DOI: https://doi.org/10.1002/advs.76304
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41278992
تاريخ النشر: 2026-07-02
المؤلف: Jiyeon Song وآخرون
الموضوع الرئيسي: التيلوميرات والتيلوميراز والشيخوخة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في دور الضغط الميكانيكي الناتج عن تصلب المصفوفة خارج الخلوية (ECM) في دفع الشيخوخة الخلوية في الخلايا البطانية (ECs)، وهو عامل رئيسي في تدهور وظيفة الأنسجة المرتبطة بالشيخوخة والمرض. باستخدام نموذج ثلاثي الأبعاد بشري في المختبر، تعزل الدراسة الضغط الميكانيكي عن العوامل الالتهابية أو الكيميائية الحيوية، مما يسمح بفحص مركز للاستجابات للشيخوخة الناتجة عن تصلب ECM. تكشف النتائج أن زيادة صلابة المصفوفة تحفز نمط الشيخوخة في ECs يتميز بمستويات مرتفعة من p16 و p21، جنبًا إلى جنب مع نمط إفراز مرتبط بالشيخوخة (SASP)، مستقل عن الإشارات الالتهابية.
تحدد الدراسة محور إشارة Notch-JNK-FOS كمسار حاسم في هذه الشيخوخة الناتجة عن الميكانيكا، حيث أن تثبيط Notch دوائيًا يقلل بشكل فعال من الشيخوخة الناتجة عن الصلابة. علاوة على ذلك، توضح تحليل أنسجة الكبسولة الليفية من المرضى الذين لديهم زراعة ثدي صناعية—التي تعمل كنموذج للتليف المدفوع ميكانيكيًا—زيادة في تجمعات ECs الموجبة لـ p16 و Notch1+. تؤكد تسلسلات RNA أحادية الخلية التكميلية على إثراء برامج الجينات المتعلقة بـ Notch/JNK و SASP في هذه الخلايا. بشكل جماعي، تضع هذه النتائج الشيخوخة الوعائية كعملية حساسة للميكانيكا وتبرز تصلب الأنسجة كإشارة هامة في الشيخوخة، مما يوفر منصة ذات صلة لاستكشاف التدخلات العلاجية المحتملة التي تستهدف الشيخوخة الميكانيكية للخلايا البطانية.
مقدمة
تلعب المصفوفة خارج الخلوية (ECM) دورًا حاسمًا في تنظيم مصير الخلايا من خلال نقل الإشارات الميكانيكية التي تؤثر على سلوك الخلايا. في الشيخوخة ومختلف الأمراض، يحدث تصلب ECM بسبب زيادة الترسيب والتشابك، مما يعطل التواصل المتوازن بين الخلايا والمصفوفة. يكون هذا الانقطاع أكثر وضوحًا في الأوعية الدقيقة، حيث يؤدي تصلب ECM حول الخلايا البطانية (ECs) إلى حالة أكثر انقباضًا وعجزًا، مما يهدد تقاطعات الخلايا وسلامة الحاجز. على الرغم من الاعتراف بهذه التغيرات على مستوى الأنسجة، فإن العواقب الخلوية للإشارات الميكانيكية المتغيرة، خاصة فيما يتعلق بدورها في تحفيز الشيخوخة في ECs، لا تزال غير مستكشفة بشكل كافٍ.
لمعالجة هذه الفجوة، طور المؤلفون منصة هيدروجيل قابلة للتعديل تحاكي الزيادة الديناميكية في صلابة ECM، مما يسمح بالتحقيق في القوى الميكانيكية على الشيخوخة في شبكة EC وآلياتها الجزيئية. تكشف نتائجهم أن الضغط الميكانيكي يحفز حالة انتقالية من الشيخوخة في ECs، تتميز بزيادة التعبير عن علامات الشيخوخة ونمط إفراز مرتبط بالشيخوخة (SASP) مميز. يتم توجيه هذه الاستجابة للشيخوخة الميكانيكية بواسطة محور إشارة Notch-JNK-FOS، مما يعزز برنامج AP-1 المهيمن على FOS مستقل عن تنشيط c-JUN التقليدي. أظهرت التحقق باستخدام أنسجة الكبسولة الليفية البشرية وبيانات تسلسل RNA أحادية الخلية زيادة في ECs الموجبة لـ Notch1 في البيئات الصلبة، مما يبرز الصلة التحويلية لهذه النتائج في المختبر. تؤسس هذه الدراسة منصة حساسة للميكانيكا لمزيد من التحقيق في المدخلات البيوميكانيكية وتحديد الأهداف المحتملة للتخفيف من الشيخوخة في الخلايا البطانية.
طرق البحث
في هذا القسم، يتم تفصيل تخليق حمض الهيالورونيك الميثاكريلي (HA-MA) وتشكيل هيدروجيل الكولاجين-حمض الهيالورونيك (Col-HA). تم تخليق HA-MA عن طريق تعديل حوالي 14% أو 64% من مجموعات الهيدروكسيل الأولية بمجموعات ميثاكريلات من خلال تفاعل مع أنهدريد الميثاكريليك بنسب مولية محددة (1:0.5 و 1:3) مع الحفاظ على درجة حموضة تتراوح بين 8-9 لمدة 4 ساعات. تم تنقية المنتجات عبر الغسيل الكلوي والتجفيف بالتجميد، وتم تقييم درجة التعديل باستخدام الرنين المغناطيسي النووي البروتوني (^1H NMR).
لتشكيل الهيدروجيل، تم إعداد محاليل مخزنة من Col-MA و HA-MA وخلطها مع محلول تعادل لبدء تشابك الكولاجين. تم حضن الخليط الناتج عند 37 درجة مئوية لتشكيل هيدروجيل Col-HA متشابك جسديًا. تم تحقيق التشابك الكيميائي الثانوي من خلال تطبيق محفز ضوئي وتعريض الهيدروجيل لضوء LED الأبيض. تم توصيف الخصائص الميكانيكية للهيدروجيل باستخدام ريوومتر هجين Discovery، مع حساب معامل يونغ من معامل القص. بالإضافة إلى ذلك، تم تحديد نسبة الانتفاخ التوازني عن طريق قياس أوزان الهيدروجيل المائية والجافة. تم استخدام المجهر العاكس لتصوير ألياف الكولاجين-HA، مع قياس قطر الألياف ومساحة التغطية من 25 صورة عبر أربع تكرارات.
النتائج
توضح نتائج هذه الدراسة الآليات التي من خلالها يؤدي تصلب المصفوفة إلى الشيخوخة في شبكة الخلايا البطانية (EC)، باستخدام نموذج هيدروجيل ثلاثي الأبعاد جديد يسمح بالتلاعب المنضبط في صلابة المصفوفة مع الحفاظ على الإشارات الكيميائية الحيوية. طور الباحثون نظام كولاجين ميثاكريلي وحمض الهيالورونيك من الجيل الثاني (Col-MA/HA-MA) الذي يعزل بشكل فعال التأثيرات الميكانيكية عن الأنواع التفاعلية للأكسجين (ROS) الناتجة أثناء البلمرة الضوئية. أظهر هذا النموذج أن زيادة صلابة المصفوفة تعطل بشكل كبير شكل شبكة EC، مما يؤدي إلى تقليل طول الأوعية، والمساحة السطحية، والحجم، بينما سمحت المصفوفات الأكثر ليونة بمواصلة نضوج الشبكة. من الجدير بالذكر أن زيادة علامات الشيخوخة المعتمدة على الصلابة، مثل CDKN1A (p21) و CDKN2A (p16)، لوحظت، جنبًا إلى جنب مع نمط إفراز مرتبط بالشيخوخة (SASP) مميز يتميز بزيادة إفراز السيتوكينات المناعية.
كشفت التحليلات الإضافية أن تصلب المصفوفة ينشط مسارات إشارة Notch، وبشكل خاص محور Notch1-JAG، الذي يرتبط بزيادة التعبير عن الأهداف السفلية مثل MAPK8 (JNK1) و FOS. يبدو أن هذا المسار الحساس للميكانيكا يقود الشيخوخة في EC من خلال برنامج AP-1 المهيمن على FOS، متباينًا عن الاستجابات التقليدية المرتبطة بالشيخوخة. تم تأكيد التحقق في vivo باستخدام أنسجة الكبسولة الليفية من المرضى الذين لديهم زراعة ثدي صناعية، مما أكد تراكم ECs الشيخوخة في البيئات الصلبة ميكانيكيًا، مما يعزز صلة النتائج في المختبر. بشكل عام، تسلط الدراسة الضوء على آلية حساسة للميكانيكا للشيخوخة في EC التي يمكن أن تُعلم استراتيجيات علاجية تستهدف الشيخوخة الوعائية والأمراض ذات الصلة.
المناقشة
في هذه الدراسة، كشفت تحليل التعبير الجيني التفاضلي بين الخلايا البطانية (ECs) الموجبة لـ p16 والسالبة لـ p16 عن 1,487 جينًا تم تعديلهم بشكل كبير (p المعدل < 0.05)، مرتبطين بشكل أساسي بالإشارات الالتهابية، وإعادة تشكيل المصفوفة خارج الخلوية (ECM)، وتنظيم الكروماتين. من الجدير بالذكر أن التحليل أبرز المكونات الرئيسية لمسارات Notch و JNK في ECs الموجبة لـ p16، مما يشير إلى رابط ميكانيكي مع نمط الشيخوخة الملحوظ. على وجه التحديد، تم زيادة التعبير عن الجينات المتعلقة بتنظيم دورة الخلية ونمط الإفراز المرتبط بالشيخوخة (SASP) في الخلايا الموجبة لـ p16، مما يشير إلى دورها المحتمل في تعزيز بيئة مؤيدة للالتهاب وإعادة تشكيل ECM، مما قد يسهم في التليف. علاوة على ذلك، أكدت تحليل إثراء مجموعة الجينات (GSEA) إثراء المسارات المعنية بتنظيم الكولاجين والتمثيل الغذائي داخل مجموعة EC الشيخوخة. تؤكد النتائج تأثير صلابة المصفوفة على الشيخوخة في EC عبر محور إشارة Notch-JNK-FOS، مما يؤدي إلى SASP غير التقليدي الذي قد يقود الشيخوخة الوعائية. استخدمت الدراسة أيضًا منصة هيدروجيل لنمذجة هذه الاستجابات الحساسة للميكانيكا، مما يوفر رؤى حول المراحل المبكرة من الشيخوخة الميكانيكية والآثار الأوسع للشيخوخة في EC في إعادة تشكيل الأنسجة وتقدم التليف.
DOI: https://doi.org/10.1002/advs.76304
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41278992
Publication Date: 2026-07-02
Author(s): Jiyeon Song et al.
Primary Topic: Telomeres, Telomerase, and Senescence
Overview
This research investigates the role of mechanical stress from extracellular matrix (ECM) stiffening in driving cellular senescence in endothelial cells (ECs), a key factor in the decline of tissue function associated with aging and disease. Utilizing a 3D human in vitro model, the study isolates mechanical stress from inflammatory or biochemical factors, allowing for a focused examination of senescence responses to ECM stiffening. The findings reveal that increased matrix stiffness induces an EC senescence phenotype characterized by elevated levels of p16 and p21, along with a senescence-associated secretory phenotype (SASP), independent of inflammatory signals.
The study identifies a Notch-JNK-FOS signaling axis as a critical pathway in this mechano-induced senescence, with pharmacological inhibition of Notch effectively reducing stiffness-induced senescence. Furthermore, analysis of fibrotic capsule tissue from patients with synthetic breast implants—serving as a model for mechanically driven fibrosis—demonstrates an increase in p16+ Notch1+ endothelial populations. Complementary single-cell RNA sequencing corroborates the enrichment of Notch/JNK- and SASP-related gene programs in these cells. Collectively, these results position vascular senescence as a mechanosensitive process and highlight tissue stiffening as a significant upstream signal in aging, providing a relevant platform for exploring potential therapeutic interventions targeting endothelial mechanoaging.
Introduction
The extracellular matrix (ECM) plays a crucial role in regulating cell fate by transmitting mechanical signals that influence cellular behavior. In aging and various diseases, ECM stiffening occurs due to increased deposition and crosslinking, which disrupts homeostatic communication between cells and the matrix. This disruption is particularly pronounced in the microvasculature, where stiffened ECM around endothelial cells (ECs) leads to a more contractile and dysfunctional state, compromising cell junctions and barrier integrity. Despite the recognition of these tissue-level changes, the cellular consequences of altered mechanical cues, especially regarding their role in inducing EC senescence, remain inadequately explored.
To address this gap, the authors developed a tunable hydrogel platform that simulates the dynamic increase in ECM stiffness, allowing for the investigation of mechanical forces on EC network senescence and its molecular mechanisms. Their findings reveal that mechanical stress induces a transitional senescence state in ECs, characterized by elevated expression of senescence markers and a distinct immunomodulatory senescence-associated secretory phenotype (SASP). This mechanoaging response is mediated by a Notch-JNK-FOS signaling axis, promoting a FOS-dominant AP-1 program independent of the canonical c-JUN activation. Validation with human fibrotic capsule tissue and single-cell RNA sequencing data demonstrated an enrichment of Notch1+ senescent ECs in stiff environments, underscoring the translational relevance of these in vitro findings. This research establishes a mechanosensitive platform to further investigate biomechanical inputs and identify potential targets for mitigating endothelial senescence.
Methods
In this section, the synthesis of methacrylated hyaluronic acid (HA-MA) and the formation of collagen-hyaluronic acid (Col-HA) hydrogels are detailed. HA-MA was synthesized by modifying approximately 14% or 64% of primary hydroxyl groups with methacrylate groups through a reaction with methacrylic anhydride at specific molar ratios (1:0.5 and 1:3) while maintaining a pH of 8-9 for 4 hours. The products were purified via dialysis and lyophilization, with the degree of modification assessed using proton nuclear magnetic resonance (^1H NMR).
For hydrogel formation, stock solutions of Col-MA and HA-MA were prepared and mixed with a neutralization solution to initiate collagen crosslinking. The resulting precursor mixture was incubated at 37 °C to form a physically crosslinked Col-HA hydrogel. Secondary chemical crosslinking was achieved by applying a photoinitiator and exposing the hydrogels to white LED light. The mechanical properties of the hydrogels were characterized using a Discovery Hybrid Rheometer, with Young’s modulus calculated from the shear modulus. Additionally, the equilibrium swelling ratio was determined by measuring the weights of hydrated and dehydrated hydrogels. Reflective microscopy was employed to image collagen-HA fibers, with fiber diameter and coverage area quantified from 25 images across four replicates.
Results
The results of this study elucidate the mechanisms by which matrix stiffening induces endothelial cell (EC) network senescence, utilizing a novel 3D hydrogel model that allows for controlled manipulation of matrix stiffness while maintaining biochemical cues. The researchers developed a second-generation methacrylated collagen and hyaluronic acid (Col-MA/HA-MA) system that effectively isolates mechanical effects from reactive oxygen species (ROS) generated during photopolymerization. This model demonstrated that increasing matrix stiffness significantly disrupts EC network morphology, leading to reduced vessel length, surface area, and volume, while softer matrices allowed for continued network maturation. Notably, stiffness-dependent upregulation of senescence markers, such as CDKN1A (p21) and CDKN2A (p16), was observed, alongside a distinct senescence-associated secretory phenotype (SASP) characterized by increased secretion of immunomodulatory cytokines.
Further analysis revealed that matrix stiffening activates Notch signaling pathways, specifically the Notch1-JAG axis, which correlates with increased expression of downstream targets like MAPK8 (JNK1) and FOS. This mechanosensitive pathway appears to drive EC senescence through a FOS-dominant AP-1 program, diverging from classical pro-inflammatory SASP responses typically associated with senescence. In vivo validation using fibrotic capsule tissues from patients with synthetic breast implants confirmed the accumulation of senescent ECs in mechanically stiffened environments, reinforcing the relevance of the in vitro findings. Overall, the study highlights a mechanosensitive mechanism of EC senescence that could inform therapeutic strategies targeting vascular aging and related pathologies.
Discussion
In this study, differential gene expression analysis between p16+ and p16- endothelial cells (ECs) revealed 1,487 significantly altered genes (adjusted $p < 0.05$), primarily associated with inflammatory signaling, extracellular matrix (ECM) remodeling, and chromatin regulation. Notably, the analysis highlighted key components of the Notch and JNK pathways in p16+ ECs, suggesting a mechanistic link to the observed senescence phenotype. Specifically, genes related to cell cycle regulation and the senescence-associated secretory phenotype (SASP) were upregulated in p16+ cells, indicating their potential role in promoting a pro-inflammatory environment and ECM remodeling, which could contribute to fibrosis. Furthermore, Gene Set Enrichment Analysis (GSEA) confirmed the enrichment of pathways involved in collagen organization and metabolism within the senescent EC population. The findings underscore the influence of matrix stiffness on EC senescence via a Notch-JNK-FOS signaling axis, leading to a non-canonical SASP that may drive vascular aging. The study also utilized a hydrogel platform to model these mechanosensitive responses, providing insights into the early stages of mechanoaging and the broader implications of EC senescence in tissue remodeling and fibrosis progression.