高良姜素對膝關節炎大鼠軟骨細胞自噬和凋亡的影響

關鍵詞高良姜素；膝關節炎；軟骨細胞；自噬；凋亡；AMPK/mTOR/ULK1信號通路

膝關節炎（kneeosteoarthritis，KOA）是臨床上常見的一種慢性退行性疾病，以關節疼痛、畸形和功能障礙為特征，其進展緩慢，最終因疼痛和關節運動受損而導致患者活動能力喪失[1]。我國KOA的患病率為25.51%，且隨著人口老齡化加劇和平均預期壽命延長，KOA的患病率將進一步上升[2]。目前，KOA患者的治療以口服非甾體抗炎藥為主，嚴重者需要進行全關節置換術來恢復關節功能；然而，藥物只能暫時緩解癥狀，而手術是一種危險且昂貴的選擇，效果有限[3]，加之學界對KOA的病因認識有限，因此有必要進一步闡明該病的生理病理，并開發新的治療手段。

在細胞饑餓狀態下，腺苷一磷酸活化的蛋白質激酶（adenosinemonophosphate-activatedproteinkinase，AMPK）可通過抑制哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammaliantargetofrapamycin，mTOR）來激活UNC-51樣激酶1（UNC-51-likekinase1，ULK1），從而觸發軟骨細胞自噬抑制細胞凋亡，參與調控KOA的疾病進展[4]。高良姜素（galangin，GLA）是一種重要的具有天然活性的類黃酮，具有抗炎、抗菌、抗氧化應激、抗纖維化、抗高血壓等生物活性，對類風濕性關節炎、骨關節炎（osteoarthritis，OA）、骨質疏松癥等疾病具有較好的療效[5]。相關研究顯示，GLA可通過調控AMPK/mTOR信號通路，促進細胞自噬，抑制細胞凋亡，從而減輕鎘誘導的腎毒性[6]。然而，GLA在KOA中的作用機制尚不清楚。基于此，本研究通過探討GLA調節AMPK/mTOR/ULK1信號通路對KOA大鼠軟骨細胞自噬和凋亡的影響，以期為KOA的臨床治療提供參考。

1 材料

1.1 主要儀器

TalosF200XS型透射電子顯微鏡（transmissionelectronmicroscope，TEM）購自北京歐波同光學技術有限公司；MACSQuant?VYB型流式細胞儀購自德國美天旎生物技術有限公司；LK-YG96型倒置顯微鏡購自天津徠科光學儀器有限公司；SH-523型凝膠成像系統購自杭州申花科技有限公司。

1.2 主要試劑與儀器

GLA對照品（批號ES-1114S，純度≥99%）購自上海玉博生物科技有限公司；AMPK抑制劑CompoundC對照品（批號orb1909567，純度≥98%）購自武漢博歐特生物科技有限公司；蘇木素-伊紅（HE）染色試劑盒（批號G1120-10）購自北京祥生興業科技有限公司；基質金屬蛋白酶13（matrixmetalloproteinase13，MMP-13）、白細胞介素1β（interleukin-1β，IL-1β）酶聯免疫吸附測定（ELISA）試劑盒（批號分別為F16182、F15810）購自上海西唐生物科技有限公司；自噬檢測試劑盒（批號A486454）購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；AnnexinⅤ-FITC/PI凋亡檢測試劑盒（批號JC-A80300）購自上海機純實業有限公司；BCA蛋白定量試劑盒、ECL試劑盒（批號分別為KL-X126、KL-X122）購自上海康朗生物科技有限公司；兔源β-肌動蛋白（β-actin）、磷酸化AMPK（phosphorylatedAMPK，p-AMPK）、AMPK、磷酸化mTOR（phosphorylatedmTOR，p-mTOR）、mTOR、磷酸化ULK1（phosphorylatedULK1，p-ULK1）、ULK1抗體和辣根過氧化物酶標記的山羊抗兔二抗（批號分別為ab181095、ab68206、ab271188、ab137133、ab32028、ab133766、ab177472、ab6721）購自英國Abcam公司。

1.3 實驗動物

本研究所用動物為雄性SD大鼠，體重250～300g，購于武漢有度生物科技有限公司，動物生產許可證號為SCXK（鄂）2021-0025。所有大鼠均置于溫度24℃、濕度55%、12h光/暗循環的環境中自由進食和飲水。本實驗經武漢有度生物科技有限公司動物倫理委員會審批（批件號2242930）。

2 方法

2.1 動物造模、分組與給藥

將56只大鼠采用0.3%戊巴比妥鈉腹腔注射麻醉，于右后肢膝關節腔內側切口后暴露關節腔，之后橫切前交叉韌帶，切除內側半月板，然后將髕骨復位，縫合內側囊切口，閉合皮膚。6周后，對大鼠進行X射線檢查，若顯示關節面粗糙變形，邊緣有明顯骨贅，內側間隙變窄，軟骨下骨的骨密度明顯增高，則說明KOA模型構建成功[7]。另選擇10只正常飼養的大鼠打開關節腔，但保持半月板完整，作為假手術組（即Sham組）。

將建模成功的大鼠分為模型組（即KOA組），GLA低、中、高劑量組（即L-GLA、M-GLA、H-GLA組，皮下注射100、200、400μg/kg的GLA[8]，臨用時以二甲基亞砜溶解），GLA+CompoundC組（皮下注射400μg/kg的GLA+0.2mg/kg的AMPK抑制劑CompoundC[9]），每組10只。各給藥組皮下注射相應藥液，Sham組和KOA組大鼠注射等量的生理鹽水，每天1次，連續給藥21d。

2.2 大鼠膝關節腫脹程度檢測

于給藥第7、21天時，采用游標卡尺測量大鼠左右膝關節直徑，計算右膝關節腫脹度（即右膝關節直徑與左膝關節直徑的差值）。

2.3 樣品采集

測量完大鼠左右膝關節直徑后，各組大鼠以頸椎脫臼法處死，于眼眶采集全血標本，分離血清，保存于－80℃。將右后肢膝關節軟骨組織分成兩部分：一部分置于10%多聚甲醛中固定，用于病理學觀察；另一部分保存于－80℃，備用。

2.4 大鼠血清中MMP-13、IL-1β水平檢測

采用ELISA法檢測。取“2.3”項下血清樣品，按試劑盒說明書方法操作，采用酶標儀于450nm波長處測定吸光度，并繪制MMP-13、IL-1β的標準曲線，然后計算大鼠血清中MMP-13、IL-1β水平。

2.5 大鼠膝關節軟骨組織病理學特征觀察

取“2.3”項下固定的膝關節軟骨組織適量，用水沖洗30min，在乙二胺四乙酸中室溫脫鈣4～6周，每周更換脫鈣液，然后用水沖洗30min，用不同濃度的乙醇（50%～100%）脫水，再以二甲苯透明，經石蠟包埋后制成5μm切片；切片經蘇木素染色10min，再以伊紅染色3～5min，然后在顯微鏡下觀察其病理學特征。

2.6 大鼠軟骨細胞自噬觀察

取“2.3”項下凍存的膝關節軟骨組織適量，修剪為1mm×1mm×1mm大小，在四氧化鋨（1%）中固定3h，經脫水、包埋后，切成70nm厚的薄片，再以檸檬酸鉛、醋酸鈾進行雙重染色，然后采用TEM觀察，并統計自噬空泡數。

2.7 大鼠軟骨細胞凋亡檢測

取“2.3”項下凍存的膝關節軟骨組織適量，用0.25%胰蛋白酶消化10min，加入500μL結合緩沖液重懸，再加入5μLAnnexinⅤ-FITC試劑和5μL碘化丙啶（PI），室溫下黑暗反應15min，采用流式細胞儀檢測軟骨細胞凋亡情況，并計算凋亡率（凋亡率＝凋亡細胞數/總細胞數×100%）。

2.8 大鼠膝關節軟骨組織中AMPK/mTOR/ULK1信號通路相關蛋白表達檢測

采用Westernblot法檢測。取“2.3”項下凍存的膝關節軟骨組織適量，用RIPA裂解液裂解，提取總蛋白，采用BCA試劑盒檢測上清液中的蛋白濃度。蛋白經變性處理后，取50μg至10%十二烷基硫酸鈉凝膠上，并進行十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳。將分離的樣品轉移到PVDF膜上，用含5%脫脂奶粉的TBST在室溫下阻斷1h，加入β-actin（稀釋度為1∶1000）、p-AMPK（稀釋度為1∶2000）、AMPK（稀釋度為1∶1000）、p-mTOR（稀釋度為1∶1000）、mTOR（稀釋度為1∶1000）、p-ULK1（稀釋度為1∶1000）、ULK1（稀釋度為1∶10000）一抗在4℃下孵育過夜；用TBST洗滌10min，加入二抗（稀釋度為1∶5000）在室溫下孵育1h，使用ECL試劑盒進行顯色、成像。使用ImageJ軟件進行分析，以β-actin為內參進行歸一化，以p-AMPK與AMPK、p-mTOR與mTOR、p-ULK1與ULK1的比值表示AMPK、mTOR、ULK1的磷酸化水平。

2.9 統計學方法

采用SPSS26.0軟件對數據進行統計分析。符合正態分布的計量資料以x±s表示，組間比較用單因素方差分析，組間兩兩比較采用SNK-q檢驗。檢驗水準α＝0.05。

3 結果

3.1 GLA對KOA大鼠膝關節腫脹程度的影響

GLA處理7、21d后，KOA組大鼠膝關節腫脹程度均顯著高于Sham組（P＜0.05）；L-GLA、M-GLA、H-GLA組大鼠膝關節腫脹程度均顯著低于KOA組，且具有劑量依賴性（P＜0.05）；GLA+CompoundC組大鼠膝關節腫脹程度顯著高于H-GLA組（P＜0.05）。結果見表1。

3.2 GLA對KOA大鼠血清中MMP-13、IL-1β水平的影響

KOA組大鼠血清中MMP-13、IL-1β水平均顯著高于Sham組（P＜0.05）；L-GLA、M-GLA、H-GLA組大鼠血清中MMP-13、IL-1β水平均顯著低于KOA組，且具有劑量依賴性（P＜0.05）；GLA+CompoundC組大鼠血清中MMP-13、IL-1β水平均顯著高于H-GLA組（P＜0.05）。結果見表2。

3.3 GLA對KOA大鼠膝關節軟骨組織病理學的影響

Sham組大鼠膝關節軟骨細胞排列整齊、形態規則，組織結構完整，無炎癥細胞浸潤；KOA組大鼠膝關節軟骨細胞排列紊亂，細胞核固縮，關節軟骨層纖維化嚴重，伴有大量炎癥細胞浸潤；與KOA組相比，L-GLA、MGLA、H-GLA組大鼠膝關節軟骨損傷得到明顯改善，炎癥細胞浸潤減輕，且呈現劑量依賴趨勢；與H-GLA組相比，GLA+CompoundC組大鼠膝關節軟骨損傷加重，炎癥細胞浸潤加重。結果見圖1。

3.4 GLA對KOA大鼠軟骨細胞自噬的影響

KOA組大鼠軟骨細胞自噬空泡數顯著高于Sham組（P＜0.05）；L-GLA、M-GLA、H-GLA組大鼠軟骨細胞自噬空泡數顯著高于KOA組，且具有劑量依賴性（P＜0.05）；GLA+CompoundC組大鼠軟骨細胞自噬空泡數顯著低于H-GLA組（P＜0.05）。結果見圖2、表3。

3.5 GLA對KOA大鼠軟骨細胞凋亡的影響

KOA組大鼠軟骨細胞凋亡率顯著高于Sham組（P＜0.05）；L-GLA、M-GLA、H-GLA組大鼠軟骨細胞凋亡率顯著低于KOA組（P＜0.05），且具有劑量依賴性（P＜0.05）；GLA+CompoundC組大鼠軟骨細胞凋亡率顯著高于H-GLA組（P＜0.05）。結果見表3、圖3。

3.6 GLA對KOA大鼠膝關節組織中AMPK/mTOR/ULK1信號通路相關蛋白表達的影響

KOA組大鼠膝關節組織中AMPK、ULK1蛋白的磷酸化水平均顯著低于Sham組，mTOR蛋白的磷酸化水平顯著高于Sham組（P＜0.05）；L-GLA、M-GLA、H-GLA組大鼠膝關節組織中AMPK、ULK1蛋白的磷酸化水平均顯著高于KOA組，mTOR蛋白的磷酸化水平顯著低于KOA組（P＜0.05），且具有劑量依賴性（P＜0.05）；GLA+CompoundC組大鼠膝關節組織中AMPK、ULK1蛋白的磷酸化水平均顯著低于H-GLA組，mTOR蛋白磷酸化水平顯著高于H-GLA組（P＜0.05）。結果見圖4、表4。

4 討論

OA是全球致殘疾病的主要原因，臨床上膝關節是最常見的OA部位[10]。KOA的發病機制復雜，包括機械負荷、炎癥、代謝改變、細胞衰老等，這些因素共同導致滑膜關節的結構惡化和功能衰竭，其中炎癥反應在KOA的發展中起著至關重要的作用[2]。關節損傷會導致無菌性炎癥，而高水平的炎癥因子，如MMP-13、IL-1β等，可增強破骨細胞分化，導致軟骨細胞凋亡和軟骨退變[11]。自噬是一種重要的細胞功能，可通過降解冗余或受損的蛋白質和細胞器來保護細胞免于凋亡。在KOA的進展過程中，軟骨細胞的自噬活性存在缺陷，導致細胞凋亡增加，從而加劇KOA的病理進程[12]。因此，探討KOA軟骨細胞自噬和凋亡相關的分子機制，對尋找新的治療靶點和藥物至關重要。本研究構建KOA大鼠模型后發現，大鼠關節腫脹、炎癥因子表達升高，軟骨細胞自噬空泡數、凋亡率增加，關節軟骨細胞排列紊亂，且伴有大量炎癥細胞浸潤，說明KOA伴隨著明顯的炎癥反應，存在細胞自噬和細胞凋亡，表現出膝關節自噬損傷。

研究發現，提取自中藥高良姜根部的GLA可以調控軟骨細胞，參與OA的進展[13]。相關研究顯示，GLA可通過抑制氧化應激，減弱軟骨細胞外基質降解，從而改善OA進展[14]。此外，有研究表明，GLA在體外可抑制IL-1β誘導的炎癥反應，在體內可改善軟骨退行性變化，可作為治療OA的潛在新藥物[15]。GLA還可在體內抑制類風濕性關節炎的發展，可作為治療類風濕性關節炎的潛在新藥物[16]。本研究結果顯示，GLA可促進大鼠軟骨細胞自噬，抑制細胞凋亡和炎癥反應，減輕軟骨細胞的炎癥浸潤。這提示GLA可能通過抑制炎癥反應，促進軟骨細胞自噬，抑制細胞凋亡，進而減輕KOA組織損傷。

研究表明，AMPK/mTOR/ULK1信號通路在自噬和凋亡中具有重要作用：AMPK可直接磷酸化mTOR，導致mTOR活性下調；還可通過調節ULK1泛素化，促進細胞自噬，抑制細胞凋亡[17]。Xiao等[18]研究發現，基烯醇可以通過調控AMPK/mTOR/ULK1信號通路，促進急性肺損傷細胞自噬，減輕脂多糖誘導的肺部炎癥和白細胞浸潤。吳偉欣等[19]研究發現，龜鹿二仙膠可通過調控AMPK/mTOR/ULK1信號通路誘導自噬，減少軟骨細胞凋亡，對KOA具有較好的治療效果。蔡猛等[20]研究發現，牛蒡子苷元可激活AMPK/ULK1信號通路，促進OA細胞自噬，抑制軟骨細胞焦亡，減輕關節軟骨組織損傷。本研究結果顯示，KOA組大鼠膝關節組織中AMPK、ULK1蛋白的磷酸化水平均低于Sham組，mTOR蛋白的磷酸化水平高于Sham組，這提示AMPK/mTOR/ULK1信號通路被抑制，可能是KOA發生的重要原因。經GLA干預后，AMPK、ULK1蛋白的磷酸化水平均高于KOA組，mTOR蛋白的磷酸化水平低于KOA組；進一步以AMPK抑制劑CompoundC干預后發現，其可逆轉GLA對AMPK/mTOR/ULK1信號通路的激活作用。這提示，GLA可能通過激活AMPK/mTOR/ULK1信號通路，促進KOA大鼠軟骨細胞自噬，抑制細胞凋亡，從而改善KOA組織損傷。

綜上所述，GLA可促進KOA大鼠軟骨細胞自噬，抑制細胞凋亡，其作用機制可能與激活AMPK/mTOR/ULK1信號通路有關。