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膠原蛋白,主要是 I型膠原蛋白,是鞏膜的主要成分。膠原蛋白重塑是鞏膜重塑和近視發(fā)展的基礎(chǔ)。山東省高校生物藥物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(濰坊醫(yī)學(xué)院)以往的研究表明,膠原代謝會(huì)影響正視和近視過程中的鞏膜力學(xué)特性和鞏膜重塑。其以往的研究結(jié)果和力學(xué)因素分析的材料力學(xué)基礎(chǔ)理論表明,由于眼壓和鞏膜力學(xué)性能的變化,鞏膜和鞏膜成纖維細(xì)胞受到不同的力學(xué)應(yīng)變(圖1 A)。
圖1 A:鞏膜力學(xué)因素分析;B:鞏膜成纖維細(xì)胞的機(jī)械培養(yǎng)方案。
機(jī)械因素是鞏膜生長(zhǎng)、軸向伸長(zhǎng),甚至近視的重要原因。近年來的研究表明,眼壓升高會(huì)導(dǎo)致鞏膜組織重塑和鞏膜生物力學(xué)特性的變化,以及鞏膜成纖維細(xì)胞增殖和鞏膜生長(zhǎng)。這些改變可能是由鞏膜組織機(jī)械應(yīng)變引起的變化導(dǎo)致的。研究還證實(shí),機(jī)械應(yīng)變?cè)隗w外會(huì)引起生物學(xué)行為的變化,例如增殖和凋亡。然而,不同機(jī)械應(yīng)變對(duì)鞏膜成纖維細(xì)胞膠原代謝的影響仍不清楚。
在本研究中,山東省高校生物藥物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(濰坊醫(yī)學(xué)院)證明了適當(dāng)?shù)臋C(jī)械應(yīng)變可改善膠原蛋白的沉積,但較高的機(jī)械應(yīng)變會(huì)促進(jìn)膠原蛋白的分解,尤其是持續(xù)較高的應(yīng)變。研究還表明,機(jī)械應(yīng)變變化介導(dǎo)轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1(TGF-β1)的表達(dá)以調(diào)節(jié)鞏膜成纖維細(xì)胞中的膠原代謝。這些結(jié)果表明機(jī)械應(yīng)變是調(diào)節(jié)鞏膜膠原代謝的重要因素,并推測(cè)機(jī)械應(yīng)變影響鞏膜組織重塑(圖1 B)。
不同應(yīng)變大小影響鞏膜成纖維細(xì)胞的膠原代謝
圖2 A、B 顯示鞏膜成纖維細(xì)胞中 TGF-β1 和 α1膠原蛋白I 的 mRNA 表達(dá)。5% 應(yīng)變組和 10% 應(yīng)變組 TGF-β1 和 α1膠原蛋白I mRNA 表達(dá)水平均高于靜態(tài)組;但 15% 應(yīng)變組 TGF-β1 和 α1膠原蛋白I mRNA 表達(dá)水平低于靜態(tài)組,但差異不顯著;此外,20% 應(yīng)變組 TGF-β1 和 α1膠原蛋白I mRNA 表達(dá)水平顯著低于靜態(tài)組。TGF-β1 和 α1膠原蛋白I 的 mRNA 表達(dá)隨著機(jī)械應(yīng)變的增加而降低。
上述結(jié)果表明,適當(dāng)?shù)臋C(jī)械應(yīng)變(5%-10% 應(yīng)變振幅)可提高 TGF-β1 和膠原蛋白I 的表達(dá),而較高的機(jī)械應(yīng)變(15%-20% 應(yīng)變振幅)可降低 TGF-β1 和膠原蛋白I 的表達(dá)。
圖2 C 顯示鞏膜成纖維細(xì)胞中基質(zhì)金屬蛋白酶2(MMP-2)mRNA 的表達(dá)。5% 應(yīng)變組和 10% 應(yīng)變組 MMP-2 mRNA 表達(dá)水平均低于靜態(tài)組;但 15% 應(yīng)變組 MMP-2 mRNA 表達(dá)高于靜態(tài)組,20% 應(yīng)變組 MMP-2 mRNA 表達(dá)顯著高于靜態(tài)組。鞏膜成纖維細(xì)胞中 MMP-2 mRNA 的表達(dá)隨著機(jī)械應(yīng)變的增加而增加。
圖2 D 顯示鞏膜成纖維細(xì)胞中組織金屬蛋白酶抑制劑2(TIMP-2)mRNA 的表達(dá)。5% 應(yīng)變組和 10% 應(yīng)變組 TIMP-2 mRNA 表達(dá)水平均高于靜態(tài)組;但 15% 應(yīng)變組 TIMP-2 mRNA 表達(dá)低于靜態(tài)組,但差異不顯著;20% 應(yīng)變組TIMP-2 mRNA 表達(dá)顯著低于靜態(tài)組。TIMP-2 mRNA 表達(dá)隨著機(jī)械應(yīng)變的增加而降低。
上述結(jié)果表明,適當(dāng)?shù)臋C(jī)械應(yīng)變(5%-10% 應(yīng)變幅度)會(huì)改變 MMP-2/TIMP-2 的平衡,降低 MMP-2 的功能,而較高的機(jī)械應(yīng)變(15%-20% 應(yīng)變幅度)也會(huì)改變 MMP-2/TIMP-2 的平衡,增強(qiáng) MMP-2 的功能。
圖2 不同機(jī)械應(yīng)變幅度對(duì)鞏膜成纖維細(xì)胞中 TGF-β1(A)、α1 膠原蛋白I (B)、MMP-2(C)和 TIMP-2(D)mRNA 表達(dá)的影響。
持續(xù)較高的應(yīng)變影響鞏膜成纖維細(xì)胞中的膠原代謝
靜置培養(yǎng) 36 h 后,12 h 20% 應(yīng)變組鞏膜成纖維細(xì)胞中 TGF-β1、α1 膠原蛋白I、MMP-2、TIMP-2 mRNA 表達(dá)的變化均恢復(fù)。持續(xù) 48 h 20% 應(yīng)變組鞏膜成纖維細(xì)胞中 TGF-β1、α1 膠原蛋白I 和 TIMP-2 mRNA 表達(dá)水平顯著低于靜態(tài)組和 12 h 20% 應(yīng)變組,但 MMP-2 mRNA 表達(dá)水平顯著升高(圖3)。
這些結(jié)果表明,持續(xù)較高的應(yīng)變持續(xù)影響鞏膜成纖維細(xì)胞中膠原代謝相關(guān)基因的表達(dá),并且短暫的較高的應(yīng)變的影響是可以恢復(fù)的。
圖3 20% 應(yīng)變對(duì)鞏膜成纖維細(xì)胞中 TGF-β1(A)、α1 膠原蛋白I(B)、MMP-2(C)和 TIMP-2(D)mRNA 表達(dá)的影響分析。
TGF-β1 影響鞏膜成纖維細(xì)胞的膠原代謝
TGF-β1 處理的鞏膜成纖維細(xì)胞中 α1 膠原蛋白I 和 TIMP-2 mRNA 表達(dá)水平顯著增加,而 MMP-2 mRNA 表達(dá)水平顯著降低。相比之下,TGF-β1 和 LY364947(TGF-β1 抑制劑)處理的鞏膜成纖維細(xì)胞中 α1 膠原蛋白I 和 TIMP-2 mRNA 表達(dá)水平顯著降低,而 MMP-2 mRNA 表達(dá)水平顯著升高(圖4)。這些結(jié)果表明,TGF-β1 影響鞏膜成纖維細(xì)胞中膠原代謝相關(guān)基因的表達(dá)。
圖4 TGF-β1 和 LY364947 對(duì)鞏膜成纖維細(xì)胞中α1 膠原蛋白I(A)、MMP-2(B)和 TIMP-2(C)mRNA 表達(dá)的影響。
總之,該研究證實(shí),機(jī)械應(yīng)變變化介導(dǎo) TGF-β1 表達(dá)以調(diào)節(jié)鞏膜成纖維細(xì)胞中的膠原代謝,從而影響鞏膜組織重塑。此外,適當(dāng)?shù)臋C(jī)械應(yīng)變有利于鞏膜基質(zhì)沉積,持續(xù)較高的機(jī)械應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致鞏膜基質(zhì)分解。
參考文獻(xiàn):Xie Y, Ouyang X, Wang G. Mechanical strain affects collagen metabolism-related gene expression in scleral fibroblasts. Biomed Pharmacother. 2020 Jun;126:110095. doi: 10.1016/j.biopha.2020.110095. Epub 2020 Mar 24. PMID: 32217440.
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