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CX3CR1对创伤性骨髓炎大鼠骨骼肌微纤维、ERK_MAPK信号通路及炎症反应的影响.pdf

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1、Journal of Tissue Engineering and Reconstructive Surgery,February 2024,Vol.20 No.1 论著 doi:10.3969/j.issn.1673-0364.2024.01.003CX3CR1对创伤性骨髓炎大鼠骨骼肌微纤维、ERK/MAPK信号通路及炎症反应的影响曹众李春燕鲁广生周琦石【摘要】目的探索CX3CR1对创伤性骨髓炎大鼠骨骼肌微纤维、ERK/MAPK信号通路及炎症反应的影响。方法选取30只SPF级SD雄性大鼠,依据随机数字表法分为健康组、模型组、CX3CR1抑制组,每组10只。除健康组外,其余各组均建立创伤性骨髓

2、炎模型。其中健康组、模型组大鼠均每日常规腹腔注射生理盐水,CX3CR1干预组向残腔内注射CX3CR1中和抗体进行处理。采用ELISA法检测血清中IL-6、IL-10、IL-1、TGF-水平,应用改良X线Norden评分检测骨骼肌微纤维,HE 染色观察病理变化,免疫印迹及 PCR 检测股骨组织中细胞外信号调节蛋白激酶(Extracellular regulated protein kinase,ERK1/2)、丝裂原活化蛋白激酶(Mitogen activated protein kinase,MAPK)蛋白及 mRNA 表达。结果与健康组比较,模型组TGF-、IL-1、IL-10、IL-6等炎

3、症因子含量均升高(P0.05);与模型组比较,CX3CR1抑制组炎症因子含量降低(P0.05)。与健康组比较,模型组随时间推移X线Norden评分升高(P0.05);与模型组比较,CX3CR1抑制组X线Norden评分降低(P0.05)。HE染色显示,健康组骨质完好;模型组可见大量炎性细胞浸润、灶性脓肿及坏死灶;CX3CR1抑制组大鼠的骨质明显改善,炎症反应降低。与健康组比较,模型组ERK1/2、MAPK蛋白及mRNA 表达升高(P0.05);与模型组比较,CX3CR1抑制组 ERK1/2、MAPK 蛋白及 mRNA 表达降低(P0.05)。结论抑制CX3CR1可改善创伤性骨髓炎大鼠的疾病反应

4、,可能与降低炎症反应、ERK/MAPK信号通路以及改善骨骼肌微纤维相关。【关键词】创伤性骨髓炎;炎症反应;骨骼肌微纤维;细胞外调节蛋白激酶1/2;丝裂原活化蛋白激酶【中图分类号】R618.2【文献标志码】A【文章编号】1673-0364(2024)01-0058-06Effects of CX3CR1 on skeletal muscle microfibers,ERK/MAPK signaling pathway and inflammatory response in rats with traumatic osteomyelitisCAO Zhong,LI Chunyan,LU Guan

5、gsheng,ZHOU Qishi.Department of Orthopedics,Dongguan Taixin Hospital,Dongguan 523000,China.Corresponding author:LI Chunyan(E-mail:).【Abstract】ObjectiveTo explore the effects of CX3CR1 on inflammatory response,skeletal muscle microfibers and ERK/MAPK signaling pathway in rats with traumatic osteomyel

6、itis.MethodsThirty SPF SD male rats were selected and divided into healthy group,model group and CX3CR1 inhibition group according to random number table method,with an average of 10 in each group.Traumatic osteomyelitis model was established in model group and CX3CR1 inhibition group.The healthy gr

7、oup and model group were routinely injected with normal saline intraperitoneally every day,and the CX3CR1 intervention group was treated by injecting CX3CR1 neutralizing antibody into the residual cavity.Serum levels of inflammatory cytokines interleukin(IL-6,IL-10,IL-1,TGF-)were detected by ELISA,s

8、keletal muscle microfibers were detected by X-ray Norden score,and pathological changes were observed by HE staining.Extracellular regulated protein kinase 1/2(ERK1/2),mitogen activated protein kinase(MAPK)protein and mRNA in femur were detected by Western blotting and PCR.ResultsCompared with the h

9、ealthy group,the contents of TGF-,IL-1,IL-10,IL-6 and other inflammatory factors were increased in the model group(P0.05).Compared with model group,the content of inflammatory factors in CX3CR1 inhibitory group was decreased(P0.05).Compared with the healthy group,the X-ray Norden score of the model

10、group was 基金项目:国家自然科学基金(81674001)。作者单位:523000广东省东莞市东莞台心医院骨科。通信作者:李春燕(E-mail:)。58组织工程与重建外科 2024 年 2 月 第 20 卷第 1 期increased over time(P0.05).Compared with model group,X-ray Norden score of CX3CR1 inhibition group was decreased(P0.05).HE staining showed that the bone cortex in the healthy group was int

11、act.In the model group,there was a large number of inflammatory cell infiltration,focal abscess,and area necrosis.In the CX3CR1 inhibitory group,the large cortical bone was significantly improved and the inflammatory response was reduced.Compared with healthy group,ERK1/2 and MAPK protein and mRNA i

12、n model group were increased(P0.05).Compared with model group,the protein and mRNA of ERK1/2 and MAPK in CX3CR1 inhibition group were decreased(P0.05).ConclusionInhibition of CX3CR1 can improve the disease response in traumatic osteomyelitis rats,which may be related to decreased inflammatory respon

13、se,ERK/MAPK and improved skeletal muscle microfibers.【Key words】Traumatic osteomyelitis;Inflammatory response;Skeletal muscle microfibers;Extracellular regulated protein kinase 1/2;Mitogen activated protein kinase骨髓炎是病原微生物感染所致的急慢性炎症反应性疾病,按照感染来源可分为血源性骨髓炎、创伤性骨髓炎及临近组织感染性骨髓炎。其中,创伤性骨髓炎发病率逐年升高,且临床治疗极为棘手,病

14、理特点为持续性的炎症刺激,导致周围组织瘢痕及坏死,常常进展为慢性骨髓炎。创伤性骨髓炎治疗时间长,且效果缓慢,给患者及社会带来沉重负担1。创伤性骨髓炎可导致骨骼肌微纤维化,且有研究认为炎症因子在此过程中可发挥重要干预作用2。丝裂原活化蛋白激酶(Mitogen activated protein kinase,MAPK)能够参与细胞增殖、分化及凋亡,细 胞 外 信 号 调 节 蛋 白 激 酶(Extracellular regulated protein kinase,ERK)通路则是 MAPK下游通路之一,在纤维化过程中炎症因子可通过激活ERK/MAPK信号通路进而参与疾病形成过程3。近年来,随

15、着相关研究的不断深入,发现趋化因子配体系统在疾病进展中作用重大,其中不规则趋化因子Fractalkine(Fkn,CX3CL1)是由5075 kDa蛋白质合成的趋化因子,其唯一受体CX3CR1,可参与细胞活性、肿瘤免疫及炎症反应。研究证实,CX3CR1在骨髓炎中表达升高,其有效抑制对于改善疾病中的炎症反应具有重要意义4。但关于CX3CR1与创伤性骨髓炎的相关研究较少,本文拟探索CX3CR1对创伤性骨髓炎大鼠炎症反应、骨骼肌微纤维及ERK/MAPK信号通路的影响。1材料与方法1.1实验动物选取SPF级SD雄性大鼠30只,46周龄,均购于广东省医学实验动物中心,许可证号:SCXK(粤)2021-0

16、015,饲养环境为湿度55%,室温1820,日常光照,自由饮食饮水。所有操作均以 实验动物管理条例 规定进行,严格依据动物实验伦理要求进行实验。1.2试剂与仪器CX3CR1中和抗体(货号:100609-T08,北京义翘神州科技股份有限公司);金黄色葡萄球菌ATCC25923悬液(中国工业微生物菌种保藏管理中心);伊红-苏木精染色液(厦门迈威生物科技有限公司);4%多聚甲醛(Sigma-Aldrich,美国);白细胞介素(Interleukin,IL)-6、IL-10、IL-1 及转化生长因子 (Transforming growth factor 1,TGF-)试剂盒(上海酶研生物科技有限公司

17、);兔抗人多克隆抗体 MAPK、ERK1/2(深圳市豪地华拓生物科技有限公司);蛋白电泳仪(北京六一仪器厂);切片机(孝感亚光医用电子技术有限公司);恒温干燥箱(上海科技仪器有限公司)。1.3分组与建模将30只大鼠依据随机数字表法分为健康组、模型组、CX3CR1抑制组,每组10只。除健康组外,其余各组均建立创伤性骨髓炎模型。将大鼠置于手术台上,经腹腔皮下注射 10 mg/kg戊巴比妥钠,麻醉后将大鼠的右膝关节进行常规脱毛、备皮、消毒处理后准备进行造模手术。在股骨部位行2 cm切口,顺着股骨方位行2 cm纵深切口,分别将皮肤组织、皮下筋膜以及游离在周围的骨膜进行逐层剥离,将股骨中段及大转子完全暴

18、露,需注意不破坏其他组织肌肉。用钻头钻取股骨部分骨髓后,向腔内注射0.1 mL 5%鱼肝油酸钠,用骨蜡密封后将伤口进行缝合包扎,连续观察30 d后,在无菌条件下取出部分股骨中段的骨组织,将其剪碎并匀浆后接种在琼脂培养基中,37 培养24 h,若结果为金黄色葡萄球菌阳性,则认为创伤性骨髓炎模型建立成功。本实验两组20只大鼠均建模成功。59Journal of Tissue Engineering and Reconstructive Surgery,February 2024,Vol.20 No.11.4干预方法健康组与模型组大鼠每天常规给予腹腔注射生理盐水,不进行其他干预;CX3CR1 抑制组

19、向残腔内注射CX3CR1中和抗体进行处理,均连续干预30 d。1.5检测方法1.5.1酶联免疫吸附法检测血清中炎症因子水平采用酶联免疫吸附法检测血清中的 IL-6、IL-10、IL-1、TGF-水平,所有大鼠经麻醉后抽取尾部静脉血1.5 mL,采用低速离心机按照3 000 r/min离心10 min,保留上清液,通过酶联免疫吸附法检测血清水平,步骤严格按照试剂盒说明书进行。1.5.2X线Norden评分检测骨骼肌微纤维影像学检查参考文献5,将各组大鼠的右后肢正、侧位进行X线拍摄,并在统一曝光条件(45 kV,100 mA,0.2 s)及照射距离(40 cm)条件下,观察各组大鼠的X线表现,并应

20、用改良X线Norden骨髓炎评分标准对其进行半定量分析。1.5.3HE染色取其余股骨中端病变骨组织,固定 24 h于 4%多聚甲醛溶液中,行乙烯二胺四乙酸钠(Ethylene diamine tetraacetic acid,EDTA)脱钙,石蜡包埋,5 m厚度切片,脱蜡后经HE染色,脱水、透明、封片,在200光学显微镜下观察跟腱组织形态,并采集图像和拍照。1.5.4免疫印迹检测股骨组织中ERK1/2、MAPK蛋白水平取股骨组织,在液氮中研磨,放射免疫沉淀缓冲液裂解蛋白质,采用试剂盒提取核蛋白后,使用BCA蛋白定量试剂盒检测分离的蛋白质浓度,SDS-PAGE分离,转膜处理,在5%脱脂乳中进行封

21、闭,加一抗 ERK1/2(1 3 000)、MAPK(1 2 000)、-actin(1 2 000)4 孵育过夜,加入辣根过氧化物酶标记的二抗(1 5 000),孵育2 h,采用TBST缓冲液冲洗,曝光显影后使用ImageQuantLAS4000型化学发光成像分析仪进行分析。1.5.5PCR 检测大鼠股骨组织中 ERK1/2、MAPK mRNA水平股骨组织剪碎并在液氮中研磨成浆,用 Trizol提取总 RNA,使用试剂盒将总 RNA 逆转录合成为cDNA,进行 PCR 反应,反应条件为 85 15 min,90 15 s,70 30 s,30 个循环,95 15 s,65 60 s,90 3

22、0 s,以ERK1/2、MAPK样本为产物量,以-actin作为对照,检测样本的基因表达水平是正常样本基因表达水平的2-Ct倍,Ct=(Ct检测样本的待测基因-Ct检测样本的GADPH)-(Ct正常样本的待测基因-Ct正常样本的GADPH)。引 物序列详见表1。表1引物序列Tab.1Primer sequences基因GeneERK1/2MAPK-actin引物序列Primer sequencesF:5-GCTTGGATCGGGACGACA-3R:5-AGCGTTGCTGGATGAAGC-3F:5-CACGGAAGGAACGACAAG-3R:5-CTAGGCCGCAATCGGTGT-3F:5-

23、GGCTCAAGAAGTTCTGGGTG-3R:5-CATCCACAGTCTTCAGGGGC-31.6统计学方法采用 GraphPadPrism8.0软件进行统计分析,符合正态分布的计量资料采用xs表示,多组间比较采用单因素方差分析,t检验,P0.05表示差异具有统计学意义。2结果2.1各组大鼠血清中炎症因子表达与健康组比较,模型组大鼠血清中TGF-、IL-1、IL-10、IL-6等炎症因子含量均升高,差异具有统计学意义(P0.05);与模型组比较,CX3CR1抑制组大鼠血清中TGF-、IL-1、IL-10、IL-6等炎症因子含量显著降低,差异具有统计学意义(P0.05),详见表2。2.2各组

24、大鼠X线Norden评分比较与健康组比较,模型组大鼠随着时间的推移X线Norden评分显著升高,差异具有统计学意义(P0.05);与模型组比较,CX3CR1 抑制组大鼠的 X 线Norden评分随着时间的推移明显降低,差异具有统计学意义(P0.05),详见表3。2.3HE染色健康组大鼠皮质完好,细胞形态排列正常;模型组大鼠具有明显的骨损伤及炎症浸润现象,大量骨皮质缺损、死骨及灶性脓肿,液化性坏死严重;CX3CR1抑制组大鼠的骨皮质明显改善,髓腔内炎症反应降低,坏死现象好转(图1)。2.4各组大鼠股骨组织中ERK1/2、MAPK蛋白表达如表4、图2所示,与健康组比较,模型组大鼠股 60组织工程与

25、重建外科 2024 年 2 月 第 20 卷第 1 期骨组织中ERK1/2、MAPK蛋白表达显著升高,差异具 有 统 计 学 意 义(P0.05);与 模 型 组 比 较,CX3CR1抑制组大鼠ERK1/2、MAPK蛋白表达明显降低,差异具有统计学意义(P0.05)。表3各组大鼠X线Norden评分比较Tab.3Comparison of X-ray Norden scores of rats in each group组别Group健康组Healthy group模型组Model groupCX3CR1抑制组CX3CR1 inhibition groupn10101024 h0.120.02

26、0.850.22*3.630.69*#7 d0.090.012.180.56*2.300.85*#14 d0.150.036.081.85*0.520.16*#*:与健康组比较,P0.05;#:与模型组比较,P0.05。*:Compared with the healthy group,P0.05;#:Compared with the model group,P0.05.图1各组HE染色观察Fig.1HE staining observation of each group 表4各组大鼠股骨组织中ERK1/2、MAPK蛋白表达Tab.4Expression of ERK1/2 and MAP

27、K proteins in femoral tissue of rats in each group组别Group健康组Healthy group模型组Model groupCX3CR1抑制组CX3CR1 inhibition groupn101010ERK1/20.160.022.570.09*1.360.05*#MAPK1.050.032.780.22*1.550.09*#*:与健康组比较,P0.05;#:与模型组比较,P0.05。*:Compared with the healthy group,P0.05;#:Compared with the model group,P0.05.图2

28、免疫印迹检测ERK1/2、MAPK蛋白表达Fig.2Expression of ERK1/2 and MAPK proteins detected by Western blotting2.5 各 组 大 鼠 股 骨 组 织 中 ERK1/2、MAPK 的mRNA表达与健康组比较,模型组大鼠股骨组织中ERK1/2、MAPK mRNA表达显著升高,差异具有统计学意义(P0.05);与模型组比较,CX3CR1抑制组大鼠ERK1/2、MAPK mRNA 表达明显降低,差异具有统计学意义(P0.05),详见表5。表5各组大鼠ERK1/2、MAPK mRNA表达Tab.5ERK1/2 and MAPK

29、mRNA expression in rats ofeach group组别Group健康组Healthy group模型组Model groupCX3CR1抑制组CX3CR1 inhibition groupn101010ERK1/20.140.022.490.11*1.290.05*#MAPK0.880.022.690.18*1.490.09*#*:与健康组比较,P0.05;#:与模型组比较,P0.05。*:Compared with the healthy group,P0.05;#:Compared with the model group,P0.05.3讨论创伤性骨髓炎的产生常见于骨

30、折后内固定治疗所继发的感染,以及开放性粉碎性骨折,而因为创伤导致局部肌肉组织血供也同样遭到破坏,同时表2各组大鼠血清中炎症因子表达(pg/mL)Tab.2Expression of inflammatory factors in serum of rats in each group(pg/mL)组别Group健康组Healthy group模型组Model groupCX3CR1抑制组 CX3CR1 inhibition groupn101010TGF-3.121.0512.285.29*7.233.36*#IL-14.122.1619.287.72*8.824.50*#IL-103.211

31、.1015.286.30*7.213.66*#IL-61.160.238.681.56*4.630.68*#*:与健康组比较,P0.05;#:与模型组比较,P0.05。*:Compared with the healthy group,P0.05;#:Compared with the model group,P0.05.61Journal of Tissue Engineering and Reconstructive Surgery,February 2024,Vol.20 No.1又伴随骨内置物以及死骨等多种影响因素,成为细菌滋生与炎症形成的有利载体,最终导致骨愈合困难及周围软组织缺损等

32、多种不良现象产生。创伤性骨髓炎不仅治疗难度大、病程较长,且治疗后所诱发的致残风险也较高。因此,对于该病的治疗一直以来都是临床的一大难题。与单纯的创伤相比较,创伤性骨髓炎可在中性粒细胞、巨噬细胞等炎性细胞生成过程中在局部形成细菌炎症微环境,导致包括TGF-等在内的多种炎症因子大量释放、聚集,最终加重创面炎症损伤。而炎症感染也是骨髓炎的主要发病机制,由于骨细胞胞外基质富含蛋白质,不仅能够为细菌的滋生提供便利的条件,同时也可释放毒素并感染骨组织进而发挥趋向运动和同质化功能。目前的研究表明,细胞因子在纤维细胞的生长和分化中起重要作用,而TGF-作为多肽信号分子,不仅可加速成纤维细胞的胶原合成与细胞外基

33、质的沉积,同时也对炎性因子及成纤维细胞有明显的趋化作用,在创口形成中具有极其重要的作用。相关研究发现,在创伤组织细胞中,TGF-可通过抑制成肌蛋白,激活纤维化相关蛋白产物合成,并在级联反应的作用下加快骨骼肌细胞向成纤维细胞的分化6。本研究结果显示,骨髓炎大鼠血清中的炎症因子含量均较高,经腔内注射CX3CR1中和抗体后,TGF-、IL-1、IL-10、IL-6等炎症因子的含量均有所降低,提示抑制CX3CR1对于降低骨髓炎中的炎症形成可能具有一定积极效用。创伤后会造成骨骼肌纤维结构的改变,这种损伤的发生有多种因子参与,且胞质内容物泄漏以及胞外钙离子大量进入,导致肌细胞膜的损伤,从而引起一系列肌纤维

34、微结构的改变。骨髓炎大鼠X线Norden评分较高,经腔内注射CX3CR1中和抗体后,X线Norden评分随着时间的推移均有所降低,提示CX3CR1对创伤性骨髓炎大鼠产生作用的机制可能与抑制TGF-等相关纤维化因子的表达相关。一般损伤期主要是肌肉损伤部位的炎症反应,表现为有血肿形成,肌纤维膜受损、坏死,并伴随周围大量中性粒细胞聚集和浸润;而修复期主要是损伤肌肉周围释放的生长因子通过信号通路使新生肌管与周围残余肌纤维融合,同时成纤维细胞进入间质,产生细胞外基质恢复肌肉连接组织。本研究的重点为减缓和抑制炎症形成,并在通过调节相关因子的同时最终起到降低炎症反应增加救治效率的目的。相关研究指出,趋化因子

35、与其相关受体能够在调节细胞的同时迁移至靶组织7。趋化因子在与特定的蛋白偶联受体进行结合后可对白细胞产生一定的趋化作用,而依据系统蛋白基序可将其划分为 CC、CXC、CX3C 与 C 趋化因子等四个亚组8。而 CX3CR1 作为 CX3C 中的关键因子具备了趋化因子与黏附分子的独特性质,其可溶性还表现在与其他趋化因子相似的大噬菌体、神经元、内皮细胞以及胶质细胞等相关炎症趋化活性中,并主要以可溶性膜结合的形式存在,当与唯一的特异性受体结合后可由淋巴细胞、NK细胞以及单核细胞等多方面进行表达9-12。CX3CR1作为CX3C家族中的唯一趋化因子,可通过联接轴参与机体内血管平滑肌细胞、单核细胞、巨噬细

36、胞等相关因子的表达12-13。CX3CR1与CX3C1共同作用还能够调节单核细胞的增殖与分化,期间还可通过一部分涉及活化蛋白-1 信号转导和转录激活因子的机制使CX3CR1表达上调,进而加重平滑肌细胞的促炎表达14。由此分析,在骨髓炎发病时期,通过抑制CX3CR1可在一定程度上起到改善炎症、降低骨损伤与疾病反应的目的。-连环蛋白可在细胞质中进行堆积并在易位细胞核后通过骨骼特定基因促使破骨细胞生成,而MAPK蛋白在与受体复合物结合时不仅能够导致细胞溶质相关复合物产生失活反应,还可在一定程度上使-连环蛋白发生降解15-16。ERK1/2可参与维持生理性骨稳态的过程,而抑制其过度表达对于防止雌激素戒

37、断所导致的骨质内耗具有一定积极作用17。本研究结果显示,创伤性骨髓炎大鼠的ERK1/2、MAPK 蛋白和 mRNA 水平均较高,经腔内注射CX3CR1中和抗体进行处理后,ERK1/2、MAPK表达均明显降低,提示抑制CX3CR1可在一定程度上降低 ERK1/2、MAPK 蛋白和 mRNA 的表达,进而抑制ERK1/2-MAPK信号通路的转导。相关研究发现,在机械刺激引起的骨形成增加中,ERK1/2-MAPK 的异常激活可使骨量显著降低,而抑制ERK1/2-MAPK信号转导可明显改善这一现象18-19。由此推测,抑制CX3CR1改善大鼠创伤性骨髓炎的治疗机制可能与抑制ERK1/2-MAPK等相关

38、信号通路有关。综上所述,抑制CX3CR1不仅可降低炎症反应,62组织工程与重建外科 2024 年 2 月 第 20 卷第 1 期还对骨骼肌微纤维及ERK/MAPK信号通路均具有一定的改善作用。但本次研究也仅是简单验证了抑制 CX3CR1 可能对创伤性骨髓炎具有一定的改善作用,其具体干预机制还需要进一步的探究并完善。参考文献 1 BURY D C,ROGERS T S,DICKMAN M M.Osteomyelitis:Diagnosis and treatment J.Am Fam Physician,2021,104(4):395-402.2 URISH K L,CASSAT J E.Sta

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40、ription of the model J.J Infect Dis,1970,122(5):410-418.6 MORENO-MATEO F,PEREA S H,ONEL K B.Chronic recurrent multifocal osteomyelitis:Diagnosis and treatment J.Curr Opin Pediatr,2021,33(1):90-96.7 KOSCS B,KURAPATI S,RODRIGUES R R,et al.Gut-resident CX3CR1hi macrophages induce tertiary lymphoid stru

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