孫曉雷 趙 斌, 馬信龍,△ 李秀蘭 馬劍雄 李 爽 楊 強(qiáng)
骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis,OA)是關(guān)節(jié)疾病中最常見的類型之一,其病理過(guò)程以軟骨細(xì)胞的凋亡和軟骨基質(zhì)的破壞為特征[1]。軟骨組織是覆蓋在關(guān)節(jié)面上的無(wú)血管特殊結(jié)締組織,時(shí)刻受到內(nèi)源性和外源性的力學(xué)刺激[2],一定范圍的力學(xué)刺激對(duì)維持關(guān)節(jié)軟骨結(jié)構(gòu)功能的完整性起著重要作用。有研究發(fā)現(xiàn),對(duì)體外培養(yǎng)的軟骨細(xì)胞加載不同類型的力學(xué)刺激,會(huì)產(chǎn)生不同程度的細(xì)胞生物學(xué)變化[3-4]。因此,本實(shí)驗(yàn)對(duì)體外培養(yǎng)的人OA軟骨細(xì)胞施加不同大小的循環(huán)牽張應(yīng)力,觀察其對(duì)細(xì)胞增殖的影響,旨在研究循環(huán)牽張應(yīng)力與人OA軟骨細(xì)胞力學(xué)應(yīng)答的關(guān)系,并為OA的預(yù)防與治療提供新的理論依據(jù)。
1.1 主要試劑及儀器 DMEM培養(yǎng)基、胎牛血清(Gibco,美國(guó)),EDTA、胰蛋白酶、Ⅱ型膠原酶(Sigma,美國(guó)),多克隆兔抗人Ⅱ型膠原一抗、FITC標(biāo)記的羊抗兔IgG(博士德,武漢),甲苯胺藍(lán)、番紅O染液(東勝泰博,北京);ElectroForce 3200力學(xué)實(shí)驗(yàn)儀、BioDynamic生物反應(yīng)倉(cāng)系統(tǒng)(Bose,美國(guó)),倒置相差顯微鏡(Olympus,日本),恒溫?fù)u床(Heidolph,德國(guó)),流式細(xì)胞儀(BD,美國(guó)),CO2培養(yǎng)箱(Hera-cell,德國(guó))。
1.2 方法
1.2.1 標(biāo)本取材 軟骨組織取自1例66歲女性左膝骨關(guān)節(jié)炎患者,在患者知情同意的情況下于手術(shù)治療時(shí)取少量軟骨組織,取材時(shí)嚴(yán)格無(wú)菌操作,取材組織部分行病理切片HE染色,參考Collins病理學(xué)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所取組織退變程度進(jìn)行分級(jí)。其余組織均在取材后2 h內(nèi)進(jìn)行分離培養(yǎng)。
1.2.2 軟骨細(xì)胞體外分離和培養(yǎng) 將所取組織用含抗生素的D-Hank’s液浸泡5 min,再用D-Hank’s液沖洗2遍,去除軟骨組織上沾染的血液和脂肪組織,剪成1 mm×1 mm×1 mm大小的組織塊,加入含0.02%EDTA和0.25%胰蛋白酶的消化液,37℃搖床消化30 min;棄去消化液,加入含0.25%胰蛋白酶、0.2%Ⅱ型膠原酶的消化酶搖勻,4℃冰箱過(guò)夜消化后,再置于搖床37℃消化2 h,至組織塊基本完全消化。加1 mL FBS終止消化,200目鋼網(wǎng)過(guò)濾,將濾液移至離心管,1 500 r/min離心7 min,棄上清,用含10%FBS的H-DMEM培養(yǎng)液重懸,細(xì)胞計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù),以密度為5×104個(gè)/mL接種于底面積為25 cm2的細(xì)胞培養(yǎng)瓶。24 h后半量換液,之后2 d換液1次,待細(xì)胞達(dá)80%~90%融合時(shí)消化傳代。
1.2.3 軟骨細(xì)胞的鑒定 (1)形態(tài)學(xué)觀察:倒置相差顯微鏡下觀察軟骨細(xì)胞形態(tài)。(2)甲苯胺藍(lán)染色:第一代細(xì)胞爬片至70%~80%融合時(shí),將細(xì)胞爬片取出,用新配的4%多聚甲醛固定30 min,1%甲苯胺藍(lán)染色10 min,PBS清洗,二甲苯透明,中性樹脂封片,光鏡下觀察細(xì)胞分泌糖胺聚糖的能力。(3)番紅O染色:第一代細(xì)胞爬片至70%~80%融合時(shí),將細(xì)胞爬片取出,用新配的4%多聚甲醛固定30 min,1%番紅O染色10 min,PBS清洗,二甲苯透明,中性樹脂封片,光鏡下觀察細(xì)胞分泌蛋白多糖的能力。(4)Ⅱ型膠原免疫熒光染色:第一代細(xì)胞爬片至70%~80%融合時(shí),將細(xì)胞爬片取出,用新配的4%多聚甲醛固定30 min,將爬片固定于載玻片上,0.1%Triton X-100打孔30 min,PBS沖洗;3%H2O215 min滅活內(nèi)源性過(guò)氧化氫酶,PBS沖洗;羊血清封閉液15 min,晾干;滴加1∶100稀釋兔抗人Ⅱ型膠原多克隆抗體,濕盒內(nèi)4℃過(guò)夜,PBS沖洗;滴加FITC標(biāo)記的羊抗兔IgG,避光孵育2 h,PBS沖洗,熒光顯微鏡下觀察。
1.2.4 循環(huán)牽張應(yīng)力加載 力學(xué)加載采用美國(guó)Bose公司BioDynamic細(xì)胞力學(xué)加載系統(tǒng),見圖1,該系統(tǒng)以硅橡膠膜為細(xì)胞力學(xué)加載載體,配合ElectroForce3200動(dòng)力加載,整個(gè)系統(tǒng)由Bose PCI和Win Testing系統(tǒng)聯(lián)合控制持續(xù)時(shí)間、拉伸長(zhǎng)度、拉伸頻率等力學(xué)參數(shù),使硅橡膠膜產(chǎn)生精確變形,使培養(yǎng)在其上面的細(xì)胞同時(shí)受到拉伸作用。細(xì)胞所受力的大小以硅橡膠膜拉伸應(yīng)變率(%)表示,應(yīng)變率越大,表示細(xì)胞所受牽張應(yīng)力越大。取P3代軟骨細(xì)胞,調(diào)整細(xì)胞懸液密度為3×105/mL,將700 μL細(xì)胞懸液滴加到4 cm×2 cm大小的硅橡膠膜上,培養(yǎng)24 h后,將其置于BioDynamic生物反應(yīng)倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行力學(xué)加載?;陬A(yù)實(shí)驗(yàn)及文獻(xiàn)[5]報(bào)道,實(shí)驗(yàn)分為以下4組:空白對(duì)照組(0應(yīng)變組)、5%拉伸應(yīng)變組、10%拉伸應(yīng)變組、15%拉伸應(yīng)變組,每組3個(gè)樣本。加載頻率為0.25 Hz,加載時(shí)間為3 h。培養(yǎng)液儲(chǔ)存罐置于37℃5%CO2培養(yǎng)箱中,由管道與反應(yīng)倉(cāng)相連。蠕動(dòng)泵以15 mL/min的速度使培養(yǎng)基在整個(gè)系統(tǒng)中循環(huán),以此來(lái)保證加載過(guò)程中反應(yīng)倉(cāng)內(nèi)的溫度及CO2濃度。
1.2.5 流式細(xì)胞儀測(cè)定細(xì)胞周期 細(xì)胞加載結(jié)束后,細(xì)胞培養(yǎng)箱中繼續(xù)培養(yǎng)24 h,給予細(xì)胞充分反應(yīng)時(shí)間。酶消化法消化各組細(xì)胞,2 000 r/min離心5 min,去上清,用無(wú)菌D-Hank’s液輕微漂洗2次,75%冷乙醇固定;細(xì)胞2 000 r/min離心5 min,去上清,加入500 μL RNA酶,37 ℃孵育30 min;2 000 r/min離心5 min,去上清,加500 μL碘化丙啶,室溫避光孵育30 min,300目篩過(guò)濾,上機(jī)。流式細(xì)胞儀檢測(cè)細(xì)胞DNA含量和細(xì)胞周期,采用Flow Plus軟件處理數(shù)據(jù)。根據(jù)細(xì)胞周期中G0/G1期和G2/M期細(xì)胞比例來(lái)計(jì)算S期細(xì)胞比例(%)及細(xì)胞增殖指數(shù)(proliferative index,PI)。公式為:S期(%)=1-[G0/G1期(%)+G2/M期(%)],PI(%)=S期(%)+G2/M期(%)。
1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 18.0軟件進(jìn)行分析,數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示,多組比較采用單因素方差分析,組間多重比較采用LSD-t法。Plt;0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
2.1 軟骨組織大體觀及病理表現(xiàn) 大體觀:關(guān)節(jié)軟骨失去原有光澤,顏色明顯變暗,股骨外側(cè)髁關(guān)節(jié)軟骨表面有缺損,軟骨下骨外露,見圖2A。鏡下可見軟骨縱行裂隙形成,呈纖絨樣變,細(xì)胞排列紊亂,在軟骨深層見細(xì)胞聚集現(xiàn)象,見圖2B。結(jié)合患者臨床及病理資料,關(guān)節(jié)軟骨為中、重度退變。
2.2 軟骨細(xì)胞培養(yǎng)及形態(tài)學(xué)觀察 倒置相差顯微鏡下示:剛接種的原代軟骨細(xì)胞呈圓形或橢圓形,12~16 h開始貼壁生長(zhǎng),細(xì)胞核呈圓形,胞質(zhì)豐富;24 h后貼壁細(xì)胞開始伸展、增殖,呈三角形、長(zhǎng)梭形或多角形;7 d后增長(zhǎng)至爬滿瓶底,胞體豐富,胞漿均勻,核大而圓。傳代后軟骨細(xì)胞形態(tài)良好,呈克隆樣生長(zhǎng),細(xì)胞間互相連接呈“鋪路石樣”狀態(tài)。見圖3。
2.3 軟骨細(xì)胞鑒定 甲苯胺藍(lán)染色結(jié)果顯示細(xì)胞質(zhì)呈藍(lán)色,說(shuō)明細(xì)胞可分泌糖胺多糖;番紅O染色結(jié)果顯示細(xì)胞質(zhì)被染成紅色,說(shuō)明細(xì)胞可分泌蛋白多糖;Ⅱ型膠原免疫熒光染色顯示胞質(zhì)呈綠色熒光,說(shuō)明細(xì)胞能夠分泌合成Ⅱ型膠原,見圖4。以上結(jié)果均提示培養(yǎng)細(xì)胞為軟骨細(xì)胞。
2.4 不同循環(huán)牽張應(yīng)力對(duì)人骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞增殖的影響 在選定的0、5%、10%及15%4個(gè)應(yīng)變點(diǎn),隨著刺激的增大,S期細(xì)胞百分比先逐漸增加而后減弱,在10%應(yīng)變組軟骨細(xì)胞增殖最佳,5%、10%、15%應(yīng)變組均高于0應(yīng)變組(Plt;0.05),10%應(yīng)變組高于5%應(yīng)變組(Plt;0.05),但5%、10%應(yīng)變組與15%應(yīng)變組比較差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Pgt;0.05)。PI亦隨著刺激的增大先逐漸增強(qiáng)而后減弱,各組間比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Plt;0.05),見表1。
Table 1 Effects of cyclic stretch strain on the proliferation of human degenerative articular chondrocytes表1 不同循環(huán)牽張應(yīng)力對(duì)人退變軟骨細(xì)胞增殖的影響(n=6,%,x±s)
3.1 關(guān)節(jié)軟骨退變及其修復(fù) OA是關(guān)節(jié)疾病中最常見的類型之一。流行病學(xué)調(diào)查顯示,中老年人群中60%有明顯OA的影像學(xué)改變[6]。疾病主要累及負(fù)重的大關(guān)節(jié),其病理過(guò)程以關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)的降解破壞為特征,而生理學(xué)認(rèn)為成熟的軟骨組織無(wú)血液支配,組織損傷后無(wú)凝血及炎癥因子的釋放,亦無(wú)血液中未分化細(xì)胞向損傷部位的遷移,并且軟骨細(xì)胞為終末細(xì)胞,其增殖和遷移能力極差,因此軟骨損傷與退變后的修復(fù)能力很差。另外,軟骨組織沒有神經(jīng)支配,理論上軟骨細(xì)胞通過(guò)血液和神經(jīng)的信息傳導(dǎo)系統(tǒng)接受環(huán)境變化的信號(hào)極其有限。Wu等[7-8]研究證實(shí)軟骨細(xì)胞對(duì)應(yīng)變的感應(yīng)非常敏感,能使細(xì)胞獲得環(huán)境變化的足夠信息。
軟骨退變是OA共有的基礎(chǔ)病理過(guò)程,基于軟骨組織本身特點(diǎn),認(rèn)為軟骨退變是一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的過(guò)程。但臨床發(fā)現(xiàn)OA患者骨贅表面軟骨可分泌Ⅱ型膠原,即證實(shí)其軟骨為透明軟骨,且作為對(duì)關(guān)節(jié)退變的代償反應(yīng),其透明軟骨是由關(guān)節(jié)軟骨增殖遷移到周邊骨質(zhì)的。另有部分OA患者隨著病程發(fā)展到一定階段,其臨床癥狀逐漸減輕甚至消失,部分退變軟骨面得到修復(fù)并穩(wěn)定下來(lái);并且進(jìn)行截骨術(shù)矯正關(guān)節(jié)負(fù)重力線后,退變軟骨出現(xiàn)修復(fù)現(xiàn)象。以上現(xiàn)象均提示退變的軟骨具有恢復(fù)正常生理功能的潛能。
3.2 關(guān)節(jié)軟骨與細(xì)胞力學(xué) 關(guān)節(jié)軟骨在體內(nèi)處于復(fù)雜的生理力學(xué)環(huán)境[9]。這些機(jī)械刺激是維持關(guān)節(jié)軟骨正常結(jié)構(gòu)和功能的重要因素。岳海濤等[10-11]研究表明周期性機(jī)械應(yīng)力有利于模擬體內(nèi)的生理環(huán)境,能顯著促進(jìn)組織工程軟骨的質(zhì)量。Xu等[12]對(duì)大鼠終板軟骨細(xì)胞加載間歇循環(huán)機(jī)械張力(0.5 Hz,10%形變,4 h/d,5 d/周),結(jié)果發(fā)現(xiàn)張力刺激可促進(jìn)終板軟骨細(xì)胞增殖。Thomopoulos等[5]對(duì)三維體外培養(yǎng)模型中的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)加載循環(huán)拉伸張力(1 Hz,10%形變,共培養(yǎng)7 d),結(jié)果顯示循環(huán)拉伸張力可促進(jìn)紡錘狀細(xì)胞形成,上調(diào)Ⅰ型膠原和糖胺多糖(GAG)合成。由此筆者認(rèn)為,適當(dāng)?shù)膹埩纱龠M(jìn)軟骨細(xì)胞增殖及基質(zhì)合成代謝,維持軟骨細(xì)胞的正常結(jié)構(gòu)和功能,而超出軟骨細(xì)胞承載范圍的張力則可能抑制細(xì)胞增殖,使細(xì)胞結(jié)構(gòu)功能和完整性受到破壞,進(jìn)而損傷關(guān)節(jié)軟骨。損傷的軟骨組織承受力學(xué)刺激的能力減弱,可能進(jìn)一步加重力學(xué)刺激,形成惡性循環(huán),直至軟骨組織結(jié)構(gòu)及功能完全喪失。
本實(shí)驗(yàn)所用退變關(guān)節(jié)軟骨為1例66歲老年女性O(shè)A患者手術(shù)標(biāo)本,通過(guò)病理學(xué)方法評(píng)價(jià)其退變程度。體外分離培養(yǎng)軟骨細(xì)胞,對(duì)細(xì)胞施加不同大小循環(huán)牽張應(yīng)力刺激,觀察應(yīng)力刺激性細(xì)胞的增殖情況。此方法排除了炎性因子以及其他混雜因素的干擾,從細(xì)胞水平研究了單純循環(huán)牽張應(yīng)力刺激對(duì)軟骨細(xì)胞的影響。結(jié)果顯示與0應(yīng)變組相比,各應(yīng)變組S期細(xì)胞百分比與PI均增加,以10%應(yīng)變組最為明顯,由此認(rèn)為應(yīng)力對(duì)軟骨細(xì)胞增殖有一定影響,并且10%~15%的應(yīng)變區(qū)間可能是人OA軟骨細(xì)胞增殖最佳的應(yīng)力范圍。
Figure 1 The EF3200 mechanical loading system equipped with BioDynamic bioreactor圖1 ElectroForce3200力學(xué)加載系統(tǒng)搭載BioDynamic生物反應(yīng)倉(cāng)
Figure 2 The degenerated human articular cartilage usedin the experiment圖2 實(shí)驗(yàn)所取退變關(guān)節(jié)軟骨組織
Figure 3 The degenerated articular chondrocytes圖3 退變軟骨細(xì)胞
Figure 4 The identification of degenerated articular chondrocytes圖4 軟骨細(xì)胞鑒定
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