血清IL-18與膝骨關節炎關節結構改變相關性研究

劉娉娉,周珺賢,徐健華,鄭 雙,任家樂,丁長海, 2,王 康

骨關節炎(osteoarthritis, OA)是一種常見的關節退行性疾病,主要特征是軟骨病變和骨贅形成[1]。研究[2-3]表明,多種炎性細胞因子通過參與OA分解代謝過程,加速軟骨基質退變和軟骨破壞。血清白細胞介素(interleukin,IL)-18是IL-1細胞因子超家族成員,能夠增加OA軟骨細胞基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase, MMP)-3, MMP-13水平,發揮軟骨基質降解作用[4-5]。既往臨床研究[6]表明,血漿、滑膜和關節軟骨中IL-18水平與OA患者Kellgren and Lawrrence (K-L)評分呈正相關。但這項研究樣本量小,很難通過X線測量OA早期改變,這使該研究設計更加合理。

尚未有文獻報道IL-18水平與膝OA早期核磁共振(magnetic resonance imaging, MRI)的結構改變關聯。因此,該研究旨在探討膝OA患者血清IL-18水平與軟骨體積、軟骨缺損、骨髓病變(bone marrow lesions, BML)以及血清MMP-3和MMP-13水平的橫斷面研究。

1 材料與方法

1.1 病例資料該研究是安徽膝OA研究的一部分,該研究主要研究對象為癥狀性膝OA患者。所有患者均符合美國風濕病學會標準。該研究納入2012年1月—2013年11月在安徽醫科大學第一附屬醫院風濕免疫科門診收治151例膝OA患者。納入標準:① 符合膝OA診斷標準;② 年齡≥18歲;③ 伴有膝關節疼痛、腫脹、功能障礙表現。排除標準:① 類風濕關節炎或其他炎癥性疾病患者;② 糖尿病以及計劃在2年內行膝關節置換術的膝OA患者;③ MRI禁忌患者(包括金屬縫合線、彈片和幽閉恐懼癥等)。

1.2 主要試劑與儀器IL-18 酶聯免疫吸附法(enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA)試劑盒(貨號:EHC127.96)購自深圳欣博盛生物技術有限公司;MMP-3和MMP-13 ELISA試劑盒(貨號:E-EL-H1446c和E-EL-H6023)購自武漢伊萊瑞特生物技術股份有限公司;核磁共振儀購自美國通用電氣公司(型號:GE Signa 3.0T HDXT)。

1.3 方法

1.3.1X射線測量 所有患者均行膝關節X射線檢查。雙腿15°屈曲、站立,前后視圖在有癥狀的膝關節上拍攝(如果兩個膝關節都受到影響,則選擇更嚴重的;如果兩個膝關節同樣嚴重,則為右膝)。放射科專家使用K-L分級系統(0～4級)進行放射影像學評估:0 級,無改變(正常);1 級,無關節間隙狹窄,可疑骨贅;2 級,可疑關節間隙狹窄,輕度骨贅;3級,明確關節間隙狹窄,中度骨贅和(或)軟骨下骨硬化;4 級,顯著關節間隙狹窄,重度骨贅和(或)嚴重的軟骨下骨硬化[7]。放射學OA定義為K-L分級≥2級[7]。

1.3.2血清IL-18和MMP測量 所有患者取空腹晨血,分離血清并分裝到離心管中儲存在-80 ℃直至檢測。根據說明書使用ELISA試劑盒測量血清IL-18和MMP-3、MMP-13水平。

1.3.3核磁共振成像評估 使用3.0T核磁共振儀檢查設備,在相同的正交收發線圈對選定膝關節進行MRI檢查,序列和參數與先前報道[8]一致。所有圖像被隨機分組并閱片,受試者的信息和狀態被屏蔽,避免對觀察者造成影響。該研究觀察者之間可靠性較高。通過OsiriX軟件在3D-FLASH序列上測量軟骨體積。采用圈套工具將單個軟骨板(脛骨內側、脛骨外側和髕骨)的體積從總體積中分離出來。使用軟件程序計算軟骨體積,軟骨體積測量的變異系數為2.1%～2.6%。

關節表面區域的分割是基于膝OA的全器官核磁共振成像評分[9](whole-organ magnetic resonance imaging score, WORMS): 股骨和脛骨分為內側和外側部位。股骨和脛骨表面進一步細分為前(A),中(C)和后(P)亞區域。使用T2加權圖像在脛骨內側和外側、股骨內側和外側以及髕骨部位使用0～4量表評估軟骨缺損,如下所示:0=正常軟骨;1=局灶性水皰和軟骨內低信號,表面和底部完整;2=表面或底部不規則,厚度損失<50%;3=深度潰瘍,厚度損失>50%;4=全層軟骨磨損,軟骨下骨暴露。軟骨缺損至少連續兩個層面。每個區域的最高分用于表示該區域得分。

同樣基于WORMS對膝關節結構進行分區,使用半定量(0～3)評分系統進行BML分級[9-10]:0=正常;1=BML面積<25%;2=25%≤BML面積<50%;3=BML面積≥ 50%。每個區域的最高分被用來代表該區域得分。

1.4 統計學處理t檢驗、χ2檢驗或Wilcoxon秩和檢驗分別用于比較均值和比例。線性回歸分析用于檢測IL-18與軟骨體積,MMP-3和MMP-13之間的關聯。有序回歸分析用于檢測IL-18與軟骨缺損和BML之間的關聯。定期對模型擬合和殘差進行標準診斷檢查,并調查具有大殘差和(或)差異的數據點是否存在數據錯誤。P<0.05或 95%CI表示差異有統計學意義。所有統計分析均使用SPSS 26.0進行。

2 結果

2.1 一般資料及IL-18水平比較研究納入205例患者,其中54例患者因數據不完整被排除。該研究最終納入151例年齡34～74(55.62±8.57)歲的患者。這些患者之間在年齡、性別和BMI等人口因素方面沒有顯著差異。根據IL-18中位數水平(281.24 pg/ml)將患者進行分組(表1)。研究表明兩組之間的K-L分級差異有統計學意義(P<0.05),IL-18高水平組存在更高的K-L分級。兩組之間在內側股脛關節區域(media femorotibial joint, MFTJ)的軟骨缺損和BML評分方面也存在顯著差異(P<0.01),IL-18高水平組在MFTJ的軟骨缺損和BML評分更高。兩組之間的總軟骨體積、MFTJ、外側股脛關節 (lateral femorotibial joint, LFTJ)和髕骨股骨關節(patella femoral joint, PFJ)區域的軟骨體積呈顯著差異(均P<0.05)。IL-18高水平組軟骨體積較低,MMP-3和MMP-13水平較高。

表1 一般人口學及臨床特征

2.2 血清IL-18與軟骨總體積相關性在調整年齡、性別和BMI等混雜因素前后,血清IL-18水平與總軟骨體積呈顯著負相關(表2)。分區研究的結果也顯示,在調整相同混雜因素后,IL-18與PFJ、 LFTJ和MFTJ區域的軟骨體積呈顯著負相關(表2),在未調整混雜因素前,差異無統計學意義。

表2 血清IL-18與軟骨體積相關性分析

2.3 血清IL-18水平與軟骨缺損和BML相關性在調整年齡、性別和BMI等混雜因素前后,血清IL-18水平與MFTJ部位軟骨缺損改變均呈顯著正相關(圖1),MFTJ部位的IL-18和BML改變之間也存在顯著正相關(圖2)。但是血清IL-18水平與LFTJ和PFJ區域的軟骨缺損以及BML差異無統計學意義。

圖1 膝OA患者血清IL-18與軟骨缺損相關性分析與1分組比較:*P<0.05,**P<0.01;與2分組比較:##P<0.01

圖2 膝OA患者血清IL-18與軟骨下BML相關性分析與0分組比較:**P<0.01;與1分組比較:##P<0.01

2.4 血清IL-18與MMPs相關性血清IL-18水平與軟骨降解生物標志物之間的關聯見表3。在調整年齡、性別和BMI相關因素前后,患者血清中IL-18水平與血清MMP-3和MMP-13水平呈正相關(表3)。

表3 血清IL-18與MMPs之間相關性分析

3 討論

該研究表明膝OA患者血清IL-18水平與軟骨病變方面存在顯著相關性,包括MRI上的結構改變和軟骨基質降解的血清生物標志物。IL-18和股骨內側BML之間的顯著關聯也意味著IL-18在膝OA發病早期中起重要作用。

IL-18在膝OA患者軟骨降解中的確切機制尚不清楚,有研究[11]表明,IL-18可能通過介導促炎因子,如腫瘤壞死因子、IL-8、IL-6和前列腺素E2(prostaglandin E2, PGE2))釋放,促進軟骨降解,誘導軟骨細胞凋亡從而加重膝OA。體內研究[11]表明,膝OA患者滑液IL-18水平顯著高于正常對照,滑液中IL-18水平與環氧化酶-2(cyclooxygenase-2, COX-2)和PGE2水平顯著相關。IL-18可以刺激軟骨細胞釋放COX-2和一氧化氮合酶,通過其產物前列腺素和一氧化氮加速軟骨分解代謝過程[11]。該研究還表明IL-18和MMPs之間存在顯著正相關,這一研究結果與其他團隊的研究結果[3, 5]一致。該研究表明,軟骨細胞在IL-18刺激下可增加MMP-3、MMP-13表達,通過核因子-κB抑制劑阻斷這種作用[4-5]。靶向IL-18信號通路的治療可能對膝OA發揮一定的作用。臨床研究[5]表明,OA患者血清中IL-18水平顯著高于對照組,IL-18水平與MMP-3和人軟骨糖蛋白呈顯著正相關。此外,有研究[3, 5]表明滑液IL-18升高可能通過激活MMP-3參與OA發病機制。

盡管IL-18和MMP之間的關聯已被廣泛研究,但IL-18在膝OA結構改變中的作用仍無定論。既往有研究[6]表明OA患者血清IL-18水平與K-L分級之間存在正相關。另一項研究[5]表明IL-18與OA結構和癥狀變化之間無明顯相關性,包括K-L分級,西安大略省和麥克馬斯特大學骨關節炎指數評分和Lequesne指數。與通過X射線評估K-L分級相比,MRI的應用可以檢測膝OA早期改變,例如軟骨缺損、軟骨體積損失和軟骨下骨的BML。該研究表明IL-18與OA患者膝關節軟骨體積和軟骨缺損之間均存在顯著關聯,這意味著IL-18在膝OA軟骨病變中發揮重要作用。

該研究還表明IL-18與BML呈現顯著正相關。BML也是膝OA的標志事件之一,目前尚未深入探討膝OA患者中血清IL-18與BML之間的關系。該課題組推測IL-18可能的作用機制為:① IL-18可能通過刺激IL-6和TNF-α的產生誘導BML生成[12-13];② IL-18可直接誘導內皮細胞遷移和血管形成,或間接增加血管生成介質如血管內皮生長因子的表達,以促進BML形成。這些假設需要進一步的研究來證實。

該研究存在以下局限性:這是一項橫斷面研究,因此無法確定因果關系,需要通過進一步的縱向研究來驗證;患者是從門診連續招募的,而不是從社區隨機招募的,因此結果可能導致選擇偏倚;該研究檢測的是血清IL-18水平,但需要考慮滑液中IL-18對關節的局部影響;測量誤差可能會對結果造成影響,但基于所有測量的高重復性,它們不具有顯著性。