持續(xù)壓力對離體培養(yǎng)兔椎體終板內(nèi)Wnt/β—catenin信號通路及VEGF的影響

展嘉文 馮敏山 王尚全 朱立國 韓濤 尹遜路 魏戌

[摘要] 目的 研究持續(xù)壓力對椎體終板內(nèi)血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）及β-catenin表達(dá)的影響，進(jìn)一步探討VEGF與椎間盤退變之間的分子作用機(jī)制。 方法 將16只新西蘭白兔處死后在無菌條件下取出脊柱運(yùn)動節(jié)段，隨機(jī)分為對照組與壓力組，每組各8只，均放入離體加載和培養(yǎng)裝置中進(jìn)行培養(yǎng)，其中壓力組予持續(xù)3 kg壓力，對照組不予壓力，于培養(yǎng)前及培養(yǎng)3、7及14 d時，兩組各取10個樣本，應(yīng)用免疫組化、Western blot、Real-time PCR檢測VEGF及β-catenin的表達(dá)情況。 結(jié)果 免疫組化檢測結(jié)果顯示，持續(xù)壓力下培養(yǎng)7 d時，終板內(nèi)VEGF強(qiáng)度顯著下降（0.182±0.063），與對照組（0.237±0.051）比較，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P < 0.05）；培養(yǎng)14 d時染色強(qiáng)度進(jìn)一步降低，壓力組（0.156±0.035）與對照組（0.211±0.038）比較，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P < 0.05）；相反，持續(xù)壓力上調(diào)了終板內(nèi)β-catenin的表達(dá)，培養(yǎng)期間與對照組比較，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P < 0.05）。Western blot結(jié)果顯示，壓力組與培養(yǎng)前及對照組比較，上調(diào)了β-catenin的表達(dá)，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P < 0.05）。Real-time PCR結(jié)果顯示，持續(xù)壓力導(dǎo)致VEGF基因相對表達(dá)量減少（0.842±0.002），與對照組（0.965±0.005）比較，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P < 0.05）。 結(jié)論 持續(xù)壓力導(dǎo)致離體培養(yǎng)兔脊柱運(yùn)動節(jié)段內(nèi)椎體終板VEGF表達(dá)下降、β-catenin表達(dá)上調(diào)，提示持續(xù)壓力可能通過Wnt/β-catenin信號通路調(diào)節(jié)椎體終板內(nèi)VEGF表達(dá)。

[關(guān)鍵詞] 椎體終板；血管內(nèi)皮生長因子；Wnt/β-catenin；持續(xù)壓力；椎間盤退變

[中圖分類號] R681.5 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673-7210（2018）06（c）-0004-05

[Abstract] Objective To study the effect of consistence pressure on the expression of VEGF and beta -catenin in vertebral endplate， and further explore the molecular mechanism between VEGF and intervertebral disc degeneration. Methods A total of 16 New Zealand rabbits were sacrificed after removed under sterile conditions in the spinal motion segment， were randomly divided into control group and pressure group（8 rabbits in each group）. Rabbits were placed in vitro loading and culture device for culture， in which the pressure group were treated with consistence pressure 3 kg， the control group did not under pressure， pro-culture and 3， 7， 14 d after culture， 10 samples were collected from each group， the expression of VEGF and beta-catenin were detected by immunohistochemistry （IHC）， Western blot and Real time-PCR. Results IHC staining showed that the VEGF staining intensity in the endplate under pressure 7 d after cultured decreased significantly（0.182±0.063）， compared with the control group（0.237±0.051）， the difference was statistically significant （P < 0.05）； the staining intensity was further decreased at 14 d after culture （0.156±0.035）， compared with the control group （0.211±0.038）， the difference was statistically significant（P < 0.05）. On the contrary， the consistence pressure increased the expression of beta-catenin in the endplate， and compared with that of the control group， the difference was statistically significant （P < 0.05）. Western blot results showed that compared with fresh specimen and control group， consistence pressure significantly increased the expression of beta-catenin， the differences were statistically significant （P < 0.05）. Real-time PCR results showed the relative expression of VEGF gene was reduced by consistence pressure（0.842±0.002）， and the difference was significant compared with the control group （0.965±0.005， P < 0.05）. Conclusion Consistence pressure leads to a decrease of VEGF expression and an increase of the expression of beta-catenin in the vertebral endplate of spinal motion segment， which suggests that continuous pressure may regulate the expression of VEGF in the vertebral endplate through the Wnt/beta-catenin signaling pathway.

[Key words] Vertebral endplate； VEGF； Wnt/ beta-catenin； Consistence pressure； Intervertebral disc degeneration

椎體終板是椎間盤營養(yǎng)供應(yīng)的重要途徑[1]，軟骨細(xì)胞是軟骨終板內(nèi)的唯一細(xì)胞類型，其功能受到多種細(xì)胞因子的調(diào)節(jié)，其中血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelialgrowth factor，VEGF）與終板內(nèi)血管新生及椎間盤退變關(guān)系密切[2-3]。但VEGF在退變中的作用仍存在爭議[4]，探明VEGF與椎間盤退變之間的分子作用機(jī)制，將對相關(guān)疾病的治療產(chǎn)生重要意義。本實(shí)驗(yàn)前期研究證實(shí)持續(xù)壓力誘導(dǎo)椎間盤退變的機(jī)制與Wnt/β-catenin信號通路有關(guān)[5]，而相關(guān)文獻(xiàn)報道該通路對VEGFs也具有調(diào)控作用[6-7]。據(jù)此，本研究應(yīng)用離體培養(yǎng)兔脊柱運(yùn)動節(jié)段壓力退變模型，觀察持續(xù)壓力對椎體終板內(nèi)血管及相關(guān)細(xì)胞因子的影響，以進(jìn)一步闡述VEGF與椎間盤退變之間的分子作用機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 主要儀器和試劑

ABI7900HT實(shí)時定量PCR儀（美國ABI公司）、BioSens SC 810B凝膠成像儀（上海山富科學(xué)儀器有限公司）、BC-subMIDI電泳儀（北京六一儀器廠）、Beckman Allgre 21R高速冷凍離心機(jī)（美國Beckman公司）；qPCR試劑盒（美國KAPA Biosystems公司）、Trizol（美國invitroge公司）、引物（上海生工生物工程公司）、胎牛血清（美國Gibco公司）、DMEM/F12培養(yǎng)基（美國Gibco公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)動物

健康新西蘭兔16只，4～6月齡，雌雄不限，2.5～3 kg（中國中醫(yī)科學(xué)院實(shí)驗(yàn)動物中心提供，合格證號：2014 1002）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法及步驟

1.3.1 取材及培養(yǎng) 根據(jù)隨機(jī)數(shù)字表法將16只實(shí)驗(yàn)新西蘭兔分為壓力組與空白對照組，每組各8只。新西蘭兔麻醉后，耳緣靜脈給予肝素鈉，5 min后空氣栓塞處死，帶入超凈工作臺；立即在無菌條件下自背部縱切口，自尾部完整取出腰段及下位胸段脊柱，入高滲肝素磷酸鹽緩沖液（PBS）沖洗；在2.5倍放大鏡下應(yīng)用咬骨鉗、手術(shù)刀片切取T12/L1、L2/L3、L4/L5、L6/S1脊柱運(yùn)動節(jié)段，共4節(jié)段。自相鄰椎間盤的椎體與骨性終板結(jié)合處銳性分離，得到完整脊柱運(yùn)動節(jié)段，包括髓核（NP）、纖維環(huán)（AF）及上下軟骨終板（EP）及相鄰椎體（VB）；用帶有18號針頭的無菌注射器吸取含肝素的高滲PBS液沖洗標(biāo)本表面的碎屑及終板上的血凝塊，于含肝素的平衡鹽溶液（HBSS）液（含1000 U/mL青霉素，1 mg/mL鏈霉素）中漂洗2 min。

兩組樣本放入研制的脊柱運(yùn)動節(jié)段離體加載和培養(yǎng)裝置中，壓力組予3 kg壓力，對照組不予負(fù)荷。兩組均予細(xì)胞培養(yǎng)液DMEM，含有10%胎牛血清、25 μg/mL抗壞血酸、50 mg/mL慶大霉素，并用NaCl將細(xì)胞培養(yǎng)液的滲透壓調(diào)整到410 mOsm/kg[8]。

兩組均置于5% CO2、37℃恒溫培養(yǎng)箱進(jìn)行整體培養(yǎng)，每2天更換培養(yǎng)液。分別在培養(yǎng)前（0 d）和培養(yǎng)后第3、7、14天時，取出標(biāo)本并沿軟骨終板表面下2 mm處分離出椎體終板。

1.3.2 免疫組織化學(xué)檢測 椎間盤組織常規(guī)石蠟包埋，切片，脫蠟，水化，PBS沖洗5 min×3次；熱修復(fù)法進(jìn)行抗原修復(fù)；山羊血清封閉5 min，加入一抗（Sigma-Aldrich，瑞士），4℃過夜；PBS清洗5 min×3次；加入二抗（Sigma-Aldrich，瑞士），室溫孵育20 min，PBS清洗5 min×3次；滴加DAB（Sigma-Aldrich，瑞士）顯色，約3 min，PBS清洗；蘇木精復(fù)染30 s；梯度酒精脫水干燥，中性樹膠封片后置于顯微鏡（Nikon，TS100，日本，×100）下觀察VEGF及β-catenin的表達(dá)情況。

1.3.3 Western blot法檢測VEGF及β-catenin的表達(dá) 收集各時間點(diǎn)椎體終板，加入適量裂解液，樣品置于冰上以30%振幅超聲，工作3 s后間歇暫停2 s，每個樣品累積超聲約30 s，12000 r/min離心15 min后吸取上層總蛋白溶液。BCA法測定蛋白濃度，等量分裝后以上樣緩沖液煮沸變性。SDS-PAGE凝膠電泳、轉(zhuǎn)膜，5% BSA封閉1 h，相應(yīng)一抗孵育過夜，TBST洗膜，二抗孵育1 h，TBST洗膜，ECL試劑檢測蛋白表達(dá)，計算機(jī)圖像分析儀測定灰度值。

1.3.4 Real-time PCR檢測VEGF及β-catenin的表達(dá)情況 收集各時間點(diǎn)椎體終板，加入適量Trizol裂解液，將樣品置于冰上以30%振幅超聲，工作3 s后間歇暫停2 s，每個樣品累積超聲約30 s。隨后陸續(xù)以氯仿、異丙醇、酒精等試劑對總RNA進(jìn)行提取，并測定RNA的濃度；用反轉(zhuǎn)錄試劑盒（KAPA Biosystem，美國）將RNA反轉(zhuǎn)錄為cDNA，然后以cDNA第1鏈作為模板行PCR擴(kuò)增，PCR反應(yīng)體系：Nuclease-Free Water 1.6 μL，GoScriptTM5×Reaction Buffer 4 μL，MgCl2 2 μL，PCR Nucleotide Mix 1 μL，Recombinant RNasin Ribonulease Inhibitor 0.4 μL，GoScriptTM Reverse Transcriptase 1 μL。PCR反應(yīng)條件：94℃預(yù)變性5 min，94℃變性20 s，58℃退火20 s，72℃延伸20 s，32個循環(huán)；72℃延伸10 min。PCR產(chǎn)物經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳、凝膠成像系統(tǒng)軟件測定灰度值并計算相對強(qiáng)度。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS 16.0統(tǒng)計學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計量資料用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（x±s）表示，兩組間比較采用t檢驗(yàn)，組內(nèi)比較采用單因素方差分析，時間因素單獨(dú)效應(yīng)分析采用重復(fù)測量方差分析；計數(shù)資料用率表示，組間比較采用χ2檢驗(yàn)，以P < 0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 免疫組化檢測椎體終板中VEGF與β-catenin表達(dá)

免疫組化法檢測椎體終板中VEGF顯示：壓力組培養(yǎng)3 d時與培養(yǎng)前標(biāo)本相比明顯下降，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P < 0.05），但與對照組相比，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P > 0.05）；培養(yǎng)7 d時與對照組相比明顯下降，培養(yǎng)14 d時強(qiáng)度進(jìn)一步降低，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P < 0.05）。見表1。而β-catenin免疫組化法檢測卻顯示：壓力組培養(yǎng)14 d時強(qiáng)度明顯加深。與培養(yǎng)前標(biāo)本比較，持續(xù)壓力上調(diào)了終板內(nèi)β-catenin的表達(dá)（P < 0.05），培養(yǎng)期間與對照組同時間點(diǎn)比較，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P < 0.05）。見表2。

2.2 Western blot檢測椎體終板中β-catenin表達(dá)

與培養(yǎng)前標(biāo)本比較，持續(xù)壓力上調(diào)了終板中β-catenin的表達(dá)，且隨著培養(yǎng)時間延長，表達(dá)逐漸增強(qiáng)，培養(yǎng)期間與對照組比較，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P < 0.05）。見圖1。

2.3 RT-PCR檢測椎體終板中VEGF的表達(dá)

RT-PCR檢測VEGF基因表達(dá)，與培養(yǎng)前比較，對照組3 d時VEGF表達(dá)水平無明顯下降，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P > 0.05）；培養(yǎng)至14 d時VEGF表達(dá)水平較培養(yǎng)前明顯降低，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P < 0.05），但培養(yǎng)期間差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P > 0.05）；壓力組培養(yǎng)期間VEGF表達(dá)明顯下降，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P < 0.05）；各時間點(diǎn)兩組比較，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P < 0.05）。見表3。

3 討論

椎體終板是椎間盤營養(yǎng)供應(yīng)的重要途徑，終板內(nèi)的血管芽是椎間盤營養(yǎng)物質(zhì)交換的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)[9-10]，其破壞將造成椎間盤營養(yǎng)障礙，導(dǎo)致椎間盤退變。相關(guān)文獻(xiàn)報道持續(xù)壓力可使終板下血管分布減少造成營養(yǎng)障礙[11-12]，但異常應(yīng)力導(dǎo)致終板內(nèi)血管損傷的機(jī)制仍缺乏深入研究。

3.1 持續(xù)壓力負(fù)荷對椎體終板內(nèi)VEGF的影響

終板內(nèi)的軟骨細(xì)胞受到多種細(xì)胞因子的調(diào)節(jié)，其中VEGF與終板內(nèi)血管新生及椎間盤退變關(guān)系密切[13-14]。VEGF可由許多正常細(xì)胞產(chǎn)生和分泌，主要通過旁分泌途徑作用于內(nèi)皮細(xì)胞[15]。通過一系列信號傳導(dǎo)使內(nèi)皮細(xì)胞分裂、增殖、遷移，形成新生血管，建立側(cè)支循環(huán)，增加缺氧、缺血組織的氧供、血供，從而減輕或逆轉(zhuǎn)細(xì)胞的受損，改善器官功能等多種功能[15]。軟骨細(xì)胞是終板中VEGF的重要來源細(xì)胞，VEGF的表達(dá)上調(diào)可促進(jìn)終板下毛細(xì)血管生成，維持終板下血管袢的數(shù)量，延緩椎體終板退變，從而保證椎間盤的營養(yǎng)供應(yīng)[16]。

相關(guān)前期研究發(fā)現(xiàn)[17-18]，持續(xù)的靜態(tài)加載會逐漸抑制椎間盤的細(xì)胞合成代謝活力，破壞椎體終板內(nèi)營養(yǎng)通道、造成椎間盤營養(yǎng)供應(yīng)障礙，進(jìn)而引發(fā)椎間盤退變。在此基礎(chǔ)上，本研究從分子作用水平進(jìn)一步闡述異常應(yīng)力導(dǎo)致椎間盤營養(yǎng)障礙誘發(fā)其退變的發(fā)生機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示，持續(xù)壓力導(dǎo)致離體培養(yǎng)兔脊柱運(yùn)動節(jié)段椎體終板內(nèi)VEGF表達(dá)減少，提示VEGF參與了椎間盤壓力退變過程，其在退變的發(fā)病過程中可能起著重要作用。

3.2持續(xù)壓力負(fù)荷對椎體終板內(nèi)Wnt/β-catenin信號通路的影響

Wnt信號通路調(diào)控網(wǎng)絡(luò)在椎間盤的形成、生長、退變和修復(fù)的過程中起著十分重要的作用[19]。Wnt/β-catenin信號過度激活，將引起嚴(yán)重的椎體軟骨終板細(xì)胞破壞、纖維環(huán)細(xì)胞層狀結(jié)構(gòu)的紊亂和髓核細(xì)胞蛋白多糖的減少，引起椎間盤結(jié)構(gòu)的變形[20]。終板軟骨細(xì)胞對Wnt信號通路非常敏感[20]，并可引起不可逆的退變。但同時也有研究發(fā)現(xiàn)抑制Wnt信號通路會導(dǎo)致軟骨終板和類軟骨細(xì)胞發(fā)生不同程度的生長性損傷，Wnt/β-catenin信號通路的適度活化對上述椎間盤組織的生長發(fā)育以及功能起著不可或缺的作用。正確地控制Wnt通路對于建立椎間盤組織和促進(jìn)椎間盤組織的生長有重要的意義[21-22]。

實(shí)驗(yàn)前期研究發(fā)現(xiàn)適量的壓力負(fù)荷短期內(nèi)刺激了椎間盤表達(dá)分泌Ⅱ型膠原，且有利于防止組織膨脹和保持細(xì)胞活性，但持續(xù)的靜態(tài)加載會逐漸抑制細(xì)胞的合成代謝活力，尤其對蛋白多糖的影響較為明顯，從而造成了椎間盤退變[23-24]，而初步試驗(yàn)結(jié)果顯示持續(xù)壓力誘導(dǎo)退變的機(jī)制與Wnt/β-catenin信號通路密切相關(guān)。

3.3 Wnt/β-Catenin信號通路與VEGF

通過Wnt/β-catenin經(jīng)典途徑，能夠促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞的增殖、血管芽生與血管叢重塑，以促進(jìn)組織的修復(fù)與愈合[25-26]。當(dāng)Wnt信號通路被激活后，糖原合成酶激酶-3β（GSK-3β）蛋白的活性受到抑制，從而抑制了β-catenin的降解，使其在細(xì)胞質(zhì)中大量聚集，并與轉(zhuǎn)錄因子T細(xì)胞因子/淋巴增強(qiáng)因子（TCF/LEF）家族結(jié)合，轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核內(nèi)，激活下游靶基因VEGF轉(zhuǎn)錄。大量研究證實(shí)β-catenin和VEGF具有明顯的相關(guān)性[26-28]，但在終板軟骨組織中Wnt/β-catenin通路是否對VEGF具有調(diào)控作用鮮見報道。

本研究結(jié)果顯示在持續(xù)壓力狀態(tài)下，隨著離體培養(yǎng)時間延長，模型椎體終板內(nèi)VEGF表達(dá)逐漸下降，而β-catenin持續(xù)上調(diào)，提示β-catenin表達(dá)與VEGF表達(dá)存在相關(guān)性。基于此研究結(jié)果及文獻(xiàn)報道，研究者推測在椎體終板組織中Wnt/β-catenin通路對VEGF具有調(diào)控作用，還將深入研究椎體終板組織中Wnt/β-catenin信號通路對VEGF的具體調(diào)控機(jī)制。

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