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Piuma生物纳米压痕仪在化学过程对关节软骨原纤维的疗效是渗透压依赖性

 发布时间:2022-08-19 点击量:138
目的:关节软骨老化被认为是骨关节炎(OA)的主要危险因素,其中一部分可以通过晚期糖基化来解释,该糖基化提供了交联(例如戊四烯)在胶原分子内的积累。这个过程导致组织的脆性和潜在的分解。此外,主要是金属蛋白酶基质蛋白(MMPs)的不可逆蛋白水解活性导致胶原纤维裂解,这也导致软骨分解。以前的研究表明,分子和纤维形式以及角膜的机械拉伸可以保护胶原蛋白免受酶裂解。在这项研究中,我们研究了关节软骨的胶原纤维拉伸对胶原酶酶活性以及非酶交联活性的影响。
方法:采用两个单独的马股骨髁提取相邻的骨软骨塞(直径=8.5 mm)进行交联(n=5)和酶促(n=6)实验。解冻后,软骨层被分成4个四分之一的圆盘,它们被渗透平衡(400 mOsm / kg水和4°C)约一小时。应用微压痕(半径∼50 μm和刚度∼50 N/m,Piuma,Optics11,荷兰)获得1.5*1.5 mm的平均有效杨氏模量2包含 81 个等间距缩进点的区域。然后将用于酶实验的圆盘在等离子(400 mOsm / kg水)和高补(4000 mOsm / kg水)条件下进行机械预处理。此外,用于交联实验的圆盘经历了次强直(100 mOsm / kg水)条件。此后,将酶促样品在37ºC下在II型胶原酶(0.5μM,Worthington生化公司)中孵育1小时,其相应的渗透压具有足够的Ca供应。处理后,将样品重新平衡(400 mOsm / kg水和4°C)1小时,并在与初始步骤相同的区域进行微压痕。平均有效杨氏模量的相对差异被用作产生胶原裂解并降低刚度的化学活性的指示(胶原酶II型)或产生交联和增加的刚度(L-threose)。此外,在L-threose中孵育后样品的表面颜色被量化为非酶交联效率的指示。++
结果:在高渗透压条件下,用胶原酶II型处理的样品的平均有效杨氏模量损失较低(图1)。在所有组中,我们观察到交联过程的渗透压依赖性趋势(图2)。渗透压的增加与胶原纤维交联的更高机会有关,如平均有效杨氏模量的变化所表明的那样。此外,软骨表面的颜色分析证实了随着渗透压的增加,交联的增加,即向深黄色发展(图3)。

结论:化学反应被认为是关节软骨内几种类型的胶原纤维改变的原因,即OA中发生的酶裂解和衰老中发生的晚期糖化或非酶交联。减少这些糖基化反应的一种方法是增强胶原纤维中的前应力,这可以通过外部浴中的低渗透压或增加蛋白聚糖含量来实现。在目前的研究中,我们表明胶原纤维预应力在控制细菌胶原酶诱导的降解方面也起作用,尽管与糖基化过程相比,这是相反的。然而,渗透压(即胶原纤维预应力)对MMPs酶活性的影响尚未作为本研究的补充进行研究。因此,宏观尺度上的机械力可以极大地影响关节软骨中胶原纤维内的分子过程,这可能提供潜在的策略来限制它们,从而延长关节软骨的功能寿命。

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