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Membrane stretch as the mechanism of activation of PIEZO1 ion channels in chondrocytes

压电1 机械转化 软骨细胞 机械敏感通道 生物物理学 细胞生物学 离子通道 化学 软骨 细胞膜 细胞内 信号转导 材料科学 解剖 生物 生物化学 受体
作者
Alireza Savadipour,Robert J. Nims,Neda Rashidi,Jaquelin M. Garcia‐Castorena,Ruhang Tang,Gabrielle K. Marushack,Sara J. Oswald,Wolfgang Liedtke,Farshid Guilak
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:120 (30) 被引量:41
标识
DOI:10.1073/pnas.2221958120
摘要

Osteoarthritis is a chronic disease that can be initiated by altered joint loading or injury of the cartilage. The mechanically sensitive PIEZO ion channels have been shown to transduce injurious levels of biomechanical strain in articular chondrocytes and mediate cell death. However, the mechanisms of channel gating in response to high cellular deformation and the strain thresholds for activating PIEZO channels remain unclear. We coupled studies of single-cell compression using atomic force microscopy (AFM) with finite element modeling (FEM) to identify the biophysical mechanisms of PIEZO-mediated calcium (Ca 2+ ) signaling in chondrocytes. We showed that PIEZO1 and PIEZO2 are needed for initiating Ca 2+ signaling at moderately high levels of cellular deformation, but at the highest strains, PIEZO1 functions independently of PIEZO2. Biophysical factors that increase apparent chondrocyte membrane tension, including hypoosmotic prestrain, high compression magnitudes, and low deformation rates, also increased PIEZO1-driven Ca 2+ signaling. Combined AFM/FEM studies showed that 50% of chondrocytes exhibit Ca 2+ signaling at 80 to 85% nominal cell compression, corresponding to a threshold of apparent membrane finite principal strain of E = 1.31, which represents a membrane stretch ratio (λ) of 1.9. Both intracellular and extracellular Ca 2+ are necessary for the PIEZO1-mediated Ca 2+ signaling response to compression. Our results suggest that PIEZO1-induced signaling drives chondrocyte mechanical injury due to high membrane tension, and this threshold can be altered by factors that influence membrane prestress, such as cartilage hypoosmolarity, secondary to proteoglycan loss. These findings suggest that modulating PIEZO1 activation or downstream signaling may offer avenues for the prevention or treatment of osteoarthritis.
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