陳光耀,陳嘉琪,姚傳輝,徐 愿,羅 靜,鄢澤然,陶慶文
(1.北京中醫(yī)藥大學(xué),北京100029;2.中日友好醫(yī)院中醫(yī)風(fēng)濕病科,免疫炎性疾病北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100029)
骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis,OA)是一種以關(guān)節(jié)軟骨退變、骨贅形成及軟骨下骨硬化為特征的退行性病變[1]。研究表明OA與年齡、肥胖及關(guān)節(jié)創(chuàng)傷等一系列因素關(guān)系密切[2,3]。目前,越來(lái)越多證據(jù)表明炎癥反應(yīng)與骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生及長(zhǎng)期存在有密切關(guān)系,尤其在OA早期,軟骨細(xì)胞及滑膜細(xì)胞分泌的相關(guān)炎性細(xì)胞因子發(fā)揮了至關(guān)重要的作用[4,5]。軟骨細(xì)胞在白介素-1β(IL-1β)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)等炎性細(xì)胞因子的刺激下,通過(guò)PI3K/AKT、MAPK及NF-κB等途徑刺激分泌OA相關(guān)的基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMPs),并進(jìn)一步造成軟骨基質(zhì)降解是軟骨退變發(fā)生的重要因素[6,7]。
SW1353細(xì)胞最初由美國(guó)模式培養(yǎng)物集存庫(kù)(American type culture collection,ATCC)從一名原發(fā)軟骨肉瘤患者肱骨處提取,該細(xì)胞系在保留了相關(guān)軟骨細(xì)胞特性的同時(shí)能夠無(wú)限增殖。研究表明,該細(xì)胞與人的軟骨細(xì)胞均能夠被炎性因子誘導(dǎo)產(chǎn)生MMPs,因此廣泛用于OA相關(guān)研究[8]。地塞米松(DEX)屬于甾體類(lèi)抗炎藥物,可抑制前列腺素等花生四烯酸代謝產(chǎn)物,同時(shí)促進(jìn)黏多糖合成并抑制其降解酶從而發(fā)揮保護(hù)細(xì)胞間基質(zhì)的作用,在臨床中廣泛用于自身免疫性炎癥性疾病、過(guò)敏性疾病的治療[9,10]。本研究擬通過(guò)地塞米松干預(yù)IL-1β致炎的SW1353 OA細(xì)胞模型,探究地塞米松潛在的軟骨保護(hù)作用,為通過(guò)關(guān)節(jié)腔注射甾體抗炎藥預(yù)防OA提供理論依據(jù)。
SW1353細(xì)胞(ATCC來(lái)源)購(gòu)買(mǎi)于北京中科質(zhì)檢生物技術(shù)有限公司。其他試劑有:Leibovitiz′s L-15培養(yǎng)基(Gibco,美國(guó)),胎牛血清(ScienCell,美國(guó)),地塞米松(Sigma,美國(guó)),[3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-5-(3-carboxymethoxyphenyl)-2-(4-sulfo -phenyl)-2H-tetrazolium inner salt,MTS](Promga,美國(guó)),IL-1β(Peprotech,美國(guó)),磷酸緩沖鹽溶液(Hyclone,美國(guó)),MMP-1抗體(10371-2-AP,Proteintech,美國(guó)),MMP-3抗體(ab53015,Abcam,英國(guó)),MMP-13抗體(ab39012,Abcam,英國(guó)),小鼠抗β-actin抗體(TA-09,中杉金橋,中國(guó)),山羊抗小鼠IgG/辣根酶標(biāo)記(ZB-5305,中杉金橋,中國(guó)),山羊抗兔IgG/辣根酶標(biāo)記(ZB-2301,中杉金橋,中國(guó)),10%變性預(yù)制膠(普利萊,中國(guó)),膜封閉液(索萊寶,中國(guó)),一抗二抗稀釋液(普利萊,中國(guó)),PVDF膜(Millipore,美國(guó)),ECL發(fā)光液(Millipore,美國(guó)),逆 轉(zhuǎn) 錄 試 劑 盒(A 3500,Promga,美 國(guó)),SYBR Green Realtime PCR Master Mix(QPK-201,TOYOBO,日本),Ripa裂解液(索萊寶,中國(guó)),PMSF(索萊寶,中國(guó)),HiPure Total RNA Mini Kit(美基公司,中國(guó)),MMP-1、MMP-3、MMP-13、β-actin引物(擎科生物科技),具體序列見(jiàn)表1。
表1 實(shí)時(shí)定量PCR引物序列Tab 1 Primer sequences of PCR
SW1353于含90%L-15培養(yǎng)基、10%胎牛血清、100μ/mL青霉素及100 mg/mL鏈霉素的完全培養(yǎng)基中培養(yǎng),密閉瓶口放置于37℃孵箱中,待細(xì)胞長(zhǎng)滿培養(yǎng)瓶后使用胰酶將細(xì)胞消化后收集細(xì)胞。細(xì)胞增殖實(shí)驗(yàn)時(shí)將細(xì)胞種植于96孔板并設(shè)置4個(gè)副孔(每孔2萬(wàn)個(gè)細(xì)胞),PCR及Western Blot實(shí)驗(yàn)將細(xì)胞種植于6孔板中(每孔50萬(wàn)個(gè)細(xì)胞),給予不同濃度地塞米松和(或)10 ng/mL IL-1β進(jìn)行干預(yù),干預(yù)后使用封口膜封閉培養(yǎng)板。
將收集到的未干預(yù)細(xì)胞加入完全培養(yǎng)基稀釋成20萬(wàn)個(gè)細(xì)胞/mL,充分混勻后將96孔板每孔加入100μL含細(xì)胞培養(yǎng)基,分別加入地塞米松溶液使培養(yǎng)基中地塞米松最終濃度為101~108nmol/L,未加地塞米松溶液組別作為空白對(duì)照組,使用封口膜封閉96孔板于37℃孵箱中培養(yǎng)12 h,每孔加入20μL MTS,1 h后將96孔板置于酶標(biāo)儀中檢測(cè)490 nm波長(zhǎng)下的光密度值。將空白對(duì)照組細(xì)胞活力設(shè)定為100%,并以此為基礎(chǔ)計(jì)算其余各組細(xì)胞活力。104、106、107nmol/L地塞米松組加入或不加入10 ng/mL IL-1β,計(jì)算各組細(xì)胞活力并與空白對(duì)照組比較。
將收集到的細(xì)胞加入完全培養(yǎng)基稀釋成25萬(wàn)個(gè)細(xì)胞/mL,充分混勻后6孔板每孔加入2 mL含細(xì)胞培養(yǎng)基。取不做特殊處理的組別作為空白對(duì)照組,其余各組均加入10 ng/mL IL-1β。IL-1β組不加地塞米松,其余各組分別加入地塞米松,使溶液中 地 塞 米 松 最 終 濃 度 分 別 為101、102、103、104、105、106、107nmol/L,使用封口膜封閉6孔板于37℃孵箱中培養(yǎng)12 h,采用HiPure Total RNA Mini Kit試劑盒進(jìn)行柱式法提取總RN,并進(jìn)一步將1μg總RNA逆轉(zhuǎn)錄形成cDNA,將SYBR Green Realtime PCR Master Mix、cDNA及引物配置成20μL反應(yīng)體 系,以β-actin作 為 內(nèi) 參 檢 測(cè)MMP-1、MMP-3、MMP-13 mRNA相對(duì)表達(dá)量。
實(shí)驗(yàn)分組及干預(yù)方法同PCR實(shí)驗(yàn),干預(yù)結(jié)束后將1%PMSF加入Ripa裂解液中,棄去培養(yǎng)基后每孔加入Ripa裂解液250μL于冰上裂解25 min,10 000 r/min離心5 min取上清液。將上清液與上樣緩沖液以4∶1的比例進(jìn)行混合,煮沸后離心10 000 r/min離心5 min,取上清液上樣。使用10%變性預(yù)制膠及自帶Hepes電泳緩沖液進(jìn)行電泳,使用70 v電壓進(jìn)行60 min轉(zhuǎn)膜至PVDF膜上,膜封閉液進(jìn)行封閉1 h后,加入相應(yīng)稀釋后的一抗(MMP-1 1∶5 000、MMP-3 1∶1 000、MMP-13 1∶1 000、β-actin 1∶1 000)后4℃進(jìn)行過(guò)夜,使用TBST進(jìn)行清洗后加入相應(yīng)的稀釋后的山羊抗小鼠(兔)IgG/辣根酶標(biāo)記二抗(1∶5 000)孵育1 h,使用TBST清洗后滴加ECL發(fā)光液后進(jìn)行曝光。
采用IBM SPSS Statistics 25.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,計(jì)量資料用(±s)表示,兩組間比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn);不同濃度地塞米松組間比較采用單因素方差分析,多重比較采用Dunnett法;P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
MTS增殖實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示101~107nmol/L地塞米松對(duì)細(xì)胞活性無(wú)明顯影響,108nmol/L地塞米松對(duì)細(xì)胞具有明顯的抑制作用(圖1、表2);在0、104、106、107nmol/L不同濃度地塞米松干預(yù)下,加入或不加入10 ng/mL IL-1β對(duì)其細(xì)胞活性未見(jiàn)明顯影響(圖2、表3)。因此,本研究選擇地塞米松濃度為101~107nmol/L作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)工作濃度。
當(dāng)SW1353細(xì)胞加入10 ng/mL的IL-1β后,MMP-1、MMP-3、MMP-13 mRNA的表達(dá)水平明顯升高(6~14倍)。PCR結(jié)果提示使用不同濃度的地塞米松干預(yù)IL-1β誘導(dǎo)的SW1353細(xì)胞后,MMP-1、MMP-3、MMP-13 mRNA的表達(dá)水平有所降低,并呈現(xiàn)出一定的劑量依賴效應(yīng)。如圖3、表4所示,加入102~107nmol/L地塞米松進(jìn)行干預(yù)后,MMP-1的mRNA表達(dá)水平明顯降低,和僅加入IL-1β組相比差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05或P<0.01);104~107nmol/L地塞米松干預(yù)后,MMP-3的mRNA表達(dá)明顯減少,和僅加入IL-1β組相比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.01);101~107nmol/L地塞米松干預(yù)后,MMP-13的mRNA表達(dá)明顯減少,和僅加入IL-1β組相比差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.01)。加入104nmol/L地塞米松組與加入103nmol/L地塞米松組相比,MMP-1、MMP-3、MMP-13 mRNA表達(dá)水平明顯降低,推測(cè)該濃度的地塞米松可能是適宜于 干預(yù)IL-1β誘導(dǎo)的SW1353細(xì)胞的最適宜濃度。
圖1 不同濃度地塞米松干預(yù)SW1353細(xì)胞12 h后細(xì)胞活力Fig 1 Cell viability of SW 1353 cells 12 h after treatment of dexamethasone at different concentrations
圖2 加入或不加入IL-1β不同濃度地塞米松培養(yǎng)SW1353細(xì)胞12 h細(xì)胞活力Fig 2 Cell viability of SW1353 cells 12 h after treatment of dexamethasone with or without IL-1β
表2 101~108 nmol/L地塞米松培養(yǎng)SW1353細(xì)胞12 h后細(xì)胞活力(±s)Tab 2 Cell viability of SW1353 cells 12 h after treatment of 101~108 nmol/L dexamethasone(±s)
表2 101~108 nmol/L地塞米松培養(yǎng)SW1353細(xì)胞12 h后細(xì)胞活力(±s)Tab 2 Cell viability of SW1353 cells 12 h after treatment of 101~108 nmol/L dexamethasone(±s)
注:q:Dunnett檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量。#不同濃度地塞米松(DEX)組分別與空白對(duì)照組比較。
指標(biāo)細(xì)胞活力q P#空白對(duì)照組100.00±9.29 101 DEX 102 DEX 103 DEX 104 DEX 105 DEX 106 DEX 107 DEX 108 DEX 69.18±10.04 4.49 0.001--101.21±10.48 0.18 1.000 101.93±13.81 0.28 1.000 101.88±12.98 0.27 1.000 101.80±4.06 0.26 1.000 98.40±5.27 0.23 1.000 100.96±7.76 0.14 1.000 99.16±9.48 0.12 1.000
表3 加入或不加入IL-1β不同濃度地塞米松(101~107 nmol/L)培養(yǎng)SW1353細(xì)胞12 h細(xì)胞活力(±s)Tab 3 Cell viability of SW1353 cells 12 h after treatment of 101~107 nmol/L dexamethasone with or without 10 ng/m L IL-1β(±s)
表3 加入或不加入IL-1β不同濃度地塞米松(101~107 nmol/L)培養(yǎng)SW1353細(xì)胞12 h細(xì)胞活力(±s)Tab 3 Cell viability of SW1353 cells 12 h after treatment of 101~107 nmol/L dexamethasone with or without 10 ng/m L IL-1β(±s)
注:△加入10 ng/m L IL-1β干預(yù),q:Dunnett檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量,#不同濃度地塞米松(DEX)組分別與空白對(duì)照組比較。
指標(biāo)空白對(duì)照組IL-1β組104 DEX 104△DEX 106 DEX 106△DEX 107 DEX 107△DEX細(xì)胞活力100.00±9.29 101.86±7.36 101.80±4.06 97.3±12.88 99.16±9.48 103.34±6.73 69.18±10.04 68.62±3.37 5.26 0.000 q P#--0.31 1.000 0.30 1.000 0.45 0.997 0.14 1.000 0.56 0.991 5.16 0.000
圖3 101~107 nmol/L地塞米松干預(yù)IL-1β誘導(dǎo)后的SW1353細(xì)胞MMP-1、MMP-3、MMP-13 mRNA表達(dá)水平(n=3)Fig 3 Expression level of MMP-1、MMP-3、MMP-13 mRNA of SW1353 cells treated with 101-107 nmol/L dexamethasone and 10 ng/m L IL-1β(n=3)
表4 101~107nmol/L地塞米松溶液干預(yù)IL-1β刺激后的SW1353細(xì)胞MMP-1、MMP-3、MMP-13mRNA表達(dá)(±s)Tab4 ExpressionlevelofMMP-1、MMP-3、MMP-13mRNAof10ng/mLIL-1βinducedSW1353cellstreatedwith101-107nmol/L dexamethasone(±s)
表4 101~107nmol/L地塞米松溶液干預(yù)IL-1β刺激后的SW1353細(xì)胞MMP-1、MMP-3、MMP-13mRNA表達(dá)(±s)Tab4 ExpressionlevelofMMP-1、MMP-3、MMP-13mRNAof10ng/mLIL-1βinducedSW1353cellstreatedwith101-107nmol/L dexamethasone(±s)
注:*q為Dunnett檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量,☆白介素-1β(IL-1β)組與空白對(duì)照組采用t檢驗(yàn)。#不同濃度地塞米松(DEX)組分別與IL-1β組進(jìn)行比較。
指標(biāo)MMP-1mRNA q P#ˉMMP-3mRNA q P#MMP-13mRNA q P#107DEX 1.70±0.35 13.42 0.000 4.20±0.57 11.08 0.000 1.18±0.14 18.10 0.000空白對(duì)照組1.00±0.00--1.00±0.00--1.00±0.00--IL-1β組7.28±0.79 13.79☆0.005 12.63±0.89 22.75☆0.002 13.10±1.53 13.70☆0.005 101DEX 6.62±0.72 1.57 0.486 11.25±1.23 1.81 0.347 9.57±1.12 5.35 0.000 102DEX 5.69±0.62 3.82 0.008 12.26±1.34 0.49 0.996 9.16±1.07 5.98 0.000 103DEX 4.99±0.54 5.51 0.000 10.77±1.18 2.45 0.122 6.26±0.62 10.38 0.000 104DEX 2.19±0.24 12.22 0.000 6.25±0.69 8.37 0.000 1.84±0.22 17.09 0.000 105DEX 1.96±0.21 12.79 0.000 5.78±0.63 9.00 0.000 1.63±0.14 17.41 0.000 106DEX 1.80±0.20 13.16 0.000 4.57±0.50 10.59 0.000 1.55±0.08 17.53 0.000
Westernblot結(jié)果顯示,相對(duì)于空白對(duì)照組,使用10ng/mLIL-1β刺激后,SW1353細(xì)胞MMP-1、MMP-3、MMP-1水平明顯增高;使用104nmol/L的地塞米松干預(yù)后,和僅添加IL-1β組SW1353細(xì)胞比,MMP-1、MMP-3、MMP-1蛋白表達(dá)水平明顯降低。見(jiàn)表5,圖4、5。
表5 104nmol/L地塞米松溶干預(yù)IL-1β刺激后的SW1353細(xì)胞后MMP-1、MMP-3、MMP-1蛋白表達(dá)westernblot灰度值(±s)Tab5 GreyvalueofMMP-1,MMP-3,MMP-13proteinof IL-1βinducedSW1353cellstreatedwith104nmol/Ldexamethasone(±s)
表5 104nmol/L地塞米松溶干預(yù)IL-1β刺激后的SW1353細(xì)胞后MMP-1、MMP-3、MMP-1蛋白表達(dá)westernblot灰度值(±s)Tab5 GreyvalueofMMP-1,MMP-3,MMP-13proteinof IL-1βinducedSW1353cellstreatedwith104nmol/Ldexamethasone(±s)
注:#白介素-1β(IL-1β)組和空白對(duì)照組比較,DEX(地塞米松)組和IL-1β組比較。
指標(biāo)MMP-1蛋白t P#MMP-3蛋白t P#MMP-13蛋白t P#空白對(duì)照組1.00±0.00--104DEX 3.533±0.57 2.92 0.043 1.24±0.07 8.91 0.001 1.50±0.21 3.98 0.016 1.00±0.00--1.00±0.00--IL-1β組5.267±0.86 8.62 0.013 2.74±0.28 10.62 0.009 2.94±0.59 5.68 0.030
圖4 104nmol/L的地塞米松干預(yù)IL-1β誘導(dǎo)SW1353細(xì)胞后MMP-1、MMP-3、MMP-13蛋白表達(dá)水平Fig4 ExpressionlevelofMMP-1、MMP-3、MMP-13proteinsofSW1353cellstreatedwith104nmol/LdexamethasoneandIL-1β
圖5 104nmol/L地塞米松溶干預(yù)IL-1β誘導(dǎo)SW1353細(xì)胞后MMP-1、MMP-3、MMP-13蛋白表達(dá)westernblot灰度值Fig5 GreyvalueofMMP-1,MMP-3,MMP-13proteinofIL-1βinducedSW1353cellstreatedwith104nmol/Ldexamethasone
活細(xì)胞中產(chǎn)生的還原型輔酶Ⅱ(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)及煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸,能夠?qū)TS還原為有色的甲臢,通過(guò)檢測(cè)其在490 nm的背景吸光度值可間接反映出活細(xì)胞數(shù)量[11]。本研究通過(guò)MTS實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),101~107nmol/L地塞米松對(duì)SW1353細(xì)胞活性未見(jiàn)明顯的影響,當(dāng)?shù)厝姿蓾舛仍黾拥?08nmol/L后細(xì)胞活性明顯被抑制,故本研究將地塞米松實(shí)驗(yàn)濃度設(shè)定在101~107nmol/L。
細(xì)胞外基質(zhì)與細(xì)胞之間存在相互作用并對(duì)組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行支持,因此在機(jī)體生理過(guò)程中發(fā)揮重要作用[12,13]。軟骨由少量軟骨細(xì)胞及大量細(xì)胞外基質(zhì)構(gòu)成,在相關(guān)蛋白酶的催化作用下,細(xì)胞外基質(zhì)平衡被打破導(dǎo)致軟骨被降解是OA發(fā)生的關(guān)鍵因素[14,15]。MMPs依賴Ca2+、Zn2+等金屬離子作為輔助因子進(jìn)行活化,與細(xì)胞外基質(zhì)降解有密切關(guān)聯(lián),其中膠原酶MMP-1、MMP-13及基質(zhì)溶解素酶MMP-3與OA關(guān)系最為密切[16-18]。本研究表明SW1353細(xì) 胞 被IL-1β誘 導(dǎo) 后,MMP-1、MMP-3、MMP-13在mRNA及蛋白表達(dá)水平均明顯上升,與之前研究結(jié)果一致。
在使用不同濃度地塞米松進(jìn)行干預(yù)后發(fā)現(xiàn),較低濃度的地塞米松(MMP-13 10 nmol/L、MMP-1 100 nmol/L、MMP-3 1 000 nmol/L)即可對(duì)MMP具有一定的抑制作用,且具有明顯的劑量-效應(yīng)關(guān)系。其中使用104nmol/L地塞米松進(jìn)行干預(yù)后,MMP-1、MMP-3、MMP-13 mRNA的 表 達(dá) 量 較10、102、103nmol/L地塞米松干預(yù)后明顯降低,結(jié)合105~107nmol/L地塞米松實(shí)驗(yàn)結(jié)果推測(cè)在本實(shí)驗(yàn)中104nmol/L濃度的地塞米松可能是達(dá)到較大抑制MMPs mRNA表達(dá)效果的最小劑量。進(jìn)一步使用104nmol/L濃度的地塞米松對(duì)MMP-1、MMP-3、MMP-13 mRNA蛋白水平的干預(yù)作用進(jìn)行探究,Western blot實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示,該濃度的地塞米松可以明顯抑制MMP-1、MMP-3、MMP-13 mRNA在蛋白水平的表達(dá)。
關(guān)節(jié)外傷及類(lèi)風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎患者滑膜等組織產(chǎn)生IL-1β、TNF-α等炎性細(xì)胞因子[19,20],進(jìn)入關(guān)節(jié)腔后可以誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞產(chǎn)生MMP-1、MMP-3、MMP-13,從而導(dǎo)致軟骨基質(zhì)平衡破壞,進(jìn)而造成OA的發(fā)生。本研究結(jié)果提示,小劑量的地塞米松即可延緩這些炎癥反應(yīng)的發(fā)生。推測(cè)在炎癥反應(yīng)初期進(jìn)行小劑量的甾體抗炎藥注射或可有效阻止OA的進(jìn)展,但需動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及臨床研究進(jìn)一步驗(yàn)證。
本試驗(yàn)通過(guò)IL-1β致炎SW1353細(xì)胞制造OA細(xì)胞模型,并使用PCR、Western Blot方法檢測(cè)地塞米松干預(yù)造模細(xì)胞后基質(zhì)金屬蛋白酶的變化,探索了地塞米松潛在的軟骨保護(hù)作用。本文未對(duì)與骨關(guān)節(jié)炎相關(guān)的其他細(xì)胞因子進(jìn)行檢測(cè),也未能更進(jìn)一步地通過(guò)通路探索地塞米松抑制MMPs的具體機(jī)制。
海南醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)2021年10期