血清IL-18與膝骨關(guān)節(jié)炎關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)改變相關(guān)性研究

劉娉娉,周珺賢,徐健華,鄭 雙,任家樂,丁長(zhǎng)海, 2,王 康

骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis, OA)是一種常見的關(guān)節(jié)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(xì)胞因子通過參與OA分解代謝過程,加速軟骨基質(zhì)退變和軟骨破壞。血清白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-18是IL-1細(xì)胞因子超家族成員,能夠增加OA軟骨細(xì)胞基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase, MMP)-3, MMP-13水平,發(fā)揮軟骨基質(zhì)降解作用[4-5]。既往臨床研究[6]表明,血漿、滑膜和關(guān)節(jié)軟骨中IL-18水平與OA患者Kellgren and Lawrrence (K-L)評(píng)分呈正相關(guān)。但這項(xiàng)研究樣本量小,很難通過X線測(cè)量OA早期改變,這使該研究設(shè)計(jì)更加合理。

尚未有文獻(xiàn)報(bào)道IL-18水平與膝OA早期核磁共振(magnetic resonance imaging, MRI)的結(jié)構(gòu)改變關(guān)聯(lián)。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(duì)象為癥狀性膝OA患者。所有患者均符合美國(guó)風(fēng)濕病學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)。該研究納入2012年1月—2013年11月在安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院風(fēng)濕免疫科門診收治151例膝OA患者。納入標(biāo)準(zhǔn):① 符合膝OA診斷標(biāo)準(zhǔn);② 年齡≥18歲;③ 伴有膝關(guān)節(jié)疼痛、腫脹、功能障礙表現(xiàn)。排除標(biāo)準(zhǔn):① 類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎或其他炎癥性疾病患者;② 糖尿病以及計(jì)劃在2年內(nèi)行膝關(guān)節(jié)置換術(shù)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(lián)免疫吸附法(enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA)試劑盒(貨號(hào):EHC127.96)購(gòu)自深圳欣博盛生物技術(shù)有限公司;MMP-3和MMP-13 ELISA試劑盒(貨號(hào):E-EL-H1446c和E-EL-H6023)購(gòu)自武漢伊萊瑞特生物技術(shù)股份有限公司;核磁共振儀購(gòu)自美國(guó)通用電氣公司(型號(hào):GE Signa 3.0T HDXT)。

1.3 方法

1.3.1X射線測(cè)量 所有患者均行膝關(guān)節(jié)X射線檢查。雙腿15°屈曲、站立,前后視圖在有癥狀的膝關(guān)節(jié)上拍攝(如果兩個(gè)膝關(guān)節(jié)都受到影響,則選擇更嚴(yán)重的;如果兩個(gè)膝關(guān)節(jié)同樣嚴(yán)重,則為右膝)。放射科專家使用K-L分級(jí)系統(tǒng)(0～4級(jí))進(jìn)行放射影像學(xué)評(píng)估:0 級(jí),無改變(正常);1 級(jí),無關(guān)節(jié)間隙狹窄,可疑骨贅;2 級(jí),可疑關(guān)節(jié)間隙狹窄,輕度骨贅;3級(jí),明確關(guān)節(jié)間隙狹窄,中度骨贅和(或)軟骨下骨硬化;4 級(jí),顯著關(guān)節(jié)間隙狹窄,重度骨贅和(或)嚴(yán)重的軟骨下骨硬化[7]。放射學(xué)OA定義為K-L分級(jí)≥2級(jí)[7]。

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

1.3.3核磁共振成像評(píng)估 使用3.0T核磁共振儀檢查設(shè)備,在相同的正交收發(fā)線圈對(duì)選定膝關(guān)節(jié)進(jìn)行MRI檢查,序列和參數(shù)與先前報(bào)道[8]一致。所有圖像被隨機(jī)分組并閱片,受試者的信息和狀態(tài)被屏蔽,避免對(duì)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(cè)量軟骨體積。采用圈套工具將單個(gè)軟骨板(脛骨內(nèi)側(cè)、脛骨外側(cè)和髕骨)的體積從總體積中分離出來。使用軟件程序計(jì)算軟骨體積,軟骨體積測(cè)量的變異系數(shù)為2.1%～2.6%。

關(guān)節(jié)表面區(qū)域的分割是基于膝OA的全器官核磁共振成像評(píng)分[9](whole-organ magnetic resonance imaging score, WORMS): 股骨和脛骨分為內(nèi)側(cè)和外側(cè)部位。股骨和脛骨表面進(jìn)一步細(xì)分為前(A),中(C)和后(P)亞區(qū)域。使用T2加權(quán)圖像在脛骨內(nèi)側(cè)和外側(cè)、股骨內(nèi)側(cè)和外側(cè)以及髕骨部位使用0～4量表評(píng)估軟骨缺損,如下所示:0=正常軟骨;1=局灶性水皰和軟骨內(nèi)低信號(hào),表面和底部完整;2=表面或底部不規(guī)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(xù)兩個(gè)層面。每個(gè)區(qū)域的最高分用于表示該區(qū)域得分。

同樣基于WORMS對(duì)膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分區(qū),使用半定量(0～3)評(píng)分系統(tǒng)進(jìn)行BML分級(jí)[9-10]:0=正常;1=BML面積<25%;2=25%≤BML面積<50%;3=BML面積≥ 50%。每個(gè)區(qū)域的最高分被用來代表該區(qū)域得分。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理t檢驗(yàn)、χ2檢驗(yàn)或Wilcoxon秩和檢驗(yàn)分別用于比較均值和比例。線性回歸分析用于檢測(cè)IL-18與軟骨體積,MMP-3和MMP-13之間的關(guān)聯(lián)。有序回歸分析用于檢測(cè)IL-18與軟骨缺損和BML之間的關(guān)聯(lián)。定期對(duì)模型擬合和殘差進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)診斷檢查,并調(diào)查具有大殘差和(或)差異的數(shù)據(jù)點(diǎn)是否存在數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。P<0.05或 95%CI表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。所有統(tǒng)計(jì)分析均使用SPSS 26.0進(jìn)行。

2 結(jié)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(shù)據(jù)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(jù)IL-18中位數(shù)水平(281.24 pg/ml)將患者進(jìn)行分組(表1)。研究表明兩組之間的K-L分級(jí)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),IL-18高水平組存在更高的K-L分級(jí)。兩組之間在內(nèi)側(cè)股脛關(guān)節(jié)區(qū)域(media femorotibial joint, MFTJ)的軟骨缺損和BML評(píng)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(píng)分更高。兩組之間的總軟骨體積、MFTJ、外側(cè)股脛關(guān)節(jié) (lateral femorotibial joint, LFTJ)和髕骨股骨關(guān)節(jié)(patella femoral joint, PFJ)區(qū)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(xué)及臨床特征

2.2 血清IL-18與軟骨總體積相關(guān)性在調(diào)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(fù)相關(guān)(表2)。分區(qū)研究的結(jié)果也顯示,在調(diào)整相同混雜因素后,IL-18與PFJ、 LFTJ和MFTJ區(qū)域的軟骨體積呈顯著負(fù)相關(guān)(表2),在未調(diào)整混雜因素前,差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表2 血清IL-18與軟骨體積相關(guān)性分析

2.3 血清IL-18水平與軟骨缺損和BML相關(guān)性在調(diào)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(guān)(圖1),MFTJ部位的IL-18和BML改變之間也存在顯著正相關(guān)(圖2)。但是血清IL-18水平與LFTJ和PFJ區(qū)域的軟骨缺損以及BML差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖1 膝OA患者血清IL-18與軟骨缺損相關(guān)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(guān)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(guān)性血清IL-18水平與軟骨降解生物標(biāo)志物之間的關(guān)聯(lián)見表3。在調(diào)整年齡、性別和BMI相關(guān)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(guān)(表3)。

表3 血清IL-18與MMPs之間相關(guān)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(guān)性,包括MRI上的結(jié)構(gòu)改變和軟骨基質(zhì)降解的血清生物標(biāo)志物。IL-18和股骨內(nèi)側(cè)BML之間的顯著關(guān)聯(lián)也意味著IL-18在膝OA發(fā)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(jī)制尚不清楚,有研究[11]表明,IL-18可能通過介導(dǎo)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(jìn)軟骨降解,誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞凋亡從而加重膝OA。體內(nèi)研究[11]表明,膝OA患者滑液IL-18水平顯著高于正常對(duì)照,滑液中IL-18水平與環(huán)氧化酶-2(cyclooxygenase-2, COX-2)和PGE2水平顯著相關(guān)。IL-18可以刺激軟骨細(xì)胞釋放COX-2和一氧化氮合酶,通過其產(chǎn)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(guān),這一研究結(jié)果與其他團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果[3, 5]一致。該研究表明,軟骨細(xì)胞在IL-18刺激下可增加MMP-3、MMP-13表達(dá),通過核因子-κB抑制劑阻斷這種作用[4-5]。靶向IL-18信號(hào)通路的治療可能對(duì)膝OA發(fā)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(duì)照組,IL-18水平與MMP-3和人軟骨糖蛋白呈顯著正相關(guān)。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(fā)病機(jī)制。

盡管IL-18和MMP之間的關(guān)聯(lián)已被廣泛研究,但I(xiàn)L-18在膝OA結(jié)構(gòu)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(jí)之間存在正相關(guān)。另一項(xiàng)研究[5]表明IL-18與OA結(jié)構(gòu)和癥狀變化之間無明顯相關(guān)性,包括K-L分級(jí),西安大略省和麥克馬斯特大學(xué)骨關(guān)節(jié)炎指數(shù)評(píng)分和Lequesne指數(shù)。與通過X射線評(píng)估K-L分級(jí)相比,MRI的應(yīng)用可以檢測(cè)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(guān)節(jié)軟骨體積和軟骨缺損之間均存在顯著關(guān)聯(lián),這意味著IL-18在膝OA軟骨病變中發(fā)揮重要作用。

該研究還表明IL-18與BML呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。BML也是膝OA的標(biāo)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(guān)系。該課題組推測(cè)IL-18可能的作用機(jī)制為:① IL-18可能通過刺激IL-6和TNF-α的產(chǎn)生誘導(dǎo)BML生成[12-13];② IL-18可直接誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞遷移和血管形成,或間接增加血管生成介質(zhì)如血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子的表達(dá),以促進(jìn)BML形成。這些假設(shè)需要進(jìn)一步的研究來證實(shí)。

該研究存在以下局限性:這是一項(xiàng)橫斷面研究,因此無法確定因果關(guān)系,需要通過進(jìn)一步的縱向研究來驗(yàn)證;患者是從門診連續(xù)招募的,而不是從社區(qū)隨機(jī)招募的,因此結(jié)果可能導(dǎo)致選擇偏倚;該研究檢測(cè)的是血清IL-18水平,但需要考慮滑液中IL-18對(duì)關(guān)節(jié)的局部影響;測(cè)量誤差可能會(huì)對(duì)結(jié)果造成影響,但基于所有測(cè)量的高重復(fù)性,它們不具有顯著性。