞对相等力学环境的扞拒力。Alonso等29发现扼制Zmpste24功能，裁汰核硬度，使肺泡细胞对机械通气引起的高压具有更强的扞拒力。这与咱们的研究服从相矛盾，咱们的研究服从标明，不同的压力类型和功能器官所需的最符合的核膜硬度是不同的，在不同的机械环境下需要强化或软化核膜，以幸免过度负荷对细胞产生负面影响。大皆研究沟通了Zmpste24抒发裁汰导致细胞病弱的机制，如表不雅遗传调控、28氧化应激、37植物保护38和炎症39 。在咱们的研究中，咱们发现机械超载和随后的 Zmpste24 下调会产生过量的 ROS，而 Zmpste24 的过抒发不错有用拔除它，这意味着抗氧化应激可能是 Zmpste24 保护下的潜在机制。
要而论之，本研究通过对患者胫骨软骨的FEA和IHC分析，初次发现Zmpste24抒发裁汰引起的核膜不牢固可能参与了不同力学条目下软骨细胞病弱的过程。此外，咱们还在体外探索了Zmpste24过抒发和核牢固在力学磋磨病弱中的保护作用。改日，咱们将探索除基因剪辑疗法除外的其他步伐来牢固核膜，从而为力学相等磋磨疾病提供更多的治疗选用。
研究的局限性
本研究存在一定的局限性。最初，咱们仅沟通了 Zmpste24 与内翻和内侧半月板失稳患者机械携带病弱的关系。因此，应该对外翻 OA 患者的软骨标本进行访佛的研究。其次，咱们仅在体外不雅察了 Zmpste24 过抒发的保护作用。在后续研究中，咱们将把过抒发 Zmpste24 的腺磋磨病毒 (AAV) 打针到小鼠膝关键内，进一步考证 Zmpste24 过抒发的有用性。最后，咱们仅勾通研究了 p21 和 Zmpste24 在胫骨平台的抒发，而不是股骨软骨和半月板的抒发，因为从 TKA 手术中很难获取无缺的股骨软骨。
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