肖莉莉 林煜 鄭世雄 林麗瓊 馮爾宥 王武煉
【摘 要】目的:通過(guò)觀察氟尿嘧啶對(duì)膝骨關(guān)節(jié)炎大鼠軟骨基質(zhì)成分的影響,探討其對(duì)早期膝骨關(guān)節(jié)炎的療效。方法:采用改良Hulth法切除前交叉韌帶、切斷和切除內(nèi)側(cè)半月板造模,空白對(duì)照組僅切開(kāi)后縫合,模型對(duì)照組和氟尿嘧啶組均按上述方法造模,每組12只。術(shù)后6周,空白對(duì)照組和模型對(duì)照組在膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射生理鹽水對(duì)照,氟尿嘧啶組膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射重組氟尿嘧啶注射液2 mg·kg-1。HE染色在光學(xué)顯微鏡下觀察關(guān)節(jié)軟骨組織變化,甲苯胺藍(lán)軟骨基質(zhì)染色后按照Mankin評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行病理評(píng)分,采用免疫組織化學(xué)染色對(duì)膝關(guān)節(jié)軟骨骨橋蛋白的表達(dá)進(jìn)行半定量分析,并用ELISA試劑盒檢測(cè)滑膜組織鈣結(jié)合蛋白S100A12、一氧化氮(NO)、白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)和半乳糖凝集素3(galectin-3)的表達(dá)。結(jié)果:氟尿嘧啶組大鼠膝骨關(guān)節(jié)炎模型滑膜中鈣結(jié)合蛋白S100A12、NO、IL-1β、galectin-3含量較模型對(duì)照組明顯減少,軟骨中骨橋蛋白的表達(dá)也較模型對(duì)照組減少,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P < 0.05);同時(shí)關(guān)節(jié)滑膜的炎癥反應(yīng)也明顯減輕。結(jié)論:通過(guò)關(guān)節(jié)腔注射氟尿嘧啶治療大鼠膝骨關(guān)節(jié)炎模型,能夠改善病變關(guān)節(jié)內(nèi)的微環(huán)境,抑制滑膜炎癥,減少關(guān)節(jié)滑液中致炎因子,從而延緩關(guān)節(jié)軟骨退變,有較好的治療作用。
【關(guān)鍵詞】 膝骨關(guān)節(jié)炎;氟尿嘧啶;軟骨基質(zhì)成分;形態(tài)學(xué);大鼠
【ABSTRACT】Objective:By investigating the effect of fluorouracil on the composition of cartilage matrix in rats with knee osteoarthritis to explore its curative effect on early knee osteoarthritis.Methods:The modified Hulth method was used to cut the anterior cruciate ligament and cut off the medial meniscus.Those in the blank control group were only cut and sutured.The model control group and the fluorouracil group were modeled according to the above methods,with 12 rats in each group.Six weeks after operation,normal saline was injected into the knee joint of the blank control group and the model control group,and recombinant fluorouracil injection(2 mg·kg-1)was injected into the knee joint of the fluorouracil group.HE staining was used to observe the changes of articular cartilage under the light microscope.Toluidine blue cartilage matrix staining was followed by pathological scoring according to the Mankin scoring standard.The expression of osteopontin in knee cartilage was semi-quantitatively analyzed by immunohistochemical staining,and the calcium binding protein S100A12,nitric oxide(NO),interleukin-1β(IL-1β)and galectin-3 in synovial tissue were detected by ELISA kit.Results:The contents of calcium binding protein S100A12,NO,IL-1β and galectin-3 in synovium of the fluorouracil group were significantly lower than those in the model control group,and the expression of osteopontin in cartilage was also lower than that in the model control group,the difference being statistically significant(P < 0.05);At the same time,the inflammatory reaction of joint synovium was also significantly reduced.Conclusion:Intra articular injection of fluorouracil in the treatment of rat knee osteoarthritis model can improve the microenvironment in the diseased joint,inhibit synovial inflammation,reduce inflammatory factors in joint synovial fluid,so as to delay the degeneration of?articular cartilage.
【Keywords】 knee osteoarthritis;fluorouracil;cartilage matrix components;morphology;rats
膝骨關(guān)節(jié)炎(knee osteoarthritis,KOA)是老年人最常見(jiàn)的慢性病之一,是導(dǎo)致關(guān)節(jié)疼痛和殘疾的主要原因[1]。KOA發(fā)展過(guò)程中,軟骨破壞與修復(fù)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,需要多種酶及因子的協(xié)調(diào)和參與,而各種細(xì)胞因子的產(chǎn)生和運(yùn)作可能因疾病的持續(xù)時(shí)間和嚴(yán)重程度而有所不同[2]。在承受高機(jī)械負(fù)荷的膝關(guān)節(jié)組織中,由于平衡被破壞,關(guān)節(jié)軟骨會(huì)發(fā)生進(jìn)行性退變,從而導(dǎo)致KOA的產(chǎn)生[3];同時(shí)滑膜亦呈顯著變化,甚至發(fā)生在軟骨變性之前,可能是KOA發(fā)生的獨(dú)立危險(xiǎn)因素。因此,KOA病理改變涉及關(guān)節(jié)內(nèi)的軟骨細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)、軟骨下骨分解以及關(guān)節(jié)周?chē)?、關(guān)節(jié)液,甚至關(guān)節(jié)的所有組織。滑膜組織鈣結(jié)合蛋白S100A12、一氧化氮(NO)、白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)和半乳糖凝集素3(galectin-3)是早期參與關(guān)節(jié)滑膜炎性病變及軟骨基質(zhì)降解的重要細(xì)胞因子[4]。
當(dāng)前,在膝關(guān)節(jié)內(nèi)注藥預(yù)防和減輕KOA病理改變的研究中,氟尿嘧啶為細(xì)胞毒性抗代謝藥物,可特異性地作用于增生的滑膜細(xì)胞,抑制滑膜細(xì)胞增殖,減少細(xì)胞炎癥因子[5]。本研究為進(jìn)一步探討氟尿嘧啶對(duì)早期KOA的作用機(jī)制,采用氟尿嘧啶給予大鼠Hulth法KOA模型進(jìn)行關(guān)節(jié)腔注射,對(duì)軟骨基質(zhì)成分的組織化學(xué)染色圖像進(jìn)行定量分析,并檢測(cè)滑膜組織炎性細(xì)胞因子及galectin-3的表達(dá)變化,探究氟尿嘧啶對(duì)早期KOA的作用,以期為臨床應(yīng)用提供參考。
1 實(shí)驗(yàn)材料
1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 SPF級(jí)雄性SD大鼠36只,2月齡,體質(zhì)量(250±10)g,由上海斯萊克實(shí)驗(yàn)動(dòng)物有限公司提供,合格證號(hào)SCXK(滬)2012-0002。
1.2 實(shí)驗(yàn)藥物 氟尿嘧啶注射液[上海旭東海普藥業(yè)有限公司,國(guó)藥準(zhǔn)字H31020593,規(guī)格0.25 g·(10 mL)-1]。
1.3 實(shí)驗(yàn)試劑 二甲苯、氨水、甲苯胺藍(lán)、中性樹(shù)膠、過(guò)氧化氫(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);蘇木素-伊紅(HE)染液(武漢谷歌生物科技有限公司);質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的多聚甲醛(默克Sigma-aldrich公司);質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的乙二胺四乙酸(EDTA,匯融化工);阿爾新藍(lán)[生工生物工程(上海)股份有限公司];PAS染色試劑盒(北京索萊寶科技有限公司);切片刀(Leica,德國(guó));鈣結(jié)合蛋白S100A12、NO、IL-1β、galectin-3,ELISA試劑盒(上海西唐生物科技有限公司)。
1.4 實(shí)驗(yàn)儀器 純水機(jī)(西安優(yōu)普,UPT-II-5/10/20T);精密電子天平(北京賽多利斯,BSA124S);生物組織脫水機(jī)(上海繯希,TS-12U);石蠟包埋機(jī)(北京佳源興業(yè),BM-VⅡ);石蠟切片機(jī)(北京長(zhǎng)恒榮創(chuàng),RM2255);攤片烤片一體機(jī)(孝感亞光,YT-7FB);正置顯微鏡(德國(guó)徠卡,DM4000B);顯微圖像分析系統(tǒng)(德國(guó)麥克奧迪,Motic Med 6.0);超低溫冰箱(青島海爾,DW-86L626);臺(tái)式離心機(jī)(安信儀器,1-14);冷凍高速離心機(jī)(德國(guó)賽默飛,Legend Micro 17R);低速離心機(jī)(湖南湘儀,L-530);移液槍?zhuān)绹?guó),Dragon);顯微鏡成像系統(tǒng)(日本奧林巴斯公司,DP72);超低溫冰箱(日本三洋公司,DF-382E);電熱恒溫水箱(上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司,DK-8B)。
2 方 法
2.1 造模、分組及處理 將36只SD大鼠隨機(jī)分為空白對(duì)照組、模型對(duì)照組、氟尿嘧啶組,每組12只。術(shù)前12 h禁食不禁水,稱(chēng)重,采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的戊巴比妥鈉(默克醫(yī)療)進(jìn)行腹腔注射麻醉,選取左膝關(guān)節(jié)備皮,碘伏(朗索醫(yī)藥)消毒,模型對(duì)照組、氟尿嘧啶組采用改良Hulth法[6]切除前交叉韌帶、切斷和內(nèi)側(cè)半月板造模,空白對(duì)照組僅切開(kāi)后縫合。術(shù)后6周,每組各取2只大鼠脫頸處死,取材,采用組織學(xué)和生物化學(xué)等技術(shù)對(duì)關(guān)節(jié)軟骨和關(guān)節(jié)液進(jìn)行評(píng)估模型是否成立。造模成功后,空白對(duì)照組和模型對(duì)照組在膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射生理鹽水對(duì)照,氟尿嘧啶組膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射重組氟尿嘧啶注射液2 mg·kg-1,連續(xù)干預(yù)15 d后取材。
2.2 光學(xué)顯微鏡制樣觀察 動(dòng)物麻醉后,立即取出完整的膝關(guān)節(jié),打開(kāi)膝關(guān)節(jié)腔,切取關(guān)節(jié)軟骨,生理鹽沖洗干凈,采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的多聚甲醛固定,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的EDTA脫鈣,將浸好蠟的膝關(guān)節(jié)軟骨組織放入包埋機(jī)內(nèi)包埋,-20 ℃凍臺(tái)冷卻凝固,按照厚度4 μm連續(xù)切片,切片部位包含負(fù)重關(guān)節(jié)面全層軟骨。分別進(jìn)行HE染色,并在光學(xué)顯微鏡下觀察關(guān)節(jié)軟骨組織變化,對(duì)軟骨按照Mankin評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行病理評(píng)分[6];采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的甲苯胺藍(lán)染色液染色,觀察關(guān)節(jié)軟骨蛋白多糖變化;采用免疫組化法染色,對(duì)膝關(guān)節(jié)軟骨骨橋蛋白的表達(dá)進(jìn)行半定量分析。
2.3 ELISA檢測(cè) 將滑膜組織加稀釋液研磨成碎片,采用ELISA試劑盒檢測(cè)滑膜中組織鈣結(jié)合蛋白S100A12、NO、IL-1β、galectin-3的表達(dá),按照說(shuō)明書(shū)的步驟進(jìn)行操作;在酶標(biāo)儀上讀取450 nm處吸光度值,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線并計(jì)算結(jié)果。
2.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。計(jì)量資料符合正態(tài)分布以表示,采用單因素方差分析(One-way ANOVA);不符合正態(tài)分布采用非參數(shù)檢驗(yàn)。以P < 0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
3 結(jié) 果
3.1 關(guān)節(jié)軟骨HE染色病理學(xué)變化 空白對(duì)照組關(guān)節(jié)軟骨呈半透明的淺藍(lán)色,表面光滑富有彈性,無(wú)裂紋、缺損及硬化。模型對(duì)照組軟骨呈淺黃色,表面無(wú)彈性,粗糙,部分部位出現(xiàn)裂紋及缺損。氟尿嘧啶組關(guān)節(jié)軟骨大多呈半透明色,偶見(jiàn)斑片狀黃色,但未見(jiàn)明顯裂紋或缺損??瞻讓?duì)照組HE染色見(jiàn)膝透明軟骨的切線層、移行層、放射層和鈣化層結(jié)構(gòu)分明,光滑而未見(jiàn)裂隙及缺損,各層細(xì)胞結(jié)構(gòu)清晰,基質(zhì)染色均勻,未能良好顯示潮線,見(jiàn)圖1(1)。模型對(duì)照組軟骨面可見(jiàn)缺損達(dá)移行層,部分可至放射層,缺損下方部分軟骨陷窩內(nèi)未見(jiàn)細(xì)胞核,移行層、放射層細(xì)胞體積增大,數(shù)量減少,排列較規(guī)則,未見(jiàn)明顯紊亂,細(xì)胞囊、軟骨基質(zhì)未見(jiàn)明顯蘇木素著色,鈣化層細(xì)胞體積增大,基質(zhì)染色不均,見(jiàn)圖1(2)。氟尿嘧啶組軟骨表面較光滑,無(wú)明顯缺損,移行層、放射層較空白對(duì)照組增厚,但排列較規(guī)則,基質(zhì)染色較均勻,見(jiàn)圖1(3)。
3.2 甲苯胺藍(lán)軟骨基質(zhì)染色結(jié)果 空白對(duì)照組軟骨基質(zhì)呈深藍(lán)色,各層染色均勻,表明軟骨中含蛋白多糖,見(jiàn)圖2(1);模型對(duì)照組各層未見(jiàn)明顯著色、多層次染色分布不均勻,見(jiàn)圖2(2);氟尿嘧啶組較模型對(duì)照組深染,但仍然淡于空白對(duì)照組,染色以放射層為顯著,見(jiàn)圖2(3)。圖像半定量結(jié)果顯示,空白對(duì)照組蛋白多糖含量最高,氟尿嘧啶組次之,模型對(duì)照組最低。見(jiàn)表1。
3.3 3組Mankin評(píng)分比較 根據(jù)Mankin評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)[5],模型對(duì)照組Mankin得分最高,氟尿嘧啶組次之,空白對(duì)照組最低。氟尿嘧啶組、模型對(duì)照組與空白對(duì)照組比較,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P < 0.05);氟尿嘧啶組與模型對(duì)照組比較,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P < 0.05)。見(jiàn)表2。
3.4 3組膝關(guān)節(jié)軟骨骨橋蛋白表達(dá)比較 大鼠膝關(guān)節(jié)軟骨中的骨橋蛋白經(jīng)過(guò)免疫組化染色呈棕黃色為陽(yáng)性,無(wú)棕黃色染色為陰性??瞻讓?duì)照組軟骨呈弱陽(yáng)性表達(dá),見(jiàn)圖3(1);模型對(duì)照組軟骨細(xì)胞體積明顯增大,胞質(zhì)呈強(qiáng)陽(yáng)性染色,見(jiàn)圖3(2);氟尿嘧啶組較模型對(duì)照組陽(yáng)性染色面積少,部分呈斑片狀散布于各層,見(jiàn)圖3(3)。圖像半定量分析顯示,空白對(duì)照組最低,氟尿嘧啶組次之,模型對(duì)照組最高(P < 0.05)。見(jiàn)表3。
3.5 3組滑膜組織中鈣結(jié)合蛋白S100A12、NO、IL-1β、galectin-3水平比較 滑膜組織中鈣結(jié)合蛋白S100A12、NO、IL-1β、galectin-3水平以模型對(duì)照組最高,空白對(duì)照組最低,氟尿嘧啶組居中。各組比較,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P < 0.05)。見(jiàn)表4。
4 討 論
KOA是關(guān)節(jié)最常見(jiàn)的慢性病,且被認(rèn)為是潛在不可逆疾病[7-8]。S100A12、NO、IL-1β、galectin-3是重要的早期參與膝關(guān)節(jié)滑膜炎性病變及軟骨基質(zhì)降解的細(xì)胞因子,對(duì)膝關(guān)節(jié)軟骨分解代謝和合成代謝起重要作用[9]。IL-1β是KOA致病的關(guān)鍵細(xì)胞因子之一,獨(dú)立地引起炎癥反應(yīng)和分解代謝[10],影響細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)代謝軟骨細(xì)胞,干擾關(guān)鍵結(jié)構(gòu)蛋白(如Ⅱ型膠原蛋白和聚集蛋白聚糖)的合成,并且能和腫瘤壞死因子-α協(xié)同,產(chǎn)生誘導(dǎo)型一氧化氮合酶的NO,對(duì)軟骨產(chǎn)生負(fù)面影響[11-13],同時(shí)NO也促進(jìn)IL-1β表達(dá),而IL-1β也可通過(guò)NO促使人軟骨細(xì)胞基質(zhì)金屬蛋白酶-3(MMP-3)的合成,從而抑制軟骨細(xì)胞增殖作用[14]。KOA患者血液及關(guān)節(jié)外組織中分泌的S100A12進(jìn)入血液循環(huán)后,到達(dá)患者的關(guān)節(jié)周?chē)M織如滑膜,則可促進(jìn)滑膜炎的產(chǎn)生,且骨關(guān)節(jié)炎嚴(yán)重程度與S100A12的表達(dá)水平呈正相關(guān)[15]。galectin-3具有調(diào)節(jié)間充質(zhì)干細(xì)胞MSC免疫的特性,并降低KOA發(fā)生過(guò)程中的免疫應(yīng)答[16-18]。KOA發(fā)生過(guò)程中,與正常軟骨相比,galectin-3的基因表達(dá)顯著增加[19-20]。而在KOA患者的滑膜和關(guān)節(jié)軟骨中也同樣檢測(cè)到galectin-3的表達(dá)增加[21-22]。OPN與KOA發(fā)生過(guò)程中NO、IL-1β、MMPs等炎癥因子的產(chǎn)生密切相關(guān)[23]。本研究通過(guò)改良Hulth法復(fù)制大鼠膝OA模型,發(fā)現(xiàn)模型對(duì)照組滑膜組織中鈣結(jié)合蛋白S100A12、NO、IL-1β、galectin-3水平高于空白對(duì)照組(P < 0.05),HE染色及免疫組化染色結(jié)果表明模型成立,同時(shí)S100A12、NO、IL-1β、galectin-3也可以作為判斷關(guān)節(jié)滑膜炎癥反應(yīng)的指標(biāo)。
氟尿嘧啶為嘧啶類(lèi)氟化物,是細(xì)胞毒性抗腫瘤藥物,也是細(xì)胞毒性抗代謝藥物,其作用于細(xì)胞增殖周期的S期,通過(guò)干擾DNA合成抑制細(xì)胞分裂[24],主要是可特異性地作用于增生的滑膜細(xì)胞,抑制滑膜細(xì)胞脫氧核糖核酸合成,終止滑膜細(xì)胞的有絲分裂,減少滑膜細(xì)胞分泌NO、IL-1β、MMPs等炎癥因子[25]。同時(shí)有研究低劑量氟尿嘧啶不會(huì)抑制正常的軟骨細(xì)胞的分裂,且有利于維持正常軟骨細(xì)胞內(nèi)外水分的穩(wěn)態(tài),改善關(guān)節(jié)軟骨生存的微環(huán)境,參與損傷的修復(fù)[26]。此外,該藥還可減少基質(zhì)的誘導(dǎo)MMPs生成,減輕和緩解對(duì)軟骨的破壞。氟尿嘧啶作為治療KOA的一種較新藥物,具有顯著的鎮(zhèn)痛作用,可改善膝關(guān)節(jié)功能[27],表明在KOA關(guān)節(jié)腔注射療法中有使用氟尿嘧啶的可能性。通過(guò)關(guān)節(jié)腔注射氟尿嘧啶干預(yù)大鼠KOA模型關(guān)節(jié)軟骨退變的研究,發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)腔注射氟尿嘧啶后組織形態(tài)學(xué)結(jié)果顯示,氟尿嘧啶組的關(guān)節(jié)軟骨破壞程度較模型對(duì)照組輕,未見(jiàn)明顯裂紋或缺損,且膝透明軟骨的切線層、移行層、放射層和鈣化層結(jié)構(gòu)分明;甲苯胺藍(lán)軟骨基質(zhì)染色及半定量分析顯示,氟尿嘧啶組軟骨基質(zhì)蛋白多糖含量較模型對(duì)照組高,但低于空白對(duì)照組(P < 0.05)。且氟尿嘧啶組滑膜中鈣結(jié)合蛋白S100A12、NO、IL-1β、galectin-3含量較模型對(duì)照組明顯減少。
上述結(jié)果提示,關(guān)節(jié)腔注射氟尿嘧啶治療大鼠KOA模型,能夠改善病變關(guān)節(jié)內(nèi)的微環(huán)境,抑制滑膜炎癥,減少關(guān)節(jié)滑液中致炎因子,從而延緩關(guān)節(jié)軟骨退變,有較好的治療作用。本研究存在一定局限性,未將常用關(guān)節(jié)腔注射藥物玻璃酸鈉和二甲基亞砜進(jìn)行對(duì)比,未能評(píng)估干預(yù)后一段時(shí)間軟骨及滑膜修復(fù)情況,下一步研究將引入富含血小板血漿治療進(jìn)行對(duì)照,加大樣本量及分階段取材進(jìn)一步驗(yàn)證。
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收稿日期:2021-07-12;修回日期:2021-08-15