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目的:骨关节炎(Osteoarthritis,OA)是一种常见的退行性疾病,预计到2020年将成为导致残疾的第四大原因,但目前并没有任何有效治愈此病的药物。临床上,针对骨关节炎的治疗多采用药物治疗和手术治疗,但都存在各自的缺陷。软骨细胞过度凋亡和衰老被认为是骨关节炎发展的主要病理变化。以前的研究表明,通过药物或基因手段调控自噬能够抑制软骨细胞的凋亡和衰老。转录因子EB(TFEB)是自噬的重要调节因子,能启动自噬相关基因的转录翻译并介导溶酶体产生和活化。进行该研究明确TFEB是否参与骨关节炎发生进展,明确其所扮演的角色,及其具体作用机制与自噬的关系。
方法:手术切除小鼠膝关节内侧半月板韧带构建骨关节炎失稳模型(DMM模型),利用组织免疫荧光检测分析实验性小鼠骨关节炎的软骨细胞内TFEB的核内转录定位水平。体外消化分离小鼠乳鼠关节软骨组织,提取培养原代软骨细胞,利用叔丁基过氧化氢(TBHP)作为活性氧(ROS)供体诱导氧化应激在体外模拟骨关节炎的发生发展,分离核质蛋白并用westernblot法检测TBHP刺激下软骨细胞核内外TFEB蛋白的表达水平。利用慢病毒转染软骨细胞构建TFEB过表达的软骨细胞,siRNA介导软骨细胞内TFEB基因的敲除,用westernblot法检测软骨细胞凋亡、衰老及自噬水平的变化,用TUNEL染色检测软骨细胞的凋亡情况,用β-半乳糖苷酶染色检测软骨细胞的衰老水平,Lysotracker染色评估软骨细胞内溶酶体数量。再进一步用自噬抑制剂chloroquine(CQ)抑制自噬后,用上述同样方法判断TFEB对TBHP介导的软骨细胞凋亡和衰老是否需要自噬流的参与。最后动物体内实验中,我们将C57BL/6小鼠分为3组,分别如下:sham+LV-NC组,DMM+LV-NC组,DMM+LV-TFEB组。分别在术后15,30,45天这三个时间点在小鼠关节腔内注射慢病毒,在术后2月,处死小鼠,膝关节取材,X射线、番红-固绿染色评估小鼠膝关节炎的影像学和组织学改变。免疫组化评估关节软骨内TFEB,LC3-Ⅱ,p62,p16INK4a的表达水平并用TUNEL染色评价软骨细胞的凋亡水平。
结果:体外实验TBHP刺激能有效诱导软骨细胞氧化应激,引起细胞凋亡和衰老,成功了模拟骨关节炎中软骨细胞的病理变化。组织免疫荧光和westernblot的结果显示在骨关节炎的小鼠软骨组织内以及TBHP处理的软骨细胞中,TFEB的核定位下降,提示在骨关节炎的发展过程中TFEB的活性逐渐降低。TBHP处理软骨细胞后,westernblot检测结果显示由凋亡相关蛋白(cleaved-caspase3)和衰老相关蛋白(p16INK4a)表达量的增加;TUNEL染色显示,软骨细胞的凋亡数量增加;β-半乳糖苷酶染色显示软骨细胞的衰老数量增加。利用慢病毒过表达TFEB后,能够明显逆转TBHP介导软骨细胞的凋亡和衰老。相反地是,使用siRNA敲除TFEB基因发现TBHP介导软骨细胞的凋亡和衰老被加重。TBHP处理软骨细胞后,westernblot检测结果显示由自噬底物p62增加,溶酶体膜蛋白(LAMP2)减少,溶酶体酶蛋白(CTSB)减少;荧光免疫双标染色(标记LC3-Ⅱ与LAMP2)结果显示:自噬体与溶酶体的结合减少;Lysotracker染色结果显示:溶酶体的数量和功能下降。提示TBHP导致了软骨细胞的溶酶体功能障碍和自噬流的阻断。提示利用慢病毒过表达TFEB后,能够明显修复TBHP介导软骨细胞的自噬流阻断和上调溶酶体功能。在使用溶酶体碱化剂CQ(被专用于自噬下游的阻断剂),TUNEL染色和β-半乳糖苷酶染色结果显示,当自噬流被抑制后TFEB所介导的对软骨细胞的保护作用被减弱消除,提示TFEB通过改善自噬流的通畅对抗TBHP所介导的软骨细胞凋亡和衰老。此外,免疫荧光显示TFEB过表达能减轻TBHP介导的细胞外基质2型胶原的降解,基质降解蛋白MMP-13的表达。体内实验结果显示,相对于DMM+LV-NC组,DMM+LV-TFEB组中小鼠关节的退变等级减轻,组织学染色显示组织退变得到改善。免疫组化(标记LC3-Ⅱ,p62,p16INK4a)和TUNEL染色结果显示,TFEB过表达促进了软骨细胞的自噬水平,减少了凋亡和衰老的发生。
结论:在小鼠DMM模型中软骨细胞内TFEB的活性降低。TFEB过表达上调了软骨细胞自噬水平和溶酶体功能,可进一步保护软骨细胞免受TBHP刺激导致的细胞凋亡和衰老。此外,我们的体内实验证实,TFEB过表达可改善小鼠骨关节炎的进展。这些结果表明TFEB可被认为是治疗骨关节炎的潜在靶标。
方法:手术切除小鼠膝关节内侧半月板韧带构建骨关节炎失稳模型(DMM模型),利用组织免疫荧光检测分析实验性小鼠骨关节炎的软骨细胞内TFEB的核内转录定位水平。体外消化分离小鼠乳鼠关节软骨组织,提取培养原代软骨细胞,利用叔丁基过氧化氢(TBHP)作为活性氧(ROS)供体诱导氧化应激在体外模拟骨关节炎的发生发展,分离核质蛋白并用westernblot法检测TBHP刺激下软骨细胞核内外TFEB蛋白的表达水平。利用慢病毒转染软骨细胞构建TFEB过表达的软骨细胞,siRNA介导软骨细胞内TFEB基因的敲除,用westernblot法检测软骨细胞凋亡、衰老及自噬水平的变化,用TUNEL染色检测软骨细胞的凋亡情况,用β-半乳糖苷酶染色检测软骨细胞的衰老水平,Lysotracker染色评估软骨细胞内溶酶体数量。再进一步用自噬抑制剂chloroquine(CQ)抑制自噬后,用上述同样方法判断TFEB对TBHP介导的软骨细胞凋亡和衰老是否需要自噬流的参与。最后动物体内实验中,我们将C57BL/6小鼠分为3组,分别如下:sham+LV-NC组,DMM+LV-NC组,DMM+LV-TFEB组。分别在术后15,30,45天这三个时间点在小鼠关节腔内注射慢病毒,在术后2月,处死小鼠,膝关节取材,X射线、番红-固绿染色评估小鼠膝关节炎的影像学和组织学改变。免疫组化评估关节软骨内TFEB,LC3-Ⅱ,p62,p16INK4a的表达水平并用TUNEL染色评价软骨细胞的凋亡水平。
结果:体外实验TBHP刺激能有效诱导软骨细胞氧化应激,引起细胞凋亡和衰老,成功了模拟骨关节炎中软骨细胞的病理变化。组织免疫荧光和westernblot的结果显示在骨关节炎的小鼠软骨组织内以及TBHP处理的软骨细胞中,TFEB的核定位下降,提示在骨关节炎的发展过程中TFEB的活性逐渐降低。TBHP处理软骨细胞后,westernblot检测结果显示由凋亡相关蛋白(cleaved-caspase3)和衰老相关蛋白(p16INK4a)表达量的增加;TUNEL染色显示,软骨细胞的凋亡数量增加;β-半乳糖苷酶染色显示软骨细胞的衰老数量增加。利用慢病毒过表达TFEB后,能够明显逆转TBHP介导软骨细胞的凋亡和衰老。相反地是,使用siRNA敲除TFEB基因发现TBHP介导软骨细胞的凋亡和衰老被加重。TBHP处理软骨细胞后,westernblot检测结果显示由自噬底物p62增加,溶酶体膜蛋白(LAMP2)减少,溶酶体酶蛋白(CTSB)减少;荧光免疫双标染色(标记LC3-Ⅱ与LAMP2)结果显示:自噬体与溶酶体的结合减少;Lysotracker染色结果显示:溶酶体的数量和功能下降。提示TBHP导致了软骨细胞的溶酶体功能障碍和自噬流的阻断。提示利用慢病毒过表达TFEB后,能够明显修复TBHP介导软骨细胞的自噬流阻断和上调溶酶体功能。在使用溶酶体碱化剂CQ(被专用于自噬下游的阻断剂),TUNEL染色和β-半乳糖苷酶染色结果显示,当自噬流被抑制后TFEB所介导的对软骨细胞的保护作用被减弱消除,提示TFEB通过改善自噬流的通畅对抗TBHP所介导的软骨细胞凋亡和衰老。此外,免疫荧光显示TFEB过表达能减轻TBHP介导的细胞外基质2型胶原的降解,基质降解蛋白MMP-13的表达。体内实验结果显示,相对于DMM+LV-NC组,DMM+LV-TFEB组中小鼠关节的退变等级减轻,组织学染色显示组织退变得到改善。免疫组化(标记LC3-Ⅱ,p62,p16INK4a)和TUNEL染色结果显示,TFEB过表达促进了软骨细胞的自噬水平,减少了凋亡和衰老的发生。
结论:在小鼠DMM模型中软骨细胞内TFEB的活性降低。TFEB过表达上调了软骨细胞自噬水平和溶酶体功能,可进一步保护软骨细胞免受TBHP刺激导致的细胞凋亡和衰老。此外,我们的体内实验证实,TFEB过表达可改善小鼠骨关节炎的进展。这些结果表明TFEB可被认为是治疗骨关节炎的潜在靶标。