剪断力によるNOTCH1の活性化は、ヒト軟骨細胞におけるサイトカインの即時発現を誘発する

Activation of NOTCH1 by Shear Force Elicits Immediate Cytokine Expression in Human Chondrocytes.

• Hao-Jen Cheng
• Wan-Ting Hsu
• Cheng-Nan Chen
• Chin Li

抄録

変形性関節症は関節の過負荷によって引き起こされ、炎症によって引き起こされる軟骨構造の破壊が特徴である。現在の治療戦略は、炎症を和らげ、関節機能のさらなる低下を防ぐことを目的としています。しかし、機械的な力がどのようにして炎症や軟骨機能の低下を引き起こすのかについては、まだ十分に理解されていない。力が制御する分子メカニズムを探るために、力が加わった状態を模擬したin vitroの水圧せん断力実験が必要とされた。その結果、インターロイキン8、インターフェロンβ、TRAF1、TNFAIP3を含む複数のサイトカインや免疫調節因子が、処理後2時間以内にせん断力によって有意に増加することが示された。さらに、JAG1とHES1も同様に劇的に増加しており、NOTCH1シグナル伝達がせん断力によって活性化されていることが示唆された。また、NOTCH1 の細胞内ドメインを短期的に発現させると、同様のサイトカインが活性化され、NOTCH1 がせん断力に応答して下流の遺伝子を活性化していることが示唆された。また、NOTCH1 が活性化した軟骨細胞を培養したところ、骨芽細胞はインターフェロンβとインターフェロンλを高レベルで発現していた。これらの結果から、NOTCH1は力センサーとして機能し、せん断力を受ける軟骨細胞からのサイトカインや免疫調節因子の発現を促進することが示唆された。

Osteoarthritis is caused by overloading of joints and is characterized by inflammation-induced disruption of cartilage structure. Current treatment strategy aims to relieve inflammation and prevent further deterioration of joint function. However, how mechanical force leads to inflammation and deterioration of chondrocyte function still remains incompletely understood. To explore the force-regulated molecular mechanism, an in vitro hydraulic shear force experiment to simulate the condition of force loading was required. The result demonstrated that multiple cytokines and immune regulators, including interleukin 8, interferon β, TRAF1 and TNFAIP3, were significantly increased by shear force within two hours of treatment. Moreover, JAG1 and HES1 were drastically upregulated as well, suggesting that NOTCH1 signaling is activated by shear force. Short-term expression of NOTCH1 intracellular domain activated a similar set of cytokines, indicating that NOTCH1 responds to shear force and activates downstream genes. When incubated under the medium conditioned by NOTCH1-activated chondrocyte, osteoblasts expressed higher levels of interferon β and interferon λ. Together, our results indicated that NOTCH1 functions as a force sensor and promotes expression of cytokines and immune regulators from shear-force bearing chondrocytes.