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Injury-related cell death and proteoglycan loss in articular cartilage: Numerical model combining necrosis, reactive oxygen species, and inflammatory cytokines.

関節軟骨における損傷関連細胞死とプロテオグリカン喪失:壊死、活性酸素種、炎症性サイトカインを組み合わせた数値モデル (機械翻訳の邦題)

PLoS computational biology2023Kosonen JP, Eskelinen ASA, Orozco GA, et al.
研究デザインその他の原著論文
対象ヒト

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研究デザイン
その他の原著論文
対象
ヒト
出版年
2023
出典
doi.org
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出版状態
有効な記録
状態確認日
2026/08/17
収集日
2026/08/04
鮮度
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確認段階
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記録状態
公開

日本語要約(機械生成)

変形性関節症(OA)は関節軟骨の劣化を引き起こす一般的な筋骨格疾患であり、外傷後に発症するものを外傷後OA(PTOA)と呼ぶ。PTOAの病因は不明な点が多いが、軟骨におけるプロテオグリカン(PG)喪失、細胞機能不全、細胞死が初期兆候として知られる。本研究では、軟骨外植片における壊死、活性酸素種(ROS)過剰産生によるアポトーシス、炎症性サイトカイン(インターロイキン-1)駆動性アポトーシスを予測する2次元メカノバイオロジカル有限要素モデルを開発し、30日間のPG喪失をシミュレーションした。その結果、生体力学的に誘発されるPG変性は病変近傍に局在する一方、インターロイキン-1拡散によるPG変性はより広範囲に及ぶと予測された。また、炎症性サイトカインが急速に阻害・除去されると、タンパク分解活性とPG生合成が健常組織に近づき、PG含有量が部分的に回復することも示された。細胞死とPG喪失の予測は実験的知見と一致し、ROSと炎症機構の影響は局所的壊死よりも長期間(3日以上)持続した。本モデルは初期軟骨変性機構の評価やPTOA進行を軽減する介入の有効性評価に有用である。

この要約は公開抄録のみを根拠にAIが機械的に生成したものです。正確な内容は原文を確認してください。

抄録

Osteoarthritis (OA) is a common musculoskeletal disease that leads to deterioration of articular cartilage, joint pain, and decreased quality of life. When OA develops after a joint injury, it is designated as post-traumatic OA (PTOA). The etiology of PTOA remains poorly understood, but it is known that proteoglycan (PG) loss, cell dysfunction, and cell death in cartilage are among the first signs of the disease. These processes, influenced by biomechanical and inflammatory stimuli, disturb the normal cell-regulated balance between tissue synthesis and degeneration. Previous computational mechanobiological models have not explicitly incorporated the cell-mediated degradation mechanisms triggered by an injury that eventually can lead to tissue-level compositional changes. Here, we developed a 2-D mechanobiological finite element model to predict necrosis, apoptosis following excessive production of reactive oxygen species (ROS), and inflammatory cytokine (interleukin-1)-driven apoptosis in cartilage explant. The resulting PG loss over 30 days was simulated. Biomechanically triggered PG degeneration, associated with cell necrosis, excessive ROS production, and cell apoptosis, was predicted to be localized near a lesion, while interleukin-1 diffusion-driven PG degeneration was manifested more globally. Interestingly, the model also showed proteolytic activity and PG biosynthesis closer to the levels of healthy tissue when pro-inflammatory cytokines were rapidly inhibited or cleared from the culture medium, leading to partial recovery of PG content. The numerical predictions of cell death and PG loss were supported by previous experimental findings. Furthermore, the simulated ROS and inflammation mechanisms had longer-lasting effects (over 3 days) on the PG content than localized necrosis. The mechanobiological model presented here may serve as a numerical tool for assessing early cartilage degeneration mechanisms and the efficacy of interventions to mitigate PTOA progression.

MeSH

ApoptosisCartilage, ArticularCytokinesHumansInterleukin-1NecrosisOsteoarthritisProteoglycansQuality of LifeReactive Oxygen Species

DOI 10.1371/journal.pcbi.1010337

PMID 36701279

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