Background Osteoarthritis (OA) is a degenerative joint disease affecting 594 million people worldwide (1). Our previous studies have shown that the activation of toll-like receptor 1/2 (TLR1/2) increased the expression of pro-inflammatory cytokines and cartilage–degrading enzymes, and inhibited the mitochondrial respiration in chondrocytes of OA patients (2). This study aimed to assess the impact of TLR stimulation on various types of synovial cells of OA patients. Methods Synovial membrane, synovial fluid, cartilage, and peripheral blood were collected from OA patients who had undergone knee replacement surgeries. The cellular composition of synovial membrane and the expression of TLR1 to 9 in synovial cells were detected using flow cytometric and immunofluorescent analysis. Purified synovial fibroblasts were stimulated with agonists specifically targeting TLR1 to 9 for 3.5 days and then were either directly analyzed or co-cultured with spheroids of chondrocytes from the same patients. The expression of inflammatory factors and cartilage-degrading enzymes was measured using qPCR and Bio-Plex assays. Results Roughly 50% of the synovial membrane cells of OA patients were fibroblasts, 25% were immune cells, and the remaining 25% were a mixture of endothelial cells, mesenchymal stem cells, et. al. For the immune cells, roughly 20% were macrophages, 3% were CD4+ T cells, 1% were CD8+ T cells, and 0.5% were B cells. Synovial fibroblasts could express TLR1 to 9. The expression of inflammation-related genes IL6 and IL8, along with cartilage-degrading enzymes such as MMP1 and MMP3, increased when fibroblasts were activated by TLR1/2, TLR4, TLR5, and TLR2/6 agonists. In addition, stimulation of TLR1/2, TLR4, and TLR2/6 enhanced GCSF, while TLR5 stimulation upregulated IL1B and MMP13 expression in the synovial fibroblasts of OA patients. When TLR1/2-prestimulated fibroblasts were cocultured with chondrocyte spheroids, they suppressed chondrocytes in expressing anabolic factor COL2A1 and enhanced their expression of catabolic factor MMP3 along with inflammatory factor IL6, IL8, and GCSF. For synovial immune cells, such as macrophages and T cells, various types of TLR are also expressed. Conclusions Synovial cells, in particular, synovial fibroblasts, macrophages, and T cells of OA patients, expressed various types of TLR. Stimulation of TLR1/2, TLR4, TLR5, and TLR2/6 resulted in increased secretion of inflammatory factors and cartilage-degrading 2 enzymes in the synovial fibroblasts. Additionally, TLR1/2-pre-stimulated fibroblasts promoted chondrocytes to express catabolic and inflammation-related genes while inhibiting the expression of cartilage-anabolic genes.
Hintergrund Osteoarthritis (OA) ist eine degenerative Gelenkerkrankung, von der weltweit 594 Millionen Menschen betroffen sind (1). Unsere früheren Studien haben gezeigt, dass die Aktivierung des Toll-like-Rezeptors 1/2 (TLR1/2) die Expression proinflammatorischer Zytokine und knorpelabbauender Enzyme erhöht und die mitochondriale Atmung in Chondrozyten von OA-Patienten hemmt (2). Ziel dieser Studie war es, den Einfluss der TLR-Stimulation auf verschiedene Arten von Synovialzellen von OA-Patienten zu untersuchen. Methoden Synovialmembran, Synovialflüssigkeit, Knorpel und peripheres Blut wurden von OA-Patienten entnommen, die sich einer Kniegelenkersatzoperation unterzogen hatten. Die zelluläre Zusammensetzung der Synovialmembran und die Expression von TLR1 bis 9 in Synovialzellen wurden mittels Durchflusszytometrie und Immunfluoreszenzanalyse untersucht. Gereinigte Synovialfibroblasten wurden 3,5 Tage lang mit Agonisten stimuliert, die spezifisch auf TLR1 bis 9 abzielen, und anschließend entweder direkt analysiert oder mit Sphäroiden von Chondrozyten derselben Patienten co-kultiviert. Die Expression von Entzündungsfaktoren und knorpelabbauenden Enzymen wurde mittels qPCR und Bio-Plex-Assays gemessen. Ergebnisse Etwa 50 % der Synovialmembranzellen von OA-Patienten waren Fibroblasten, 25 % waren Immunzellen und die restlichen 25 % waren eine Mischung aus Endothelzellen, mesenchymalen Stammzellen usw. Bei den Immunzellen waren etwa 20 % Makrophagen, 3 % CD4+ T-Zellen, 1 % CD8+ T-Zellen und 0,5 % B-Zellen. Synoviale Fibroblasten konnten TLR1 bis 9 exprimieren. Die Expression der entzündungsbezogenen Gene IL6 und IL8 sowie der knorpelabbauenden Enzyme wie MMP1 und MMP3 stieg an, wenn die Fibroblasten durch TLR1/2-, TLR4-, TLR5- und TLR2/6-Agonisten aktiviert wurden. Darüber hinaus verstärkte die Stimulation von TLR1/2, TLR4 und TLR2/6 GCSF, während die TLR5-Stimulation die Expression von IL1B und MMP13 in den Synovialfibroblasten von OA-Patienten hochregulierte. Wenn TLR1/2-vorstimulierte Fibroblasten mit Chondrozyten-Sphäroiden kokultiviert wurden, unterdrückten sie die Expression des anabolen Faktors COL2A1 durch die Chondrozyten und verstärkten deren Expression des katabolen Faktors MMP3 zusammen mit den Entzündungsfaktoren IL6, IL8 und GCSF. Auch für synoviale Immunzellen wie Makrophagen und T-Zellen werden verschiedene Arten von TLR exprimiert. Schlussfolgerungen Synovialzellen, insbesondere synoviale Fibroblasten, Makrophagen und T-Zellen von OA-Patienten, exprimierten verschiedene Arten von TLR. Die Stimulation von TLR1/2, TLR4, TLR5 und TLR2/6 führte zu einer erhöhten Sekretion von Entzündungsfaktoren und knorpelabbauenden Enzymen in den synovialen Fibroblasten. Darüber hinaus förderten TLR1/2-vorstimulierte Fibroblasten die Expression kataboler und entzündungsbezogener Gene in Chondrozyten, während sie die Expression knorpelaufbauender Gene hemmten.
