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展的基礎。山東省高校生物藥物重點實驗室（濰坊醫學院）以往的研究表明，膠原代謝會影響正視和近視過程中的鞏膜力學特性和鞏膜重塑。其以往的研究結果和力學因素分析的材料力學基礎理論表明，由于眼壓和鞏膜力學性能的變化，鞏膜和鞏膜成纖維細胞受到不同的力學應變（圖1 A）。

圖1 A：鞏膜力學因素分析；B：鞏膜成纖維細胞的機械培養方案。

機械因素是鞏膜生長、軸向伸長，甚至近視的重要原因。近年來的研究表明，眼壓升高會導致鞏膜組織重塑和鞏膜生物力學特性的變化，以及鞏膜成纖維細胞增殖和鞏膜生長。這些改變可能是由鞏膜組織機械應變引起的變化導致的。研究還證實，機械應變在體外會引起生物學行為的變化，例如增殖和凋亡。然而，不同機械應變對鞏膜成纖維細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實驗室（濰坊醫學院）證明了適當的機械應變可改善膠原蛋白的沉積，但較高的機械應變會促進膠原蛋白的分解，尤其是持續較高的應變。研究還表明，機械應變變化介導轉化生長因子-β1（TGF-β1）的表達以調節鞏膜成纖維細胞中的膠原代謝。這些結果表明機械應變是調節鞏膜膠原代謝的重要因素，并推測機械應變影響鞏膜組織重塑（圖1 B）。
 

不同應變大小影響鞏膜成纖維細胞的膠原代謝

圖2 A、B 顯示鞏膜成纖維細胞中 TGF-β1 和 α1膠原蛋白I 的 mRNA 表達。5% 應變組和 10% 應變組 TGF-β1 和 α1膠原蛋白I mRNA 表達水平均高于靜態組；但 15% 應變組 TGF-β1 和 α1膠原蛋白I mRNA 表達水平低于靜態組，但差異不顯著；此外，20% 應變組 TGF-β1 和 α1膠原蛋白I mRNA 表達水平顯著低于靜態組。TGF-β1 和 α1膠原蛋白I 的 mRNA 表達隨著機械應變的增加而降低。

上述結果表明，適當的機械應變（5%-10% 應變振幅）可提高 TGF-β1 和膠原蛋白I 的表達，而較高的機械應變（15%-20% 應變振幅）可降低 TGF-β1 和膠原蛋白I 的表達。

圖2 C 顯示鞏膜成纖維細胞中基質金屬蛋白酶2（MMP-2）mRNA 的表達。5% 應變組和 10% 應變組 MMP-2 mRNA 表達水平均低于靜態組；但 15% 應變組 MMP-2 mRNA 表達高于靜態組，20% 應變組 MMP-2 mRNA 表達顯著高于靜態組。鞏膜成纖維細胞中 MMP-2 mRNA 的表達隨著機械應變的增加而增加。

圖2 D 顯示鞏膜成纖維細胞中組織金屬蛋白酶抑制劑2（TIMP-2）mRNA 的表達。5% 應變組和 10% 應變組 TIMP-2 mRNA 表達水平均高于靜態組；但 15% 應變組 TIMP-2 mRNA 表達低于靜態組，但差異不顯著；20% 應變組TIMP-2 mRNA 表達顯著低于靜態組。TIMP-2 mRNA 表達隨著機械應變的增加而降低。

上述結果表明，適當的機械應變（5%-10% 應變幅度）會改變 MMP-2/TIMP-2 的平衡，降低 MMP-2 的功能，而較高的機械應變（15%-20% 應變幅度）也會改變 MMP-2/TIMP-2 的平衡，增強 MMP-2 的功能。
 

圖2 不同機械應變幅度對鞏膜成纖維細胞中 TGF-β1（A）、α1 膠原蛋白I （B）、MMP-2（C）和 TIMP-2（D）mRNA 表達的影響。

持續較高的應變影響鞏膜成纖維細胞中的膠原代謝

靜置培養 36 h 后，12 h 20% 應變組鞏膜成纖維細胞中 TGF-β1、α1 膠原蛋白I、MMP-2、TIMP-2 mRNA 表達的變化均恢復。持續 48 h 20% 應變組鞏膜成纖維細胞中 TGF-β1、α1 膠原蛋白I 和 TIMP-2 mRNA 表達水平顯著低于靜態組和 12 h 20% 應變組，但 MMP-2 mRNA 表達水平顯著升高（圖3）。

這些結果表明，持續較高的應變持續影響鞏膜成纖維細胞中膠原代謝相關基因的表達，并且短暫的較高的應變的影響是可以恢復的
 

圖3 20% 應變對鞏膜成纖維細胞中 TGF-β1（A）、α1 膠原蛋白I（B）、MMP-2（C）和 TIMP-2（D）mRNA 表達的影響分析。

TGF-β1 影響鞏膜成纖維細胞的膠原代謝

TGF-β1 處理的鞏膜成纖維細胞中 α1 膠原蛋白I 和 TIMP-2 mRNA 表達水平顯著增加，而 MMP-2 mRNA 表達水平顯著降低。相比之下，TGF-β1 和 LY364947（TGF-β1 抑制劑）處理的鞏膜成纖維細胞中 α1 膠原蛋白I 和 TIMP-2 mRNA 表達水平顯著降低，而 MMP-2 mRNA 表達水平顯著升高（圖4）。這些結果表明，TGF-β1 影響鞏膜成纖維細胞中膠原代謝相關基因的表達。
 

圖4 TGF-β1 和 LY364947 對鞏膜成纖維細胞中α1 膠原蛋白I（A）、MMP-2（B）和 TIMP-2（C）mRNA 表達的影響。

總之，該研究證實，機械應變變化介導 TGF-β1 表達以調節鞏膜成纖維細胞中的膠原代謝，從而影響鞏膜組織重塑。此外，適當的機械應變有利于鞏膜基質沉積，持續較高的機械應變會導致鞏膜基質分解。

參考文獻：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.
原文鏈接：https://pubmed-ncbi-nlm-nih-gov.proxy.library.carleton.ca/32217440/

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