孫孝月 ,李亦丞,劉 陽(yáng),岐 飛 ,孫學(xué)斌
1.新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)科,烏魯木齊 830054;2.新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院關(guān)節(jié)外科,烏魯木齊 830054
肩袖損傷是一種常見(jiàn)的肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷疾病,其發(fā)病率占肩關(guān)節(jié)疾病17%~41%,其中岡上肌損傷最為常見(jiàn)[1]。目前,肩關(guān)節(jié)鏡下肩袖修補(bǔ)術(shù)是修復(fù)肩袖損傷最常用、最有效的治療方法[2]。然而,術(shù)區(qū)縫合錨釘在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中易出現(xiàn)脫出以及置入位點(diǎn)處骨折等并發(fā)癥,而且此類(lèi)問(wèn)題的處理極為棘手[3]。因此,深入探究肩袖損傷后肌腱止點(diǎn)處異常病理機(jī)制勢(shì)在必行。
研究發(fā)現(xiàn)慢性肩袖損傷患者的肱骨大結(jié)節(jié)處出現(xiàn)異常骨囊腫或骨硬化病理表現(xiàn)[4],而這將嚴(yán)重影響肩袖修復(fù)錨釘?shù)目p合強(qiáng)度,減少錨釘與骨組織的接觸面積,進(jìn)而導(dǎo)致脫錨等并發(fā)癥發(fā)生。Wang等[5]發(fā)現(xiàn)當(dāng)肌腱損傷后止點(diǎn)處出現(xiàn)異常骨重塑,該病理機(jī)制與TGF-β信號(hào)通路高度相關(guān)。
轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)是該家族中活性最強(qiáng)的蛋白多肽,超過(guò)90%,在全身廣泛分布,在組織形成、維持組織內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮重要作用[6]。TGF-β1在調(diào)節(jié)骨代謝功能方面發(fā)揮不可替代作用,當(dāng)關(guān)節(jié)受到異常機(jī)械應(yīng)力刺激時(shí),埋藏于骨基質(zhì)中的TGF-β1釋放增加,破壞軟骨下骨原有的梯度導(dǎo)致異位成骨。異常增加的TGF-β1破壞正常生理狀態(tài)下受到規(guī)律調(diào)控的骨重塑,使得骨的合成和吸收形成失偶聯(lián)[7]。盡管描述了TGF-β1在異常骨重塑中的作用,但TGF-β1在肩袖損傷肌腱止點(diǎn)處異常骨重塑中所扮演的角色尚不清楚。
本實(shí)驗(yàn)研究采用SD大鼠動(dòng)物制造岡上肌肌腱止點(diǎn)處斷裂構(gòu)建肩袖損傷模型,通過(guò)染色、免疫組織化學(xué)等組織學(xué)方法探討TGF-β1信號(hào)通路是否參與肩袖損傷肌腱止點(diǎn)處異常的骨重塑的病理機(jī)制,為臨床研究治療肩袖損傷疾病提供新的靶點(diǎn)。
SPF級(jí)雄性SD大鼠40只,12周齡,體質(zhì)量指數(shù)(450±30)g,由新疆醫(yī)科大學(xué)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心提供,動(dòng)物合格證號(hào):SCXK(新)2018-0002。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、方法及動(dòng)物福利等均已獲得新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(IACUC20191018-14)。
HE染料(中國(guó)索萊寶公司);番紅固綠染液(美國(guó)Sigma公司);TGF-β1抗體(北京博奧森生物技術(shù)有限公司);Smad2/3抗體(美國(guó)Santa Cruz生物技術(shù)公司);成骨轉(zhuǎn)錄因子(Osterix)抗體(美國(guó)Abcam 公司);抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrate-resistant acid phosphatase,TRAP)染色試劑盒、血小板-內(nèi)皮細(xì)胞黏附因子(CD31)抗體均購(gòu)自中國(guó)賽維爾生物科技有限公司;組織脫水機(jī)(型號(hào):ASP300S)、石蠟包埋機(jī)(型號(hào):EG1150)、病理切片機(jī)(型號(hào):RM2135)均購(gòu)自德國(guó)LEICA公司。
3.1肩袖損傷模型制備 在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上鋪無(wú)菌手術(shù)單,SD大鼠采用腹腔注射給予戊巴比妥鈉溶液(5mg/100g)進(jìn)行麻醉,麻醉后進(jìn)行右肩關(guān)節(jié)備皮,消毒皮膚。大鼠取左側(cè)臥位,縱行切開(kāi)右側(cè)上肢皮膚2~4cm,暴露肩胛區(qū)上部及上臂肌肉,找到斜方肌附著部并切開(kāi)此部肌肉,向上翻開(kāi)即可看見(jiàn)岡上肌。分離岡上肌起止點(diǎn)間,切斷少許三角肌充分暴露岡上肌肌腱止點(diǎn)與肱骨大結(jié)節(jié)連接處,鈍性離斷岡上肌肌腱在肱骨大結(jié)節(jié)附著部位。由于本實(shí)驗(yàn)是為了制造肩袖損傷模型,故不逐層縫合,標(biāo)準(zhǔn)條件下飼養(yǎng)動(dòng)物。見(jiàn)圖1。
圖1 SD大鼠動(dòng)物肩袖損傷模型制備示意圖。a.暴露岡上肌肌腱止點(diǎn);b.切斷岡上肌肌腱止點(diǎn);c.心臟取血;d.樣本取材
3.2動(dòng)物實(shí)驗(yàn)分組 按照隨機(jī)數(shù)字表法分為正常組、模型組術(shù)后14、30、60d組,各10只。正常組肩關(guān)節(jié)不作任何手術(shù)操作正常飼養(yǎng),模型組術(shù)后14、30、60d右肩關(guān)節(jié)在岡上肌肌腱止點(diǎn)與肱骨大結(jié)節(jié)連接處行岡上肌肌腱切斷術(shù)建立肩袖損傷模型,造模后于術(shù)后14、30和60d人道處死所有動(dòng)物取右肩關(guān)節(jié)保留關(guān)節(jié)囊。見(jiàn)圖1。
所有動(dòng)物正常飼養(yǎng),可飲水?dāng)z食,籠內(nèi)正常活動(dòng)。各組動(dòng)物均先采用鎮(zhèn)靜和麻醉劑輔助實(shí)施安樂(lè)死注射,處死前需心臟取全血。從腹部剪開(kāi),注意不要剪到臟器,剪破橫隔后暴露心臟,輸液皮條針頭從心尖快速插入,隨后依次完成快速全身灌注,灌注液為生理鹽水和4%組織固定液,待SD大鼠尾巴僵直后,取材。
4.1HE染色觀察軟骨組織病理改變情況 取大鼠右側(cè)保留關(guān)節(jié)囊的肩關(guān)節(jié)置于組織固定液中,固定24h,使用10%EDTA-2Na溶液脫鈣28d,標(biāo)本脫水、石蠟包埋;于岡上肌與肱骨大結(jié)節(jié)冠狀面切片機(jī)連續(xù)切片,厚度為4μm;帶有標(biāo)本的載玻片放置烤箱中常規(guī)脫蠟烤片至過(guò)夜,以備日后使用。取各組切片行常規(guī)HE染色,放置烤箱烘烤1h,脫蠟梯度乙醇分化,HE染色7min,水洗,1%鹽酸溶液分色10s,水洗返藍(lán);伊紅染色1min,梯度乙醇脫水,浸入透明液,晾干后中性樹(shù)膠封片。完成HE染色后,光學(xué)顯微鏡下觀察關(guān)節(jié)軟骨組織的形態(tài)及結(jié)構(gòu),測(cè)量鈣化軟骨和透明軟骨的厚度,判斷潮線是否上移,和病理性改變的程度。
4.2SO-FG染色觀察軟骨組織退變程度 取每組部分切片,常規(guī)烤箱烘烤后浸入脫蠟液中,梯度乙醇分化至水,HE染色1min,水洗:0.2%固綠染液5min,1%冰乙酸10s,0.1%番紅O染液5min,水洗:隨后置于95%乙醇10s,透明液5min,晾干后中興樹(shù)膠封片。完成SO-FG染色后,光學(xué)顯微鏡下觀察關(guān)節(jié)軟骨組織破壞情況。
4.3TRAP染色觀察軟骨下骨破骨細(xì)胞活化程度 取每組載玻片放入烤箱烤片,常規(guī)脫蠟乙醇梯度,根據(jù)TRAP染色試劑盒生產(chǎn)說(shuō)明書(shū)處理4組大鼠切片,然后用甲基綠染液進(jìn)行復(fù)染,晾干后中性樹(shù)膠封片。通過(guò)TRAP試劑盒染色后,光學(xué)顯微鏡下觀察軟骨下骨中破骨細(xì)胞表達(dá)情況并進(jìn)行定量分析。
4.4免疫組織化學(xué)法檢測(cè)TGF-β1、p-Smad2/3、Osterix及CD31表達(dá)量 按照免疫組織化學(xué)試劑盒生產(chǎn)說(shuō)明進(jìn)行實(shí)驗(yàn)流程,取帶有組織標(biāo)本的中杉陽(yáng)離子防脫載玻片,過(guò)夜烤片,載玻片浸入脫蠟液梯度乙醇最后至水;3%過(guò)氧化氫(H2O2)溶液室溫靜置15min,阻斷內(nèi)源性過(guò)氧化酶的活性,TBST洗3遍,每次5min;0.4%胃蛋白酶放置37℃孵育箱30min抗原修復(fù),TBST洗3遍,每次5min;移液槍滴加山羊血清封閉液40μL,放置37℃孵育箱25min,滴加TGF-β1(1∶100)、p-Smad2/3(1∶40)、Osterix(1∶400)、CD31(1∶400)抗體40μL,4℃冰箱過(guò)夜;次日常溫40min,TBST洗3次,每次5min;滴加山羊抗兔二抗37℃孵育箱25min,TBST洗3次,每次5min;移液槍滴加DAB顯色劑40μL,顯微鏡下觀看組織輪廓由無(wú)色漸變?yōu)樽攸S色立即放入蒸餾水中終止顯色;HE染色3min后置于水中清洗,鹽酸乙醇溶液1s,PBS溶液中返藍(lán);梯度乙醇后浸入透明液,晾干后中性樹(shù)膠封片。完成免疫組織化學(xué)法后,采用GraphPad Prism 8軟件對(duì)軟骨下骨中TGF-β1、p-Smad2/3、Osterix及CD31表達(dá)量數(shù)值進(jìn)行處理。
正常組:關(guān)節(jié)軟骨結(jié)構(gòu)正常,細(xì)胞排列分層整齊有序,形態(tài)規(guī)則,軟骨細(xì)胞核呈藍(lán)紫色;透明軟骨厚度>鈣化軟骨厚度,潮線清晰;模型組術(shù)后14d:關(guān)節(jié)軟骨結(jié)構(gòu)較正常,細(xì)胞排列紊亂部分分布不均,透明軟骨厚度>鈣化軟骨厚度;模型組術(shù)后30d:關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)細(xì)胞紊亂且部分密度不均勻,透明軟骨厚度<鈣化軟骨厚度,潮線上移;模型組術(shù)后60d:關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)細(xì)胞排列紊亂,鈣化軟骨明顯增厚,透明軟骨厚度<鈣化軟骨厚度,潮線顯著上移。與正常組相比,模型組術(shù)后30、60d透明軟骨厚度均減小,鈣化軟骨厚度均增加,潮線上移(P<0.05);模型組術(shù)后14d透明軟骨厚度和鈣化軟骨厚度與正常組結(jié)果比較,差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見(jiàn)圖2、表1。
表1 各組透明軟骨和鈣化軟骨厚度比值比較
圖2 各組軟骨組織厚度改變圖(HE,×100)。a.正常組:關(guān)節(jié)軟骨結(jié)構(gòu)正常,透明軟骨厚度大于鈣化軟骨厚度;b.模型組術(shù)后14d:關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)細(xì)胞排列紊亂部分分布不均,透明軟骨厚度大于鈣化軟骨厚度;c.模型組術(shù)后30d:關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)細(xì)胞紊亂且密度分布不均,透明軟骨厚度小于鈣化軟骨厚度;d.模型組術(shù)后60d:關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)細(xì)胞排列紊亂,鈣化軟骨明顯增厚,潮線顯著上移(圖中HC為透明軟骨,CC為鈣化軟骨)
SO-FG染色結(jié)果顯示:正常組大鼠關(guān)節(jié)表面結(jié)構(gòu)完整,軟骨細(xì)胞整體排列有序,番紅染色著色較深;模型組術(shù)后軟骨細(xì)胞排列紊亂,番紅著色逐漸較淺,表明軟骨基質(zhì)丟失,異常骨質(zhì)形成。見(jiàn)圖3。
圖3 各組軟骨組織病理學(xué)改變圖(SO-FG,×200)。a.正常組:關(guān)節(jié)軟骨表面結(jié)構(gòu)完整,番紅著色較深;b.模型組術(shù)后14d:關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)僅有少量番紅染色缺失;c.:模型組術(shù)后30d:關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)部分番紅著色較淺;d.模型組術(shù)后60d:關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)大面積番紅染色缺失
TRAP染色結(jié)果顯示:軟骨下骨中破骨細(xì)胞表達(dá)量在模型組14d顯著升高,并維持較高水平于術(shù)后30d,最終在術(shù)后60d恢復(fù)至正常水平。模型組術(shù)后14、30d破骨細(xì)胞表達(dá)量高于正常組(P<0.05);與正常組比較,模型組術(shù)后60d破骨細(xì)胞表達(dá)量比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見(jiàn)圖4、5。
圖4 肩袖止點(diǎn)處破骨細(xì)胞活化程度圖(TRAP,×50)。a.正常組:軟骨下骨中破骨細(xì)胞表達(dá)較少;b.模型組術(shù)后14d:軟骨下骨中破骨細(xì)胞表達(dá)顯著增多;c.模型組術(shù)后30d:軟骨下骨中破骨細(xì)胞表達(dá)較正常組明顯增多;d.模型組術(shù)后60d:軟骨下骨中破骨細(xì)胞表達(dá)量較少(黑箭頭所示為破骨細(xì)胞)
圖5 各組肩袖止點(diǎn)處破骨細(xì)胞定量分析圖。與正常組比較:*P<0.05
免疫組織化學(xué)染色顯示:TGF-β1、p-Smad2/3陽(yáng)性細(xì)胞表達(dá)量在模型組術(shù)后14、30d中均顯著高于正常組(P<0.05);與正常組比較,TGF-β1、p-Smad2/3陽(yáng)性細(xì)胞表達(dá)量在模型組術(shù)后60d TGF-β1、p-Smad2/3陽(yáng)性細(xì)胞表達(dá)量比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。Osterix陽(yáng)性細(xì)胞表達(dá)量在模型組術(shù)后14、30、60d中呈現(xiàn)遞增形式,與正常組比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。CD31陽(yáng)性細(xì)胞表達(dá)量在模型組術(shù)后14、30、60d顯著高于正常組,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見(jiàn)圖6、7。
圖6 各組軟骨下骨中TGF-β1、p-Smad2/3、Osterix及CD31表達(dá)情況(免疫組織化學(xué)法,×50)。a.正常組:TGF-β1、p-Smad2/3、Osterix及CD31生物學(xué)因子陽(yáng)性細(xì)胞表達(dá)最少;b.模型組術(shù)后14d:TGF-β1和p-Smad2/3生物學(xué)因子陽(yáng)性細(xì)胞表達(dá)最多;c.模型組術(shù)后30d:TGF-β1、p-Smad2/3、Osterix及CD31生物學(xué)因子陽(yáng)性細(xì)胞表達(dá)較正常組陽(yáng)性細(xì)胞表達(dá)較多;d.模型組術(shù)后60d:Osterix和CD31生物學(xué)因子陽(yáng)性細(xì)胞表達(dá)最多
圖7 各組軟骨下骨中TGF-β1、p-Smad2/3、Osterix及CD31因子定量分析圖。a.正常組;b.模型組術(shù)后14d;c.模型組術(shù)后30d;d.模型組術(shù)后60d。與正常組比較:*P<0.05
目前探究肩袖損傷的病理機(jī)制在肌腱病的組織病理學(xué)方面研究較多[8-9],但在肩袖肌腱止點(diǎn)處骨重塑研究較少。肩袖是由岡上肌、岡下肌、小圓肌和肩胛下肌組成的一組肌群,四組肌群呈套袖樣包繞在肩關(guān)節(jié)周?chē)褂陔殴穷^大小結(jié)節(jié)處[10]。其中岡上肌損傷最為常見(jiàn)[1],岡上肌止點(diǎn)即肱骨大結(jié)節(jié)處,因此本研究采用離斷岡上肌肌腱止點(diǎn)構(gòu)建肩袖損傷模型。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)P褪茄芯考膊〔±頇C(jī)制以及預(yù)防的必要條件,由于SD大鼠肩關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)被認(rèn)為與人類(lèi)最為相似[11],常用于肩袖損傷機(jī)制的研究。因此本研究采用SD大鼠離斷岡上肌肌腱止點(diǎn)處,與肱骨大結(jié)節(jié)處分離開(kāi),構(gòu)建肩袖損傷模型。
正常骨組織重塑是由成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞之間通過(guò)偶聯(lián)作用完成的,成骨細(xì)胞的骨形成與破骨細(xì)胞的骨吸收之間的平衡維持了骨穩(wěn)態(tài)[12-13]。在異常骨重塑中,破骨細(xì)胞與成骨細(xì)胞偶聯(lián)機(jī)制失調(diào),破骨細(xì)胞急劇增加,埋藏在骨基質(zhì)中TGF-β1被釋放出髓腔當(dāng)中,髓腔里的間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)感受眾多高濃度TGF-β1后,通過(guò)趨化作用,將MSC募集于骨吸收處,導(dǎo)致非偶聯(lián)重建最終形成骨島[14]。近期有研究發(fā)現(xiàn)異常骨重塑中活化的破骨細(xì)胞引起過(guò)度的骨吸收,可能參與骨質(zhì)疏松、類(lèi)風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎等不同骨疾病的發(fā)病機(jī)制[15-16]。Logar等[17]分析了骨關(guān)節(jié)炎和伴有骨質(zhì)疏松的髖關(guān)節(jié)骨折組織中破骨細(xì)胞標(biāo)記物(TRAP)的表達(dá),發(fā)現(xiàn)與骨折組相比較,TRAP的表達(dá)呈上升趨勢(shì)。Auréal等[18]對(duì)類(lèi)風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎在局部骨丟失病理生理學(xué)方面進(jìn)行綜述,在類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者骨侵蝕部位發(fā)現(xiàn)大量破骨細(xì)胞,表明破骨細(xì)胞在關(guān)節(jié)骨質(zhì)退化起著關(guān)鍵性作用。值得注意的是,本研究切斷岡上肌肌腱止點(diǎn)后,通過(guò)TRAP染色發(fā)現(xiàn)在軟骨下骨骨吸收異常活躍,模型組術(shù)后14d破骨細(xì)胞大量活化表現(xiàn)驟升趨勢(shì),直到術(shù)后60d恢復(fù)至正常水平,同時(shí)異常骨吸收活躍使得骨基質(zhì)中TGF-β1大量釋放,在軟骨下骨中TGF-β1和p-Smad2/3分子陽(yáng)性細(xì)胞表達(dá)量隨破骨細(xì)胞的數(shù)量變化而變化。Osterix作為成骨前體細(xì)胞的標(biāo)記物,也隨著破骨細(xì)胞變化而變化,Osterix陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)量在術(shù)后模型組保持著較高水平,表明軟骨下骨中骨的吸收和形成異?;钴S,這種異常增加的活性可能會(huì)使軟骨下骨異常骨重塑加快,進(jìn)而導(dǎo)致病理機(jī)制的發(fā)生。
此外,關(guān)節(jié)軟骨和軟骨下骨作為肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的重要組成部分,關(guān)節(jié)軟骨又位于軟骨下骨上方,其兩者之間相互作用,同時(shí)維持著骨重塑內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)[19]。當(dāng)軟骨下骨發(fā)生異常骨重塑時(shí)關(guān)節(jié)軟骨也發(fā)生著病理學(xué)改變。本研究通過(guò)HE染色結(jié)果顯示,在模型組術(shù)后30、60d關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)出現(xiàn)細(xì)胞紊亂且部分密度不均勻、透明軟骨厚度減小,鈣化軟骨增厚及潮線顯著上移病理學(xué)改變。此外,本研究通過(guò)SO-FG染色結(jié)果得出,離斷肩袖岡上肌止點(diǎn)構(gòu)建肩袖損傷模型組,隨著時(shí)間術(shù)后14、30、60d增加,大鼠關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)番紅著色逐漸較淺,表明軟骨基質(zhì)丟失逐漸嚴(yán)重,異常骨質(zhì)形成。另一項(xiàng)研究顯示,在異常骨重塑過(guò)程中,會(huì)伴隨著微血管的形成[20]。在本研究中觀察術(shù)后模型組CD31表達(dá)量逐漸增加,這與Lotz[21]發(fā)現(xiàn)骨關(guān)節(jié)炎的病理改變中包括軟骨下骨血管形成的增加結(jié)果一致,由此可見(jiàn),在異常骨重塑中往往伴隨著異常血管生成。
綜上所述,筆者在離斷岡上肌肌腱止點(diǎn)構(gòu)建肩袖損傷模型中觀察到肌腱止點(diǎn)處發(fā)生異常骨重塑,關(guān)節(jié)軟骨和軟骨下骨微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生異常改變,這可能是術(shù)后康復(fù)訓(xùn)練中術(shù)區(qū)錨釘脫出發(fā)生再次損傷的原因。本研究證實(shí),TGF-β1信號(hào)通路參與肩袖損傷肌腱止點(diǎn)處異常骨重塑的病理機(jī)制,但本研究中還存在不足之處,沒(méi)有找到治療靶點(diǎn)來(lái)驗(yàn)證通過(guò)Smad2/3介導(dǎo)的轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β1信號(hào)通路參與肩袖損傷肌腱止點(diǎn)處異常骨重塑的病理機(jī)制,未來(lái)將會(huì)繼續(xù)深入探究。
作者貢獻(xiàn)聲明:孫孝月:研究實(shí)施、數(shù)據(jù)收集、論文撰寫(xiě)及修改;李亦丞:統(tǒng)計(jì)學(xué)分析、實(shí)驗(yàn)實(shí)施、數(shù)據(jù)分析(收集);岐飛:實(shí)驗(yàn)操作、動(dòng)物飼養(yǎng);劉陽(yáng)、孫學(xué)斌:研究指導(dǎo)、論文指導(dǎo)及修改、經(jīng)費(fèi)支持