膝關節液炎性因子IL-1β、TNF-α表達水平與膝關節骨性關節炎K-L分級的關系

趙丹 王拴柱 李銳 王恒哲 裴曉東△

1)內蒙古科技大學包頭醫學院研究生院 包頭 014040;2)內蒙古包頭市第四醫院關節外科 包頭 014030

膝關節骨性關節炎(knee osteoarthritis,KOA)為常見的膝關節慢性勞損性疾病,是一種長期、慢性、漸進的病理過程[1]。KOA的發病率約為8.1%,主要集中在中老年人群,40歲以上人群KOA的患病率約為17.0%,女性患者發病率高于男性,特別是女性絕經期后KOA的發病率明顯增高[2-4]。隨著我國進入老齡化社會,KOA的發病率逐年升高,目前已經成為威脅老年人群身心健康的常見疾病和關節外科的研究熱點問題之一。X線片是觀察骨關節形態學的主要檢查手段之一,KOA病變的嚴重程度可依據影像學檢查結果及臨床表現等進行分級[5]。炎性細胞因子,特別是白細胞介素-1β(IL-1β)和腫瘤壞死因子-α(TNF-α),主要由滑膜組織分泌,參與多種自身免疫性炎癥反應和細胞活動。兩者協同可引起膝關節軟骨的損傷,在軟骨退變和降解過程中起著重要作用;同時還可通過刺激疼痛通路生成介質前列腺素等,激活部分痛覺感受器后形成信號,從而引起疼痛感覺。對KOA的發生、發展至關重要[6]。本研究擬分析IL-1β和TNF-α在KOA患者膝關節液中的表達,并探討兩種細胞因子表達水平與K-L分級的相關性,為臨床評估KOA的診斷與治療提供參考。

1 資料與方法

1.1一般資料回顧性分析2021-10—2022-06我院門診及住院治療的250例KOA患者的臨床資料。病程3～24 a,均符合2018年頒布的《骨關節炎診治指南》中的診斷標準[7],患者的認知及溝通功能正常。排除標準:(1)伴有嚴重內科疾病者。(2)合并類風濕性關節炎、風濕性關節炎、關節創傷、膝關節感染,或累及骨與關節腫瘤的患者。(3)入院前2周內發生局部感染者,或4周內有關節腔內注射藥物(玻璃酸鈉、幾丁糖、糖皮質激素等)和服用激素史者。根據Kellgren-Lawrence分級分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級。其中Ⅰ級組40例,Ⅱ級組55例,Ⅲ級組90例,Ⅳ級組65例。年齡(68.3±6.5)歲(范圍:51～85歲)。4組患者的年齡、性別、穿刺部位等一般資料比較差異無統計學意義(P>0.05),見表1。本研究符合醫學倫理學要求,研究對象簽署知情同意書。

表1 4組KOA患者的一般資料比較

1.2研究方法

1.2.1 KOA臨床分級 詳細詢問患者病情及既往史,明確用藥及治療情況;行全面規范的體格檢查,攝患肢負重位膝關節正側位X線片。根據K-L分級標準并結合影像學表現,分為5個等級[8]。0級:膝關節正側位X線表現基本正常。Ⅰ級:膝關節邊緣出現骨性凸起,無關節間隙狹窄。Ⅱ級:膝關節邊緣出現明顯骨性凸起,關節間隙輕微狹窄。Ⅲ級:中度骨贅形成,伴明顯關節間隙狹窄,形成軟骨下骨硬化,可發生關節骨性畸形。Ⅳ級:骨贅大量形成,重度關節間隙狹窄,軟骨下骨硬化,關節重度骨性畸形。

1.2.2 主要試劑和儀器 96孔IL-1β ELISA試劑盒(南京森貝伽生物科技有限公司),96孔TNF-α ELISA試劑盒(南京森貝伽生物科技有限公司),-80℃超低溫保存箱(青島海爾股份有限公司DW-86L626),低速臺式離心機(上海尚儀 SN-LSC-1),電熱恒溫水浴箱(成都賽可隆有限公司 HH-501),全自動酶聯免疫檢測儀(山東恒美有限公司 HM-SY96S),移液槍,移液槍槍頭,無菌離心管(5 mL、1.5 mL)。

1.2.3 標本采集方法 門診患者坐于門診處置室操作臺上,患膝關節屈曲約30°。常規消毒、鋪巾。取5 mL無菌注射器于髕骨下方髕韌帶旁經皮行膝關節穿刺抽取關節液1～5 mL。住院患者完善術前準備,腰硬聯合麻醉并收肌管神經阻滯?；颊呷∑脚P位。碘酒消毒患肢3遍、待碘酒干燥后,用75%酒精脫碘,常規鋪無菌巾單。患肢驅血,放置氣壓止血帶。取5 mL無菌注射器于髕骨下方髕韌帶旁經皮行膝關節穿刺抽取關節液1～5 mL。將膝關節液置入離心管內,并在管上標明患者姓名、分組及編號。在低速離心機內放入編好號的膝關節液,設定轉速為3 000r/min,離心20 min,分離并抽取上清液。將上清液分別置入2支1.5 mL無菌離心管內,再次于離心管上標明患者姓名、分組、編號及部位,并放置于-80℃低溫冰箱內待測。操作過程嚴格遵循無菌原則。

1.2.4 檢測方法 采用酶聯免疫吸附(ELISA)法檢測細胞因子IL-1β和TNF-α水平。操作步驟均嚴格按照ELISA試劑盒說明書進行。

2 結果

2.1不同K-L分級患者膝關節液中細胞因子IL-1β和TNF-α表達水平各級患者膝關節液內的IL-1β、TNF-α含量差異均有統計學意義(P<0.05)。隨著病情的不斷進展,KOA患者膝關節液內IL-1β及TNF-α水平逐漸增高。見表2、圖1～2。

圖1 不同K-L分級患者膝關節液中IL-1β表達水平比較(ng /L)

圖2 不同K-L分級患者膝關節液中TNF-α表達水平比較(ng /L)

表2 不同K-L分級患者膝關節液中IL-1β和TNF-α表達水平比較

2.2膝關節液中IL-1β和TNF-α表達水平與K-L分級的相關性KOA患者膝關節液IL-1β、TNF-α水平與K-L分級水平均呈正相關;膝關節液中IL-1β、TNF-α水平隨K-L分級越高而逐漸增高。K-L分級與IL-1β、TNF-α比較,差異均有統計學意義(r=0.904、0.914,P<0.05)。見圖3～4。

圖3 膝關節液中IL-1β水平與K-L分級相關性

圖4 膝關節液中TNF-α水平與K-L分級相關性

3 討論

骨性關節炎(osteoarthritis,OA)是一種慢性關節疾病,主要特征為關節軟骨退行性改變和繼發性骨質增生,發病率為5.4%～13.7%;以緩慢進行性關節疼痛、腫脹、活動障礙和畸形,并伴有關節絞索、卡壓,以及關節積液為主要臨床特征;同時伴有骨質增生、滑膜炎等[9-10]。OA好發于膝關節、髖關節,以及遠側指間關節等,起病隱匿,進展緩慢,其中以KOA最為常見。

K-L分級是KOA目前應用最廣泛的X線分級標準,也是一種直觀、簡單、有效的分級方法。K-L分級以關節間隙狹窄程度及有無骨質增生,對膝關節的病損狀態進行評價,是膝關節綜合功能的評分,可以直觀反映KOA的嚴重程度,并與膝關節的疼痛程度具有一致性[11]。本研究中KOA患者的X線顯示為非對稱性關節間隙狹窄、軟骨下骨暴露、出現囊性變及硬化、脛骨平臺邊緣及其間嵴出現大量骨質增生、髕上囊等部位內出現游離體;KOA后期關節間隙甚至消失,出現膝內翻或外翻畸形[12-14]。K-L分級通過膝關節正側位負重位X線片檢查結果,觀察膝關節間隙狹窄、骨質增生,以及軟骨下骨硬化程度等,并依據K-L分級高低反映KOA退變的嚴重程度。

IL-1β和TNF-α是影響KOA發生、發展的主要炎性因子。有關KOA研究發現,細胞因子具有調控軟骨細胞基質的合成及分解代謝平衡作用。目前已發現有許多炎性細胞因子與KOA的發病密切相關,包括炎癥介質通過被激活、誘導,憑借其相互間的共同作用,在KOA發病中起著關鍵作用。有關研究及實驗表明,IL-1β可作為軟骨代謝和軟骨下骨代謝共同的細胞因子炎癥介質,誘發炎癥反應和軟骨細胞分解,對KOA的發生、發展起重要作用[15]。IL-1β作為一種炎性遞質,可以直接刺激軟骨細胞對軟骨基質產生破壞作用,抑制軟骨膠原及蛋白聚糖合成,并加快兩者降解,導致關節軟骨及邊緣骨質進一步破壞。TNF-α對軟骨細胞和成纖維細胞均有影響,對骨破壞和軟骨基質細胞降解有重要作用,能促進基質金屬蛋白酶的釋放,出現不可逆的細胞外基質損傷[16-17]。TNF-α還可抑制Ⅱ型膠原合成,刺激細胞外基質降解,促進內皮細胞增殖與遷移和破骨細胞分化,刺激成骨細胞、T細胞和成纖維細胞,從而惡性循環增強破骨細胞的增殖,并抑制成骨細胞的增殖,造成關節軟骨破壞[18-19]。IL-1β還可促進TNF-α等其他細胞因子合成,增強TNF-α活性,產生協同作用,引發更多炎性因子生成,誘導關節軟骨細胞組織的溶解及凋亡,進一步加重損傷和病情[20]。炎性因子IL-1β和TNF-α之間相互關聯,既對機體的炎癥反應有調節功能,同時又對KOA的病理發生、發展起到促進作用,并在膝關節軟骨基質、軟組織等的病變中發揮著至關重要的調節作用。

本研究應用ELISA法檢測KOA患者膝關節液內IL-1β、TNF-α水平量,并排除了患者的一般資料(如性別、年齡、部位等)對本實驗造成的影響。結果發現,隨膝關節影像學表現的加重,患肢膝關節液內IL-1β和TNF-α的產生和聚集較前顯著增加,證實KOA的輕重程度與IL-1β和TNF-α表達水平密切相關,并在KOA發病機制中起重要作用。炎性因子IL-1β及TNF-α可導致KOA患者膝關節軟骨及邊緣骨質破壞,造成軟骨下骨硬化。KOA在影像學表現為膝關節間隙狹窄,關節邊緣及髁間嵴骨贅形成,因此認為K-L分級與膝關節液內IL-1β、TNF-α表達水平存在相關性。

Attur M等[21]對111例有癥狀的KOA患者的研究中發現,血清中IL-1與KOA影像學表現的嚴重程度密切相關,血液中高水平IL-1可促使KOA進一步發展,表明了IL-1可作為預測KOA病情發展的標志性炎性因子。?zler K[22]比較了2組各42例Ⅲ、Ⅳ級KOA患者血清和膝關節液中TNF-α的水平,結果發現,血清和膝關節液中TNF-α在Ⅲ、Ⅳ級KOA患者的表達水平與KOA臨床分級相關,膝關節滑膜炎癥越嚴重,膝關節液中TNF-α的水平越高。本研究比較了無癥狀或臨床癥狀較輕的輕中度KOA患者膝關節液內炎性因子水平,分析了在整個KOA病情進展過程中,炎性因子水平隨影像學表現變化的情況,為KOA的早期診斷和干預提供了依據[23-24]。KOA炎癥反應的發生需要多種促炎性細胞因子的參與,膝關節液內IL-1β和TNF-α表達水平可提示膝關節的炎性狀態,同時也可以反映影像學表現和病情進展的急緩嚴重程度。因此,IL-1β和TNF-α在膝關節液中表達水平的高低可作為臨床觀察KOA疾病病情發展的一項重要參考指標。

綜上所述,影響KOA發病機制的細胞因子及信號通路多且復雜,本研究受膝關節液取樣方式、標本選擇等因素影響,以及各期樣本量的限制,而且僅針對其中兩種較為主要的細胞因子進行研究,存在一定局限性和選擇偏倚,故結論還需擴大樣本量進一步開展多中心研究予以證實。