引用本文: 吴绍军, 刘俊才, 左银龙, 李忠. Notch 信号通路在膝骨关节炎软骨细胞凋亡中的作用研究. 华西医学, 2018, 33(9): 1162-1167. doi: 10.7507/1002-0179.201808099 复制
原发性骨关节炎(osteoarthritis,OA)是骨科最常见的一种退行性关节疾病,其病因和发病机制目前尚未完全明确,尚存较大争议,但是信号通路转导异常及软骨细胞生理功能改变引起相应软骨损伤,进而导致 OA 的发生、发展,这一观点为大多数学者所认同。有研究报道,Notch 信号通路与 OA 的发生发展有关,但 Notch 信号在 OA 中的具体作用机制还不完全清楚[1]。目前,公认的 OA 病理学改变是关节软骨出现损伤,其中软骨细胞的凋亡在 OA 的发病机制中起着重要作用[2]。关节软骨细胞凋亡的作用机制仍不十分清楚,研究者推测最多的就是软骨细胞的凋亡相关基因参与调控其凋亡[3],其中以 B 细胞淋巴瘤/白血病-2(B-cell lymphoma/lewkmia-2,Bcl-2)和 Bax 基因尤为突出。本实验检测 Notch 信号通路在激活与失活状态下,鼠膝骨关节软骨细胞中 Bax、Bcl-2 基因的表达情况,初步探讨 Notch 信号通路与软骨细胞凋亡在 OA 发生发展中的作用机制,为进一步明确 OA 的发病机制及 OA 的防治提供理论基础。现报告如下。
1 材料与方法
1.1 实验动物及主要试剂
34 只 8 周龄健康无特定病原体级 Sprague Dawley (SD) 大鼠[成都达硕实验动物有限公司,生产许可证号 SCXK(川)2015-030,使用许可证号 SCXK(川)2013-17],Nocth 信号通路特异性激活剂 Jagged-1 蛋白(美国 R&D Systems 公司),γ 分泌酶抑制剂 DAPT(GSI-IX)(德国 Sigma 公司),抗鼠 Notch1 多克隆抗体(德国 Sigma 公司),抗鼠 Bax 多克隆抗体(武汉博士德公司),抗鼠 Bcl-2 多克隆抗体(武汉博士德公司),羊抗鼠免疫球蛋白(immunoglobulin,Ig)G 抗体(德国 Dako 公司)。
1.2 实验方法
1.2.1 动物模型的建立
32 只 SD 大鼠使用戊巴比妥钠腹腔注射麻醉,麻醉成功后,使用 Hulth 方法[4]将大鼠右膝关节屈曲至 90°,切口选取右膝关节髌骨内侧,依次划开皮肤、皮下组织,向侧方牵开髌韧带,尽量显露膝关节腔,然后依次切断前交叉韧带、内侧副韧带,完整切除内侧半月板,术中注意保护关节软骨面不受损伤,术后不固定,分笼饲养在西南医科大学实验动物中心,允许大鼠自由活动。剩余 2 只正常饲养。
1.2.2 动物模型分组
造模术后 4 周,造模大鼠随机选择 2 只以及正常饲养的 2 只大鼠全部处死,观察膝关节软骨大体形态及病理检查,证实造模成功后,余下 30 只造模大鼠随机分成激活组、抑制组、空白对照组,每组 10 只。
1.2.3 药物干预及观察
于术后第 4 周开始,参照 Ahmad 等[5]的方法于每周星期二、五在不同组大鼠膝关节腔内分别注射不同试剂,激活组注射 Jagged 1(25 ng/kg),抑制组注射 DAPT(100 ng/kg),空白对照组注射同体积磷酸盐缓冲液。连续注射 8 周。
1.2.4 实验标本采集
大鼠膝关节腔注射 8 周后处死各组大鼠,取大鼠右膝股骨髁远端软骨组织,以锐利手术刀片切取不同组大鼠股骨远端内、外髁负重面的关节软骨标本组织,并进行组织学苏木精-伊红(hematoxylin and eosin,HE)染色及免疫组织化学(组化)检查。
1.2.5 HE 染色
将大鼠软骨组织 HE 染色切片置放于光学显微镜(光镜)下,仔细观察,比较不同组别变化,并参照 Mankin 评分标准[6]评分。
1.2.6 免疫组化
检测 Notch1、Bcl-2、Bax 蛋白在激活组、抑制组、空白对照组关节软骨中的表达,Notch1 可见于细胞核或细胞质,Bax 以细胞核表达为主,Bcl-2 以细胞质表达为主,而 Notch1、Bax、Bcl-2 免疫阳性细胞均呈棕黄色。在染色均匀的区域随机选择 5 个以上的高倍视野且细胞计数不能少于 500 个。根据着色细胞百分率进行分析评分,取其平均值,求出阳性细胞占单位面积总细胞数的百分率。阳性率=阳性细胞数/单位面积细胞总数×100%。
1.3 统计学方法
统计分析采用 SPSS 17.0 软件。计量资料采用均数±标准差表示,计数资料采用只数和百分比表示。实验结果采用单因素方差分析、LSD-t 检验对不同组别间 Notch1、Bax、Bcl-2 的表达情况进行统计分析。检验水准 α=0.05。
2 结果
2.1 标本大体观察
正常饲养大鼠软骨关节面平整,透亮度较好,未见软骨面出现裂纹及溃疡面。造模 4 周时大鼠膝关节软骨表面色泽灰白暗淡,软骨面较粗糙,无透亮度,个别关节软骨出现裂纹及小溃疡,未见明显骨赘生成。关节腔注射 8 周后,抑制组关节软骨表面较光滑,关节无肿胀,关节软骨较完整,无溃疡及裂纹形成,无骨赘形成;空白对照组关节软骨面欠光滑,关节软骨破坏较轻,有少量骨赘形成,部分软骨有裂纹,甚至有细小溃疡出现;激活组关节肿胀,胫骨平台及股骨髁软骨面不平整,失去光泽,关节软骨破坏较重,有溃疡及裂纹,部分区域关节软骨剥脱,露出软骨下骨,边缘有骨赘形成。见图 1。

a. 正常饲养;b. 造模后 4 周;c. 关节腔注射 8 周后空白对照组;d. 关节腔注射 8 周后抑制组;e. 关节腔注射 8 周后激活组
2.2 光镜下观察及 Mankin 评分
各组光镜下 HE 染色图片见图 2。正常饲养大鼠的关节软骨由 4 个部分组成,由浅入深依次为分别为浅表层、移形成、辐射层以及钙化层,正常的关节软骨表面较光滑,4 个部分层次界限很明显,软骨细胞排列比较均匀整齐,潮线完整无损。造模 4 周时,大鼠膝关节软骨表面局部出现较小的裂隙及比较表浅的小溃疡,软骨关节面较粗糙,纤维化在软骨基质中发生不明显,散在增生及巢状增生出现在大多数软骨细胞中,较多的软骨细胞出现簇聚现象,少量标本组织出现软骨细胞数目减少,部分软骨标本组织出现潮线中断或较模糊现象。关节腔注射 8 周后,抑制组关节软骨结构破坏较轻,能清晰辨认软骨的 4 层结构,关节软骨表面较光滑,未出现缺损区,软骨细胞排列整齐,层次清晰,潮线完整;空白对照组尚可辨认关节软骨的 4 层结构,关节软骨面较粗糙,失去原有的平整性,在部分软骨表层可见细胞缺失,深层无明显改变,潮线出现模糊不清晰,关节软骨细胞出现弥漫性增生现象;激活组关节软骨细胞数目大量减少,软骨细胞排列不整齐,细胞层次比较紊乱,表层有较大的缺损区出现,潮线部分或完全消失,部分区域软骨细胞有局灶增生。各组 Mankin 评分见表 1。

a. 正常饲养;b. 造模后 4 周;c. 关节腔注射 8 周后空白对照组;d. 关节腔注射 8 周后抑制组;e. 关节腔注射 8 周后激活组
2.3 鼠膝关节腔注射 8 周后,软骨细胞中 Notch1、Bax、Bcl-2 蛋白的免疫组化结果及阳性表达率
关节腔注射 8 周后,抑制组软骨细胞中 Notch1 和 Bax 表达较空白对照组减少,阳性表达率降低(P<0.05);激活组软骨细胞中 Notch1 和 Bax 表达较空白对照组增加,阳性表达率升高(P<0.05)。抑制组软骨细胞中 Bcl-2 表达较空白对照组增加,阳性表达率升高(P<0.05);激活组软骨细胞中 Bcl-2 表达较空白对照组减少,阳性表达率降低(P<0.05)。见图 3、表 1。



3 讨论
OA 是骨科临床最为常见的慢性退行性关节疾病,其中最常见的受累关节为髋、膝关节,OA 发病率随年龄增长而增加,中老年人群发病率较高[7]。OA 是多种因素作用的结果,如多种信号通路、基因、细胞因子、软骨营养、代谢异常、应力失衡、酶对软骨基质的异常降解等[8-9]。因此,OA 的发病机制一直是一个研究热点。Notch 信号通路在多种动物及人软骨发生、发育过程中表达并起着十分重要的作用[10]。Notch 信号通路参与软骨的发生、发育,且与软骨细胞的增殖、分化密切相关[11-12]。与正常软骨相比,OA 关节软骨内 Notch 信号被激活,大量表达 Notch 1、Jagged 1、HES5,Notch 信号又参与调节 OA 相关基因的表达[13]。有研究发现,Notch 信号通路与 OA 的发生发展有关,且在不同退变程度的关节软骨细胞中,Notch 信号表达不同,但 Notch 信号通路在 OA 中的具体作用机制目前尚不清楚,相关研究报道也较少[14-15]。
目前比较公认的是细胞凋亡参与了 OA 的发生及发展。软骨细胞是成熟的软骨组织中唯一的细胞类型,其主要作用是维持软骨内环境的稳定,目前较多研究证实,软骨细胞凋亡参与了 OA 的发生过程[16]。Blanco 等[17]研究表明,在 OA 软骨细胞中凋亡细胞占 11%~22%,而在正常人群的关节软骨中软骨细胞凋亡仅占 2%~4%;还有研究报道,在 OA 中凋亡细胞的比例最高可达 51%[18]。尽管目前的研究报道有较大的差异性,但有一点是统一的,即凋亡细胞比例在 OA 中确实是升高的,更进一步表明软骨细胞的凋亡与 OA 有关[19]。凋亡相关癌基因调控软骨细胞的凋亡,尤其是 Bcl-2 基因家族(包括 Bcl-2、Bcl-w、Bax、Bak 等)是调控细胞凋亡的重要基因[20],在凋亡相关基因中,Bcl-2 及 Bax 最具代表性[21]。
Notch 信号通路及软骨细胞凋亡都在 OA 的发生发展中起着关键作用,但两者间是否存在联系需要进一步实验证明。在肿瘤领域,Notch 信号通路研究较多,且对 Notch 信号通路的具体作用机制进行了初步研究,证实 Notch 信号在肿瘤细胞中的作用可能与肿瘤细胞凋亡有关,特别是与凋亡相关基因中的 Bcl-2 及 Bax 有重要联系[22]。因此我们推测在 OA 中,Notch 信号通路的作用机制可能与软骨细胞凋亡有关。本实验采用 Jagged 1 蛋白和 DAPT 蛋白对 Notch 信号通路进行双向调控。在大鼠膝 OA 激活组,关节腔注射 Notch 信号激活剂 Jagged1 蛋白后第 8 周,大鼠膝 OA 加重且 Notch1 表达增加,凋亡基因 Bax 表达增多,抗凋亡基因 Bcl-2 表达减少;而在大鼠膝 OA 抑制组,关节腔注射 Notch 信号抑制剂 DAPT 后第 8 周,大鼠膝 OA 减轻,Notch1 表达降低,凋亡基因 Bax 表达减少,抗凋亡基因 Bcl-2 表达增多。该实验结果说明 Notch 信号通路通过凋亡途径可能是 OA 发生发展中的作用机制之一,为进一步研究 Notch 信号通路的具体作用机制提供了新的研究方向。深入研究 Notch 信号在 OA 发病机制中的确切作用将有助于 OA 的靶向治疗,从而为 OA 的治疗开辟更加广阔的前景。
本实验研究的不足之处是在 3 个实验组注射不同的试剂过程中,未进行不同浓度组的比较;且未设置正常组;获取标本的时间统一为关节腔注射后 8 周,未进行不同时间段的对比;标本只进行了简单的光镜观察及免疫组化检测,未进一步行基因方面的检测。因此,这些不足之处还需要后期进行进一步的实验研究。
原发性骨关节炎(osteoarthritis,OA)是骨科最常见的一种退行性关节疾病,其病因和发病机制目前尚未完全明确,尚存较大争议,但是信号通路转导异常及软骨细胞生理功能改变引起相应软骨损伤,进而导致 OA 的发生、发展,这一观点为大多数学者所认同。有研究报道,Notch 信号通路与 OA 的发生发展有关,但 Notch 信号在 OA 中的具体作用机制还不完全清楚[1]。目前,公认的 OA 病理学改变是关节软骨出现损伤,其中软骨细胞的凋亡在 OA 的发病机制中起着重要作用[2]。关节软骨细胞凋亡的作用机制仍不十分清楚,研究者推测最多的就是软骨细胞的凋亡相关基因参与调控其凋亡[3],其中以 B 细胞淋巴瘤/白血病-2(B-cell lymphoma/lewkmia-2,Bcl-2)和 Bax 基因尤为突出。本实验检测 Notch 信号通路在激活与失活状态下,鼠膝骨关节软骨细胞中 Bax、Bcl-2 基因的表达情况,初步探讨 Notch 信号通路与软骨细胞凋亡在 OA 发生发展中的作用机制,为进一步明确 OA 的发病机制及 OA 的防治提供理论基础。现报告如下。
1 材料与方法
1.1 实验动物及主要试剂
34 只 8 周龄健康无特定病原体级 Sprague Dawley (SD) 大鼠[成都达硕实验动物有限公司,生产许可证号 SCXK(川)2015-030,使用许可证号 SCXK(川)2013-17],Nocth 信号通路特异性激活剂 Jagged-1 蛋白(美国 R&D Systems 公司),γ 分泌酶抑制剂 DAPT(GSI-IX)(德国 Sigma 公司),抗鼠 Notch1 多克隆抗体(德国 Sigma 公司),抗鼠 Bax 多克隆抗体(武汉博士德公司),抗鼠 Bcl-2 多克隆抗体(武汉博士德公司),羊抗鼠免疫球蛋白(immunoglobulin,Ig)G 抗体(德国 Dako 公司)。
1.2 实验方法
1.2.1 动物模型的建立
32 只 SD 大鼠使用戊巴比妥钠腹腔注射麻醉,麻醉成功后,使用 Hulth 方法[4]将大鼠右膝关节屈曲至 90°,切口选取右膝关节髌骨内侧,依次划开皮肤、皮下组织,向侧方牵开髌韧带,尽量显露膝关节腔,然后依次切断前交叉韧带、内侧副韧带,完整切除内侧半月板,术中注意保护关节软骨面不受损伤,术后不固定,分笼饲养在西南医科大学实验动物中心,允许大鼠自由活动。剩余 2 只正常饲养。
1.2.2 动物模型分组
造模术后 4 周,造模大鼠随机选择 2 只以及正常饲养的 2 只大鼠全部处死,观察膝关节软骨大体形态及病理检查,证实造模成功后,余下 30 只造模大鼠随机分成激活组、抑制组、空白对照组,每组 10 只。
1.2.3 药物干预及观察
于术后第 4 周开始,参照 Ahmad 等[5]的方法于每周星期二、五在不同组大鼠膝关节腔内分别注射不同试剂,激活组注射 Jagged 1(25 ng/kg),抑制组注射 DAPT(100 ng/kg),空白对照组注射同体积磷酸盐缓冲液。连续注射 8 周。
1.2.4 实验标本采集
大鼠膝关节腔注射 8 周后处死各组大鼠,取大鼠右膝股骨髁远端软骨组织,以锐利手术刀片切取不同组大鼠股骨远端内、外髁负重面的关节软骨标本组织,并进行组织学苏木精-伊红(hematoxylin and eosin,HE)染色及免疫组织化学(组化)检查。
1.2.5 HE 染色
将大鼠软骨组织 HE 染色切片置放于光学显微镜(光镜)下,仔细观察,比较不同组别变化,并参照 Mankin 评分标准[6]评分。
1.2.6 免疫组化
检测 Notch1、Bcl-2、Bax 蛋白在激活组、抑制组、空白对照组关节软骨中的表达,Notch1 可见于细胞核或细胞质,Bax 以细胞核表达为主,Bcl-2 以细胞质表达为主,而 Notch1、Bax、Bcl-2 免疫阳性细胞均呈棕黄色。在染色均匀的区域随机选择 5 个以上的高倍视野且细胞计数不能少于 500 个。根据着色细胞百分率进行分析评分,取其平均值,求出阳性细胞占单位面积总细胞数的百分率。阳性率=阳性细胞数/单位面积细胞总数×100%。
1.3 统计学方法
统计分析采用 SPSS 17.0 软件。计量资料采用均数±标准差表示,计数资料采用只数和百分比表示。实验结果采用单因素方差分析、LSD-t 检验对不同组别间 Notch1、Bax、Bcl-2 的表达情况进行统计分析。检验水准 α=0.05。
2 结果
2.1 标本大体观察
正常饲养大鼠软骨关节面平整,透亮度较好,未见软骨面出现裂纹及溃疡面。造模 4 周时大鼠膝关节软骨表面色泽灰白暗淡,软骨面较粗糙,无透亮度,个别关节软骨出现裂纹及小溃疡,未见明显骨赘生成。关节腔注射 8 周后,抑制组关节软骨表面较光滑,关节无肿胀,关节软骨较完整,无溃疡及裂纹形成,无骨赘形成;空白对照组关节软骨面欠光滑,关节软骨破坏较轻,有少量骨赘形成,部分软骨有裂纹,甚至有细小溃疡出现;激活组关节肿胀,胫骨平台及股骨髁软骨面不平整,失去光泽,关节软骨破坏较重,有溃疡及裂纹,部分区域关节软骨剥脱,露出软骨下骨,边缘有骨赘形成。见图 1。

a. 正常饲养;b. 造模后 4 周;c. 关节腔注射 8 周后空白对照组;d. 关节腔注射 8 周后抑制组;e. 关节腔注射 8 周后激活组
2.2 光镜下观察及 Mankin 评分
各组光镜下 HE 染色图片见图 2。正常饲养大鼠的关节软骨由 4 个部分组成,由浅入深依次为分别为浅表层、移形成、辐射层以及钙化层,正常的关节软骨表面较光滑,4 个部分层次界限很明显,软骨细胞排列比较均匀整齐,潮线完整无损。造模 4 周时,大鼠膝关节软骨表面局部出现较小的裂隙及比较表浅的小溃疡,软骨关节面较粗糙,纤维化在软骨基质中发生不明显,散在增生及巢状增生出现在大多数软骨细胞中,较多的软骨细胞出现簇聚现象,少量标本组织出现软骨细胞数目减少,部分软骨标本组织出现潮线中断或较模糊现象。关节腔注射 8 周后,抑制组关节软骨结构破坏较轻,能清晰辨认软骨的 4 层结构,关节软骨表面较光滑,未出现缺损区,软骨细胞排列整齐,层次清晰,潮线完整;空白对照组尚可辨认关节软骨的 4 层结构,关节软骨面较粗糙,失去原有的平整性,在部分软骨表层可见细胞缺失,深层无明显改变,潮线出现模糊不清晰,关节软骨细胞出现弥漫性增生现象;激活组关节软骨细胞数目大量减少,软骨细胞排列不整齐,细胞层次比较紊乱,表层有较大的缺损区出现,潮线部分或完全消失,部分区域软骨细胞有局灶增生。各组 Mankin 评分见表 1。

a. 正常饲养;b. 造模后 4 周;c. 关节腔注射 8 周后空白对照组;d. 关节腔注射 8 周后抑制组;e. 关节腔注射 8 周后激活组
2.3 鼠膝关节腔注射 8 周后,软骨细胞中 Notch1、Bax、Bcl-2 蛋白的免疫组化结果及阳性表达率
关节腔注射 8 周后,抑制组软骨细胞中 Notch1 和 Bax 表达较空白对照组减少,阳性表达率降低(P<0.05);激活组软骨细胞中 Notch1 和 Bax 表达较空白对照组增加,阳性表达率升高(P<0.05)。抑制组软骨细胞中 Bcl-2 表达较空白对照组增加,阳性表达率升高(P<0.05);激活组软骨细胞中 Bcl-2 表达较空白对照组减少,阳性表达率降低(P<0.05)。见图 3、表 1。



3 讨论
OA 是骨科临床最为常见的慢性退行性关节疾病,其中最常见的受累关节为髋、膝关节,OA 发病率随年龄增长而增加,中老年人群发病率较高[7]。OA 是多种因素作用的结果,如多种信号通路、基因、细胞因子、软骨营养、代谢异常、应力失衡、酶对软骨基质的异常降解等[8-9]。因此,OA 的发病机制一直是一个研究热点。Notch 信号通路在多种动物及人软骨发生、发育过程中表达并起着十分重要的作用[10]。Notch 信号通路参与软骨的发生、发育,且与软骨细胞的增殖、分化密切相关[11-12]。与正常软骨相比,OA 关节软骨内 Notch 信号被激活,大量表达 Notch 1、Jagged 1、HES5,Notch 信号又参与调节 OA 相关基因的表达[13]。有研究发现,Notch 信号通路与 OA 的发生发展有关,且在不同退变程度的关节软骨细胞中,Notch 信号表达不同,但 Notch 信号通路在 OA 中的具体作用机制目前尚不清楚,相关研究报道也较少[14-15]。
目前比较公认的是细胞凋亡参与了 OA 的发生及发展。软骨细胞是成熟的软骨组织中唯一的细胞类型,其主要作用是维持软骨内环境的稳定,目前较多研究证实,软骨细胞凋亡参与了 OA 的发生过程[16]。Blanco 等[17]研究表明,在 OA 软骨细胞中凋亡细胞占 11%~22%,而在正常人群的关节软骨中软骨细胞凋亡仅占 2%~4%;还有研究报道,在 OA 中凋亡细胞的比例最高可达 51%[18]。尽管目前的研究报道有较大的差异性,但有一点是统一的,即凋亡细胞比例在 OA 中确实是升高的,更进一步表明软骨细胞的凋亡与 OA 有关[19]。凋亡相关癌基因调控软骨细胞的凋亡,尤其是 Bcl-2 基因家族(包括 Bcl-2、Bcl-w、Bax、Bak 等)是调控细胞凋亡的重要基因[20],在凋亡相关基因中,Bcl-2 及 Bax 最具代表性[21]。
Notch 信号通路及软骨细胞凋亡都在 OA 的发生发展中起着关键作用,但两者间是否存在联系需要进一步实验证明。在肿瘤领域,Notch 信号通路研究较多,且对 Notch 信号通路的具体作用机制进行了初步研究,证实 Notch 信号在肿瘤细胞中的作用可能与肿瘤细胞凋亡有关,特别是与凋亡相关基因中的 Bcl-2 及 Bax 有重要联系[22]。因此我们推测在 OA 中,Notch 信号通路的作用机制可能与软骨细胞凋亡有关。本实验采用 Jagged 1 蛋白和 DAPT 蛋白对 Notch 信号通路进行双向调控。在大鼠膝 OA 激活组,关节腔注射 Notch 信号激活剂 Jagged1 蛋白后第 8 周,大鼠膝 OA 加重且 Notch1 表达增加,凋亡基因 Bax 表达增多,抗凋亡基因 Bcl-2 表达减少;而在大鼠膝 OA 抑制组,关节腔注射 Notch 信号抑制剂 DAPT 后第 8 周,大鼠膝 OA 减轻,Notch1 表达降低,凋亡基因 Bax 表达减少,抗凋亡基因 Bcl-2 表达增多。该实验结果说明 Notch 信号通路通过凋亡途径可能是 OA 发生发展中的作用机制之一,为进一步研究 Notch 信号通路的具体作用机制提供了新的研究方向。深入研究 Notch 信号在 OA 发病机制中的确切作用将有助于 OA 的靶向治疗,从而为 OA 的治疗开辟更加广阔的前景。
本实验研究的不足之处是在 3 个实验组注射不同的试剂过程中,未进行不同浓度组的比较;且未设置正常组;获取标本的时间统一为关节腔注射后 8 周,未进行不同时间段的对比;标本只进行了简单的光镜观察及免疫组化检测,未进一步行基因方面的检测。因此,这些不足之处还需要后期进行进一步的实验研究。