ヒト関節軟骨細胞のシグナル伝達に及ぼす細胞微小環境の影響

Influence of Cellular Microenvironment on Human Articular Chondrocyte Cell Signaling.

• ShihJye Tan
• William Fang
• C Thomas Vangsness
• Bo Han

抄録

目的:

細胞微小環境の変化は、細胞内および細胞間のコミュニケーションに影響を与え、軟骨の損傷および修復に寄与する可能性がある。本研究の目的は、マトリックスの弾性／硬さが、細胞の生存、表現型の発現、プロおよび抗炎症性サイトカインの両方の放出を含む軟骨の活性にどのように影響するかを調査することでした。

OBJECTIVE: Alteration of the cellular microenvironment may influence the intra- and intercellular communication and contribute to cartilage injury and repair. The purpose of this study was to investigate how matrix elasticity/stiffness affects chondrogenic activities, including cell survival, phenotypic expression, and the release of both pro- and anti-inflammatory cytokines.

デザイン:

従来の2次元(2D)プラスチック表面で培養したヒト関節軟骨細胞(HAC)を、硬さの異なる3次元ハイドロゲルマトリックス内で培養したものと比較した。軟骨細胞の増殖、分化、およびプロおよび抗炎症性サイトカインの発現を評価した。インターロイキン-1-β（IL-1β）とヒト滑液由来細胞（hSFCs）の両方を導入して、軟骨細胞応答に対するマトリックスの硬さの効果を研究した。

DESIGN: Human articular chondrocytes (HACs) cultured on traditional 2-dimensional (2D) plastic surfaces were compared with those cultured within 3D hydrogel matrices of varying stiffness. Chondrogenic proliferation, differentiation, and the expression of pro- and anti-inflammatory cytokines were evaluated. Both interleukin-1-beta (IL-1β) and human synovial fluid-derived cells (hSFCs) were introduced to study the effects of matrix stiffness on chondrocyte response.

結果:

マトリックスの硬さが本来の微小環境に近い場合、細胞は最も強固な軟骨形成分化を示し、炎症性サイトカインの分泌が最も少なかった。IL-1βの効果は、HACがhSFCと共培養されたときに減衰した。

RESULTS: Cells demonstrated the most robust chondrogenic differentiation and secreted the least pro-inflammatory cytokines when the matrix stiffness was close to their native microenvironment. The IL-1β effects were attenuated when HACs were co-cultured with hSFCs.

結論:

本来の軟骨の微小環境を模倣するためにマトリックスの硬さを変更することは、軟骨ホルモンの発現を最適化するだけでなく、生理的恒常性の調節にも不可欠であった。本研究は、軟骨の生理機能に及ぼす細胞-分子、細胞-細胞、細胞-マトリックスの影響を研究するための新しいツールキットを提案した。

CONCLUSION: Modifying the matrix stiffness to mimic the native cartilage microenvironment not only optimized chondrogenic expression but also was essential for the regulation of physiological homeostasis. This study proposed a new toolkit to study cell-molecule, cell-cell, and cell-matrix influence on cartilage physiology.