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编号:10244436
白细胞介素1α对椎间盘蛋白多糖代谢的影响
http://www.100md.com 《中华骨科杂志》 2000年第4期
     作者:田庆显 胡有谷 郑洪军 齐宗华

    单位:田庆显(252000山东省聊城市人民医院骨科);胡有谷 郑洪军 齐宗华(青岛医学院附属医院骨科研究室)

    关键词:椎间盘;白细胞介素1;代谢

    中华骨科杂志000415

    【摘要】目的研究白细胞介素1α(interleukin-1α,IL-1α)对椎间盘髓核中蛋白多糖代谢的影响。方法取自然流产的胎儿1具,胎龄8个月,术后4h内无菌取出椎间盘,进行髓核组织块的体外培养,在培养液中分别加入IL-1α0.1、0.2、0.4nmol/L,培养30h后,用Alcian法检测培养液中硫酸软骨素的含量。在髓核组织培养液中加入IL-1α0.3nmol/L,分别培养12、24、72h,然后检测培养液中硫酸软骨素的含量。结果IL-1α实验组较对照组培养液中硫酸软骨素的含量增加,随着IL-1α浓度的增加,培养液中硫酸软骨素的含量也增加,呈浓度依赖性。随着时间的增加,培养液中硫酸软骨素的含量也增加,呈现明显的时间依赖性。结论IL-1α可以刺激椎间盘基质中蛋白多糖降解,呈现明显的时间和浓度依赖性。
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    The effects of the interleukin- 1α on the metabolism of proteoglycan in the lumbar intervertebral disc

    TIAN Qingxian, HU Yougu, ZHENG Hongjun, et al.

    Department of Orthopaedics, Liaocheng People s Hospital, Shandong 252000, China

    【 Abstract】 Objective To study the effects of the interleukin- 1α (IL- 1α ) on the metabolism of the proteoglycan in the nucleus pulposus of lumbar intervertebral disc. Methods A fetus specimen of 8 months obtained from spontaneous abortion was used for this study. The lumbar intervertebral disc was harvested 4 hours after abortion, and the pieces of intervertebral disc was cultured in vitro. After 30 hours of culture and the addition of IL- 1α ( 0.1, 0.2 , 0.4 nmol/L ), the content of the chondroitin sulfate in culture medium was measured by Alcian method. And after the addition of IL- 1α (0.3 nmol/L) to the tissue culture medium of the nucleus pulposus, chondroitin sulfate of the culture medium was measured in 12 , 24 and 72 hours. Results The concentrations of chondroitin sulfate in culture medium with the addition IL- 1α increaed markedly than the controls, and the content of the chondroitin sulfate in culture medium increased progressively along with the concentrations of the IL- 1α , and the concentrations of the culture medium markedly increased with the time of culture. Conclusion IL- 1α can stimulate degradation of proteoglycan of the lumbar intervertebral disc. The effect shows a concentration- and time- dependency.
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    【 Key words】 Intervertebral disk; Interleukin- 1; Metabolism

    椎间盘退变及其诱发的腰背痛是一种常见病,已有证据证明椎间盘的退变与蛋白多糖(proteoglycan,PG)的降解有关。近年来,人们对白细胞介素(interleukin,IL)对软骨基质中PG代谢的影响进行了研究。研究表明,小剂量的IL-1对软骨基质中PG的合成具有抑制作用[1],而较大剂量的IL-1对软骨基质中PG的降解具有刺激作用[2]。说明IL-1在软骨基质的新陈代谢中起着重要的作用。由于椎间盘软骨终板和髓核与关节软骨具有相似的基质组成,故有理由认为调节基质中PG降解和合成的生物化学机制是相似的。但有关IL-1对人椎间盘基质中PG代谢的影响还没有进一步的报告。本研究通过对胎儿椎间盘髓核的组织培养,探讨IL-1对椎间盘基质中PG代谢的影响,以进一步阐明腰椎间盘退变的原因。

    材料与方法
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    一、椎间盘髓核组织块的分离和培养

    取胎龄8个月,自然流产的胎儿1具。在术后4h内无菌取出椎间盘,用缓冲液冲洗干净,然后分离出髓核,浸于D-Hanks液中。用直径为2mm的组织环钻把髓核组织钻成直径约2mm,高约1~2mm的组织块。用DMEM-5%FBS培养液冲洗3次后,转移到培养瓶中,加入25mlDMEM-5%FBS培养液。在37℃、体积分数为5%的CO2培养箱中培养2d。组织块在不含血清的DMEM液中冲洗3次。把组织块转移到每孔装有150μlDMEM培养液(不含血清)的96孔培养板中。备用。

    表1加入不同浓度IL-1α的培养液中硫酸软骨素的浓度(±s) 浓度(nmol/L)

    n

    硫酸软骨素浓度(μg/ml)
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    t值

    P值

    0.1

    10

    56.27±8.36

    -

    -

    0.2

    10

    73.52±8.52

    4.40

    <0.01

    0.4
, 百拇医药
    10

    98.57±17.24

    6.88

    <0.01

    注:以上t值均为与0.1nmol/L组相比

    二、IL-1α对髓核基质中PG代谢的影响

    1.不同浓度的IL-1α对髓核中PG代谢的影响

    在96孔培养板中标出30孔,分成3组,分别加入IL-1α0.1、0.2、0.4nmol/L。放入37℃、体积分数为5%的CO2培养箱中培养30h。分别测定加有不同浓度IL-1α的培养液中硫酸软骨素的含量。

    2.IL-1α在不同培养时间对PG代谢的影响
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    在96孔培养板中标出36孔,分成3组,每组配成6对,并将每对中两孔随机分配为对照组和实验组,分别在实验组培养孔中加入IL-1α0.3nmol/L。在37℃、体积分数为5%的CO2培养箱中培养12、24、72h。分别在不同时间测定培养液中硫酸软骨素的含量。

    三、硫酸软骨素的检测方法

    取待测样本50μl,加入8mol/L的盐酸胍50μl,静置15min后,加入试剂1(高浓度的Alcian液)50μl,振荡至完全溶解。然后加入试剂2B(低浓度的Alcian液)750μl,在4℃下孵育1h;12000r/min离心15min,去除上清液;加入DMSO洗脱液750μl,室温搅拌30min;12000r/min离心15min,去除上清液;加入溶解液500μl,室温搅拌15min。在同一样本液中取240μl相同的两份转移到96孔比色板中,600nm波长下测量样本中硫酸软骨素的含量。

    结果
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    一、IL-1α对髓核基质中PG降解的影响

    经30h培养后发现,IL-1α可刺激PG的降解。方差分析检验,不同浓度组间硫酸软骨素浓度的差异有非常显著性意义(F=30.1,P<0.01)。随着IL-1α浓度的增加,PG的降解明显增加,0.2、0.4nmol/L组较0.1nmol/L组硫酸软骨素浓度明显增加,差异有非常显著性意义(表1),0.4nmol/L组较0.2nmol/L组硫酸软骨素浓度有明显增加,差异有非常显著性意义(t=4.12,P<0.01)。表明IL-1α以浓度依赖的方式促进椎间盘基质中PG的降解。

    二、髓核基质中PG降解的时间依赖性

    在髓核组织培养液中加入0.3nmol/L的IL-1α,发现培养液中硫酸软骨素的浓度较对照组有明显的增加。经配对资料的t检验,每个时间段实验组和对照组的差异有非常显著性意义,t值分别为t12=13.51,P<0.01;t24=13.53,P<0.01;t72=14.64,P<0.01。随着培养时间的延长,培养液中硫酸软骨素浓度增加。经方差分析,12、24和72h每个时间段实验组与对照组间浓度之差(d)的差异亦有非常显著性意义(F=53.01,P<0.01)。24、72h组均较12h组浓度增加,差异有非常显著性意义(表2)。72h组较24h组浓度有明显的增加,差异有非常显著性意义(t=6.28,P<0.01)。证明IL-1α可以通过时间依赖的方式促进椎间盘基质中PG的降解。
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    表2不同时间培养液中硫酸软骨素的浓度(±s,μg/ml) 时间

    n

    实验组

    对照组

    d值

    t值

    P值

    12h

    6

    54.00±6.69

    30.58±3.19
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    23.42±4.24

    -

    -

    24h

    6

    85.98±16.52

    50.45±13.02

    35.53±6.43

    3.85

    <0.01

    72h

    6

    158.10±19.41
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    88.43±11.45

    69.67±11.64

    9.13

    <0.01

    注:以上t值均为与12h组相比讨论

    退变的椎间盘组织可以自发地产生相当数量的金属蛋白酶和IL-6、IL-1α、IL-1β、TNF-α和粒细胞-巨噬细胞克隆刺激因子[3,4]。但是,这些细胞因子在椎间盘退变中的确切作用还不清楚。

    本实验前对髓核组织进行为期14d的培养,对培养前后的髓核组织进行了组织学观察,发现细胞形态没有发生明显的改变,说明组织培养是成功的。为检测IL-1对椎间盘基质中PG代谢的影响提供了可靠的实验基础。

, 百拇医药     在关节软骨退变过程中,IL-1可以刺激大部分硫酸化的和含有硫酸软骨素的PG降解[5]。在椎间盘基质中含有大量的PG,其中以髓核中PG的含量最高[6]。Smith等[7]的研究发现:可以诱导PG降解的最低IL-1α浓度为15pmol/L。在本实验中加入IL-1α0.1nmol/L可以显著增加培养液中硫酸软骨素的含量,这与Smith的实验结果相一致,也证明较低浓度的IL-1α就可以使PG的降解显著增加。在组织培养中IL-1刺激软骨中PG的降解具有浓度依赖性[8]。本实验在髓核组织的培养液中分别加入IL-1α0.1、0.2、0.4nmol/L,观察到随着浓度的增加,髓核基质中PG的降解显著增加,即出现浓度依赖性。

    在软骨的体外培养中,证实IL-1α刺激PG降解与金属蛋白酶的产生有关[8]。也有研究表明,在IL-1诱导的软骨PG降解过程中,色氨酸内肽酶起部分作用[9]。这说明IL-1诱导的PG降解可能是通过多种机制进行的。由于髓核组织与软骨的组织相似性,可以认为在髓核组织中也存在相似的机制。
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    本实验也对IL-1α的作用时间对髓核中PG降解的影响进行了检测。发现在作用12h后,髓核组织中PG的降解就有明显的增加,随着时间的延长,PG的降解呈逐渐递增趋势。这说明在髓核组织体外培养过程中,IL-1α刺激PG降解呈现明显的时间依赖性。Arner等[10]在对牛鼻中隔的软骨培养中发现,IL-1诱导软骨基质中PG降解有时间和浓度依赖性,这与本实验的结果一致。在软骨培养中加入纯化的IL-1,出现金属蛋白酶的持续释放[11]。说明随着时间的延长,IL-1刺激软骨细胞产生的金属蛋白酶增加。从一个方面解释了IL-1刺激PG降解的时间依赖性。同时,在没有加入IL-1的对照组中,随着时间的延长,PG的降解也增加,说明在椎间盘组织中有可能同时存在引起PG降解的其它因素,有待进一步的研究。

    总之,椎间盘退变是一个复杂的过程,本实验证明IL-1α可以刺激椎间盘基质中PG的降解,并且这种作用呈浓度和时间依赖性。这为阐明椎间盘的退变过程提供了一定的理论依据。
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    参考文献

    1,Neidel J, Zeidler U. Independent effects of interleukin- 1 on proteoglycan synthesis and proteoglycan breakdowm of bovine articular cartilage in vitro. Agents Actions, 1993, 39: 82- 90.

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, 百拇医药
    3,Kang JD, Georgescu HI,Mclntyre- Larkin L, et al. Herniated lumbar intervertebral discs spontaneously produce matrix metalloproteinases, nitric oxide, interleukin- 6, and prostaglandin E2. Spine, 1996,21:271- 277.

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    5,O Byrne EM, Schroder HC, Stefano C , et al. Catabolin/ interleukin- 1 regulation of cartilage and chondrocyte metabolism. Agents Actions, 1987,21:341- 344.
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    6,胡有谷,主编.腰椎间盘突出症.第2版.北京:人民卫生出版社,1995.79-81.Smith RL, Allison AC, Schurman DJ. Induction of articular cartilage degradation by recombinant interleukin 1 alpha and 1 beta. Connect Tissue Res, 1989,18:307- 316.

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    8,Buttle DJ, Saklatvala J, Barrett AJ. The inhibition of interleukin 1- stimulated cartilage proteoglycan degradation by cysteine endopeptidase inactivators. Agents Actions Suppl, 1993, 39: 161- 165.
, 百拇医药
    9,Arner EC, Pratta MA. Independent effects of interleukin- 1 on proteoglycan breakdown, proteoglycan synthesis , and prostaglandin E2 release from cartilage in organ culture. Arthritis Rheum, 1989,32:288- 297.

    10,Mort JS, Campbell IK, Guttman A, et al. The role of mononuclear cell products as modulators of cartilage degradation. J Rheumatol, 1987, 14: 86- 87.

    (收稿日期:1999-04-05), 百拇医药