夏 克,符來想,陳前永
骨性關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis,OA)是常見的骨關(guān)節(jié)退行性疾病,以關(guān)節(jié)軟骨變性、損傷、破壞及代償性軟骨下骨質(zhì)增生、骨贅形成為特征。 軟骨細胞是關(guān)節(jié)軟骨組織中唯一的細胞類型, 參與軟骨組織功能及形態(tài)、細胞外基質(zhì)代謝的調(diào)控。 軟骨細胞炎癥性損傷與OA 的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[1,2],但相關(guān)的分子機制尚不清楚,臨床上也缺乏特異性的OA 治療藥物。 近些年的分子生物學(xué)研究證實內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(endoplasmic reticulum stress,ERS)參與多種慢性疾病的發(fā)生發(fā)展;ERS 是指內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)失去平衡后出現(xiàn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中錯誤折疊蛋白聚集的病理狀態(tài), 持續(xù)激活的ERS 是細胞凋亡的上游信號、 介導(dǎo)促進細胞凋亡的生物學(xué)效應(yīng)。軟骨細胞凋亡是造成OA 進程中軟骨細胞損傷的重要生物學(xué)因素, 相關(guān)細胞實驗證實ERS 激動劑促進軟骨細胞凋亡、 相關(guān)動物實驗證實ERS 拮抗劑改善OA 大鼠的關(guān)節(jié)軟骨退行性變及細胞凋亡[3,4]。 基于此提出假說:ERS 調(diào)控軟骨細胞凋亡參與OA 進程中軟骨骨細胞炎癥性損傷。 為驗證該假說,筆者將在白細胞介素1β(interleukin-1β,IL-1β)誘導(dǎo)軟骨細胞炎癥性損傷模型中觀察ERS 對細胞凋亡的調(diào)控作用,旨在為初步揭示OA 發(fā)病機制、發(fā)現(xiàn)OA 新的治療靶點提供依據(jù)。
1.1.1 細胞株
小鼠軟骨細胞株ATDC5, 由中國武漢尚恩生物技術(shù)有限公司提供。
1.1.2 主要試劑與儀器
IL-1β( Sigma,美國);c-Jun 氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK) 拮抗劑SP600125(MCE,美國); 含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-12(cysteinyl aspartate specific proteinase 12,Caspase-12)抑制劑氟甲基酮(Z-ATAD-fluoromethylketone,Z-ATADFMK)、CCK8 法增殖檢測試劑盒(Abcam,美國);TdT介導(dǎo)的dUTP 缺口末端標記(TdT-mediated dUTP nick end labeling,TUNEL)凋亡檢測試劑盒(熒光法)(上海碧云天生物公司, 中國); 葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78 (glucose-regulated protein 78,GRP78)、C/EBP 同源蛋白(C/EBP homologous protein,CHOP)、 磷酸化c-Jun 氨基末端激酶(phosphorylation c-Jun N-terminal kinase,p-JNK)、裂解型caspase-12(Cleaved caspase-12)、βactin 特異性一抗(CST,美國)。
1.2.1 細胞培養(yǎng)及分組處理
將ATDC5 細胞復(fù)蘇后,在含有10%胎牛血清的培養(yǎng)液中貼壁培養(yǎng),定期更換培養(yǎng)液、用0.25%胰蛋白酶進行消化傳代。分為對照組、IL-1β 組、si-NC 組、si-NC+IL-1β 組、si-CHOP+IL-1β 組、溶劑對照組、溶劑+IL-1β 組、JNK 拮抗劑+IL-1β 組、Caspase-12抑制劑+IL-1β 組。
傳代后的細胞接種在培養(yǎng)板內(nèi)進行分組處理。對照組用不含藥物的培養(yǎng)液處理,IL-1β 組含有10 ng/mL IL-1β 的培養(yǎng)液處理,si-NC 組轉(zhuǎn)染NC siRNA,si-NC+IL-1β 組在含有10 ng/mL IL-1β 的培養(yǎng)液中轉(zhuǎn)染NC siRNA,si-CHOP + IL-1β 組在含有10 ng/mL IL-1β的培養(yǎng)液中轉(zhuǎn)染CHOP siRNA,溶劑對照組用含有二甲基亞砜(dimethylsulfoxide,DMSO)(體積分數(shù)0.1%)的培養(yǎng)液處理,溶劑+IL-1β 組用含有DMSO(體積分數(shù)0.1%) 和10 ng/mL IL-1β 的培養(yǎng)液處理,JNK拮抗劑+IL-1β 組用含有10.0 μmol/L(DMSO 的體積分數(shù)為0.1%)JNK 拮抗劑SP600125 和10 ng/mL IL-1β 的培養(yǎng)液處理,Caspase-12 抑制劑+IL-1β 組用含有2.0 μmol/L(DMSO 的體積分數(shù)為0.1 %)Caspase-12 抑制劑Z-ATAD-FMK 和10 ng/mL IL-1β 的培養(yǎng)液處理。
1.2.2 細胞增殖的檢測
將5×103個ATDC5 細胞接種96 孔培養(yǎng)板內(nèi),貼壁24 h 后按照1.2.1 節(jié)進行分組處理; 繼續(xù)培養(yǎng)24 h后,在每個培養(yǎng)孔內(nèi)加入10 μL CCK8 溶液,繼續(xù)培養(yǎng)1.5 h 后將培養(yǎng)板放入酶標儀, 檢測每孔細胞在波長490 nm 的光密度(optical density,OD)490nm值。
1.2.3 細胞凋亡的檢測
將1×104個ATDC5 細胞接種24 孔培養(yǎng)板內(nèi),貼壁24 h 后按照1.2.1 節(jié)進行分組處理; 繼續(xù)培養(yǎng)24 h 后棄去培養(yǎng)液, 用4%多聚甲醛溶液固定細胞后,采用試劑盒進行TUNEL 染色和4",6- 二脒基-2-苯基吲哚 (4",6-diamidino-2-phenylindole,DAPI)復(fù)染,抗熒光猝滅封片液封片后在顯微鏡高倍(×400)視野下觀察。凋亡細胞顯綠色熒光,細胞核顯藍色熒光。計算凋亡率(%)=凋亡細胞數(shù)/細胞總數(shù)×100%。
1.2.4 蛋白表達的檢測
將5×105個ATDC5 細胞接種12 孔培養(yǎng)板內(nèi),貼壁24 h 后按照1.2.1 節(jié)進行分組處理;繼續(xù)培養(yǎng)24 h后棄去培養(yǎng)液、提取細胞蛋白,將含有20 μg 蛋白的樣本加入聚丙烯酰胺凝膠中電泳,而后將凝膠中的蛋白電轉(zhuǎn)移至硝酸纖維素膜, 將膜放入5%脫脂牛奶中、 搖床上室溫孵育1 h, 洗膜3 次后分別孵育GRP78(1 ∶500 稀釋)、CHOP(1 ∶600 稀釋)、p-JNK(1 ∶400 稀釋)、Caspase-12(1 ∶800 稀釋)及β-actin(1 ∶5 000 稀釋)的特異性一抗、4 ℃過夜。 次日洗膜3次后室溫孵育辣根過氧化物酶標記的二抗(1 ∶4 000稀釋)1 h,再次洗膜3 次,在凝膠成像系統(tǒng)中對膜上的蛋白進行顯影,以目的蛋白/β-actin 的灰度值分析蛋白表達水平。
采用SPSS 23.0 版本軟件對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)處理。 計量資料以均數(shù)±標準差表示,兩組間比較采用獨立樣本t檢驗, 多組間比較采用單因素方差分析,兩兩比較采用LSD-t法。P<0.05 為差異有統(tǒng)計學(xué)意義,P<0.01 為差異有顯著統(tǒng)計學(xué)意義。
采用CCK8 法檢測細胞增殖的OD490nm水平,采用TUNEL 法檢測細胞的凋亡率。IL-1β 組ATDC5 細胞的OD490nm水平低于對照組 (0.51 ± 0.07vs1.06 ±0.12), 細胞凋亡率高于對照組 (9.58%±1.24%vs1.35%±0.17%),差異有顯著統(tǒng)計學(xué)意義(t=8.853、14.703,P<0.001)。
采用Western blot 檢測ERS 標志蛋白GRP78 和ERS 凋亡蛋白CHOP、p-JNK、Cleaved caspase-12 的表達水平。IL-1β 組ATDC5 細胞中GRP78、CHOP、p-JNK、Cleaved caspase-12 的相對表達水平高于對照組, 差異有顯著統(tǒng)計學(xué)意義 (t= 9.339、17.206、11.667、10.217,P<0.001)。 見圖1、表1。
表1 對照組與IL-1β 組ATDC5 細胞GRP78、CHOP、p-JNK、Cleaved caspase-12 表達比較Tab.1 Comparison of GRP78,CHOP,p-JNK,Cleaved caspase-12 expression in ATDC5 cells between control group and IL-1β group
圖1 對照組和IL-1β 組ATDC5 細胞中GRP78、CHOP、p-JNK、Cleaved caspase-12 的表達電泳圖Fig. 1 Electrophoretograms of GRP78, CHOP, p-JNK and Cleaved caspase-12 expression in ATDC5 cells of control group and IL-1β group
si-NC+IL-1β 組ATDC5 細胞增殖OD490nm水平低于si-NC 組,細胞凋亡率及CHOP 表達水平高于si-NC 組(t=14.378、10.001、14.536,P<0.05);si-CHOP+IL-1β 組ATDC5 細胞OD490nm水平高于si-NC+IL-1β 組,凋亡率及CHOP 表達水平低于si-NC+IL-1β組(t=16.250、9.395、11.757,P<0.05)。 見圖2、表2。
圖2 si-NC 組、si-NC+IL-1β 組、si-CHOP+IL-1β 組CHOP表達電泳圖Fig. 2 Electrophoretograms of CHOP expression in si-NC group,si-NC+IL-1β group and si-CHOP+IL-1β group
溶劑+ IL-1β 組ATDC5 細胞增殖OD490nm水平低于溶劑對照組, 細胞凋亡率及p-JNK 的表達水平高于溶劑對照組(t=12.964、9.833、15.408,P<0.05);JNK 拮抗劑+ IL-1β 組ATDC5 細胞增殖OD490nm水平高于溶劑+IL-1β 組, 細胞凋亡率及p-JNK 的表達水平低于溶劑+ IL-1β 組 (t= 14.795、9.779、11.339,P<0.05)。 見圖3、表3。
表3 溶劑對照組、溶劑+IL-1β 組、JNK 拮抗劑+IL-1β 組組間p-JNK 表達、增殖和凋亡比較Tab.3 Comparison of p-JNK expression,proliferation and apoptosis in solvent control group,solvent+IL-1β group and JNK antagonist+IL-1β group
圖3 溶劑對照組、 溶劑+IL-1β 組、JNK 拮抗劑+IL-1β 組p-JNK 表達電泳圖Fig.3 Electrophoretograms of p-JNK expression in solvent control group,solvent+IL-1β group and JNK antagonist+IL-1β group
溶劑+ IL-1β 組ATDC5 細胞增殖OD490nm水平低于溶劑對照組, 細胞凋亡率及Cleaved caspase-12表達水平高于溶劑對照組 (t= 11.600、11.289、15.912,P<0.05);Caspase-12 抑制劑+IL-1β 組ATDC5 細胞增殖OD490nm水平高于溶劑+IL-1β 組,細胞凋亡率及Cleaved caspase-12 表達水平低于溶劑+IL-1β 組(t=13.080、9.117、11.658,P<0.05)。見圖4、表4。
表4 溶劑對照組、溶劑+IL-1β 組、Caspase-12 抑制劑+IL-1β 組組間Cleaved caspase-12 表達、增殖和凋亡比較Tab. 4 Comparison of Cleaved Caspase-12 expression, proliferation and apoptosis in solvent control group, solvent + IL-1β group and Caspase-12 inhibitor+IL-1β group
圖4 溶劑對照組、 溶劑+IL-1β 組、Caspase-12 抑制劑+IL-1β 組Cleaved caspase-12 表達電泳圖Fig. 4 Electrophoretograms of Cleaved caspase-12 expression in solvent control group, solvent + IL-1β group and Caspase-12 inhibitor+IL-1β group
關(guān)節(jié)軟骨細胞的炎性損傷在OA 的進程中發(fā)揮重要作用,在炎性介質(zhì)的作用下軟骨細胞發(fā)生過度凋亡會導(dǎo)致軟骨組織退行性變和破壞、 軟骨下骨贅形成。 臨床上常用的OA 治療藥物包括非甾體類藥物、軟骨營養(yǎng)和修復(fù)藥物, 但受限于OA 發(fā)病機制不明確,目前缺乏能夠抑制軟骨細胞凋亡的特異性O(shè)A 治療藥物[5,6]。多項國內(nèi)外OA 相關(guān)的細胞實驗研究采用10 ng/mL IL-1β 誘導(dǎo)軟骨細胞炎性損傷的方式建立OA 細胞模型[7~9],筆者也采用該方法建立OA 細胞模型, 細胞模型增殖水平降低、 凋亡率增加的變化與OA 進程中軟骨細胞凋亡的特征符合。 筆者將在該OA 細胞模型中研究軟骨細胞凋亡的調(diào)控機制。
細胞凋亡的調(diào)控途徑包括線粒體凋亡途徑、死亡受體凋亡途徑、ERS 凋亡途徑。 ERS 是新近受到越來越多關(guān)注的凋亡調(diào)控機制[10,11]。 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)在細胞內(nèi)負責蛋白質(zhì)合成轉(zhuǎn)運、糖基化修飾、鈣離子再分布的調(diào)控;慢性炎癥、缺血缺氧、高糖等病理因素刺激會造成未折疊蛋白或錯誤折疊蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中聚集,進而激活ERS。 適度的ERS 有助于維持細胞內(nèi)蛋白質(zhì)穩(wěn)定、保證細胞的適應(yīng)性存活; 但是持久且強烈的ERS 不利于細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定, 會造成GRP78 表達增加并通過下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)促進細胞凋亡、加重組織損傷[12~14]。 既往OA 相關(guān)的動物實驗和細胞實驗[4,15,16]、筆者研究的細胞實驗均證實OA 軟骨組織及軟骨細胞中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)標志基因GRP78 的表達水平均明顯增加,OA 進程中存在ERS 的過度激活。 已有研究證實ERS 激動劑對軟骨細胞的凋亡具有促進作用,ERS 拮抗劑抑制OA大鼠關(guān)節(jié)軟骨的細胞凋亡[3,4],提示ERS 可能通過促進軟骨細胞凋亡的途徑參與OA 的發(fā)生發(fā)展,但ERS調(diào)控軟骨細胞凋亡的具體機制尚不明確。
ERS 對細胞凋亡的途徑依賴于下游CHOP、JNK、Caspase-12 途徑,CHOP 通過調(diào)控下游B 細胞淋巴瘤/白血病-2 削弱細胞的抗凋亡能力、促進細胞色素C 的釋放及細胞凋亡;JNK 磷酸化為有活性的p-JNK及Caspase-12 裂解為有活性的Cleaved caspase-12均能作用于Caspase 級聯(lián)激活途徑, 引起Caspase-3激活并引起細胞凋亡[17,18]。 筆者研究在OA 軟骨細胞模型中檢測到CHOP、p-JNK、Cleaved caspase-12 的表達水平均增加, 提示OA 進程中ERS 的激活可能引起下游CHOP 的高表達、JNK 的磷酸化活化、Caspase-12 的裂解后活化,進而介導(dǎo)了促進細胞凋亡的生物學(xué)效應(yīng)。 為了進一步驗證OA 細胞模型中ERS下游CHOP、JNK、Caspase-12 對凋亡的調(diào)控作用,筆者在OA 細胞模型中分別進行了CHOP 表達的敲低、JNK 拮抗劑干預(yù)、Caspase-12 抑制劑干預(yù), 經(jīng)上述干預(yù)后細胞的增殖水平增加、凋亡率降低,表明OA 細胞模型中ERS 激活通過下游CHOP、JNK、Caspase-12介導(dǎo)了細胞凋亡。
綜上所述,IL-1β 誘導(dǎo)軟骨細胞炎性損傷模型中ERS 通過CHOP、JNK 和Caspase-12 引起細胞凋亡。在OA 進程中關(guān)鍵軟骨細胞在炎癥反應(yīng)的作用下會發(fā)生ERS 激活,激活的ERS 進一步通過下游CHOP、JNK、Caspase-12 促進軟骨細胞發(fā)生凋亡。 根據(jù)以上結(jié)果, 軟骨細胞中ERS 介導(dǎo)的細胞凋亡參與OA 的發(fā)病。