骨髓间充质干细胞 (BMSCs) 是多能干细胞的一个子集，可分化为多种细胞类型，在组织修复中发挥重要作用。为了响应损伤信号，BMSCs 可能会从它们的生态位移动到外周循环并穿过血管壁到达目标组织。然而，这是一个复杂的过程，这个传递过程涉及到 BMSC 外周循环和流动性。在与血管相互作用时，BMSCs 不可避免地受到以剪切应力和血管循环拉伸形式施加于血管壁的血流动力学力。之前的研究表明，循环机械拉伸会增加 BMSCs 的迁移但减少其侵袭。然而，所涉及的机制，特别是拉伸抑制 BMSC 侵袭的机制尚不清楚。膜型 (MT)-MMPs 属于 MMPs 的一个亚家族，是跨膜基质金属蛋白酶(MMPs)。MT1-MMP是第一个发现的 MT-MMP，也是研究最充分的 MMP。据报道，MT1-MMP 是降解细胞外基质（ECM）大分子并促进细胞侵袭的主要 MMP 。此外，研究表明 MT1-MMP 的表达受机械力的调节，例如流体剪切应力和机械拉伸，表明 MT1-MMP 可能在将机械信号转化为有利于细胞侵袭的化学信号中发挥重要作用。最近，磷脂酰肌醇3-激酶 (PI3K)/Akt 信号通路已被证明在多种细胞功能的调节中发挥关键作用，包括生长、增殖、存活、流动性、代谢、转录和蛋白质合成。机械刺激诱导的 PI3K/Akt 信号通路对于血管系统重塑和机械应激心肌方面至关重要。研究结果表明机械拉伸可能控制 PI3K/Akt 信号通路来调节 BMSCs 中的 MT1-MMP 表达。尽管 PI3K/Akt 活性与 MT1-MMP 表达之间的联系已经被化学因素证实，但它们在 BMSCs 机械拉伸处理后的联系尚未完全阐明。基于此，重庆大学生物工程学院、生物流变科学与技术教育部重点实验室进行了深入研究，旨在探索循环机械拉伸对 MT1-MMP 表达的影响，并揭示 PI3K/Akt 信号通路在机械拉伸抑制 BMSC 侵袭中可能的机械转导机制。
在这项研究中，首先证实了机械拉伸对 BMSC 侵袭的影响。如图1 a、b 所示，与未进行任何拉伸的对照组相比，机械拉伸后侵入的 BMSCs 数量显著减少，细胞增殖无明显变化（图1 c）。这表明机械拉伸是调节 BMSC 侵袭的重要因素。
(a) 通过机械拉伸以 1Hz 频率、10% 振幅加载 BMSCs，持续 8h，并使用 Transwell Matrigel 侵袭试验检测 BMSCs 的侵袭能力。(c) BMSCs 通过机械拉伸加载 8h 后，通过 MTS 测定检测拉伸细胞和静态细胞的增殖情况。
随后，研究了机械拉伸减少 BMSC 侵袭的潜在机制。为了探索 MT1-MMP 在机械拉伸减少 BMSC 侵袭中的可能作用，首先检测了 MT1-MMP 表达是否可以通过机械拉伸进行调节。如图2 所示，BMSCs 暴露于 10% 振幅、1Hz 频率的机械拉伸持续 8h 后，信使RNA（mRNA）（图2 a）和 MT1-MMP 蛋白表达水平（图2 b、c）显著降低。此外，机械拉伸也显著降低 MT1-MMP 的免疫荧光染色强度（图2 d、e）所示。这些结果表明 MT1-MMP 的表达因机械拉伸而减少，并可能在机械拉伸减少 BMSC 侵袭中起重要作用。
图2 机械拉伸降低 BMSCs 中 MT1-MMP 的表达。
（a）通过机械拉伸加载 BMSC，通过 RT-PCR 检测 MT1-MMP 的 mRNA 水平。（b）蛋白质印迹分析检测 MT1-MMP 的蛋白质水平。（d、e）通过循环拉伸加载 BMSCs 后，免疫荧光显微镜检测 MT1-MMP 的光密度。
为了进一步确认 MT1-MMP 是否参与机械拉伸调控的 BMSCs 侵袭，实验通过建立慢病毒 MT1-MMP 载体（连接载体称为 pCDH-MT1-MMP，空载体称为 pCDH），在 BMSCs 中过表达 MT1-MMP。然后研究了 MT1-MMP 的过表达是否会影响 BMSCs 的侵袭行为。结果表明 BMSCs 的侵袭能力受 MT1-MMP 调控，MT1-MMP 的过表达恢复了机械拉伸抑制的 BMSC 侵袭。这些数据表明机械拉伸以 MT1-MMP 依赖性方式抑制 BMSC 侵袭。
为了确定在机械拉伸抑制 BMSC 侵袭的背景下 MT1-MMP 下调的潜在信号通路，研究人员试图确定相关的信号通路。为了研究 PI3K/Akt 信号通路是否参与机械拉伸影响的 MT1-MMP 表达和 BMSC 侵袭，使用 PI3K 磷酸化抑制剂 LY294002 阻断 PI3K/Akt 信号通路。最终结果表明 PI3K/ Akt 信号通路在调节 MT1-MMP 的表达和 BMSCs 的侵袭活性中起关键作用。随后，实验试图确定 PI3K/Akt 信号通路是否受机械拉伸的影响，并在机械拉伸降低 MT1-MMP 表达和 BMSC 侵袭中起重要作用。于是检查了机械拉伸对 BMSCs 中 PI3K/Akt 通路激活的影响。蛋白质印迹分析显示机械拉伸降低了 Akt 磷酸化（图3），表明 PI3K/Akt 通路对机械拉伸敏感。这些结果表明，机械拉伸通过下调 MT1-MMP 抑制 BMSC 侵袭可能是通过 PI3K/Akt 信号通路介导的。
(a) 机械拉伸加载 BMSCs 0分钟、15分钟、30分钟和 60分钟，并通过蛋白质印迹分析检测 Akt 磷酸化水平的变化。
SC79 是 Akt 磷酸化的激活剂，可以结合 Akt 的 PH 结构域促进 Akt 的磷酸化。为了进一步确定 PI3K/Akt 信号通路是否介导机械拉伸抑制的 MT1-MMP 下调和 BMSC 侵袭，利用 SC79 上调磷酸化 Akt 的水平。结果表明 PI3K/Akt 激活可以上调 MT1-MMP 表达和 BMSC 侵袭。
此外，还分析了在 SC79 存在下机械拉伸对 BMSC 侵袭的影响。结果表明 SC79 对 Akt 磷酸化的上调可能会削弱机械拉伸对 BMSC 侵袭的抑制作用。这些数据表明 PI3K/Akt 信号通路介导机械拉伸抑制的 MT1-MMP 表达和 BMSC 侵袭。
在该研究中，证明机械拉伸通过 PI3K/Akt 信号通路下调 MT1-MMP 来抑制 BMSC 侵袭。下图总结了机械拉伸在调节 BMSC 侵袭中的分子机制。这项研究可能会增进对 BMSCs 机械转导机制的理解，并对基础和临床研究中 BMSC 运动的机械调节提供指导。
参考文献：Fu X, Halim A, Tian B, Luo Q, Song G. MT1-MMP downregulation via the PI3K/Akt signaling pathway is required for the mechanical stretching-inhibited invasion of bone-marrow-derived mesenchymal stem cells. J Cell Physiol. 2019 Aug;234(8):14133-14144. doi: 10.1002/jcp.28105. Epub 2019 Jan 19. PMID: 30659604.
原文链接：https://pubmed-ncbi-nlm-nih-gov.proxy.library.carleton.ca/30659604/图片来源：所有图片均来源于参考文献
小编旨在分享、学习、交流生物科学等领域的研究进展。如有侵权或引文不当请联系小编修正。如有任何的想法以及建议，欢迎联系小编。关注公众号Naturethink了解更多科研资讯！