血清IL-18与膝骨关节炎关节结构改变相关性研究

刘娉娉,周珺贤,徐健华,郑 双,任家乐,丁长海, 2,王 康

骨关节炎(osteoarthritis, OA)是一种常见的关节退行性疾病,主要特征是软骨病变和骨赘形成[1]。研究[2-3]表明,多种炎性细胞因子通过参与OA分解代谢过程,加速软骨基质退变和软骨破坏。血清白细胞介素(interleukin,IL)-18是IL-1细胞因子超家族成员,能够增加OA软骨细胞基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase, MMP)-3, MMP-13水平,发挥软骨基质降解作用[4-5]。既往临床研究[6]表明,血浆、滑膜和关节软骨中IL-18水平与OA患者Kellgren and Lawrrence (K-L)评分呈正相关。但这项研究样本量小,很难通过X线测量OA早期改变,这使该研究设计更加合理。

尚未有文献报道IL-18水平与膝OA早期核磁共振(magnetic resonance imaging, MRI)的结构改变关联。因此,该研究旨在探讨膝OA患者血清IL-18水平与软骨体积、软骨缺损、骨髓病变(bone marrow lesions, BML)以及血清MMP-3和MMP-13水平的横断面研究。

1 材料与方法

1.1 病例资料该研究是安徽膝OA研究的一部分,该研究主要研究对象为症状性膝OA患者。所有患者均符合美国风湿病学会标准。该研究纳入2012年1月—2013年11月在安徽医科大学第一附属医院风湿免疫科门诊收治151例膝OA患者。纳入标准:① 符合膝OA诊断标准;② 年龄≥18岁;③ 伴有膝关节疼痛、肿胀、功能障碍表现。排除标准:① 类风湿关节炎或其他炎症性疾病患者;② 糖尿病以及计划在2年内行膝关节置换术的膝OA患者;③ MRI禁忌患者(包括金属缝合线、弹片和幽闭恐惧症等)。

1.2 主要试剂与仪器IL-18 酶联免疫吸附法(enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA)试剂盒(货号:EHC127.96)购自深圳欣博盛生物技术有限公司;MMP-3和MMP-13 ELISA试剂盒(货号:E-EL-H1446c和E-EL-H6023)购自武汉伊莱瑞特生物技术股份有限公司;核磁共振仪购自美国通用电气公司(型号:GE Signa 3.0T HDXT)。

1.3 方法

1.3.1X射线测量 所有患者均行膝关节X射线检查。双腿15°屈曲、站立,前后视图在有症状的膝关节上拍摄(如果两个膝关节都受到影响,则选择更严重的;如果两个膝关节同样严重,则为右膝)。放射科专家使用K-L分级系统(0～4级)进行放射影像学评估:0 级,无改变(正常);1 级,无关节间隙狭窄,可疑骨赘;2 级,可疑关节间隙狭窄,轻度骨赘;3级,明确关节间隙狭窄,中度骨赘和(或)软骨下骨硬化;4 级,显著关节间隙狭窄,重度骨赘和(或)严重的软骨下骨硬化[7]。放射学OA定义为K-L分级≥2级[7]。

1.3.2血清IL-18和MMP测量 所有患者取空腹晨血,分离血清并分装到离心管中储存在-80 ℃直至检测。根据说明书使用ELISA试剂盒测量血清IL-18和MMP-3、MMP-13水平。

1.3.3核磁共振成像评估 使用3.0T核磁共振仪检查设备,在相同的正交收发线圈对选定膝关节进行MRI检查,序列和参数与先前报道[8]一致。所有图像被随机分组并阅片,受试者的信息和状态被屏蔽,避免对观察者造成影响。该研究观察者之间可靠性较高。通过OsiriX软件在3D-FLASH序列上测量软骨体积。采用圈套工具将单个软骨板(胫骨内侧、胫骨外侧和髌骨)的体积从总体积中分离出来。使用软件程序计算软骨体积,软骨体积测量的变异系数为2.1%～2.6%。

关节表面区域的分割是基于膝OA的全器官核磁共振成像评分[9](whole-organ magnetic resonance imaging score, WORMS): 股骨和胫骨分为内侧和外侧部位。股骨和胫骨表面进一步细分为前(A),中(C)和后(P)亚区域。使用T2加权图像在胫骨内侧和外侧、股骨内侧和外侧以及髌骨部位使用0～4量表评估软骨缺损,如下所示:0=正常软骨;1=局灶性水疱和软骨内低信号,表面和底部完整;2=表面或底部不规则,厚度损失<50%;3=深度溃疡,厚度损失>50%;4=全层软骨磨损,软骨下骨暴露。软骨缺损至少连续两个层面。每个区域的最高分用于表示该区域得分。

同样基于WORMS对膝关节结构进行分区,使用半定量(0～3)评分系统进行BML分级[9-10]:0=正常;1=BML面积<25%;2=25%≤BML面积<50%;3=BML面积≥ 50%。每个区域的最高分被用来代表该区域得分。

1.4 统计学处理t检验、χ2检验或Wilcoxon秩和检验分别用于比较均值和比例。线性回归分析用于检测IL-18与软骨体积,MMP-3和MMP-13之间的关联。有序回归分析用于检测IL-18与软骨缺损和BML之间的关联。定期对模型拟合和残差进行标准诊断检查,并调查具有大残差和(或)差异的数据点是否存在数据错误。P<0.05或 95%CI表示差异有统计学意义。所有统计分析均使用SPSS 26.0进行。

2 结果

2.1 一般资料及IL-18水平比较研究纳入205例患者,其中54例患者因数据不完整被排除。该研究最终纳入151例年龄34～74(55.62±8.57)岁的患者。这些患者之间在年龄、性别和BMI等人口因素方面没有显著差异。根据IL-18中位数水平(281.24 pg/ml)将患者进行分组(表1)。研究表明两组之间的K-L分级差异有统计学意义(P<0.05),IL-18高水平组存在更高的K-L分级。两组之间在内侧股胫关节区域(media femorotibial joint, MFTJ)的软骨缺损和BML评分方面也存在显著差异(P<0.01),IL-18高水平组在MFTJ的软骨缺损和BML评分更高。两组之间的总软骨体积、MFTJ、外侧股胫关节 (lateral femorotibial joint, LFTJ)和髌骨股骨关节(patella femoral joint, PFJ)区域的软骨体积呈显著差异(均P<0.05)。IL-18高水平组软骨体积较低,MMP-3和MMP-13水平较高。

表1 一般人口学及临床特征

2.2 血清IL-18与软骨总体积相关性在调整年龄、性别和BMI等混杂因素前后,血清IL-18水平与总软骨体积呈显著负相关(表2)。分区研究的结果也显示,在调整相同混杂因素后,IL-18与PFJ、 LFTJ和MFTJ区域的软骨体积呈显著负相关(表2),在未调整混杂因素前,差异无统计学意义。

表2 血清IL-18与软骨体积相关性分析

2.3 血清IL-18水平与软骨缺损和BML相关性在调整年龄、性别和BMI等混杂因素前后,血清IL-18水平与MFTJ部位软骨缺损改变均呈显著正相关(图1),MFTJ部位的IL-18和BML改变之间也存在显著正相关(图2)。但是血清IL-18水平与LFTJ和PFJ区域的软骨缺损以及BML差异无统计学意义。

图1 膝OA患者血清IL-18与软骨缺损相关性分析与1分组比较:*P<0.05,**P<0.01;与2分组比较:##P<0.01

图2 膝OA患者血清IL-18与软骨下BML相关性分析与0分组比较:**P<0.01;与1分组比较:##P<0.01

2.4 血清IL-18与MMPs相关性血清IL-18水平与软骨降解生物标志物之间的关联见表3。在调整年龄、性别和BMI相关因素前后,患者血清中IL-18水平与血清MMP-3和MMP-13水平呈正相关(表3)。

表3 血清IL-18与MMPs之间相关性分析

3 讨论

该研究表明膝OA患者血清IL-18水平与软骨病变方面存在显著相关性,包括MRI上的结构改变和软骨基质降解的血清生物标志物。IL-18和股骨内侧BML之间的显著关联也意味着IL-18在膝OA发病早期中起重要作用。

IL-18在膝OA患者软骨降解中的确切机制尚不清楚,有研究[11]表明,IL-18可能通过介导促炎因子,如肿瘤坏死因子、IL-8、IL-6和前列腺素E2(prostaglandin E2, PGE2))释放,促进软骨降解,诱导软骨细胞凋亡从而加重膝OA。体内研究[11]表明,膝OA患者滑液IL-18水平显著高于正常对照,滑液中IL-18水平与环氧化酶-2(cyclooxygenase-2, COX-2)和PGE2水平显著相关。IL-18可以刺激软骨细胞释放COX-2和一氧化氮合酶,通过其产物前列腺素和一氧化氮加速软骨分解代谢过程[11]。该研究还表明IL-18和MMPs之间存在显著正相关,这一研究结果与其他团队的研究结果[3, 5]一致。该研究表明,软骨细胞在IL-18刺激下可增加MMP-3、MMP-13表达,通过核因子-κB抑制剂阻断这种作用[4-5]。靶向IL-18信号通路的治疗可能对膝OA发挥一定的作用。临床研究[5]表明,OA患者血清中IL-18水平显著高于对照组,IL-18水平与MMP-3和人软骨糖蛋白呈显著正相关。此外,有研究[3, 5]表明滑液IL-18升高可能通过激活MMP-3参与OA发病机制。

尽管IL-18和MMP之间的关联已被广泛研究,但IL-18在膝OA结构改变中的作用仍无定论。既往有研究[6]表明OA患者血清IL-18水平与K-L分级之间存在正相关。另一项研究[5]表明IL-18与OA结构和症状变化之间无明显相关性,包括K-L分级,西安大略省和麦克马斯特大学骨关节炎指数评分和Lequesne指数。与通过X射线评估K-L分级相比,MRI的应用可以检测膝OA早期改变,例如软骨缺损、软骨体积损失和软骨下骨的BML。该研究表明IL-18与OA患者膝关节软骨体积和软骨缺损之间均存在显著关联,这意味着IL-18在膝OA软骨病变中发挥重要作用。

该研究还表明IL-18与BML呈现显著正相关。BML也是膝OA的标志事件之一,目前尚未深入探讨膝OA患者中血清IL-18与BML之间的关系。该课题组推测IL-18可能的作用机制为:① IL-18可能通过刺激IL-6和TNF-α的产生诱导BML生成[12-13];② IL-18可直接诱导内皮细胞迁移和血管形成,或间接增加血管生成介质如血管内皮生长因子的表达,以促进BML形成。这些假设需要进一步的研究来证实。

该研究存在以下局限性:这是一项横断面研究,因此无法确定因果关系,需要通过进一步的纵向研究来验证;患者是从门诊连续招募的,而不是从社区随机招募的,因此结果可能导致选择偏倚;该研究检测的是血清IL-18水平,但需要考虑滑液中IL-18对关节的局部影响;测量误差可能会对结果造成影响,但基于所有测量的高重复性,它们不具有显著性。