软骨细胞可通过力敏感通道感受力学微环境的变化,进而调控细胞的各项功能,在软骨健康与损伤中发挥重要作用。然而,目前不同力敏感通道在该过程中所扮演的角色尚未十分明确。瞬时感受器电位离子通道香草素受体亚家族IV(TRPV4)与压电离子通道(Piezo1和Piezo2)是在软骨细胞感受力学微环境中尤为重要的三种力敏感离子通道。因此,本论文研究了TRPV4、Piezo1和Pizeo2在软骨细胞感受不同力学刺激过程中的作用,并进一步探讨了该作用对软骨健康与损伤的潜在影响。首先,分析了周期性拉伸应变(CTS)对小鼠原代软骨细胞力敏感蛋白(TRPV4、Piezo1和Piezo2)表达的调控作用。结果发现:TRPV4、Piezo1、Piezo2在不同幅度CTS刺激下的表达各不相同,其分别在低幅度应变(3%)、较高幅度应变(13%)及高幅度应变(18%)下表达最高。揭示了TRPV4、Piezo1、Piezo2在软骨细胞感受不同幅度CTS刺激时的作用不同。另外,研究了CTS对软骨基质主要蛋白(II型胶原(Collagen II),聚集蛋白聚糖(Aggrecan))合成的调控。结果表明:低幅度应变(3%)、中幅度应变(8%)、较高幅度应变(13%)均促进Collagen II与Aggrecan的合成,而高幅度应变(18%)与之相反。提示正常负荷有利于软骨基质合成,过度负荷将诱发软骨基质降解。其次,借助钙成像技术探讨了CTS对软骨细胞钙信号的调控。结果表明:CTS对软骨细胞钙震荡的调控呈现幅度依赖性。为进一步分析TRPV4、Piezo1、Piezo2在不同幅度CTS诱导的钙信号中的作用,利用siRNA技术建立了软骨细胞TRPV4、Piezo1及Piezo2基因敲低模型(TRPV4-KD,Piezo1-KD,Piezo2-KD)。发现:TRPV4-KD可显著降低低幅度应变(3%)与中幅度应变(8%)CTS诱导的钙震荡;Piezo1-KD及Piezo2-KD可显著降低较高幅度(13%)诱导的钙震荡;Piezo2-KD可显著降低高幅度(18%)诱导的钙震荡。明确了TRPV4、Piezo、Piezo2分别参与软骨细胞感受中低、较高、高幅度CTS刺激时的力学转导过程。再次,通过反演生理相关的基质刚度,观察了基质刚度对TRPV4、Piezo1、Piezo2表达的影响。发现:基质刚度增加引起TRPV4表达升高;而Piezo1与Piezo2的表达与之相反。提出了TRPV4、Piezo在软骨细胞感受基质刚度这一特殊“力学刺激”时发挥的作用也可能不同。另外,通过研究Collagen II与Aggrecan在不同刚度基质上的合成,发现:基质刚度在中间范围时(~78 k Pa,~54 kPa)时,两者的合成最高;当基质更硬(~197kPa)或更软(~2 kPa)时,合成均显著下降。揭示了中间刚度基质将有利于软骨细胞发挥合成代谢功能,促进软骨基质的稳定;当基质刚度过高或过低时,将诱发软骨基质降解。最后,研究了TRPV4、Piezo1、Piezo2在基质刚度诱导软骨细胞钙信号中的作用。发现:基质刚度对软骨细胞钙震荡的调控呈现刚度依赖性;TRPV4-KD可显著降低中高刚度(~78 kPa,~197 k Pa)基质诱导的钙震荡;Piezo1-KD及Piezo2-KD可显著降低中低刚度(~54 kPa,~2 kPa)诱导的钙震荡。提示了TRPV4与Piezo分别参与软骨细胞感受中高(~78 kPa,~197kPa)与中低刚度(~54 kPa,~2 kPa)基质时的力学转导过程。综上所述:TRPV4参与了软骨细胞感受中低幅度CTS时的力学转导过程,进而介导了软骨基质的合成;Piezo2参与了软骨细胞感受高幅度CTS时的力学转导过程,进而介导了软骨基质的降解;随着基质刚度的下降,参与软骨细胞感受基质刚度刺激的力敏感通道由TRPV4转为Piezo。此研究将为修复软骨细胞功能提供新的可能药物靶点,同时也为组织工程优化软骨细胞力学微环境实现功能化软骨组织提供了新思路。