項 婷,賈元威,郭 南,王 萍,王昌茂,詹翠嬌,徐新徽,沈 杰*
1皖南醫(yī)學(xué)院;2皖南醫(yī)學(xué)院弋磯山醫(yī)院,蕪湖 241000
膝骨關(guān)節(jié)炎(knee osteoarthritis,KOA)是一種常見的關(guān)節(jié)進(jìn)行性、退行性病變,全世界預(yù)估有超過2億的膝骨關(guān)節(jié)炎患者[1]。隨著我國社會人口結(jié)構(gòu)的老齡化,KOA患病率也在增加[2]。KOA的治療多以對癥治療為主,疼痛是KOA的主要臨床癥狀,也是KOA治療的主要目標(biāo)之一[3]。
TrkA-TRPV1(酪氨酸激酶A-瞬時感受器電位香草酸受體1)是在疼痛信號的發(fā)生和傳遞過程中的關(guān)鍵通路。在疼痛的傳導(dǎo)過程中,信號由TrkA受體傳導(dǎo)至作為疼痛發(fā)生器的TRPV1受體,最后傳導(dǎo)至中樞或再反饋到各種其他受體。TRPV1等疼痛相關(guān)通道主要在DRG等神經(jīng)節(jié)中表達(dá)。TrkA-TRPV1在KOA的疼痛中起著重要作用[4,5]。
目前KOA的藥物治療使用非甾體抗炎藥等,但因長期不良反應(yīng)等原因使臨床使用受限[6]。我國地方性天然藥物藥用植物及其衍生產(chǎn)物,在治療慢性及疑難疾病方面具有獨特優(yōu)勢,目前天然藥用植物及其衍生物用于骨關(guān)節(jié)炎治療引起廣泛關(guān)注[7,8],如芍藥甙、冠蓋藤水提物、黃芩素、白藜蘆醇、阿魏酸、胡椒堿及豆腐果苷類似物天麻素等。
豆腐果苷(helicid,4-甲酰苯基β-D-阿咯吡喃糖苷)為我國首次分離鑒定的、天然植物來源的民族藥物,結(jié)構(gòu)與天麻素類似,1984年開始應(yīng)用于臨床治療神經(jīng)病理性疼痛及炎性疼痛,效果顯著,無成癮性,無長期毒性,副作用低。本研究旨在探討豆腐果苷在KOA疼痛中的作用,及其是否與DRG中TrkA-TRPV1信號通路有關(guān)。
SPF級Sprague-Dawley雄性大鼠80只,體重為160~180 g,由上海杰思捷實驗動物有限公司提供,生產(chǎn)許可證號:SCXK(滬)2018-0004。飼養(yǎng)環(huán)境恒溫(22±2 ℃),自由飲水飲食,飼養(yǎng)環(huán)境為12 h光照/黑暗循環(huán)。所有試驗操作均符合皖南醫(yī)學(xué)院動物倫理委員會的批準(zhǔn)。
豆腐果苷(TCI Japan公司,純度> 98%,批號:QCCYK-GS);單碘乙酸鈉(MIA,Sigma-Aldrich,≥ 98%,批號:SLBZ7569);水合氯醛(麥克林,AR,> 99%,批號:C10147287);戊巴比妥鈉(Sigma,批號:20160925);生理鹽水(0.9%氯化鈉注射液,安徽雙鶴藥業(yè)有限責(zé)任公司,批號:1908202B)。
50 μL微量進(jìn)樣器(上海高鴿工貿(mào)有限公司);Von-Frey纖維絲(Touch Test,英國);紅外熱痛測試儀(Biological Reserch Apparatus 21036 Gemonio VA Italy);數(shù)顯游標(biāo)卡尺(杭州鋼拓工具有限公司);Leica Cryostat 冰凍切片機(jī)(CM3000;Nussloch,Germany);TrkA一抗(兔來源,Abcam ab76291);TRPV1一抗(兔來源,Abcam ab6166);二抗(抗兔Abcam ab150078)。
SD大鼠按照造模前一天機(jī)械痛閾值隨機(jī)分組:即空白組、KOA模型組(簡稱模型組)、假手術(shù)組、KOA模型+豆腐果苷50 mg/kg灌胃給藥組(簡稱給藥組)。豆腐果苷目前在抗抑郁和抗神經(jīng)病理性疼痛中的研究較多。目前尚無豆腐果苷用于治療骨關(guān)節(jié)炎的明確報道,無明確的劑量參考。因此本試驗中選擇在其他模型中都有較好的治療效果的劑量:50 mg/kg[9]。
參考Philpott等[10]的造模方法造模:大鼠10%水合氯醛(3 mL/kg,ip)麻醉后,一次性膝關(guān)節(jié)腔注射用無菌0.9%生理鹽水溶解的MIA(60 mg/mL);假手術(shù)組大鼠膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射無菌0.9%生理鹽水50 uL;空白對照組不做處理。MIA注射前一天給藥,隨后每天于7∶30~8∶30灌胃給予豆腐果苷或生理鹽水,給藥2周后處死取L4 DRG組織。麻醉前和取組織前均至少禁食12 h。
2.2.1 機(jī)械刺激回縮閾值(PWT)
用Von-Frey 纖維絲法[11]進(jìn)行測定。
將大鼠放在金屬篩網(wǎng)上的有機(jī)玻璃罩中至少20 min,然后用Von-Frey纖維絲直接刺激大鼠后肢足底中部,持續(xù)時間為3~5 s,大鼠出現(xiàn)抬足或舔足行為視為陽性反應(yīng),撤除纖維絲后立即縮足也被認(rèn)為是陽性反應(yīng);纖維絲彎曲90度無抬足反應(yīng)為陰性反應(yīng)。本試驗中用的細(xì)絲為0.4~15 g,測定時,力度從2 g開始,若出現(xiàn)陽性反應(yīng)則降低力度,若為陰性反應(yīng)則加大力度。在第一次出現(xiàn)不同反應(yīng)后再進(jìn)行4次測量,再根據(jù)公式計算PWT值,如果觀察到對最小克數(shù)纖維絲的陽性反應(yīng)或?qū)ψ畲罂藬?shù)纖維絲的陰性反應(yīng),則停止測試PWT為最小(0.4 g)或最大值(15 g)。每次測量時間為給藥后4 h左右。
2.2.2 熱刺激回縮潛伏期(PWL)
按Hargreaves法[12]用紅外熱痛刺激儀照射大鼠足底。照射開始至大鼠出現(xiàn)抬腿回避時為PWL。紅外強(qiáng)度為55,自動切斷時間為30 s,以防止組織損傷。熱刺激強(qiáng)度在整個實驗過程中維持一致。每只動物測定3次,每次間隔3 min,取3次平均值為大鼠PWL值。每次測量時間為給藥后4 h左右。
2.2.3 關(guān)節(jié)直徑差值
用數(shù)字電子卡尺測量膝關(guān)節(jié)直徑,記錄左右膝關(guān)節(jié)直徑差值。每次測量時間為19∶00~20∶00,造模和處死當(dāng)天除外。
2.3.1 組織獲取
用1%戊巴比妥鈉(35 mg/kg)腹腔注射麻醉大鼠后,進(jìn)行心臟灌注,先用100 mL 0.9%生理鹽水,然后用300 mL 4%多聚甲醛(PFA;pH 7.4),灌注后截取大鼠整段腰椎和膝關(guān)節(jié)。腰椎PFA中固定20 h,分離L4 DRG,PFA中固定24 h,之后在4 ℃環(huán)境下采用20%和30%蔗糖梯度脫水,OTC膠包埋,-80 ℃下保存;切片前于-20 ℃中放置2 h,冰凍切片,切片厚度為6 μm,組織切片置37 ℃溫箱孵育48 h,取出后室溫放置10 min,進(jìn)行染色或-20 ℃保存。膝關(guān)節(jié)PFA中固定48 h,解剖、拍照觀察后評分。
2.3.2 免疫熒光化學(xué)法
組織切片室溫放置10 min;2.5%PBST打孔10 min;5%牛血清37 ℃孵育1 h;滴加TrkA(1∶100)或TRPV1(1∶100)抗體,置濕盒4 ℃ 24 h;次日37 ℃恒溫箱復(fù)溫1 h,滴加二抗(1∶500),37 ℃下孵育2 h;DAPI染色8 min;期間均用0.02 mol/L磷酸鹽緩沖液洗滌5 min ×3次,晾干后滴加抗熒光淬滅劑封片。使用EWROS顯微鏡觀察并拍照。未滴加一抗的組織切片作為熒光陰性對照,切片顯示沒有特異性熒光表達(dá)。使用Image J,測量DRG切片中TrkA、TRPV1的平均IntDen值,并對DRG中有TrkA、TRPV1表達(dá)的細(xì)胞進(jìn)行計數(shù)。
2.3.3 關(guān)節(jié)股骨大體觀察評分
大鼠活體觀察指標(biāo)為關(guān)節(jié)直徑差值,病理學(xué)觀察中大體觀察體評分標(biāo)準(zhǔn)如下(0~4分共5級)[13]:0分,關(guān)節(jié)面光整,色澤如常;1分,關(guān)節(jié)面粗糙,有小的裂隙且色澤灰暗;2分,關(guān)節(jié)面糜爛,軟骨侵蝕深達(dá)軟骨淺中層;3分,關(guān)節(jié)面潰瘍形成,軟骨侵蝕深達(dá)軟骨深層;4分,軟骨剝脫,軟骨下骨質(zhì)暴露。
3.1.1 各組大鼠早中期(MIA注射14天內(nèi))PWT值變化
膝關(guān)節(jié)內(nèi)注射MIA后,大鼠PWT值明顯降低,注射8 h后大鼠PWT值為:模型組=給藥組=假手術(shù)組<空白組=造模前(P<0.05)。假手術(shù)組于注射后1天恢復(fù)為正常狀態(tài)。MIA注射7天后,給藥組PWT值于明顯高于模型組(P<0.05)。空白組造模前后PWT值變化無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。表明豆腐果苷可以抑制OA大鼠的PWT值下降,如圖1 所示。
圖1 MIA 注射后PWT值變化(n = 12)Fig.1 PWT changes after MIA injection (n = 12) 注:與模型組相比,*** P<0.001,** P<0.01,* P<0.05;與給藥組相比,## P<0.01,# P<0.05。Note:Compared with model group, *** P<0.001, ** P<0.01,* P<0.05;Compared with administration group,##P<0.01,# P<0.05.
3.1.2 各組大鼠晚期(MIA注射14天后)PWT變化
造模后14天每組隨機(jī)處死6只大鼠,剩余6只大鼠繼續(xù)觀察。MIA注射14天后大鼠PWT值變化較小,但給藥組PWT值始終高于模型組。表明豆腐果苷長期給藥對KOA的疼痛的抑制作用較為穩(wěn)定,如圖2 所示。
圖2 MIA注射14天后PWT值變化(n = 6)Fig.2 PWT changes after 14 days of MIA injection (n = 6)注:給藥組與模型組相比,給藥組PWT值高于模型組,**P<0.01,*P<0.05。Note:Compared with the model group,the PWT of the administration group is higher, ** P<0.01,* P<0.05.
3.2.1 各組大鼠早中期PWL值變化
膝關(guān)節(jié)注射MIA導(dǎo)致大鼠PWL值顯著降低,產(chǎn)生熱痛敏,模型組在注射后5天恢復(fù),給藥組可以于注射后1天提前改善熱痛敏(P<0.05)。而假手術(shù)組和空白組PWL的改變無統(tǒng)計學(xué)意義,如圖3 所示。
圖3 MIA注射后PWL值變化(n = 12)Fig.3 The changes of PWL value after MIA injection(n = 12)注:與模型組相比,*P<0.05;與給藥組相比,#P<0.05。Note:Compared with model group,*P<0.05;Compared with administration group,#P<0.05.
3.2.2 各組大鼠晚期PWL值變化
MIA注射14天后,各組大鼠PWL值變化無統(tǒng)計學(xué)差異,表明在晚期KOA模型中大鼠熱痛閾值無明顯改變,如圖4 所示。
圖4 MIA注射14后PWL值變化(n = 6)Fig.4 The changes of PWL value after 14 days of MIA injection (n = 6)注:各組PWL值變化無統(tǒng)計學(xué)意義。Note:There is no significant change in PWL.
3.3.1 各組大鼠關(guān)節(jié)直徑差值變化
關(guān)節(jié)直徑差值為大鼠活體狀態(tài)下判斷造模是否成功的標(biāo)準(zhǔn)之一。MIA注射后大鼠注射側(cè)膝關(guān)節(jié)腫脹,關(guān)節(jié)直徑差值顯著增加,初步判斷模型建立成功。模型組和給藥組于MIA注射后3天關(guān)節(jié)直徑差值縮小,但差值仍大于造模前。如圖5、圖6所示。
圖5 關(guān)節(jié)直徑差值(注射側(cè)-非注射側(cè))(n = 6)Fig.5 Knee joint diameter differences (injection side - non injection side) (n = 6)注:與注射前相比,模型組:*** P<0.001,給藥組:### P<0.001。Note:Compared with before injection,model group:*** P<0.001;administration group:### P<0.001.
圖6 MIA注射前后大鼠膝關(guān)節(jié)照片F(xiàn)ig.6 Photos of knee joint of rats before and after MIA injection注:A和E:注射前;B和F:注射后;C和G:注射后1天;D和H:注射后5天。Note:A and E:Before injection;B and F:After injection;C and G:1 day after injection;D and H:5 days after injection.
3.3.2 各組大鼠關(guān)節(jié)軟骨變化情況
MIA注射14天后處死取膝關(guān)節(jié),拍照觀察MIA注射側(cè)膝關(guān)節(jié)股骨軟骨改變。結(jié)果表明:空白組膝關(guān)節(jié)股骨表面光滑,軟骨正常;假手術(shù)組膝關(guān)節(jié)股骨基本與空白組相同,僅少數(shù)股骨表面顏色略灰;模型組膝關(guān)節(jié)股骨軟骨異常增厚,表面粗糙,部分糜爛;給藥組膝關(guān)節(jié)股骨軟骨增厚,但膝蓋表面比模型組光滑。表明豆腐果苷可能可以抑制OA模型的股骨軟骨改變,如圖7所示。
圖7 大鼠膝關(guān)節(jié)股骨照片F(xiàn)ig.7 Photos of femur of rat knee joint 注:如圖中箭頭所示,給藥組膝關(guān)節(jié)股骨軟骨異常增厚;模型組膝關(guān)節(jié)股骨軟骨異常增厚,表面粗糙,部分糜爛。Note:As shown by the arrow in figures,the femoral cartilage of administration group (H) is abnormally thickened;the femoral cartilage of model group is abnormally thickened,with rough surface and partial erosion.
對各組大鼠股骨進(jìn)行大體觀察評分,結(jié)果表明與假手術(shù)組或空白組相比,模型組和給藥組軟骨評分都明顯升高,結(jié)合關(guān)節(jié)直徑差值表明造模成功。其中給藥組分值低于模型組,但并未表現(xiàn)出明顯的統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05)。如表1所示。
表1 大鼠股骨軟骨大體觀察評分表Table 1 General observation score of
MIA注射后第14天行為學(xué)評估后處死大鼠,取雙側(cè)L4 DRG組織。用免疫熒光化學(xué)法對組織進(jìn)行分析。以假手術(shù)組作為對照,術(shù)側(cè):模型組中TrkA熒光強(qiáng)度增加了104.05% (P<0.01),給藥組增加了49.20%(P<0.01),但顯著低于模型組(P<0.05);非術(shù)側(cè):模型組中TrkA熒光強(qiáng)度也增加了48.74%(P<0.01),給藥組增加了21.04%,但是非手術(shù)側(cè)的變化差異無統(tǒng)計學(xué)意義。結(jié)果表明MIA膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射不會增加TrkA表達(dá)的細(xì)胞數(shù),但是可使TrkA在DRG神經(jīng)元細(xì)胞中表達(dá)強(qiáng)度增強(qiáng),豆腐果苷可以抑制TrkA表達(dá)增強(qiáng)作用,如圖8,圖9所示。
圖8 L4DRG中TrkA的表達(dá)(n = 6)Fig.8 Expression of TrkA in L4 DRG (n=6)注:各組術(shù)側(cè)與假手術(shù)組相比,** P<0.01;與給藥組相比,## P<0.01,# P<0.05;與非術(shù)側(cè)相比,△ P<0.05。Note:Compared with the sham group,**P<0.01;Compared with the administration group,## P<0.01, # P<0.05;Compared with the non-operative side,△ P<0.05.
圖9 L4 DRG中TrkA免疫熒光照片(EnVISION×400)Fig.9 Photos of TrkA immunofluorescence in L4 DRG注:M+:模型組手術(shù)側(cè);M-:模型組非手術(shù)側(cè);S+:假手術(shù)組手術(shù)側(cè);S-:假手術(shù)組非手術(shù)側(cè);H+:給藥組手術(shù)側(cè);H-:給藥組非手術(shù)側(cè)。Note:M+:Operation side of model group;M-:Non-operation side of model group;S+:Operation side of sham operation group;S-:Non-operation side of sham operation group;H+:Operation side of administration group;H-:Non-operation side of administration group.
以假手術(shù)組作為對照,TRPV1熒光強(qiáng)度:模型組增加了42.39%(P<0.05),給藥組增加了32.49%(P<0.05);與假手術(shù)組相比,有TRPV1表達(dá)的細(xì)胞數(shù):模型組增加了17.56% (P<0.05),給藥組與模型組、假手術(shù)組之間未呈現(xiàn)統(tǒng)計學(xué)意義差距。結(jié)果表明MIA膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射會增加TRPV1的熒光強(qiáng)度和細(xì)胞數(shù),豆腐果苷給藥可以減少TRPV1在DRG中表達(dá)的細(xì)胞數(shù),但是并未顯著減少熒光強(qiáng)度的增加,如圖10所示。
圖10 L4DRG中TRPV1的表達(dá)(n = 6)Fig.10 Expression of TRPV1 in L4 DRG (n = 6)注:與假手術(shù)組相比, * P<0.05。Note:Compared with the sham group,* P<0.05.
KOA是常見的關(guān)節(jié)病變,患病率較高,嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。目前常用的治療方法為基礎(chǔ)治療、藥物治療和手術(shù)治療?;A(chǔ)治療一般為控制體重,改變不良生活習(xí)慣等,主要為KOA初期的改善措施;藥物治療為單獨基礎(chǔ)治療無效時使用非甾體抗炎藥等對疼痛和關(guān)節(jié)病變進(jìn)行治療;手術(shù)治療常用關(guān)節(jié)置換術(shù)等,用于藥物治療無效的患者。在KOA的梯度治療和個體化治療中,藥物治療接受程度較高,但是因各種不良反應(yīng)等目前常用的非甾體抗炎藥等無法用于長期治療[6]。
根據(jù)骨關(guān)節(jié)炎診療指南(2017版),減輕或消除疼痛是KOA的主要治療目標(biāo)之一。因此本實驗主要對KOA引起的疼痛進(jìn)行了研究,結(jié)果表明豆腐果苷50 mg/kg可以抑制KOA機(jī)械痛,作用穩(wěn)定,但是始終未能使痛敏完全消失,可能需要改變豆腐果苷劑量,尋找最佳劑量,或嘗試與其他藥物聯(lián)合使用以增強(qiáng)療效,但還有待研究。此外,豆腐果苷50 mg/kg僅對早期KOA的熱痛有抑制作用,對中晚期KOA大鼠的PWL值無明顯影響。本試驗中KOA大鼠僅在早期(造模前7天)出現(xiàn)了熱痛敏,而在造模7天后熱痛敏消失,PWL值恢復(fù)正常,豆腐果苷并不能提高正常大鼠的熱痛敏,因此對于中晚期KOA大鼠的PWL值并無升高作用。
NGF-TrkA-TRPV1信號通路是疼痛信號產(chǎn)生和傳遞的關(guān)鍵通路。當(dāng)NGF、TrkA、TRPV1先天性缺陷時,動物會產(chǎn)生先天性痛覺不敏[3]。TRPV1作為疼痛發(fā)生器,主要分布在DRG等神經(jīng)節(jié)中,可以被多種刺激激活,如物理刺激;IL-1β、TNF-α等炎性因子表達(dá)增加;PI3K、PKC、TrkA等通道激活等。TRPV1在KOA的慢性疼痛中可以通過PKC活化在DRG神經(jīng)元中致敏,且有研究表明TRPV1拮抗劑可以減輕急性炎性關(guān)節(jié)痛[14]。因此,TRPV1也是KOA治療的潛在靶標(biāo)之一。但是值得思考的是:單次關(guān)節(jié)內(nèi)注射RTX(樹脂毒素,一種TRPV1激動劑)可以對KOA疼痛進(jìn)行長期緩解[15],與本實驗結(jié)果不一致??赡苁且驗镽TX持續(xù)的刺激使TRPV1去磷酸化而產(chǎn)生了脫敏現(xiàn)象(又稱為快速耐受)等,從而使疼痛緩解。本試驗中使用的關(guān)節(jié)內(nèi)給MIA并未產(chǎn)生脫敏現(xiàn)象,可能是MIA濃度還未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)或者是MIA本身并無此作用。
TrkA作為NGF的特異性受體可以通過激活PI3K、PLC等降低TRPV1 的開放閾值;激活p38MAPK的轉(zhuǎn)錄和翻譯上調(diào)TRPV1的表達(dá)產(chǎn)生反饋作用,使傷害感受器進(jìn)一步釋放炎性因子而降低痛閾。抑制軟骨組織、關(guān)節(jié)滑膜附近的肥大細(xì)胞、滑膜感覺神經(jīng)元、背根神經(jīng)節(jié)等中的TrkA受體作用,都可以抑制KOA疼痛。NGF-TrkA信號的阻斷是抑制KOA疼痛的有效措施,TrkA的選擇性抑制劑具有緩解KOA疼痛的潛力[16],如ASP7962、AR786等,目前已進(jìn)入臨床試驗階段。
神經(jīng)生長因子(NGF)是骨關(guān)節(jié)炎(OA)疼痛的主要驅(qū)動因素,NGF抗體是有效的鎮(zhèn)痛藥[17],緩解疼痛效果良好持久,但有關(guān)節(jié)相關(guān)的副作用發(fā)生,如原發(fā)性骨壞死、水腫、肢體感覺異常等,因此NGF抗體的使用還有待優(yōu)化[18]。
本實驗中,豆腐果苷可以抑制KOA大鼠DRG中TrkA、TRPV1的表達(dá)水平,是其減輕KOA疼痛的機(jī)制之一。在疼痛信號的傳遞過程中NGF可以與TrkA特異性結(jié)合傳遞疼痛信號,也可與TRPV1受體直接結(jié)合,因此推測豆腐果苷可能對NGF的作用也有一定的抑制,但還需研究進(jìn)一步驗證。
目前有研究[19]表明豆腐果苷類似物天麻素可以預(yù)防IL-1β誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞凋亡,抑制核因子κB(NF-κB)途徑,減少炎癥介質(zhì)(IL-6、TNF-α)的釋放,并減少IL-1β處理的軟骨細(xì)胞中的基質(zhì)分解代謝,改善KOA模型大鼠的軟骨退化。豆腐果苷與天麻素結(jié)構(gòu)相似,在治療神經(jīng)病理性疼痛和炎性疼痛中機(jī)制相似,因此我們推測在KOA中,豆腐果苷可能與天麻素有相同的機(jī)制,也可以通過抑制炎性介質(zhì)釋放等途徑,同時改善KOA大鼠的疼痛和軟骨退化,對治療KOA產(chǎn)生重要作用,但還有有待實驗進(jìn)一步驗證。
綜上所述,豆腐果苷可以抑制KOA疼痛,抑制TrkA-TRPV1信號通路為其機(jī)制之一。但是豆腐果苷用于KOA疼痛的治療還需要更多的實驗進(jìn)行說明,其具體機(jī)制也還需要進(jìn)一步完善。
致謝:感謝皖南醫(yī)學(xué)院麻醉學(xué)實驗實訓(xùn)中心和人體解剖教研室提供的儀器和技術(shù)支持。