Hydroxyl Saffloer Geel A (HSYA) vermindert artrose van de knie door de autofagie en proliferatie van chondrocyten te versterken, terwijl apoptose en ontsteking worden onderdrukt via remming van de HIF-1α/BNIP3-route.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Onderzoeksartikel
Hydroxyl Saffloer Geel A (HSYA) vermindert artrose van de knie door de autofagie en proliferatie van chondrocyten te versterken, terwijl apoptose en ontsteking worden onderdrukt via remming van de HIF-1α/BNIP3-route.
De vermindering van autofagie in kraakbeenweefsel is nauw verbonden met de ontwikkeling van artrose van de knie (KOA), maar de mechanismen waarmee Hydroxylsaffloer geel A (HSYA) beschermende effecten uitoefent, blijven onvolledig begrepen. In deze studie werden menselijke KOA-chondrocyten geïsoleerd en toegewezen aan verschillende behandelingsgroepen, waaronder normale controle, blanco model, HSYA, hypoxie-induceerbare factor-1α (HIF-1α)-remmer, autofagie-inductor, HSYA gecombineerd met HIF-1α-remmer en HSYA gecombineerd met autofagie-inductor. Pro-inflammatoire cytokinen (IL-1β, TNF-α, IL-6) werden gekwantificeerd door ELISA, eiwitexpressie van HIF-1α, BNIP3 en autofagie-gerelateerde markers werden onderzocht door Western blotting, en autofagische blaasjes in mitochondriën werden geëvalueerd met behulp van monodansylcadaverinekleuring en transmissie-elektronenmicroscopie. Vergeleken met de normale controle vertoonde de blanco modelgroep significant verhoogde niveaus van IL-1β, TNF-α, IL-6 en HIF-1α, vergezeld van hogere apoptosepercentages, verminderde proliferatie en downregulatie van autofagie-gerelateerde eiwitten (P < 0,05). Behandeling met HSYA, HIF-1α-remmer of autofagie-inductor verhoogde de autofagiegerelateerde eiwitexpressie aanzienlijk en verlaagde de inflammatoire cytokinespiegels. Bovendien produceerde HSYA in combinatie met HIF-1α-remmer of autofagie-inductor de meest uitgesproken effecten, met duidelijke verminderingen van de afgifte van cytokines en apoptose, samen met verbeterde proliferatie van chondrocyten en mitochondriale autofagische blaasjesvorming (P < 0,05). Deze bevindingen tonen aan dat HSYA chondroprotectieve effecten uitoefent bij KOA, althans gedeeltelijk, door remming van de HIF-1α/BNIP3-route, waardoor autofagie wordt bevorderd en ontstekingsschade in chondrocyten wordt verzacht.
Als een veel voorkomende chronische orthopedische aandoening treft knieartrose (KOA) personen van middelbare leeftijd en ouderen, wat een aanzienlijke invloed heeft op hun kwaliteit van leven 1,2. Ondanks het wijdverbreide voorkomen ervan, blijven de precieze etiologie en pathofysiologische mechanismen die ten grondslag liggen aan KOA onvolledig begrepen. Bovendien onderstreept zowel voor preventie als voor curatieve behandeling de urgentie om de ingewikkelde pathologische onderbouwing van deze aandoening te ontrafelen. Een gebied van opkomend belang is de rol van autofagie in de kraakbeenhomeostase, met toenemend bewijs dat suggereert dat verminderde autofagie in kraakbeenweefsel bijdraagt aan de degeneratie ervan in KOA 3,4.
Autofagie, een cellulair afbraakproces dat van vitaal belang is voor het behoud van de cellulaire homeostase, is van groot belang bij het onderhoud en herstel van kraakbeen. In de hypoxische micro-omgeving die veel voorkomt in gewrichtskraakbeen, komt de hypoxie-induceerbare factor 1α (HIF-1α)/adenovirus E1B 19 kDa interagerende proteïne 3 (BNIP3) signaalroute naar voren als een cruciale regulator van autofagie. Verhoogde HIF-1α-expressie is waargenomen bij KOA-patiënten, wat suggereert dat ontregeling van deze route kan bijdragen aan verminderde autofagie en daaropvolgende kraakbeendegeneratie 5,6,7.
Acupunctuur, moxibustie, kruiden en massage zijn vier klassieke methoden van de traditionele Chinese geneeskunde voor de behandeling van artritis in de knie. De huidige behandelingen, zoals niet-steroïde anti-inflammatoire geneesmiddelen, hyaluronzuurinjecties en artroplastiek, zijn nuttig gebleken, maar gaan ook gepaard met bepaalde bijwerkingen8. Bovendien is er geen aanbevolen routinebehandeling voor artrose van de knie. In de loop van de tijd heeft de Traditionele Chinese Geneeskunde (TCM), als een veel voorkomende aanvullende therapie voor KOA, tal van kruidengeneesmiddelen ontwikkeld die veelbelovend zijn bij de behandeling van KOA9. Hiervan heeft Hydroxyl saffloer geel A veel aandacht gekregen vanwege zijn ontstekingsremmende en autofagie-modulerende eigenschappen10,11. De exacte mechanismen waarmee HSYA zijn therapeutische invloed uitoefent op artrose van de knie (KOA), met name in termen van het reguleren van autofagie via de HIF-1α/BNIP3-route, blijven echter onzeker. Daarom onderzoeken we het mechanisme van HSYA's therapeutische effecten in KOA door ons te concentreren op de impact ervan op de autofagie van chondrocyten en de interactie met de HIF-1α/BNIP3-route. Onze hypothese is dat HSYA artrose van de knie vermindert door de autofagie en proliferatie van chondrocyten te versterken, terwijl apoptose en ontsteking worden onderdrukt via remming van de HIF-1α/BNIP3-route.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Alle procedures met menselijke monsters werden goedgekeurd door de ethische commissie van het Zhanjiang Central People's Hospital (goedkeuringsnr. KY-YS-2021-09). Voorafgaand aan de monsterafname werd schriftelijke geïnformeerde toestemming verkregen van alle deelnemers. De gebruikte reagentia en de gebruikte apparatuur staan vermeld in de materiaaltabel.
1. Patiënten en onderzoeksopzet
Dertig patiënten met de diagnose knieartrose (KOA) die een totale knieartroplastiek ondergingen, werden gerekruteerd. Het cohort omvatte 14 mannen en 16 vrouwen in de leeftijd van 52-75 jaar (gemiddelde ± SD: 64,3 ± 12,6 jaar), die allemaal voldeden aan de KOA-criteria12 van het American College of Rheumatology. Patiënten werden uitgesloten als ze binnen 2 weken voorafgaand aan de operatie niet-steroïde anti-inflammatoire geneesmiddelen of steroïden hadden gekregen of binnen 1 maand intra-articulaire injecties.
2. Primaire chondrocytencultuur
Gewrichtskraakbeen werd onmiddellijk na de operatie onder steriele omstandigheden verzameld en in koude PBS geplaatst. Met behulp van steriele scalpels werd het kraakbeen op een ijskoude glasplaat in fragmenten van ~1 mm³ gesneden en overgebracht in een centrifugebuis van 50 ml met 10 ml 0,25% trypsine-EDTA. De buis werd gedurende 30 minuten geïncubeerd in een schudwaterbad van 37 °C bij 80 tpm en elke 5 minuten voorzichtig omgekeerd om de spijsvertering te vergemakkelijken. Het bovenstaande werd opgezogen en de weefselkorrel werd eenmaal gewassen met PBS en gedurende 5 minuten gecentrifugeerd bij 200 × g . De pellet werd vervolgens geresuspendeerd in 10 ml 0,02% type II collagenase en gedurende 4 uur bij 37 °C verteerd met schudden. De suspensie werd om de 30 minuten op en neer gepipeteerd om de dissociatie te bevorderen, door een zeef van 70 μm geleid en gedurende 5 minuten opnieuw gecentrifugeerd bij 200 × g . De resulterende pellet werd geresuspendeerd in DMEM, aangevuld met 10% FBS, 100 E/ml penicilline en 100 μg/ml streptomycine en gezaaid in T25-kolven. Cellen werden geïncubeerd bij 37 °C met 5% CO2, het medium werd elke 2-3 dagen vervangen en cellen uit de passages 1-2 werden gebruikt voor experimenten. Experimentele groepen omvatten normale controle, blanco model, HSYA (100 μmol/L), HIF-1α-remmer YC-1 (10 μmol/L), rapamycine (10 nmol/L), HSYA + YC-1 en HSYA + rapamycine.
3. siRNA-gemedieerde HIF-lα, BNIP3 knockdown
Primaire chondrocyten werden gezaaid in platen met 6 putjes bij 2-5 × 105 cellen/putje en gekweekt bij 37 °C totdat ze 30%-50% samenvloeiing bereikten. Voor elke put werd 5 μL van 20 μM siRNA verdund in 250 μL Opti-MEM, en 5 μL van op lipiden gebaseerd transfectiereagens werd afzonderlijk verdund in 250 μL Opti-MEM. De twee oplossingen werden voorzichtig gemengd en gedurende 15-20 minuten bij kamertemperatuur geïncubeerd om complexen te vormen. Het kweekmedium werd vervangen door 1,5 ml verse DMEM met 10% FBS, en het siRNA-lipidencomplex (500 μl) werd druppelsgewijs langs de putwand toegevoegd met zachte werveling. De cellen werden gedurende 6 uur geïncubeerd, het medium werd vervangen door een volledig medium en de kweek werd gedurende 48-72 uur voortgezet. De efficiëntie van knockdowns werd geverifieerd door qRT-PCR en Western blot vóór verdere behandelingen.
4. ELISA
Celkweeksupernatanten werden verzameld, gecentrifugeerd bij 200 × g gedurende 5 minuten en indien nodig 1:2 verdund in een analysebuffer. ELISA-kits voor IL-1β, TNF-α en IL-6 werden gebruikt volgens het protocol van de fabrikant. Standaarden, blanco's en samples werden in drievoud uitgevoerd. Na een substraatreactie werd de extinctie binnen 15 minuten gemeten bij 450 nm met behulp van een microplaatlezer.
5. MTT-test
Chondrocyten werden gezaaid in platen met 96 putjes met 5.000 cellen/putje in 100 μL compleet medium en geïncubeerd gedurende 0 uur, 24 uur, 48 uur of 72 uur. Op elk tijdstip werd 20 μL MTT-oplossing (5 mg/ml in PBS) rechtstreeks aan elk putje toegevoegd en werden de platen gedurende 30 minuten bij 37 °C geïncubeerd totdat paarse formazankristallen zichtbaar werden op de bodem van de putjes. Het bovenstaande werd voorzichtig opgezogen zonder de kristallen te verstoren, 150 μL DMSO werd aan elk putje toegevoegd en de platen werden gedurende 10 minuten op een shaker bij 100 tpm geplaatst om de kristallen volledig op te lossen. De extinctie werd gemeten bij 490 nm met behulp van een microplaatlezer. De korte incubatietijd werd gekozen om signaalverzadiging in zeer metabolisch actieve cellen te voorkomen.
6. Flowcytometrie
Cellen werden geoogst door trypsinisatie, gecentrifugeerd bij 200 × g gedurende 5 minuten en tweemaal gewassen met koude PBS. Ze werden geresuspendeerd in 500 μL bindingsbuffer bij ~1 × 106 cellen/ml, en 5 μL Annexine V-FITC en 5 μL PI werden toegevoegd. Na voorzichtig mengen werden de cellen gedurende 15 minuten bij kamertemperatuur in het donker geïncubeerd. Monsters werden geanalyseerd op een flowcytometer, waarbij ten minste 10.000 gebeurtenissen per monster werden verzameld (excitatie 488 nm, emissie FITC 530/30 nm, PI > 600 nm). Apoptotische cellen werden gekwantificeerd met behulp van standaardsoftware.
7. Western blotting
De cellen werden tweemaal gespoeld met koude PBS en gedurende 30 minuten op ijs gelyseerd in een RIPA-buffer van 200 μL met proteaseremmers. De cellen werden met een plastic schraper geschraapt, op en neer gepipeteerd om de viscositeit te verminderen en gecentrifugeerd bij 12.000 × g gedurende 10 minuten bij 4 °C. Er werden supernatanten verzameld en de eiwitconcentraties werden gemeten met behulp van de BCA-test. Gelijke hoeveelheden eiwit (30 μg) werden gemengd met 5× laadbuffer, verwarmd tot 95 °C gedurende 5 minuten en gescheiden op 10%-12% SDS-PAGE-gels. Elektroforese werd uitgevoerd op 80 V voor stapelen en 120 V voor scheiding, en eiwitten werden gedurende 90 minuten overgebracht op PVDF-membranen bij 300 mA. De membranen werden gedurende 1 uur bij kamertemperatuur geblokkeerd in 5% magere melk en een nacht bij 4 °C geïncubeerd met primaire antilichamen (1:1.000). Na drie wasbeurten met TBST werden de membranen gedurende 1 uur bij kamertemperatuur geïncubeerd met HRP-geconjugeerde secundaire antilichamen (1:5.000). Eiwitbanden werden gevisualiseerd met ECL-substraat en in beeld gebracht met behulp van een chemiluminescentiedetectiesysteem met een belichting van 30-120 s. Bandintensiteiten werden gekwantificeerd met behulp van ImageJ en GAPDH werd gebruikt als belastingscontrole.
8. Monodansylcadaverine (MDC) kleuring
Onmiddellijk voor gebruik werd een MDC-werkoplossing van 50 μM bereid uit de voorraadoplossing. De cellen werden gedurende 10 minuten bij kamertemperatuur gefixeerd met 1 ml 4% paraformaldehyde, tweemaal gewassen met PBS en gedurende 30 minuten geïncubeerd met 500 μl MDC-werkoplossing bij 37 °C in het donker. Na twee wasbeurten met PBS werden dekglaasjes gemonteerd met antifade-montagemedium en geobserveerd onder een fluorescentiemicroscoop (excitatie 355 nm, emissie 512 nm).
9. Transmissie elektronenmicroscoop (TEM)
De cellen werden geoogst en gepelleteerd door centrifugatie bij 200 × g gedurende 5 minuten, en vervolgens 's nachts gefixeerd in 2% glutaaraldehyde bij 4 °C. De monsters werden driemaal gewassen met PBS gedurende 5 minuten en gedurende 1 uur bij 4 °C in een zuurkast gefixeerd in 1% osmiumtetroxide. Dehydratatie werd uitgevoerd door middel van een gegradueerde acetonreeks van 30%, 50%, 70%, 90% en 100% gedurende elk 10 minuten. De monsters werden gedurende 1 uur geïnfiltreerd met 1:1 aceton/epoxyhars en vervolgens 's nachts met pure hars. Het inbedden werd uitgevoerd in verse hars en gedurende 48 uur gepolymeriseerd bij 60 °C. Ultradunne secties van 50-70 nm werden gesneden met een ultramicrotoom, gemonteerd op koperen roosters met 200 mazen, gekleurd met 2% uranylacetaat gedurende 30 minuten, gevolgd door loodcitraat gedurende 15 minuten, gewassen met gedestilleerd water, aan de lucht gedroogd en onderzocht onder een transmissie-elektronenmicroscoop bij 80 kV. Als veiligheidsopmerking zijn glutaaraldehyde en osmiumtetroxide giftig en vluchtig en mogen ze alleen worden gehanteerd in een zuurkast met handschoenen en veiligheidsbrillen. Afval moet worden verwijderd in aangewezen gevaarlijke containers in overeenstemming met de veiligheidsprotocollen van de instelling.
10. Statistische analyse
Alle experimenten werden in drievoud uitgevoerd. Gegevens worden uitgedrukt als gemiddelde ± SD. Statistische significantie werd beoordeeld met behulp van eenrichtings-ANOVA gevolgd door LSD post-hoctest, waarbij P < 0,05 als significant werd beschouwd.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
HSYA's effect op de expressie van chondrocyten pro-inflammatoire cytokines (IL-1β, TNF-α, IL-6)
Vergeleken met de normale controlegroep vertoonden alle andere groepen significant verhoogde niveaus van pro-inflammatoire cytokines (IL-1β, TNF-α en IL-6) (P < 0,05, Tabel 1, Figuur 1A-G). Behandeling met HSYA, HIF-1α-remmer, autofagie-inductor, HSYA + HIF-1α-remmer of HSYA + autofagie-inductor verlaagde de cytokinespiegels...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Artrose (OA), een veel voorkomende chronische ziekte, schaadt de kwaliteit van leven van patiënten aanzienlijk. Van de verschillende subtypes van artrose is KOA de meest voorkomende, wat bijdraagt aan de wereldwijde ziektelast. Ondanks de hoge incidentie blijven de precieze etiologie en onderliggende pathofysiologische mechanismen van KOA ongrijpbaar. De ingewikkelde wisselwerking tussen mechanische en biochemische processen in gewrichtskraakbeen, met name de regulatie van de chondrocyte...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs verklaren geen tegenstrijdige belangen.
Dit werk werd ondersteund door het Bureau voor Traditionele Chinese Geneeskunde van de provincie Guangdong
(Subsidie nr. 20221446).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 1% Osmium Tetroxide | Electron Microscopy Sciences | 19150 | Verder bevestigt en kleurt monsters voor TEM-analyse |
| 2% Glutaraldehyde | Sigma-Aldrich | G5882 | Bevestigt cellen voor TEM-monstervoorbereiding |
| 4% Paraformaldehyde | Servicebio | G1101 | Bevestigt cellen voor MDC-kleuring en TEM-monstervoorbereiding |
| AG1478 | Selleck Corporation | S1005 | 20 mg/kg intraveneuze injectie, ErbB-receptorkinaseremmer in ratmodel |
| Annexin V-FITC/PI Apoptosis Detection Kit | Bioswamp | BS3030 | Kleurt apoptotische cellen voor detectie met stromcytometrie |
| Autophagy inducer (RAPA) | Sigma Corporation | R0395 | Rapamycine, autofagie-inductor, gebruikt bij 10 nmol/L in experimenten met chondrocyten |
| Beclin1 Antibody | Santa Cruz Biotechnology | sc-48341 | Primaire antilichaam voor Western blot-detectie van het autofagie-gerelateerde eiwit Beclin1 |
| BNIP3 Antibody | Santa Cruz Biotechnology | sc-517348 | Primaire antilichaam voor Western blot-detectie van BNIP3 |
| Carbon dioxide incubator | Yiheng | BPN-150CW | voor celcultuur |
| Dimethyl Sulfoxide (DMSO) | Sigma-Aldrich | D2650 | Los op formazankristallen in MTT-test |
| DMEM | Beyotime | C0001 | Cellcultuurmedium, aangevuld met 10% FBS voor chondrocytencultuur |
| ELISA Microplate Reader | Thermo Fisher Scientific | Multiskan FC | Meet OD-waarden in ELISA- en MTT-assays |
| Enhanced Chemiluminescence (ECL) Reagent | Thermo Fisher Scientific | 32106 | Maakt eiwitbanden zichtbaar in Western blot |
| Epoxy Resin (EPON812) | Electron Microscopy Sciences | 14120 | Bevestigt monsters voor TEM-sectie |
| FBS | Beyotime | C0205 | Fetaal bovien serum, toegevoegd aan DMEM voor chondrocytenvoeding |
| Flow Cytometer | Beckman (genoemd voor apoptose) | CytoFLEX S | Detecteert apoptosepercentage van chondrocyten en cellulaire markers |
| Fluorescence Microscope | Olympus | IX73 | Observeert MDC-gekleurde autofagische vacuolen |
| Gel Imaging System | Bio-Rad | ChemiDoc XRS+ | Vangt en kwantificeert eiwitbanden uit Western blot |
| HIF-1α Antibody | Santa Cruz Biotechnology | sc-13515 | Primair antilichaam voor Western blot-detectie van HIF-1α |
| HIF-1α inhibitor (YC-1) | Selleck Corporation | S1047 | HIF-1α pad-remmer, gebruikt bij 10 µmol/L in celexperimenten |
| High-Speed Refrigerated Centrifuge | Eppendorf | 5430R | gebruikt voor het scheiden van componenten |
| HRP-conjugated Secondary Antibody | Jackson ImmunoResearch | 115-035-003 | Bindt primaire antilichamen voor signaalversterking in Western blot |
| IL-1β ELISA Kit | Shenggong Biology | C5236 | Kwantificeert IL-1β-niveaus in celsupernatanten via ELISA |
| IL-6 ELISA Kit | Shenggong Biology | C5237 | Kwantificeert IL-6-niveaus in celsupernatanten via ELISA |
| LC3 Antibody | Santa Cruz Biotechnology | sc-398822 | Primair antilichaam voor Western blot-detectie van het autofagie-gerelateerde eiwit LC3 |
| Lipofectamine 3000 reagent | Thermo Fisher Scientific | L3000001 | Lipide-gebaseerd transfectiereagens voor transfectie |
| Monodansylcadaverine (MDC) | Sigma-Aldrich | D4008 | 0,05 mol/L, kleurt autofagische vacuolen voor fluorescentiemicroscopie |
| MTT Reagent | Beyotime | C0009 | 0,5 mg/mL, gebruikt in MTT-test om chondrocytenproliferatie te beoordelen |
| NanoDrop 2000 | Thermo Fisher Scientific | ND-1000 | bepaalt de concentratie van RNA |
| NRG1 ELISA Kit | Abcam (UK) | ab213961 | Meet NRG1-concentratie in hartweefsels via ELISA |
| P62 Antibody | Santa Cruz Biotechnology | sc-28359 | Primair antilichaam voor Western blot-detectie van het autofagie-gerelateerde eiwit P62 |
| Phosphorylated ErbB4 (p-ErbB4) Antibody | Affinity | AF3445 | Primair antilichaam voor Western blot-detectie van geactiveerde ErbB4 |
| PrimeScript RT Reagent Kit | TaKaRa | RR047A | RNA-omkeringstranscriptie om sjablonen te leveren voor qPCR-experiment |
| Real-time quantitative PCR system | Bio-Rad | CFX96 | voor RT-PCR detectie |
| Recombinant human NRG1 (rh-NRG1) | R&D Systems | 396-HB | 5 mg/kg intraveneuze injectie om NRG1/ErbB4-pad te activeren in ratmodel |
| RIPA Buffer | Meilunbio | MA0151 | Lysebuffer met protease/fosfatase-remmers voor eiwitextractie |
| Safflower Yellow A (HSYA) | Chengdu Mansit Biotechnology Co., Ltd. | Must-160601 | Bioactieve component van Carthamus tinctorius L., gebruikt bij 100 µmol/L voor chondrocytenbehandeling |
| SDS-PAGE Equipment | Bio-Rad | Mini-PROTEAN Tetra | Scheidingen eiwitten op moleculair gewicht in Western blot |
| TB Green Premix Ex Taq II | TaKaRa | RR820A | voor qPCR-experiment |
| TNF-α ELISA Kit | Shenggong Biology | C5238 | Kwantificeert TNF-α-niveaus in celsupernatanten via ELISA |
| Total ErbB4 Antibody | Proteintech | 19943-1-AP | Primair antilichaam voor Western blot-detectie van totaal ErbB4 |
| Transmission Electron Microscope (TEM) | Hitachi (genoemd voor autofagische vacuolen) | H-7650 | Observeert autofagische vacuolen in mitochondriën op ultrastructureel niveau |
| Trizol Reagent | Thermo Fisher Scientific | 15596026 | voor RNA-extractie |
| Trypsin-EDTA | Gibco (Thermo Fisher) | 25200056 | Wordt gebruikt voor enzymatische vertering van gewrichtskraakbeen om chondrocyten te isoleren |
| Type II Collagenase (0.02%) | Worthington Biochemical | CLS-2 | Verteert kraakbeenweefsel voor chondrocytenisolering |
| β-catenin Antibody | Santa Cruz Biotechnology | sc-7963 | Intern referentie-antilicha |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.