脊髓损伤(spinal cord injury, SCI)是一种严重的中枢神经系统创伤,常导致永久性神经功能缺损,并伴随多种继发性并发症
[1-2]。其中,神经源性异位骨化(neurogenic heterotopic ossification, NHO)是SCI后常见的致残性并发症,表现为关节周围软组织中异常形成成熟骨组织,严重影响患者康复与生活质量
[3]。目前针对NHO的防治手段有限,亟需探索新的干预策略。牛磺熊去氧胆酸(tauroursodeoxycholic acid, TUDCA)是一种内源性亲水性胆汁酸,在肌萎缩侧索硬化、阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病模型中均显示出保护作用
[4]。研究表明,TUDCA还可通过靶向STING蛋白抑制STING/NF-κB/NLRP3通路驱动的神经元焦亡,为创伤性脑损伤和神经炎症相关疾病提供了新的治疗靶点
[5]。我们的研究表明,在SCI动物模型中,TUDCA可减轻局部炎症浸润,促进轴突再生和髓鞘修复,改善运动功能恢复
[6]。此外,TUDCA还被发现能够调控巨噬细胞极化,诱导M2型抗炎表型,从而重塑脊髓微环境
[7]。值得注意的是,TUDCA对骨代谢也具有调控潜力,已有研究显示其可影响间充质干细胞的成骨分化,提示TUDCA可能参与骨形成相关病理过程
[8]。白细胞介素-1β(interleukin,IL-1β)是一种典型的多功能促炎细胞因子,生理或低浓度条件下,IL-1β可短暂促进成骨前体细胞增殖及成骨相关基因表达
[9];但在慢性炎症或高浓度条件下,IL-1β则通过抑制成骨转录因子Runx2和Osx、降低碱性磷酸酶活性,同时诱导RANKL表达促进破骨细胞生成,从而抑制成骨并加剧骨破坏
[10]。M2型巨噬细胞通常被视为组织修复的促进者,但其在异位骨化背景下的作用存在争议:部分研究显示M2巨噬细胞通过分泌TGF-β1等因子促进异位骨形成,而另一些研究则提示M2来源的IL-1β可能抑制成骨分化
[11-12]。基于上述背景,本研究利用小鼠神经源性异位骨化模型,探讨TUDCA对NHO的抑制作用,并初步阐明其可能机制——TUDCA诱导M2巨噬细胞极化并上调IL-1β分泌,进而抑制异位骨形成。本研究旨在拓展TUDCA在脊髓损伤并发症治疗中的应用前景,为NHO的防治提供新的实验依据。
1 材料与方法
1.1 实验动物与伦理
SPF级雄性C57BL/6小鼠,3~5周龄,体质量15~25 g,购自中山大学实验动物中心(许可证号:SCXK(粤)2022-0002)。所有动物均饲养于恒温(22±2)℃、恒湿(50%±10%)、12 h光/暗循环环境中,自由饮水摄食。所有动物实验方案经广州中医药大学动物伦理委员会审核批准(批准号:20230407006),并严格按照美国国立卫生研究院《实验动物护理与使用指南》及中国《实验动物管理条例》执行。
1.2 NHO模型的建立
按照前述方法
[13],在全身麻醉下,于小鼠T11与T13之间行脊髓横断术,并在腘绳肌内注射从非洲射毒眼镜蛇(Naja pallida)毒液中纯化的心脏毒素(Cardiotoxin,CDTX,剂量0.32 mg/kg),从而构建NHO小鼠模型。假手术组(Sham):仅行椎板切除术,不损伤脊髓,每日灌胃等体积生理盐水,连续给药4周。模型对照组(NHO):行SCI+CDTX处理,每日灌胃等体积生理盐水。NHO+TUDCA组:行SCI+CDTX处理,每日灌胃TUDCA(200 mg/kg,溶于生理盐水,Sigma-Aldrich,T0266),连续给药4周。
1.3 细胞培养与处理
RAW264.7细胞系:购自美国ATCC。培养于DMEM高糖培养基(Gibco),添加10%(v/v)胎牛血清(FBS,Gibco)和1% (v/v)青霉素/链霉素(终浓度:青霉素100 U/mL,链霉素100 μg/mL,Gibco),于37°C、体积分数5% CO₂培养箱中传代培养。
1.4 HE染色及番红O-固绿(SOFG)染色
组织样本首先用40 g/L多聚甲醛(PFA)固定24 h,然后在14% EDTA中脱钙4 d。每24 h更换一次溶液,依次使用100 g/L 、 200 g/L 和 300 g/L 的蔗糖/PBS溶液。将组织包埋于最适切割温度复合物(OCT)中,在液氮冷却的异戊烷中冷冻,并于-80 ℃保存。使用Leica CM1950冷冻切片机将组织样本切成8 μm厚的切片。为了评估组织结构并观察组织内异位骨化(HO)的形成,进行了苏木素-伊红(hematoxylin-eosin, H&E)染色及番红O-固绿(safranin o and fast green staining,SOFG)染色。
1.5 免疫荧光染色
将组织切片和培养细胞用40 g/L多聚甲醛(PFA)固定30 min,然后用0.3% Triton X-100透化处理30 min。PBS洗涤3次后,用51.5 g/L正常驴血清封闭1 h。组织切片和细胞与一抗在4℃下孵育过夜。详细抗体信息见
表1。PBS洗涤3次后,加入Alexa-Fluor 594标记的驴抗兔、Alexa Fluor 488标记的驴抗小鼠或Alexa Fluor 488标记的驴抗大鼠二抗,室温孵育1 h。最后,PBS洗涤3次,用含4′,6-二脒基-2-苯基吲哚(DAPI)的Prolong Gold抗荧光淬灭封片剂(Molecular Probes, Invitrogen)封片。所有图像使用Olympus BX63显微镜(Olympus,日本)观察。
1.6 蛋白提取及Western blot分析
提取总蛋白,采用BCA法测定蛋白浓度。取20 μg总蛋白上样于100 g/L SDS-PAGE凝胶(Asegene,中国广州),通过电转印将分离的蛋白转移至PVDF膜。膜用含50 g/L脱脂奶粉的TBST(50 mmol/L Tris,pH 7.6,150 mmol/L NaCl,1.1 g/L Tween 20)封闭,然后与一抗在4 ℃下于含50 g/L脱脂奶粉的TBST中孵育过夜。一抗信息见
表1。用TBST洗膜3次,每次5 min,然后与辣根过氧化物酶(HRP)标记的二抗室温孵育1 h,再用TBST洗膜3次。使用ECL试剂(Thermo Fisher Scientific)检测免疫标记。采用增强化学发光系统检测化学发光信号。
1.7 酶联免疫吸附试验(ELISA)
采用ELISA法检测人或小鼠肌肉组织样本中IL-1β的含量。按照制造商的说明书,使用ELISA试剂盒测定肌肉组织样本中IL-1β的蛋白水平。根据制造商的操作规程,使用IL-1β ELISA试剂盒评估上清液中的IL-1β浓度。收集肌肉裂解液的上清液,随后测定细胞因子产量。使用Invitrogen免疫吸附测定试剂盒(Invitrogen,88-7013A-88)评估IL-1β水平。数据通过酶标仪(TECAN,Mount Waverley, Victoria)采集。
1.8 流式细胞术
使用骨骼肌解离试剂盒(Miltenyi Biotech,Bergisch Gladbach)和GentleMACS组织匀浆机(Miltenyi Biotec,Macquarie Park)从肌肉中分离出单细胞。制备单细胞悬液,并用荧光染料标记的抗体进行染色。数据在BD LSRII流式细胞仪(BD Biosciences,San Jose,CA)上采集,并使用FlowJo v. 10.7.1软件(Tree Star,Ashland,OR)进行分析。数据以活细胞门内标记细胞的百分比形式获取,每样本采集50 000个事件。对于流式细胞分选,细胞用特异性抗体染色,并在流式细胞分选仪(BD Bioscience)上进行分选。
1.9 小动物CT
标本取自小鼠腘绳肌,并用40 g/L多聚甲醛固定。进行小动物CT(micro-computed tomography,micro-CT)扫描时,将标本装入样品架中,使用Scanco micro-CT40扫描仪进行扫描,扫描参数设置为55 kVp和70 μA。标本的扫描层厚平均为20 μm。对于可视化处理,将分割后的数据导入micro-CT Ray V3.0软件(Scanco Medical)中,并重建为三维图像。通过重建的三维图像评估异位骨化形成情况,并计算异位骨体积。计算体积时,在含有骨化灶的肌肉周围勾画目标区域(ROI),通过将亨氏单位(hounsfield unit, HU)阈值设为450 HU来界定HO区域。
1.10 统计学分析
所有实验独立重复至少3次。数据以均值±标准误(SEM)表示。使用GraphPad Prism 9.0(GraphPad Software,USA)进行统计分析。两组比较采用双尾Student’s t检验;多组比较采用单因素方差分析(one-way ANOVA)。若方差不齐,采用Welch’s ANOVA检验。以*P<0.05、**P<0.01、***P<0.001为差异有统计学意义。
2 结 果
2.1 TUDCA具有抑制NHO的形成的作用
为了明确TUDCA是否具有抑制神经源性异位骨化形成的作用,我们构建了NHO小鼠模型。通过构建脊髓损伤小鼠,并在小鼠大腿肌肉局部注射心脏毒素(CDTX),成功构建了模拟神经源性异位骨化的小鼠模型,通过小鼠运动功能评分及qPCR检测,进一步明确了模型的稳定性(图
1A,
1B)。H&E染色及番红固绿染色结果显示,持续服用TUDCA的小鼠大腿局部的骨化灶显著减少(
图1C)。我们进行了免疫荧光实验,
t检验显示TUDCA组小鼠局部OCN荧光强度(3.847±0.46)较NHO组小鼠(14.79±0.88)明显减少(图
1D,
1E),
t=11.06,
P<0.001,差异有统计学意义。为了更直观的比较异位骨化水平的改变,我们对小鼠小腿进行了micro-CT扫描实验。结果显示,TUDCA组小鼠的大腿骨化量(7.65±1.19)较NHO组小鼠(12.69±1.13)显著减少(
图1F,G),
t=3.08,
P<0.05,差异有统计学意义。上述结果验证了我们的猜想,TUDCA在具有改善脊髓损伤功能恢复的同时,也具有减少NHO形成的作用。
2.2 TUDCA调控肌肉驻留巨噬细胞M2极化
既往我们发现TUDCA可以通过诱导巨噬细胞M2极化改善脊髓损伤的组织修复和功能恢复,而损伤后的肌肉局部常常聚集各种免疫细胞如巨噬细胞、T细胞等,影响的肌肉组织的修复重建,是决定受损肌肉重建或是病理性骨化灶形成的关键因素。通过体外细胞模型实验,我们分为对照组、TNFα组(诱导M1极化)和TNFα+TUDCA组进行实验,qPCR结果显示,TNFα+TUDCA组CD206的mRNA相对表达水平(1.11±0.023)较TNFα组(0.55±0.019)显著上调,差异具有统计学意义(
t=18.79,
P<0.001),Western blot及免疫荧光结果同样提示TNFα+TUDCA组CD206的表达水平(17.29±1.33)较TNFα组(6.97±0.51)显著上调,差异具有统计学意义(
t=7.24,
P<0.01),TUDCA可以逆转TNFα对巨噬细胞M1极化的作用,进一步证实了TUDCA具有诱导巨噬细胞M2极化的作用(
图2A-D)。上述结果表明,TUDCA可诱导巨噬细胞M2表型极化,M2极化的巨噬细胞可能是异位骨化的关键因素。
2.3 TUDCA诱导M2巨噬细胞分泌IL-1β调控NHO过程
M2型巨噬细胞在炎症期常分泌多种细胞因子,其中TNF-α、IL-1β、IL-6等具有抑制成骨分化的作用。为探明TUDCA对巨噬细胞分泌谱的影响,我们利用不同浓度(0、200、400 μmol/L)的TUDCA刺激RAW264.7巨噬细胞,进行qPCR、Western blot检测并收集上清液进行ELISA检测。qPCR结果显示,与对照组相比,TUDCA可显著上调巨噬细胞IL-1β的表达水平,其中200 μmol/L TUDCA组(1.84±0.093)刺激后IL-1β表达升高最为明显(
图3A),差异具有统计学意义(
t=9.034,
P<0.001)。ELISA结果显示与对照组相比(404.7±24.38),TUDCA可显著上调巨噬细胞IL-1β的分泌水平,其中200 μmol/L TUDCA组(652.8±32.61)刺激后IL-1β表达升高最为明显(
图3B),差异具有统计学意义(
t=9.043,
P<0.001)。Western blot结果同样提示200 μmol/L TUDCA组显著上调IL-1β蛋白的分泌水平(
图3C)。由此我们推测,IL-1β可能是TUDCA诱导M2极化后所分泌的关键调控因子。
2.4 TUDCA可能通过诱导M2巨噬细胞极化并上调IL-1β分泌参与抑制NHO形成
为了验证我们的猜想,我们通过构建NHO小鼠模型,并持续给予TUDCA口服。通过流式细胞术检测小鼠大腿局部巨噬细胞分泌IL-1β的表达水平,发现TUDCA组小鼠IL-1β较NHO组小鼠上调(
图4A)。我们进行了ELISA实验,通过
t检验分析结果同样表明NHO+TUDCA组小鼠的IL-1β水平(201.2±12.58)较NHO组(127.4±7.99)显著上调(
图4B),差异具有统计学意义(
t=4.955,
P<0.01)。通过免疫荧光分析发现,异位骨化灶周围M2巨噬细胞显著增多,而NHO+TUDCA组NHO小鼠IL-1β的荧光强度(10.71±0.79)较NHO组显(2.65±0.29)著上调,差异具有统计学意义(
t=9.516,
P<0.001)。同时,异位骨化灶(虚线标注)的形成也显示减少(图
4C,
4D)。以上结果说明TUDCA可能通过诱导M2巨噬细胞极化,上调肌肉局部的IL-1β水平,从而参与抑制NHO形成。
3 讨 论
本研究中,我们成功构建了小鼠神经源性异位骨化模型,并通过持续喂养TUDCA检测NHO小鼠异位骨化量的变化,证实TUDCA具有抑制脊髓损伤小鼠异位骨化的作用。此外,我们还发现TUDCA可诱导巨噬细胞向M2型极化,而肌肉驻留的M2巨噬细胞分泌的IL-1β能够抑制成骨分化,从而减轻脊髓损伤小鼠的异位骨化程度。这些结果表明,TUDCA不仅有利于脊髓损伤的恢复,还能减少其常见并发症——神经源性异位骨化的发生。
TUDCA目前在临床上可用于治疗胆汁淤积性肝病
[14]。既往研究显示,TUDCA在脊髓损伤中具有调控炎症、氧化应激等作用,表现出神经保护效应
[15];其不仅可通过诱导巨噬细胞M2极化来控制损伤脊髓局部的炎症水平,还可通过NF-κB通路促进神经再生,在脊髓损伤治疗中展现出良好的应用前景
[6]。此外,TUDCA还能调控骨髓间充质干细胞的成骨分化,对骨重建发挥关键作用
[16]。基于此,我们推测TUDCA可能调控脊髓损伤小鼠的异位骨化过程。为模拟神经源性异位骨化的病理过程,我们在脊髓损伤小鼠右侧大腿肌肉局部注射心脏毒素,诱导肌肉损伤与修复失衡。术后第4周,形成成熟的异位骨化灶,micro-CT三维重建显示小鼠肌肉局部稳定形成的骨化灶,H&E染色和SOFG染色可见成熟骨化灶的形成,qPCR同时验证了模型局部肌肉炎症水平的稳定,充分证实了NHO模型构建成功。该模型高度还原了SCI后软组织内异常成骨的病理特征,可重复性好,是研究神经源性异位骨化的可靠工具
[13]。在此基础上,我们在NHO模型小鼠造模过程中给予TUDCA连续灌胃直至术后4周造模结束。micro-CT三维重建显示,与NHO组小鼠相比,TUDCA治疗组小鼠的异位骨化体积显著减少。H&E染色和SOFG染色均证实骨化灶明显缩小。上述结果表明,TUDCA可有效抑制SCI后NHO的形成。然而,TUDCA调控异位骨化的具体分子机制,及其分泌产物发挥作用,仍有待深入阐明。
巨噬细胞是损伤组织局部聚集的关键免疫细胞,在炎症反应和组织修复中发挥重要作用。既往研究表明,在骨组织修复与再生过程中,M2型巨噬细胞的作用具有显著的双向性
[17]。一方面,M2巨噬细胞通过构建抗炎微环境和直接激活成骨信号,成为促进骨愈合的核心,有效抑制M1型巨噬细胞主导的急性炎症,同时释放BMP-2、TGF-β1等成骨相关生长因子
[11,18-20],从而驱动间充质干细胞向成骨细胞分化。另一方面,在某些病理条件下,M2巨噬细胞却表现出抑制成骨甚至促进异常骨形成的作用。在异位骨化中,M2巨噬细胞通过分泌TGF-β1促进间充质干细胞的募集与成骨分化
[21],并可通过介导内皮-间充质转化参与HO的发病,因此抑制M2巨噬细胞浸润成为减轻HO的潜在治疗策略
[22]。由此可见,M2巨噬细胞在成骨中的角色具有高度的时空依赖性,鉴于这种双重作用,如何在骨再生治疗中实现对M2极化的精准调控,仍是未来转化医学的重要方向。本研究结果显示,神经源性异位骨化病灶周围存在显著的巨噬细胞聚集。体内实验免疫荧光染色显示,巨噬细胞在异位骨化边缘呈环状分布,且数量明显高于周围正常肌肉组织。进一步体外实验发现,TUDCA处理巨噬细胞后,M2型极化标志物CD206的mRNA表达水平较对照组显著升高,同时免疫荧光染色显示CD206阳性细胞比例显著增加,证实TUDCA可有效诱导巨噬细胞向M2表型转化。
IL-1β作为一种关键的促炎细胞因子,在骨代谢中同样呈现出复杂的双向调节作用。在特定生理或低度炎症条件下,适宜浓度的IL-1β可短暂促进成骨细胞前体的增殖,并通过激活NF-κB及MAPK信号通路上调BMP-2等成骨相关因子的表达,从而在一定程度上促进骨形成
[16]。然而,在大多数病理状态,尤其是慢性炎症或高浓度IL-1β暴露下,其主要表现为抑制成骨并促进骨吸收
[23]。IL-1β可通过抑制Runx2、Osx等成骨转录因子的表达,降低碱性磷酸酶活性和矿化能力,从而显著抑制成骨细胞的分化与成熟;同时,IL-1β还能有效诱导成骨细胞和基质细胞表达RANKL,增强破骨细胞的生成与活化,打破骨形成与骨吸收的平衡,最终导致骨丢失
[24-25]。本研究中,TUDCA诱导的M2巨噬细胞极化伴随IL-1β分泌显著上调。在NHO小鼠模型中,持续给予TUDCA喂养后,异位骨化程度显著下降,免疫荧光结果提示TUDCA组小鼠异位骨化局部IL-1β水平显著升高。这些结果提示,TUDCA介导的巨噬细胞分泌更多IL-1β,从而抑制异位骨化灶的形成。本研究揭示了IL-1β在NHO中发挥抑制骨化的作用,这与既往研究中IL-1β在病理情况下的作用相一致。然而,既往Jean‐Pierre Lévesque研究团队的发现有所不同,该团队研究表明NHO的形成与脊髓损伤小鼠肌肉损伤后局部IL-1β表达上调呈正相关
[26]。我们推测这与喂养TUDCA后,肌肉局部微环境的改变以及更高浓度的IL-1β水平有关。由此可见,IL-1β对成骨及抑骨形成的双向调控作用与浓度高度相关,也依赖局部免疫微环境。TUDCA诱导巨噬细胞的M2极化极大改变了损伤肌肉局部的炎症微环境,本研究为双向调控增添了新的证据。然而由于条件所限,本研究未进一步探讨TUDCA诱导IL-1β上调的具体分子机制,以及IL-1β调控成骨分化的详细通路;后续研究应结合细胞模型及NHO动物模型,通过免疫荧光、茜素红染色等一系列实验,全面阐释TUDCA抑制NHO形成的机制。
综上所述,本研究在细胞和动物水平上证实,TUDCA可能通过诱导M2巨噬细胞极化并上调IL-1β分泌参与抑制NHO形成,从而减轻脊髓损伤小鼠的异位骨化程度。本研究拓展了TUDCA在脊髓损伤治疗中的应用潜力,揭示了其在减少脊髓损伤并发症中的关键作用。
广东省中医院国自然培育项目(YN2025GZR22)