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骨关节炎(Osteoarthritis,OA)是一种全世界范围内影响数亿人健康的疾病,主要表现为受累关节的疼痛和功能障碍,严重影响人们的生活质量。关节软骨退变是OA的主要病理改变,由于关节软骨损伤的不可逆性,导致OA目前仍无法治愈。越来越多的证据表明,软骨细胞产生的细胞外基质(extracellular matrix,ECM)的变性和降解,特别是其主要成分的胶原蛋白Ⅱ(collagen II,Col II)和蛋白聚糖的变性和降解导致关节软骨的完整性丧失和强度下降是关节软骨退变的最重要的病理特征。ECM的变性和降解主要是由基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)、白介素(interleukin,IL)等细胞因子和核转录因子-κB(nuclearfactorkappa-B,NF-κB)等信号通路参与的病理过程。那么,将OA相关的生物学致病因子作为干预靶点就能够防止ECM的降解和关节软骨损伤,从而避免OA的发生。因此,选择合适的药物防止ECM的降解是预防和治疗OA的关键问题。β-受体阻滞剂除了本身具有的β-肾上腺素能受体阻断性质外,还具有清除和抑制过氧化物(reactive oxygen species ROS)表达的双重抗氧化性能,对心血管、肾脏和肝脏的保护作用已被证实,它对关节软骨损伤是否具有保护作用及其分子生物学机制如何则是本研究的主要内容。首先,本研究使用酶联免疫吸附法(ELISA)分别测定OA患者和健康人血清和膝关节液中的IL-17、MMP-3和网膜素-1(Omentin-1)等细胞因子的浓度,分析它们与代表OA症状严重程度的西安大略和麦克马斯特大学骨关节炎指数(WOMAC)的相关性。结果表明IL-17、MMP-3在OA患者中血清及关节液中同步高表达,与WOMAC总评分呈正相关,表明它们在关节内和血液循环中可互为交通并参与疾病的进展,可能是膝关节也是全是其它关节发生OA的致病性因子;此外,具有抗炎特性并能够在软骨细胞中表达的脂肪细胞因子Omentin-1的浓度只在OA患者关节液中低表达,血清中浓度与健康人无差异,且与WOMAC总评分呈负相关,表明它可能是不参与血液循环局限在关节腔内的关节软骨保护性因子。IL-17,MMP-3浓度与OA症状严重程度的正相关性,以及Omentin-1浓度与OA症状严重程度的负相关性均表明这些细胞因子可以作为OA严重程度、发展速度以及预后判定的生物学指标,对药物的选择具有重要的参考意义。其次,本研究阐明了β-受体阻滞剂Carvedilol抑制I制-1β诱导导MMPs的表达,降低低Col Ⅱ和蛋白聚糖降解的分子机制。由IL-1β处理的正常软骨细胞是体外模拟OA软骨细胞的经典实验模型。结果表明Carvedilol没有影响Col Ⅱ和蛋白聚糖在IL-1β介导的SW1353软骨细胞中信使RNA(mRNA)水平的表达,但Carvedilol可以剂量依赖性地逆转由IL-1β引起的Col Ⅱ和蛋白聚糖蛋白质水平的降低,这也表明了Carvedilol是在翻译后水平上抑制Col Ⅱ和蛋白聚糖表达;此外,Carvedilol可以剂量依赖性地逆转由IL-1β介导SW1353软骨细胞中MMP-1、13在mRNA和蛋白质水平的表达。经IL-1β预处理的SW1353软骨细胞中,发现 Carvedilol 提高了核转录因子-κB 抑制剂激酶(Inhibitor of nuclear factor kappa-B kinase,IKK-α/β)的磷酸化水平并抑制核因子-κB抑制剂-α(inhibitor of nuclear factor kappa-B,IκB-α)的降解;同时,Carvedilol还抑制了NF-κB通路中p65从细胞质转移到细胞核;值得注意的是,荧光素酶报告试验显示Carvedilol可以显著逆转IL-1β介导的NF-κB活性增强。总之,Carvedilol抑制MMP-1、13的产生,降低Col Ⅱ和蛋白聚糖降解,表明其可能是OA的潜在治疗剂。最后,还阐明另一种β-受体阻滞剂Nebivolol在原代培养的软骨细胞中能阻断IκB-α/NF-κB 信号转导、转录激活因子 1(signal transducers and activators of transcription,STAT-1)和干扰素调节因子1(interferon regulatory factor 1,IRF-1)信号通路,进而抑制MMP-13产生和Col Ⅱ降解的分子机制。实验结果显示,Nebivolol能够抑制由IL-1β介导的MMP-13 mRNA和蛋白质水平的表达及活性增强,重要的是,Nebivolol显著逆转由IL-1β介导的Col Ⅱ显著降解的过程;同时,Nebivolol能够抑制IL-1β介导的IκB-α磷酸化水平和总IkB-α水平的增加,随后还能抑制p65核易位和NF-κB的转录活性;此外,IL-1β处理导致IRF-1在mRNA和蛋白质水平表达显著增加,这一过程也能通过Nebivolol的处理显著降低;还揭示了STAT1对IRF-1的表达也能够被Nebivolol所抑制。这些研究结果均表明Nebivolol能够抑制关节软骨中Col Ⅱ的降解,在OA的治疗中亦具有重大潜力。总之,对OA的相关细胞因子浓度的监测可作为疾病的进展程度,药物的选择及其治疗有效性的生物学判定指标,为以后OA的生物学分级提供具体数值并期望其可作为早期诊断的依据;体外实验证实,β-受体阻滞剂Carvedilol和Nebivolol抑制ECM的降解,对关节软骨具有保护作用,为其能成为治疗OA的药物提供了理论依据,进而为OA的生物学治疗提供新的思路。