软骨损伤是骨关节炎(OA)的关键病理表现之一
[1, 2],由于关节软骨缺乏血管、神经及淋巴管等营养供给,其修复仍然是当前临床面临的重大难题
[3]。
软骨损伤属于中医学“骨痹”和“筋伤”范畴
[4],其病机核心为“本痿标痹”
[5],肝肾不足致软骨退变损伤为本痿,风寒湿邪所致痹阻不畅为标痹。因此,治疗当以补益肝肾,活血除痹为根本
[6]。透骨消痛胶囊(TXC)是福建中医药大学附属第二人民医院院内制剂(批准文号:Z20190010000),其成分主要由巴戟天、白芍、川芎和肿节风组成,具有补肾柔肝、活血祛风等功效,符合OA病机特点和治疗原则,临床常用于OA及损伤类疾病治疗,疗效显著
[7-11]。课题组前期研究表明,TXC可延缓OA软骨退变,同时还能调控骨髓间充质干细胞(BMSCs)成软骨分化
[12, 13],但在滑膜间充质干细胞(SMSCs)分化的相关研究仍有待阐明。
SMSCs是滑膜组织中的关节常见细胞类型,因其优异的软骨形成能力和增殖活性,在软骨损伤修复研究中备受关注
[14]。滑膜是与关节软骨接触面积最大、距离最短的组织,其独特的时空位置优势使其在促进SMSCs成软骨分化并修复软骨损伤中发挥着关键作用
[15]。在损伤修复的过程中,趋化因子CXCL12在接收到损伤信号后,能够诱导干细胞向损伤部位归巢,这一过程被认为是损
伤修复的关键初始阶段
[16]。与此同时,生长分化因子5(GDF5)广泛参与细胞分化、骨骼生长发育以及组织损伤修复
[17]。其标记的阳性细胞被认为可以分化成关节内的任何细胞成分,并可募集干细胞调控Sox9靶向成软骨分化
[18, 19]。由此推测,在软骨损伤修复中CXCL12可能与GDF5存在对话机制,TXC是否能通过CXCL12/GDF5通路促进SMSCs成软骨分化修复软骨损伤有待进一步阐明。
本研究首先拟通过小鼠软骨损伤模型验证TXC对软骨损伤的修复效果;接着通过对SMSCs进行CXCL12慢病毒敲减,阐明TXC对SMSCs成软骨分化修复软骨损伤的作用机制,旨在为TXC保护软骨的临床应用提供科学依据。
1 材料和方法
1.1 动物
8周龄SPF级C57BL/6雄性小鼠50只用于体内实验,4周龄SPF级GFP-C57BL/6雄性小鼠10只用于提取原代SMSCs。所有小鼠购自上海斯莱克实验动物有限公司[生产许可证:SCXK(沪)2022-0004],并在福建中医药大学实验动物中心饲养[使用许可证:SYXK(闽)2019-0007]。实验小鼠每笼5只,置于12 h光照/12 h黑暗条件下,环境温度维持在21~22 ℃,本研究已获福建中医药大学动物伦理委员会批准(伦理批号:FJTCM IACUC 2021042)。
1.2 药物
透骨消痛胶囊(福建中医药大学附属第二人民医院)。
1.3 试剂
异氟烷(RWD);HE染色试剂盒、改良番红O-固绿染色试剂盒(Solarbio);EDTA-2Na(Amresco);RNA提取试剂盒(天根生化科技);逆转录试剂盒(Vazyme);4%多聚甲醛(Biosharp);小鼠干细胞培养基(OriCell);干细胞成软骨诱导培养基(赛业);曲拉通(Macklin);蛋白提取试剂盒(碧云天);免疫组化试剂盒(迈新);CD105、CD44、CD34流式抗体(Biolegend);RNAi-Easy-慢病毒(吉凯基因);CXCL12、GDF5、Collagen Ⅱ、GAPDH蛋白抗体(Abcam)GDF5荧光抗体(Proteintech);Sox9、IgG Fab2(CST)、IgG(H+L)HRP(Bioworld technology);青、链霉素(博士德);ECL化学发光液(美仑生物)。
1.4 仪器
流式细胞仪(Biolegend);实时荧光定量PCR仪、成像系统(Bio-RAD);激光共聚焦显微镜(Carl Zeiss);小动物micro-CT(PerkinElmer);电动空心钻(锐进医疗);组织包埋仪(泰维医疗);小动物麻醉机(耀坤);全自动酶标仪(BIO-TEK);石蜡切片机(Leica)。
1.5 方法
1.5.1 模型构建及分组干预
8周龄SPF级C57BL雄性小鼠50只,通过随机数字表法将其分为两大组:正常组(
n=10)和软骨损伤模型组(
n=40)。在2%异氟烷呼吸麻醉下,参照软骨下环型钻孔法建立软骨损伤模型
[20,21]。模型组随机分为TXC低(TXC-L)、中(TXC-M)、高剂量(TXC-H)组,10只/组。TXC-L、M、H组分别予184、368、736 mg/kg进行灌胃,NC组和Model组予等剂量生理盐水灌胃,连续干预6周。
1.5.2 软骨组织形态学观察
micro-CT:在持续麻醉状态下,保持动物仰卧膝关节伸直位固定在CT平扫床,选择Voltage:90 kv,Current:88 μA,Dose:4664 mGy,CT:88,Live:88,Acquisition:36,Recon:36,Voxel Size:36 μm,High Resolution:4 min;预览定位,扫描生成三维效果图。HE染色:关节组织在EDTA-2Na中脱钙4周,梯度乙醇脱水并包埋;将包埋组织切成4 μm切片,二甲苯中浸泡10 min进行脱蜡,梯度乙醇处理15 min,水洗并在苏木精染色液中染色1 min,使用分化液处理10 s,再以蒸馏水返蓝10 min。最后,将切片浸泡在伊红染色液中30 s,迅速冲洗并通过酒精脱水后封片。番红O-固绿染色:切片在Weigert A、B液(1∶1混合)中染色5 min,在酸性条件下分化10 s,随后在绿色溶液中染色5 min并用弱酸液清洗10 s。染色后,切片在番红溶液中浸泡5 min,最后用蒸馏水快速冲洗,脱水封片。各组软骨组织病理变化通过显微镜观察,并采用Mankin's评分法评估关节病理程度(
表1)。
1.5.3 各组软骨组织CXCL12、GDF5、Collagen II、Aggrecan、Comp、Sox9的mRNA水平变化
按试剂盒步骤,提取组织总RNA,配制逆转录体系进行逆转录反应,合成相关基因引物并配成10 μmol/L,热循环条件按:94 ℃,5 min;94 ℃,10 s;55 ℃,15 s;72 ℃,10 s 循环32次;72 ℃,5 min;以GAPDH为内参,采用 2
-ΔΔct法计算各目的基因mRNA转录水平。引物由福州沃森公司提供并合成(
表2)。
1.5.4 GFP-SMSCs培养与鉴定
采用I型胶原酶消化法提取4周GFP C57BL雄性小鼠SMSCs,差速贴壁法纯化培养后取生长状态良好的第2代SMSCs制备成单细胞悬液;PBS洗涤后,依次加入CD105、CD44、CD34抗体,4 ℃孵育30 min;离心后PBS再次洗涤于流式细胞仪上机检测SMSCs阳性表达率。
1.5.5 CXCL12慢病毒转染
SMSCs细胞培养密度达到60%时加入2×109 TU/mL CXCL12慢病毒悬液,感染复数(MOI)设为0、25、50、100,低糖培养基培养72 h后将6孔板置于荧光显微镜下观察荧光表达情况。
1.5.6 分组及干预
将第2代SMSCs悬液以5×103/孔接种于96孔板中,加入慢病毒,将细胞分为5组:Control组(空白培养基)、sh-NC组(空载病毒+空白培养基)、TXC组(15% TXC含药血清[12]+空白培养基)、CXCL12敲减组(CXCL12慢病毒+空白培养基)、CXCL12敲减组+TXC组(CXCL12慢病毒+15% TXC含药血清+空白培养基),干预24 h。
1.5.7 激光共聚焦显微镜观察各组GDF5荧光表达情况
细胞干预结束后,将其固定于4%多聚甲醛,室温孵育30 min。PBS清洗后加入0.5%曲拉通,接着进行5% BSA封闭。随后,加入GDF5荧光蛋白抗体(1∶200)过夜孵育,接着荧光二抗IgG Fab2(555)(1∶1000)结合反应,激光共聚焦显微镜观察各组细胞GDF5的荧光表达情况。
1.5.8 划痕实验
将细胞悬液按1×105/mL浓度均匀铺板,培养24 h后用100 μL枪头均匀划5条直线,PBS清洗后进行干预,光学显微镜下拍照并记录。
1.5.9 免疫细胞化学染色检测SMSCs成软骨分化能力
细胞铺板后干预,2 d/次用成软骨诱导培养基进行换液,培养3周后各组进行免疫细胞化学染色,比较各组Collagen Ⅱ蛋白表达情况。
1.5.10 Western blotting检测CXCL12、GDF5、Sox9蛋白表达情况
使用BCA定量试剂盒测定软骨组织的总蛋白浓度。随后,配制分离胶和浓缩胶,进行加样电泳,在400 mA条件下转膜。转膜后,常温封闭2 h,随后将一抗(GAPDH 1∶5000、CXCL12 1∶1000、GDF5 1∶1000、Sox9 1∶1000)加入膜上,并置于4 ℃摇床过夜孵育。使用IgG(H+L)HRP二抗(1∶5000)在室温下孵育1 h,最后滴加ECL化学发光液并在凝胶成像系统中进行成像。
1.5.11 统计学分析
采用SPSS 26.0软件进行数据处理。对于符合正态分布的计量资料,采用均数±标准差表示;不符合正态分布的数据则使用中位数表示。组间差异分析采用单因素方差分析,若差异具有统计学意义,则进一步进行LSD-t检验或Games-Howell检验进行两两比较。当P<0.05时认为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 TXC的疗效验证
2.1.1 疼痛行为学变化
MWT、TWL结果显示:与NC组相比,Model组在MWT压力值和TWL时间反馈降低(
P<0.05);与Model组相比,TXC-L、M、H组在MWT压力值和TWL时间反馈均有不同程度升高,尤其以TXC-M组效果最为明显(
P<0.05,
图1A、B)。
2.1.2 形态学改变
micro-CT显示:NC组小鼠膝关节正位3D可见股骨关节面光滑平整,侧位可见股骨弧度圆润且骨皮质完整;与NC组相比,Model组小鼠膝关节正位3D可见股骨髁间有明显圆形缺损,关节面粗糙,侧位可见骨皮质失连,骨小梁断裂、缺失;与Model组相比,TXC-L、M、H组在骨缺损修复方面均有不同程度改善,尤其以TXC-M组效果最明显(
图1D)。
番红O-固绿染色结果显示:与NC组相比,Model组软骨四层结构完全破坏,并可见明显缺损,局部软骨细胞数量减少,潮线不完整,软骨层染色减弱(
P<0.05);与Model组相比,TXC-L、M、H组在软骨修复方面均得到不同程度改善(
P<0.05,
图1E);同时在HE染色中也呈现相同趋势(
P<0.05,
图1C、F)。
2.2 TXC对软骨组织CXCL12、GDF5、Collagen II、Aggrecan、Comp、Sox9的mRNA水平的影响
与NC组相比,Model组趋化因子CXCL12的mRNA转录水平轻度升高,细胞分化关键因子GDF5和软骨保护因子Collagen II、Aggrecan、Comp、Sox9的mRNA转录水平降低(
P<0.05);与Model组相比,TXC-L、M、H组CXCL12、GDF5、Collagen II、Aggrecan、Comp、Sox9的mRNA转录水平均有不同程度升高,以TXC-M组效果最明显(
P<0.05,
图2)。
2.3 TXC通过CXCL12/GDF5通路促进SMSCs成软骨分化
2.3.1 SMSCs培养、鉴定及CXCL12慢病毒转染
GFP转基因小鼠膝关节滑膜、骨组织呈现绿色荧光,提取SMSCs经培养、传代在激光共聚焦显微镜下可见:细胞呈绿色荧光表达,且随着传代次数的增加,荧光信号未见淬灭。大多数细胞呈长梭形或成纤维细胞样形态,细胞核呈椭圆形,且可见一个或多个核仁(
图3A)。对第2代SMSCs进行流式细胞抗体鉴定,结果显示CD105、CD44呈阳性表达,CD34为阴性表达(
图3B)。当病毒MOI值为100时,CXCL12转染的第2代SMSCs感染效率最高,且细胞状态未受到明显影响(
图3C)。
2.3.2 TXC促进GDF5荧光蛋白表达
与Control组相比,sh-CXCL12组中GDF5荧光蛋白表达降低;与sh-CXCL12组相比,TXC组和sh-CXCL12+TXC组的GDF5荧光蛋白表达增强(
图4)。
2.3.3 TXC促进SMSCs迁移
与Control组相比,sh-CXCL12组细胞向划痕区域迁移的细胞数量减少;与sh-CXCL12组相比,TXC组和sh-CXCL12+TXC组细胞迁移数量增多(
图5)。
2.3.4 TXC促进SMSCs成软骨分化
SMSCs经成软骨分化液诱导21 d II型胶原蛋白免疫细胞化学染色显示:与Control组比较,sh-CXCL12组CollagenⅡ蛋白表达量降低;与 sh-CXCL12组比较,TXC组和sh-CXCL12+TXC组CollagenⅡ蛋白表达均增强(
图6A)。Western blotting检测结果显示:与Control组比较,sh-CXCL12组CXCL12、GDF5、Sox9蛋白表达减少(
P<0.05);与 sh-CXCL12组比较,TXC组和sh-CXCL12+TXC组CXCL12、GDF5、Sox9蛋白表达均增强(
P<0.05,
图6B)。
3 讨论
OA是一种以关节软骨损伤退变为特征的慢性疾病,通常伴随关节疼痛、僵硬和功能障碍
[1]。软骨损伤是OA发生发展的核心病理因素,也是导致OA关节功能障碍的重要原因
[2]。课题组前期基于临床研究、药理分析、毒理代谢和基础实验等证明TXC具有丰富的药效物质基础,可通过多靶点交联促进干细胞成软骨分化延缓软骨退变
[9,11,22]。但在软骨再生修复方面的研究尚不充分,因此,本研究以小鼠软骨损伤模型为媒介,药物浓度设立低、中、高剂量观察TXC对软骨损伤修复的影响。行为学表明TXC有效改善OA软骨损伤带来的疼痛反应;影像、形态学结果表明,TXC低、中、高组在骨缺损修复方面均有不同程度改善,尤其以中剂量组(368 mg/kg)效果最明显,这与前期在软骨退变模型中的剂量浓度一致
[12]。
组织损伤机制中,损伤部位上调的CXCL12可有效动员、趋化、引导干细胞归巢至损伤处
[23-26],我们前期实验中也证明了通过药物激活CXCL12趋化轴可促进BMSCs归巢
[27],但细胞归巢后如何修复损伤有待进一步阐明。干细胞归巢是损伤修复的初始步骤,而靶向定向分化也同样是促进修复的重要一环
[28]。近年来,GDF5在损伤修复研究中备受关注,作为一种具有独特软骨诱导能力的细胞因子,其在软骨组织的形成与生长过程中发挥了关键作用;研究发现,GDF5能通过促进软骨细胞特异性基质(如Collagen II、Aggrecan、Comp、Sox9)的合成,诱导成纤维细胞定向分化为软骨细胞,从而修复软骨的损伤
[17-19]。为了观察TXC促进软骨损伤修复是否与CXCL12、GDF5有关,本实验针对组织样本进行相关mRNA转录水平检测,结果发现在模型组中,CXCL12、GDF5 mRNA转录水平均显著降低,而TXC干预后CXCL12、GDF5 mRNA转录水平均增高,同时TXC还能促进软骨细胞特异性基质Collagen II、Aggrecan、Comp、Sox9的合成,与前述研究结果一致
[19]。
干细胞是源自中胚层的多能基质细胞,具有成软骨、成骨、成脂等多向分化的潜力,广泛应用于骨组织修复方面的研究
[29]。在众多干细胞类型中,SMSCs与软骨组织的亲和性最强,具备天然的时空优势,尤其在软骨损伤修复中表现出显著的潜力
[15]。相关研究也针对SMSCs、脂肪来源间充质干细胞(ADMSCs)和BMSCs三者成软骨分化能力进行了比对,结果表明SMSCs的成软骨分化能力相比其他二者更强,并且具备更优的增殖能力、更强的迁移性及更好的软骨修复潜力等优势
[30, 31]。有研究
[32-34]在SMSCs成软骨分化修复软骨损伤方面也得到了类似证实。本研究体内实验发现TXC在促进软骨损伤修复过程中与CXCL12、GDF5基因密切相关,为了进一步探讨TXC是否通过CXCL12/GDF5通路促进SMSCs成软骨分化起到软骨损伤修复的效果,我们在体外SMSCs进行了CXCL12基因敲减,结果发现GDF5蛋白含量表达和SMSCs迁移能力随之下降,而TXC干预后显著逆转这一趋势。由于Collagen II蛋白是干细胞成软骨分化的重要Marker
[35],我们通过干细胞培养基将SMSCs诱导21 d后再加入TXC对比各组SMSCs成软骨分化能力差异,在细胞免疫化学染色和Western blotting结果中显示,当CXCL12敲减后,SMSCs中Collagen II、Sox9蛋白表达显著降低,TXC干预后SMSCs中Collagen II、Sox9蛋白表达增高,表明TXC可通过CXCL12/GDF5通路促进SMSCs向软骨细胞分化。
综上,本研究通过体内软骨损伤模型验证了TXC对软骨修复的积极作用,并发现CXCL12和GDF5在此过程中起着至关重要的作用,通过体外CXCL12慢病毒敲减阐明了TXC通过CXCL12/GDF5通路促进SMSCs向软骨细胞分化,修复OA软骨损伤的潜在机制,为TXC促进OA软骨损伤提供了新的科学依据。