劉亞東 李 剛 盧小偉(湖北省十堰市國藥東風總醫(yī)院,十堰442000)
骨關節(jié)炎(osteoarthritis,OA)是一種與年齡密切相關的退行性疾病,也是導致老年人殘疾的重要原因[1-2]。隨著我國老齡化的加劇,其發(fā)病率明顯升高,已成為備受關注的社會問題[3-4]。目前,OA的發(fā)病機制尚不完全清楚,但與晚期糖基化終末產(chǎn)物(advanced glycation end products,AGEs)誘導的軟骨細胞損傷密切相關。AGEs是非酶糖基化反應的最終產(chǎn)物,可通過誘導軟骨細胞凋亡、軟骨基質(zhì)降解、促進軟骨細胞炎癥和氧化應激反應等促進OA的發(fā)生[5]。微小RNA(microRNA,miRNA)是一類非編碼RNA,可通過調(diào)控軟骨細胞凋亡、炎癥反應和氧化應激等參與OA的發(fā)生發(fā)展[6-8]。miR-31是miRNAs家族成員,被證實其過度表達可減輕炎癥反應和氧化應激誘導的神經(jīng)損傷[9]。有研究指出,miR-31在OA患者軟骨組織中表達下調(diào),其過表達可通過靶向調(diào)控C-X-C基序趨化因子配體12表達促進軟骨細胞增殖[10]。然而,其對AGEs誘導的軟骨細胞損傷的影響并不清楚。本研究通過觀察上調(diào)miR-31表達對AGEs誘導的軟骨細胞凋亡、炎癥和氧化應激的影響,以揭示miR-31在OA發(fā)生發(fā)展中的作用,為OA的治療提供新線索。
1.1 材料 大鼠軟骨細胞(美國ATCC),DMEM培養(yǎng)基(美國Hyclone);AGEs(美國Biovision);二甲基亞砜、MTT和胰蛋白酶(美國Sigma);胎牛血清(杭州四季青);miR-31模擬物及其陰性對照(上海吉瑪公司);Bcl-2、Bax和GAPDH抗體(美國Abcam);HRP標記的IgG二抗(北京中杉金橋公司);TRIzol試劑和轉(zhuǎn)染試劑Lipofectamine?2000(美國Invitro?gen);青鏈霉素雙抗和Annexin V-FITC/PI凋亡檢測試劑盒(北京索萊寶公司);IL-1βELISA試劑盒和TNF-αELISA試劑盒(武漢伊艾博生物公司);BCA蛋白濃度測定試劑盒、逆轉(zhuǎn)錄試劑盒和Caspase-3活性檢測試劑盒(上海碧云天公司);SOD、MDA試劑盒(南京建成公司);LX-800酶標儀(美國Bio-Tek),CO2細胞培養(yǎng)箱(美國Thermo);FACSCantoⅡ流式細胞儀(美國BD)。
1.2 方法
1.2.1 軟骨細胞培養(yǎng)、分組與處理 采用含1%青鏈霉素雙抗和10%胎牛血清的DMEM培養(yǎng)基在37℃、5%CO2細胞培養(yǎng)箱內(nèi)常規(guī)培養(yǎng)大鼠軟骨細胞。將對數(shù)生長期的軟骨細胞按照2×105個/孔接種至6孔細胞板上后,置于細胞培養(yǎng)箱中常規(guī)培養(yǎng)。實驗分為對照組:正常培養(yǎng);AGEs組:給予100μg/ml AGEs作用3 d[11];AGEs+miR-NC組:轉(zhuǎn)染陰性對照后給予100μg/ml AGEs作用3 d;AGEs+miR-31組:轉(zhuǎn)染miR-31模擬物后給予100μg/ml AGEs作用3 d。其中,每組設置3個復孔。待細胞達70%融合度時,參照Lipofectamine?2000說明書將miR-31模擬物和陰性對照轉(zhuǎn)染至AGEs+miR-31組和AGEs+miR-NC組細胞中。轉(zhuǎn)染5 h后,更換新鮮培養(yǎng)基繼續(xù)培養(yǎng)24 h。經(jīng)AGEs處理后,收集各組細胞進行后續(xù)實驗。
1.2.2 RT-PCR法檢測細胞中miR-31表達水平 采用TRIzol法提取軟骨細胞總RNA后,參照逆轉(zhuǎn)錄試劑盒說明書將RNA合成單鏈cDNA。以cDNA為模板,根據(jù)上海生工生物工程合成的引物上PCR儀進行擴增,U6為管家基因,采用2-ΔΔCt法計算細胞中miR-31的表達水平。其中,PCR反應條件如下:95℃預變性5 min后,進入40個循環(huán)階段:95℃變性30 s,58℃退火30 s,72℃延伸30 s。PCR擴增引物序列如下:U6上游:5′-TGCGGGTGCTCGCTTCG?GCAGC-3′,下游:5′-CCAGTGCAGGGTCCGAGGT-3′;miR-31上游:5′-CTCGGATCCTGTGCATAACT?GCCTTCA-3′,下游:5′-CACAAGCTTGAAGTCAGGGCGAGACAGAC-3′。
1.2.3 MTT法檢測細胞活力 將對數(shù)生長期的各組軟骨細胞按照每孔1×106個接種至96孔細胞板上后,置于細胞培養(yǎng)箱中常規(guī)培養(yǎng)。待細胞貼壁后,按照1.2.1中的方法分組并處理細胞,另外將無細胞的培養(yǎng)基作為空白調(diào)零組。處理結(jié)束后,向各組細胞中加入20μl MTT試劑(濃度5 g/L)孵育4 h。棄上清液后,每孔加入150μl二甲基亞砜;搖床震蕩反應15 min后,采用酶標儀檢測各組細胞在570 nm處的OD值,并以(實驗組OD組-調(diào)零組OD值)/(對照組OD組-調(diào)零組OD值)×100%表示各組細胞存活率,實驗重復3次。
1.2.4 流式細胞術(shù)檢測細胞凋亡 胰蛋白酶消化收集對照組、AGEs組、AGEs+miR-NC組和AGEs+miR-31組細胞后,以預冷的磷酸緩沖液洗滌細胞2次。加入結(jié)合緩沖液重懸細胞后,向100μl細胞懸液(含105個細胞)中加入5μl Annexin-V-FITC和5μl PI避光反應15 min。補加上樣緩沖液200μl后,在1 h內(nèi)上流式細胞儀檢測各組細胞凋亡率。實驗重復3次。
1.2.5 比色法檢測細胞Caspase-3活性 收集AG?Es處理結(jié)束后AGEs組、AGEs+miR-NC組、AGEs+miR-31組和正常培養(yǎng)的對照組細胞,以磷酸緩沖液洗滌1次。加入細胞裂解液抽提細胞總蛋白后,參照Caspase-3活性檢測試劑盒說明書步驟檢測各組細胞Caspase-3活性。實驗重復3次。
1.2.6 Western blot法檢測細胞中Bcl-2和Bax蛋白表達水平 向待測的軟骨細胞中加入細胞裂解液抽提細胞總蛋白后,采用BCA法檢測總蛋白的濃度與純度。將蛋白樣品與等體積上樣緩沖液混勻后,置于沸水浴中煮沸5 min。將變性后的蛋白樣品按照每孔50μg上樣至SDS-PAGE凝膠中進行電泳分離。電泳結(jié)束后,電轉(zhuǎn)至PVDF膜上。經(jīng)5%脫脂奶粉封閉2 h后,加入按照1:1 000比例稀釋的Bcl-2抗體、Bax抗體和GAPDH抗體在4℃下孵育過夜。次日,加入按照1:2 000比例稀釋的二抗室溫孵育2 h。經(jīng)化學發(fā)光劑顯影曝光后,以GAPDH為內(nèi)參,采用凝膠成像分析系統(tǒng)掃描分析各組細胞中Bcl-2和Bax蛋白的表達水平。實驗重復3次。
1.2.7 細胞上清液中IL-1β、TNF-α和SOD、MDA含量檢測 收集AGEs處理結(jié)束后AGEs組、AGEs+miR-NC組、AGEs+miR-31組和正常培養(yǎng)的對照組細胞上清液,參照IL-1βELISA試劑盒、TNF-αELISA試劑盒、SOD試劑盒和MDA試劑盒說明書步驟分別檢測各組細胞上清液中IL-1β、TNF-α和SOD、MDA含量。實驗重復3次。
1.3 統(tǒng)計學分析 以±s形式表示實驗所得數(shù)據(jù),采用SPSS22.0軟件進行統(tǒng)計學分析,多組間比較使用單因素方差分析,組間多重比較采用SNK-q,兩組間比較采用獨立樣本t檢驗。P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。
2.1 轉(zhuǎn)染后各組細胞中miR-31表達水平 與對照組比較,給予AGEs處理后軟骨細胞中miR-31表達水平明顯降低(P<0.05);與AGEs組比較,轉(zhuǎn)染陰性對照后軟骨細胞中miR-31表達水平無明顯改變(P>0.05);但轉(zhuǎn)染miR-31模擬物后軟骨細胞中miR-31表達水平明顯高于AGEs+miR-NC組或AGEs組(P<0.05)。見圖1。
圖1 各組細胞中miR-31表達水平的比較Fig.1 Comparison of miR-31 expression levels in cells of each group
2.2 上調(diào)miR-31表達對AGEs誘導的軟骨細胞活力的影響 與對照組比較,AGEs組軟骨細胞存活率明顯降低(P<0.05);與AGEs組比較,AGEs+miRNC組軟骨細胞存活率無顯著變化(P>0.05);與AG?Es組或AGEs+miR-NC組比較,AGEs+miR-31組軟骨細胞存活率明顯升高(P<0.05)。見圖2。
2.3 上調(diào)miR-31表達對AGEs誘導的軟骨細胞凋亡的影響 與對照組比較,AGEs組細胞凋亡率和Caspase-3活性顯著升高(P<0.05);與AGEs組比較,AGEs+miR-NC組細胞凋亡率和Caspase-3活性無明顯變化(P>0.05);然而,AGEs+miR-31組細胞凋亡率和Caspase-3活性明顯低于AGEs組或AGEs+miRNC組(P<0.05)。見圖3。
2.4 上調(diào)miR-31表達對AGEs誘導的軟骨細胞中Bcl-2和Bax蛋白表達的影響 與對照組比較,AGEs組細胞中Bcl-2蛋白表達水平明顯降低,而Bax蛋白表達水平明顯升高(P<0.05);與AGEs組比較,AG?Es+miR-NC組細胞中Bcl-2和Bax蛋白表達水平均無明顯差異(P>0.05);與AGEs+miR-NC組或AGEs組比較,AGEs+miR-31組細胞中Bcl-2蛋白表達水平明顯升高,而Bax蛋白表達水平明顯降低(P<0.05)。見圖4。
圖2 各組細胞存活率的比較Fig.2 Comparison of cell survival rate in each group
圖3 各組細胞流式細胞儀檢測各組細胞凋亡(A)、凋亡率(B)、Caspase-3、Caspase-9活性的比較(C)Fig.3 Comparison of apoptosis(A),apoptosis rate(B),Caspase-3 and Caspase-9 activities in each group by flow cytometry(C)
2.5 上調(diào)miR-31表達對AGEs誘導的軟骨細胞炎癥因子的影響 與對照組比較,AGEs組細胞上清液中IL-1β和TNF-α含量均明顯升高(P<0.05);與AGEs組比較,AGEs+miR-NC組細胞上清液中IL-1β和TNF-α含量均無明顯變化(P>0.05);但,AGEs+miR-31組細胞上清液中IL-1β和TNF-α含量均明顯低于AGEs組或AGEs+miR-NC組。見圖5。
2.6 上調(diào)miR-31表達對AGEs誘導的軟骨細胞氧化應激指標的影響 與對照組比較,AGEs組細胞上清液中SOD含量明顯降低,而MDA含量明顯升高(P<0.05);與AGEs組比較,AGEs+miR-NC組細胞上清液中SOD和MDA含量均無明顯變化(P>0.05);與AGEs+miR-NC組或AGEs組比較,AGEs+miR-31組細胞上清液中SOD含量明顯升高,而MDA含量明顯降低(P<0.05)。見圖6。
圖4 Western blot檢測各組細胞中Bcl-2和Bax蛋白(A)及統(tǒng)計量結(jié)果(B)表達Fig.4 Western blot detection of Bcl-2 and Bax protein(A)and statistical results(B)expressions in each group of cells
圖5 各組細胞上清液中IL-1β和TNF-α含量的比較Fig.5 Comparison of IL-1βand TNF-αcontents in super?natant of each group
圖6 各組細胞上清液中SOD和MDA含量的比較Fig.6 Comparison of SOD and MDA contents in superna?tant of cells in each group
miRNAs是一類廣泛存在于生物體內(nèi)的內(nèi)源性短鏈RNA,可通過與靶mRNA結(jié)合在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控相關靶基因的表達,參與細胞增殖、凋亡和免疫應答等過程,與腫瘤、心血管疾病和OA等多種疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關[12-15]。作為miRNAs的重要成員之一,miR-31具有促進瘢痕疙瘩成纖維細胞增殖和抑制細胞凋亡的作用,miR-31還可通過抑制炎癥細胞因子受體IL-17R和信號蛋白GP130降低小鼠結(jié)腸上皮的炎癥反應[16-17]。另外,miR-31過表達可通過抑制JAK/STAT3信號通路和下調(diào)PKD1蛋白的表達降低炎癥因子IL-1β、TNF-α和氧化應激指標MDA含量以及促凋亡蛋白Caspase-3、Bax蛋白的表達,并氧化應激指標SOD含量增加,減輕炎癥反應及氧化應激誘導的缺血性腦卒中神經(jīng)損傷[9]。盡管,已有研究[10]指出,在OA骨關節(jié)患者中miR-31表達下調(diào),且miR-31發(fā)揮著促進軟骨細胞增殖、遷移和增加膠原蛋白表達的作用;但其是否參與炎癥或氧化應激介導的軟骨細胞損傷并不清楚。
軟骨細胞在維持細胞外基質(zhì)代謝和軟骨組織穩(wěn)態(tài)等過程中起著重要作用,而軟骨細胞數(shù)量減少和外基質(zhì)代謝紊亂等是OA重要的病理特征[18]。隨著年齡的增加,軟骨細胞逐漸衰老,導致其代謝能力降低,進而合成軟骨細胞基質(zhì)維持軟骨組織功能的能力減弱,促進OA的發(fā)生[19-20]。AGEs被認為是導致OA患者患病的分子學基礎,正常情況下,AGEs在體內(nèi)的水平處于一個平衡狀態(tài),衰老、糖尿病或者攝入高溫食物時可使AGEs水平升高,AGEs可通過與特異性受體結(jié)合促進氧化應激、炎癥反應,引起軟骨細胞凋亡,加重軟骨細胞損傷,導致機體病理改變[21]。本研究以AGEs刺激后軟骨細胞存活率、SOD含量、Bcl-2蛋白表達水平明顯降低,而IL-6、TNF-α、MDA含量和細胞凋亡率、Caspase-3活性、Bax蛋白表達水平升高。結(jié)果表明AGEs刺激可加重軟骨細胞炎癥和氧化應激反應并促進軟骨細胞凋亡。這提示,AGEs刺激可引起軟骨細胞損傷。此外,AGEs刺激后軟骨細胞中miR-31表達水平明顯降低。這提示miR-31可能在AGEs誘導的軟骨細胞損傷中發(fā)揮著重要作用。轉(zhuǎn)染miR-31模擬物成功上調(diào)miR-31表達后發(fā)現(xiàn),AGEs誘導的細胞凋亡、炎癥反應和氧化應激均明顯受到抑制。結(jié)果表明,上調(diào)miR-31表達可通過抑制細胞凋亡、炎癥反應和氧化應激改善AGEs誘導的軟骨細胞損傷。這提示,在OA發(fā)生發(fā)展過程中,miR-31可能通過抑制軟骨細胞凋亡、炎癥反應和氧化應激發(fā)揮著重要的保護作用。
綜上所述,本研究初步揭示了miR-31在OA發(fā)生發(fā)展中的作用,上調(diào)miR-31表達可通過抑制AG?Es誘導的細胞凋亡、炎癥反應和氧化應激起到保護軟骨細胞損傷的作用,但其具體的作用機制還有待后續(xù)進一步深入探討。