Microphysiological System-Generated Physiological Shear Forces Reduce TNF-α-Mediated Cartilage Damage in a 3D Model of Arthritis

Keywords: TNF‐α; articular cartilage breakdown; chondrogenic 3D model; immune cells; matrix degeneration; mesenchymal stromal cell; microfluidic system; pro‐inflammatory cytokine.

進行性軟骨退化和軟骨下骨破壞是兩種主要關(guān)節(jié)疾病的標志：骨關(guān)節(jié)炎（OA）和類風濕性關(guān)節(jié)炎（RA）。關(guān)節(jié)軟骨是一種富含細胞外基質(zhì)（ECM）的組織，由 60%–80% 的水、20% 的蛋白聚糖/聚集蛋白聚糖、5% 的 II 型膠原蛋白（Col）和 1%–5% 的軟骨細胞組成。

壓縮應(yīng)力和剪切應(yīng)力是主要的機械應(yīng)力，如果它們過大會導(dǎo)致軟骨和關(guān)節(jié)功能障礙、損傷和疼痛。生理水平的壓縮和流體剪切應(yīng)力通過促進軟骨細胞增殖、ECM 產(chǎn)生、生長和分化對關(guān)節(jié)軟骨產(chǎn)生積極影響。然而，這種機械應(yīng)力也會產(chǎn)生負面影響，例如當過度壓縮應(yīng)變時會導(dǎo)致軟骨細胞死亡和促炎因子的分泌。此外，由于必要的機械應(yīng)力供應(yīng)不足，低生理應(yīng)力會導(dǎo)致軟骨細胞凋亡和基質(zhì)降解。

傳統(tǒng)的體內(nèi)模型難以分離和研究機械應(yīng)力對軟骨健康的具體影響。目前，在臨床前研究中，在體外 3D 人類軟骨微結(jié)構(gòu)（CMCs）上模擬關(guān)節(jié)運動過程中機械應(yīng)力的微生理系統(tǒng)（MPSs）變得越來越重要。這些 3D CMCs 整合了細胞、可溶性因子和 ECM 樣基質(zhì)，提供了細胞間相互作用和對基質(zhì)產(chǎn)生和降解的見解，以模擬關(guān)節(jié)軟骨。

因此，德國柏林夏里特醫(yī)院風濕病學和臨床免疫學系、瑞士西北應(yīng)用科學與藝術(shù)大學生命科學學院的團隊聯(lián)合開發(fā)了一種可施加剪切應(yīng)力的 MPS，從而產(chǎn)生類似于在體內(nèi)關(guān)節(jié)運動期間觀察到的生物反應(yīng)。該研究證明了生理剪切應(yīng)力保護 CMC 免受 TNF-α介導(dǎo)的關(guān)節(jié)炎的影響；另一方面，病理學上的低機械應(yīng)力使基質(zhì)沉積和再吸收的平衡在 TNF 處理后轉(zhuǎn)向分解代謝，這種效果可以通過 JAK 抑制來恢復(fù)。研究成果發(fā)表于 Advanced Science 期刊題為“Microphysiological System-Generated Physiological Shear Forces Reduce TNF-α-Mediated Cartilage Damage in a 3D Model of Arthritis”。

首先，使用低生理（0 Pa）與生理（0.2 Pa）力在 MPS 中將 CMC 暴露于流體剪切應(yīng)力，檢測分析細胞活力和細胞凋亡，發(fā)現(xiàn)其對細胞活力和死亡沒有影響，但細胞凋亡顯著減少（圖1 a-d）。然后，分析了 ECM 標志物 ACAN、COL2A1、COL1A1、COMP 和基質(zhì)降解酶MMP1、MMP3 和 MMP13 的基因表達，觀察到 ACAN、COL2A1 的表達較高，COL2A1 與 COL1A1 的比率較高，但在 0.2 Pa 的流體剪切力下（對應(yīng)于生理力條件）下，COL1A1、COMP 和 MMP13 的表達較低，這表明軟骨形成增強，ECM 形成以及 ECM 降解減少（圖1 e）。

在蛋白質(zhì)水平上，CMCs 表現(xiàn)出更高的軟骨特異性 ECM 沉積物，例如 II 型膠原蛋白（COL2）和聚集蛋白聚糖（ACAN），而 I 型膠原蛋白（COL1）和基質(zhì)降解酶（MMP1 和 MMP13）在 0.2 Pa 的流體剪切應(yīng)力下表達較少（圖1 f）。值得注意的是，促纖維化收縮肌動蛋白亞型α 平滑肌肌動蛋白（αSMA）在 0.2 Pa 時表達較低。有趣的是，實驗觀察到 CMCs 的內(nèi)、中、外段對機械應(yīng)力的不同響應(yīng)。具體來說，在生理剪切應(yīng)力下，合成代謝軟骨形成 ECM 成分，如 COL2 和 ACAN，在比較的外部部分主要表達較高。相反，與外部相比，COL1 在內(nèi)部部分的表達更高。在生理剪切應(yīng)力下，分解代謝 MMP1 和 MMP13 表達量保持不變，而在 0 Pa 的流體剪切應(yīng)力下表達較高。值得注意的是，促纖維化 αSMA 僅在 0 Pa 時表達較高。

這些結(jié)果表明，在長期生理剪切應(yīng)力條件下培養(yǎng) CMCs 會觸發(fā)合成代謝基因的表達，促進軟骨發(fā)育，并對 CMC 的內(nèi)、中、外區(qū)域的軟骨細胞凋亡和基質(zhì)降解產(chǎn)生差異影響。

圖1     14 天的生理流體剪切應(yīng)力可保護 CMC 免受細胞凋亡和基質(zhì)降解，從而形成成熟的 3D CMC。

為此，用 TNF-α（100 ng ml）刺激 CMC 6 小時，發(fā)現(xiàn) TNF-α 刺激顯著降低了 Calcein-AM+ 細胞的相對數(shù)量（作為細胞存活的衡量指標），但在 0.2 Pa 模擬關(guān)節(jié)運動時降低程度較低。此外，與未處理的 0.2 Pa 組相比，0.2 Pa 的 TNF-α 處理導(dǎo)致 BCL2-BAX 比率降低，但仍高于 0 Pa 組。WST-1 水平在 TNF-α 處理后在 0 Pa 時比在 0.2 Pa 時增加的程度更高，表現(xiàn)出更高的代謝活性，而 0.2 Pa 的 TNF-α 處理減少了氧攝取和乳酸產(chǎn)生，表明葡萄糖攝取降低。然后，分析了 TNF-α介導(dǎo)的 IL-6 分泌作為 CMC 炎癥反應(yīng)的指標，發(fā)現(xiàn)隨著時間的推移，在 0 Pa 條件下 TNF-α 的降低伴隨著 IL-6 分泌的增加，而在 0.2 Pa 條件下觀察到可溶性促炎細胞因子 IL-6 的水平顯著降低。這些數(shù)據(jù)表明，生理性剪切力減少TNF-α刺激的CMC細胞凋亡和IL-6分泌。

TNF-α 可以通過誘導(dǎo) MMPs 的表達導(dǎo)致聚集蛋白聚糖和 II 型膠原蛋白的降解。因此，接下來研究了 0 和 0.2 Pa 剪切應(yīng)力對 TNF-α介導(dǎo)的炎性 IL6、TNFA 和 IL8、促纖維化 TGFB 和參與 ECM 周轉(zhuǎn)的分子 ACAN、COL2A1、COL1A1、COMP、MMP1、MMP3 和 MMP13 基因表達的影響（圖2 a）。雖然 IL6、TNFA 和 IL8 不受不同剪切應(yīng)力的影響，但與低生理力相比，0.2 Pa 的生理剪切應(yīng)力降低了促纖維化 TGFB 和 COMP。值得注意的是，0.2 Pa 的生理條件下 ACAN、COL2A1 的表達顯著升高，COL1A1 表達降低，從而增加 COL2A1 與 COL1A1 的比率。TNF-α刺激后 MMP1 和 MMP13 在 0 Pa 時的表達顯著升高（圖2 a）。

利用免疫熒光分析確定負責維持 0.2 Pa 下 CMC 生理機能的區(qū)域，發(fā)現(xiàn)CMCs 的內(nèi)部區(qū)域?qū)羟袘?yīng)力引起的 ECM、COL2 和 ACAN 的合成代謝分子的變化敏感。外部區(qū)域?qū)?ECM 的分解代謝分子，即 MMP1 和 MMP13 敏感（圖2 b、c）。值得注意的是，ACAN 似乎也受到了外部區(qū)域的影響。

這些結(jié)果表明，0.2 Pa 的生理剪切應(yīng)力可能在維持 MPS 中的 CMC 穩(wěn)態(tài)方面具有保護作用，而 0 Pa 的低生理剪切應(yīng)力則支持 CMC 損傷。

圖2    生理剪切應(yīng)力可防止 TNF 介導(dǎo)的 CMC 損傷，維持 CMC 穩(wěn)態(tài)，而低生理剪切應(yīng)力支持 TNF 介導(dǎo)的 CMC 損傷。

最后，添加 JAK 抑制劑（JAKi）巴瑞替尼（baricitinib）處理 PBMCs 和 CMCs（圖3 a）。確認了添加活化的 PBMCs 或它們與巴瑞替尼的組合不會影響 CMCs 的活力、細胞毒性或細胞凋亡（圖3 b、c）。其次，發(fā)現(xiàn) PBMC-介導(dǎo)的 caspase 3/7 活性的顯著誘導(dǎo)（圖3 c）和 BCL2 與 BAX 比率的降低（圖3 d），這被巴瑞替尼處理逆轉(zhuǎn)。添加活化的 PBMCs 導(dǎo)致軟骨細胞和免疫細胞的代謝率改變。雖然培養(yǎng)基的氧飽和度最初降低，但與未處理的 CMCs 相比，兩天后氧飽和度增加。添加巴瑞替尼恢復(fù)了培養(yǎng)基的氧飽和度（圖3 e）。值得注意的是，培養(yǎng)基氧飽和度的降低表明細胞耗氧量增加。用活化的 PBMCs 處理的 CMCs 中培養(yǎng)基中葡萄糖的含量比單獨的 CMCs 減少得少，但比用活化的 PBMCs 和添加巴瑞替尼處理的 CMCs 減少得更多（圖3 f）。當用活化的 PBMCs 處理 CMCs 時，乳酸量隨著時間的推移而增加。相反，添加巴瑞替尼導(dǎo)致乳酸水平與在未處理的 CMCs 中觀察到的乳酸水平相似（圖3 f）。

在基因表達水平上，免疫細胞介導(dǎo)的 CMCs 激活顯著增加了 IL6 和 IL1B 以及基質(zhì)降解酶的表達，這導(dǎo)致 RA 的關(guān)鍵現(xiàn)象——軟骨降解（圖3 g）。這些影響也可以通過 JAK 抑制來減弱。在形態(tài)學上，含有細長細胞的外部區(qū)域在使用活化的 PBMCs 刺激后消失，從而顯示出淺表細胞層浸漬的跡象（圖3 h）。此外，免疫細胞誘導(dǎo)導(dǎo)致軟骨 ECM 分解的 MMP1 和 MMP13 表達增加，并被巴瑞替尼消除（圖3 h）。

關(guān)節(jié)炎 CMC 的藥理學驗證了，活化的 PBMCs 降低 ACAN 和 COL2A1 表達并促進 MMP1 和 MMP13表達，而 JAK 抑制劑巴瑞替尼則相反。

圖3    激活的 PBMCs 誘導(dǎo)體液介導(dǎo)的 CMC 損傷、炎癥介質(zhì)和 MMP，這些損傷被隨后的 JAK 抑制減弱。

該研究揭示了關(guān)節(jié)炎樣表型的發(fā)展，并在生理剪切應(yīng)力下，通過 JAK 抑制劑成功恢復(fù)了軟骨狀況。生理剪切應(yīng)力被認為是維持軟骨完整性的關(guān)鍵因素。該 MPS 提供了一種標準化方法來研究剪切應(yīng)力、復(fù)制細胞因子誘導(dǎo)的軟骨損傷和模擬關(guān)節(jié)炎的關(guān)鍵特征，為動物模型提供了有價值的替代方案。

參考文獻：Damerau A, Nguyen DHD, Lubahn C, Renggli K, Pfeiffenberger M, Kr?nke G, Herrmann M, Leeuw T, Buttgereit F, Gaber T. Microphysiological System-Generated Physiological Shear Forces Reduce TNF-α-Mediated Cartilage Damage in a 3D Model of Arthritis. Adv Sci (Weinh). 2024 Dec 24:e2412010. doi: 10.1002/advs.202412010. Epub ahead of print. PMID: 39716911.

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