轉GGCX基因治療兔骨性關節炎的體外實驗研究*

汪文玉，付曉玲，陳 睿，陳偉高，吳建雄

(南昌大學第二附屬醫院骨科 330006)

·論 著· doi:10.3969/j.issn.1671-8348.2017.04.002

轉GGCX基因治療兔骨性關節炎的體外實驗研究*

汪文玉，付曉玲△，陳 睿，陳偉高，吳建雄

(南昌大學第二附屬醫院骨科 330006)

[摘要] 目的 探索GGCX基因對兔骨性關節炎軟骨細胞MMP13的影響及其在兔骨性關節炎軟骨退變中的作用。方法 取體質量(2.0±0.2)kg日本大耳兔6只，隨機分為3組，每組設立一只對照兔，分別在2、4、6周使用膝前交叉韌帶切斷術構建模型，6周后模型兔構建成功，分離關節軟骨，經消化分離后將軟骨細胞接種到6孔細胞培養板，將軟骨細胞分為空白組、陰性對照組(轉染不含GGCX基因慢病毒)、轉染組(轉染含GGCX基因慢病毒)3組。轉染組則均以LipofectamineTM2000 為轉染媒介。用PCR法及蛋白免疫印跡法(Western blot)檢測GGCX和MMP13的表達。結果 轉染組GGCX有較高的表達水平；轉染組MMP13的表達水平降低，且二者與空白組及陰性對照組比較，差異均有統計學意義(P<0.05)。結論 GGCX基因過表達可明顯降低其軟骨細胞MMP13的表達,為將基因治療運用于體外骨性關節炎提供實驗基礎。

軟骨,關節；骨關節炎；GGCX基因；基質金屬蛋白酶13

骨關節炎(osteoarthritis，OA)是最為常見的關節炎之一，尤以中老年發病最多[1]。骨關節炎的核心是關節面軟骨的退行性改變，會造成相應的關節骨質、關節囊、滑膜及關節的其他結構的累及，為慢性、無菌性、進行性侵犯關節的疾病，目前國內外仍未見滿意的治療方法[2]。目前基因轉移技術已較為成熟，能作用于靶細胞使其表達軟骨生長調控因子，使之能夠有效促進軟骨生長及基質的合成[3]。近些年來，國內外開始出現用基因來進行基因治療的新方法，但使用γ-谷氨酰基羧化酶(GGCX)轉基因治療OA的實驗研究并未見報道。本研究即通過觀察GGCX基因轉染的兔骨性關節炎軟骨細胞中MMP13的表達及其在OA治療中的作用，為OA基因治療方面提供新的思路及對策。

1 材料與方法

1.1 實驗動物 3個月齡大小的健康雄性日本大耳白兔6只，體質量約(2.0±0.2)kg，南昌龍平兔業有限公司提供。

1.2 主要材料與儀器 建立該模型手術所需的器械、藥品及材料均由南昌大學醫學院實驗室提供，MMP13一抗抗體、免疫組織化學染色試劑盒均購自南昌中洪博元生物技術有限公司，免疫組織化學技術所需的設備與材料由南昌大學第二附屬醫院實驗室提供，GGCX慢病毒由上海市諾辰生物公司包裝并生產。

1.3 方法

1.3.1 模型動物制備 將兔隨機分為3組，每組2只，每組設立一只對照兔，不切斷前交叉韌帶，實驗組剪除兔右膝毛，經耳緣靜脈麻醉后清洗暴露出右膝皮膚，消毒行右膝前交叉韌帶切斷術，生理鹽水沖洗后給予切口縫合。實驗肢體不固定，術后給予抗菌藥物預防感染，24～29 ℃環境下分別喂養2、4、6周后處死，觀察模型構建情況。

1.3.2 軟骨細胞的培養 兔骨性關節炎模型構建成功后，將實驗兔子處死，對雙膝進行消毒并將其完全離斷，用乙醇浸泡后將膝關節放入含有雙抗的二氨基聯苯胺(PBS)中；在超凈臺內將關節軟骨面進行分離并切取下軟骨，將軟骨剪碎成1 mm2大小，放入盛有消化酶的試管內進行消化；37 ℃恒溫水浴伴震蕩。45 min后取上清，離心收集細胞，重復4次；將細胞重懸于DMEM完全培養基中，按一定密度接種于培養瓶中，置于5% CO2，37 ℃培養箱培養，隔天換液；倒置顯微鏡觀察軟骨細胞融合成片，長滿大部分培養瓶壁后，進行消化后傳代擴增培養。實驗中發現軟骨細胞從第3代開始出現去分化、纖維化現象，因此，在本次研究中，均選用培養的第一代骨性關節炎軟骨細胞進行試驗。

1.3.3 產生慢病毒顆粒 將GGCX-pSIH1-H1-copGFP質粒與pPACKH1TM Lentivector Packaging 試劑盒按比例混合，應用LipofectamineTM2000試劑共轉染293T細胞。收集細胞上清液，按比例稀釋再感染新的293T細胞，檢測慢病毒的滴度。

1.3.4 慢病毒感染軟骨細胞 首先分為3組，空白組:不進行轉染；陰性對照組：轉染不含GGCX的慢病毒；轉染組：轉染含有GGCX的慢病毒。將待轉染的軟骨細胞用含雙抗液(1×10 U/L)的D-hanks液漂洗，酶兩步消化法分離原代人關節軟骨細胞，然后接種于25 cm培養瓶內(5 mL/瓶)，置于37 ℃，5% CO2培養箱培養，待細胞貼壁達85%～90%后加入0.25%胰蛋白酶和0.02%EDTA(1∶1)的消化液進行傳代培養。接種處于對數生成長期的細胞到96孔細胞培養板，每孔2×103個細胞，使用F-12+10%胎牛血清(FBS)的完全培養基，添加病毒液，37 ℃ 5% CO2的條件下正常培養。轉染1 d后運用顯微鏡對其進行觀察，以判定轉染效率。轉染效率達90%之后進行后續實驗。

1.3.5 PCR分析GGCX和MMP13 mRNA的表達 引物序列信息如表1。

表1 各基因PCR引物序列

將培養細胞消化、離心、棄上清，下層細胞加入生理鹽水后破碎，提取總 RNA，按逆轉錄試劑盒說明配制逆轉錄反應體系20 μL，逆轉錄反應的條件：37 ℃ 1 h；95 ℃ 5 mim；滅活鼠白血病病毒(MMLV)。將逆轉錄的cDNA進行PCR擴增,運用自帶軟件ABI Prism 7500 SDS Software分析得到的結果。

1.3.6 Western blot 提取總蛋白,進行蛋白定量，制備PAGE膠，進行上樣及電泳，將膠緩慢移進緩沖液，剪大小相同的硝酸纖維素膜(NC)，甲醇浸泡2 min，水洗3 min，最后用緩沖液平衡12 min。在恒流350 mA條件下，轉膜40 min。膜封閉，一、二抗孵育，最后進行顯色檢測目的蛋白GGCX和MMP13的表達。

2 結 果

2.1 兔OA模型構建 實驗兔6周后造模成功，如圖1可見兔膝關節滑膜增生，前交叉韌帶斷裂，關節間隙變窄，關節面變得毛糙，關節軟骨面有不同程度磨損。

A:轉染組切斷前交叉韌帶圖片;B:6周后兔OA模型圖片。

2.2 實時定量RT-PCR結果 轉染組GGCX表達水平較空白組、陰性對照組明顯升高；MMP13在轉染組中的表達水平較空白組及陰性對照組明顯降低，差異有統計學意義(P<0.05)，空白組和陰性對照組比較差異無統計學意義(P>0.05)。見表2。

表2 各組中GGCX、MMP13 mRNA相對表達量

2.3 Western blot檢測結果 Western blot方法檢測各組中GGCX、MMP13的水平，運用單因素方差分析法，結果顯示：轉染組中GGCX水平明顯高于空白組及陰性對照組，差異有統計學意義(P<0.05)。空白組和陰性對照組相比較差異無統計學意義(P>0.05)。轉染組中的MMP13水平與空白組及陰性對照組相比較低，差異有統計學意義(P<0.05)；空白組和陰性對照組之間比較差異無統計學意義(P>0.05)，見圖2。各個組蛋白的表達結果與mRNA的表達水平相一致。

A：各組中不同蛋白的表達情況；B：GGCX在各組中的表達分析圖；C：MMP13在各組中的表達分析圖。

3 討 論

目前應用病毒載體能夠成功地把基因轉染到細胞中，慢病毒載體有轉染率高、可轉染不分裂細胞、基因可長期表達等優勢[4]，而且國外已有以慢病毒為載體的基因治療報道[5]。可獲得較高的效率， 從而縮短了臨床應用的距離 。

羥化的基質GLA蛋白(cMGP)是軟骨組織中鈣化的強烈抑制蛋白，能夠調節軟骨的鈣化和動脈的鈣化，GGCX為MGP羧基化過程中的關鍵酶，它的缺失能使cMGP減少，從而使之減弱對鈣離子晶體形成的抑制作用[6]。研究發現正常膝關節和原發性膝關節OA的軟骨中均有GGCX表達，但骨性關節炎中GGCX明顯降低；而且GGCX的表達與關節軟骨的退變程度有關，隨著退變程度的加重，GGCX表達逐漸降低[7]，因此GGCX可以抑制OA的發生發展，本研究與文獻報道相符。

MMP 家族(MMPs)為一種重要酶類，在細胞外基質的生理性和病理性降解過程中起重要作用[8]；MMP13為MMPs一員，可對各種膠原進行有效降解，可分解膠原三螺旋結構[9]。軟骨的退變主要由Ⅱ型膠原纖維降解引起，而MMP13也稱膠原酶13，其降解Ⅱ型膠原的能力是其他膠原酶的10～30倍[10]，并且其他許多MMPs亞型對Ⅱ型膠原的降解也需要通過它們起作用。并且Hamamura等[11]、Kneer等[12]研究發現MMP13在OA關節軟骨損害中起一定的作用，通過免疫組織化學方法檢測到MMP13在OA組織中存在高表達現象，且MMP13表達水平與OA的嚴重程度正相關。因此，MMP13具有促進骨性關節炎發生發展的作用。

但GGCX與MMP13之間是否具有相關性，其是否通過調節MMP13的表達來對OA的發生發展進行調節國內外未見相關文獻報道，本實驗研究通過免疫組組織化學檢測轉染后兔軟骨細胞中GGCX及MMP13表達水平，發現轉染組中GGCX高表達，而轉染組MMP13出現低表達，與空白組及陰性對照組比較差異有統計學意義，表明GGCX基因成功轉染且轉GGCX基因的兔OA軟骨細胞中GGCX的高表達導致了MMP13的低表達。

綜上所述， 轉GGCX基因可明顯降低其軟骨細胞MMP-13的表達，且具有降低炎性因子的作用。達到治療兔OA的作用。為將基因治療運用于體外OA提供了良好的實驗基礎。

[1]肖巍，杜曉紅，李曙波，等.膝骨關節炎發病機制及腔內治療概述[J].中國民族民間醫藥,2013,22(3):47-48.

[2]張平，蔡道章，劉斌,等，轉IL-1Ra和TGF-β1基因治療兔骨性關節炎的體外實驗研究[J].中華關節外科雜志，2011,5(3):335-342.

[3]鄧尚,陳竹.關節軟骨退行性變基因治療研究進展[J].西部醫學,2015,27(6):958-960.

[4]張陽.慢病毒載體的研究進展[J].福建醫科大學學報,2014(6):407-410.

[5]Alcaraz MJ，Megías J，García-Arnandis I，et al.New molecular targets for the treatment of osteoarthritis[J]．Biochem Pharmacol，2010，80(1):13-21.

[6]Jiang Q,Li Q,Grandpierre AE,et al.Administration of vitamin K does not counteract the ectopic mineralization of connective tissues in Abcc6 (-/-) mice,a model for pseudoxanthoma elasticum[J].Cell Cycle,2011,10(4):701-707.

[7]厲亞男.慢病毒介導IL-1Ra基因對人滑膜細胞體外轉染的研究[D].青島：青島大學,2014.

[8]Reddi Ah.Aging,osteoarthritis and transforming gronsthfactor-beta algnaling in cartlage[J].Arthritis Res Ther,2006,8(1):101.

[9]付曉玲.GGCX在原發性膝關節骨性關節炎軟骨中的表達及其意義[D].長沙：中南大學,2013.

[10]長峰,楊開舜.MMP-13、TIMP-1在兔骨關節炎模型的表達及其意義[J].中國現代醫生,2009,47(3):39-41.

[11]Hamamura K,Zhang P,Zhao L,et al.Knee loading reduces MMP13 activity in the mouse cartilage[J].BMC Musculoskelet Disord,2013,14(1):312.

[12]Kneer W,Rother M,Mazgareanu S,et al.A 12-week randomized study of topical therapy with three dosages of ketoprofen in Transfersomegel (IDEA-033) compared with the ketoprofen-free vehicle (TDT 064),in patients with osteoarthritis of the knee[J].J Pain Res,2013,6:743-753.

An in vitro study on rabbit osteoarthritis gene therapy with GGCX gene*

WangWenyu,FuXiaoling△,ChenRui,ChenWeigao，WuJianxiong

(DepartmentofOrthopaedics,theSecondAffiliatedHospitalofNanchangUniversity,Nanchang,Jiangxi330006,China)

[Abstract] Objective To research the effect of GGCX gene on MMP13 in rabbit osteoarthritis cartilage cells and investigate its effect on osteoarthritis cartilage degeneration.Methods Six Japanese big ear rabbits weighted (2.0±0.2)kg were randomly divided into three groups,each group seted a rabbit as control. Anterior cruciate ligament transection method was used to build osteoarthritis cartilage degeneration model at second, forth,sixth week. Articular cartilage was separated successfully after the model were built,cartilage cells were divided from articular cartilage and cultured in 6-well cell culture plate. Cartilage cells were divided into blank group, negative control group and transfection group.PCR method and Western blot were conducted to detect GGCX and MMP13 expressed at the level of mRNA and protein.Results Compare with blank group and negative control group, the expressin level of GGCX incresed,while the MMP13 expression level dcresed(P<0.05).Conclusion Over expression of GGCX gene can obviously decrease the expression of MMP13，it provide experimental basis for osteoarthritis of the in vitro gene therapy.

cartilage,articular；osteoarthritis；GGCX gene；matrix metalloproteininases 13

國家自然基金資助項目(81301561)。 作者簡介：汪文玉(1987-)，住院醫師，碩士，主要從事骨與關節疾病的研究。△

，E-mail：417603614@qq.com。

R332

A

1671-8348(2017)04-0436-03

2016-09-18

2016-10-20)