高脂饮食兔膝关节软骨的变化

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.42.010

摘要/Abstract

摘要：

背景：血清胆固醇水平增高与人群中骨关节病发病率增高呈正相关，而对于高脂饮食是否参与关节软骨退变过程从而诱发骨关节炎，目前尚不清楚。
目的：观察经高脂喂养后新西兰兔膝关节软骨形态学改变，探索饮食在关节软骨退变过程中的作用。
方法：将新西兰兔40只随机分为2组：对照组饲以基础饲料，高脂组饲以高脂饲料(20%猪油混合80%的基础饲料)。每4周末抽取空腹血样，测三酰甘油、总胆固醇水平。饲养28周后，取兔膝关节行大体观察后，取股骨髁部软骨行扫描电镜观察。
结果与结论：与对照组相比，高脂组血清三酰甘油、总胆固醇水平均显著升高(P < 0.05)。扫描电镜观察发现，高脂组髁软骨表面粗糙，陷凹变浅，排列杂乱，形态不规则，大小不均，软骨表面呈局灶性剥脱改变，排列变得不规整，孔隙不均匀，软骨表面出现断裂空洞。进一步放大倍数观察可见软骨表面小山峰样结构变浅、变平，孔隙基本消失。结果证实，长期高脂饮食可诱发和加重软骨损伤，提示其可能参与了骨关节炎的发生发展。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

全文链接：

关键词: 组织构建, 软骨组织构建, 高脂, 饮食, 膝关节, 软骨, 形态, 组织工程, 湖南省自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: The increase of serum cholesterol levels is positively correlated with the increasing incidence of osteoarthritis. Little is known about the role of high-fat diet in the degeneration of articular cartilage and induced arthritis.
OBJECTIVE: To observe the morphology change of the articular cartilage of New Zealand rabbits after high-fat diet, and explore the role of food in the articular cartilage degeneration.
METHODS: Forty New Zealand white rabbits were randomly divided into two groups. In control group, rabbits were fed with basal diet. In high-fat diet group, rabbits were fed with high-fat diet (20% lard and 80% basal diet). Fasting blood samples was taken every 4 weeks, to detect the triglyceride and total cholesterol levels. After rabbit were fed for 28 weeks, the knee joint was grossly observed and the femoral condyle cartilage was scanned by scanning electron microscope.
RESULTS AND CONCLUSION: Compared with the control group, the triglyceride and total cholesterol levels were significantly increased in the high fat group (P < 0.05). Under scanning electron microscope, the high-fat group showed rough surface of condylar cartilage, shallow pouch, messy arrangement, irregular shape and uneven size. The surface of cartilage exhibited focal denudation, irregular arrangement, uneven porosity and fractured cavity. Under higher magnification, small mountain-like structure of cartilage surface became shallow and flattened, the pores disappeared. Long-term high-fat diet may induce and aggravate cartilage damage, suggesting it may be involved in the pathogenesis of osteoarthritis.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

全文链接：

Key words: cartilage, knee joint, osteoarthritis, hyperlipidemias

中图分类号:

R318

吴松，王鑫 . 高脂饮食兔膝关节软骨的变化[J]. 中国组织工程研究, 2014, 18(42): 6775-6778.

Wu Song, Wang Xin . Effect of high-fat diet on rabbit knee articular cartilage[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(42): 6775-6778.

图/表（结果） 1

参考文献

[1] 马建兵.兔实验性膝骨性关节炎的组织病理学及发病机理[J].中国矫形外科杂志,2001,8(1)45-47.
[2] Silberberg R, Silberberg M. Skeletal growth and articular changes in mice receiving a high-fat diet. Am J Pathol. 1950; 26(1):113-131.
[3] Saudek DM, Kay J. Advanced glycation endproducts and osteoarthritis. Curr Rheumatol Rep. 2003;5(1):33-40.
[4] 娄思权.骨关节炎的病理与发病因素[J].中华骨科杂志, 1996, 16(1):56.
[5] Soren A, Cooper NS, Waugh TR. The nature and designation of osteoarthritis determined by its histopathology. Clin Exp Rheumatol. 1988;6:41-46.
[6] Jeffery AK, Blunn GW, Archer CW, et al. Three-dimensional collagen architecture in Bovine articular cartilage. J Bone Joint Surg Br. 1991;73(5):795-801.
[7] 邱贵兴.骨关节炎流行病学和病因学新进展[J].继续医学教育, 2005,19(7):68-69.
[8] Silberberg R, Aufdermaur M, Hasler M. Ultrastructural changes in articular chondrocytes of mice fed a lard-enriched diet. Anat Rec. 1970;166(3):447-467.
[9] Elizalde M, Ryden M, van Harmelen V. Expression of nitric oxide synthases in subcutaneous adipose tissue of nonobese and obese humans. J Lipid Res. 2000;41(8):44-51.
[10] Fries DM, Penha RG, D'Amico EA. Oxidized low density lipop rotein stimulates nitric oxide release byrabbit aortic endothelial cells. Biochem Biopys Res Commum. 1995; 207(1):31-37.
[11] 刘红燕,贾汝汉,丁国华.高脂血症大鼠肾脏一氧化氮变化及其意义[J].同济医科大学学报,1999,28(2):120.
[12] 杨牧祥,田元祥,马金庆,等.脂调康胶囊对高脂血症大鼠血清一氧化氮的影响[J].中国中医药信息杂志,2003,10:33-34.
[13] Hashimoto S, Takahashi K, Amiel D, et al. Chondrocyte apoptosis and nitic oxide production during experimentlly induced osteoarthristis. Arthritis Rheum. 1998;41(7): 1266-1274.
[14] Xu Y, Dai GJ, Liu Q, et al. Sanmiao formula inhibits chondrocyte apoptosis and cartilage matrix degradation in a rat model of osteoarthritis. Exp Ther Med. 2014;8(4): 1065-1074.
[15] Peck Y, Ng LY, Goh JY, et al. A three-dimensionally engineered biomimetic cartilaginous tissue model for osteoarthritic drug evaluation. Mol Pharm. 2014;11(7): 1997-2008.
[16] Mawatari T, Nakamichi I, Suenaga E, et al. Effects of heme oxygenase-1 on bacterial antigen-induced articular chondrocyte catabolism in vitro. J Orthop Res. 2013;31(12): 1943-1949.
[17] Pascarelli NA, Moretti E, Terzuoli G, et al. Effects of gold and silver nanoparticles in cultured human osteoarthritic chondrocytes. J Appl Toxicol. 2013;33(12):1506-1513.
[18] Cheng W, Wu D, Zuo Q, et al. Ginsenoside Rb1 prevents interleukin-1 beta induced inflammation and apoptosis in human articular chondrocytes. Int Orthop. 2013;37(10): 2065-2070.
[19] Hogrefe C, Joos H, Maheswaran V, et al. Single impact cartilage trauma and TNF-α: interactive effects do not increase early cell death and indicate the need for bi-/multidirectional therapeutic approaches. Int J Mol Med. 2012;30(5):1225-1232.
[20] Kimura H, Yukitake H, Suzuki H, et al. The chondroprotective agent ITZ-1 inhibits interleukin-1beta-induced matrix metalloproteinase-13 production and suppresses nitric oxide-induced chondrocyte death. J Pharmacol Sci. 2009; 110(2):201-211.
[21] Shang L, Qin J, Chen LB, et al. Effects of sodium ferulate on human osteoarthritic chondrocytes and osteoarthritis in rats. Clin Exp Pharmacol Physiol. 2009;36(9):912-918.
[22] Feelisch M. The chemical biology of nitric oxide--an outsider's reflections about its role in osteoarthritis. Osteoarthritis Cartilage. 2008;16 Suppl 2:S3-S13.
[23] Lee MS, Tu YK, Chao CC, et al. Inhibition of nitric oxide can ameliorate apoptosis and modulate matrix protein gene expression in bacteria infected chondrocytes in vitro. J Orthop Res. 2005;23(2):440-445.

引言

骨性关节炎，是临床上最常见的一种慢性、进展性关节疾病。患者以关节疼痛及功能障碍为主要表现：其病理特点为关节软骨变性、破坏、软骨下骨硬化、关节边缘和软骨下骨反应性增生和骨赘形成。关节软骨的退行性改变是导致骨关节炎的关键环节^[1]。Silberberg等^[2]通过研究证实以油脂喂养大鼠5个月发现其膝关节软骨退变明显，但未引起足够重视。Saudek等^[3]指出过度食用肉类食物可致晚期糖基化终末产物(AGEs)的过度积累，从而提高软骨对金属蛋白酶(MMP)的敏感性，导致软骨基质中蛋白多糖合成减少和退变。

虽有研究表明高脂饮食是骨关节炎的高危因素，血清胆固醇水平增高与人群中骨关节病发病率增高呈正相关^[4]，但此方面的研究较肝、心、肾等研究较少。随着经济的发展，国人的饮食结构发生明显变化，饮食导致营养过剩已成为当今的普遍现象。而对于高脂饮食是否参与关节软骨退变过程从而诱发骨关节炎，其参与机制又是什么，目前尚不清楚。因此了解高脂饮食是否是通过影响三酰甘油、总胆固醇水平来诱导膝关节软骨形态学改变，进而导致骨关节炎，对认识与预防因高脂饮食导致的骨关节病具有重要意义。

实验采用高脂饮食模拟当今的饮食结构，喂养新西兰兔28周，监测饲养过程中三酰甘油、总胆固醇的变化态势，从不同层次观察其膝关节软骨形态学改变。探讨高脂饮食在骨性关节炎发生过程中的可能机制，为骨关节炎的临床治疗和预防提供一定的实验依据和理论基础。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

全文链接：

材料方法

设计：随机对照动物实验。

时间及地点：于2008年1至9月在中南大学湘雅医学院动物实验室完成。

材料：健康成年雄性新西兰兔40只，体质量约2 kg，由中南大学实验动物学部提供。

实验方法：

分组及干预：将40只兔随机分为2组，每组20只，对照组饲以基础饲料，高脂组饲以高脂饲料(20%猪油混合80%的基础饲料)。单笼饲养，每只动物每天约喂食100 g颗粒饲料，自由饮水，不限制其活动，室温18-25 ℃；实验期为28周。

血脂指标检测：每4周末从禁食过夜的兔耳缘静脉取血样，检测动物的三酰甘油(TG)，总胆固醇(TC)水平，并记录体质量变化。

兔关节软骨组织形态观察：喂养28周后，将动物处死，迅速将实验侧右股骨内髁软骨组织连同软骨下的骨组织切取约5 mm×5 mm×5 mm，操作时注意避免用手、器械直接触碰软骨表面。样品取下后用0.1 mol/L PBS充分漂洗软骨表面，经体积分数2.5%戊二醛前固定2 h以上。0.1 mol/L PBS漂洗3次，10-15 min/次。体积分数1%四氧化锇后固定1 h。0.1 mol/L PBS再漂洗3次，10-15 min/次。丙酮逐级脱水(体积分数50%→70%→90%→100%)10-15 min/次。醋酸异戊酯置换(体积分数50%→70%→90%→100%)10-15 min/次。临界点干燥仪干燥。离子溅射仪喷镀五六分钟。扫描电镜(日本电子公司JEOL)观察兔关节软骨组织形态。

主要观察指标：兔血清三酰甘油(TG)和胆固醇(TC)水平，体质量，股骨内髁软骨组织超微结构。

统计学分析：计量资料用x(_)±s表示，采用SPSS 11.0软件进行数据分析，组间差异比较采用单因素方差分析，P < 0.05为差异有显著性意义。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

全文链接：

讨论

通过高脂饮食喂养后的兔膝关节软骨扫描电镜观察中，可见大量的形态改变。关节软骨渐进性结构紊乱和变性，软骨细胞死亡，丧失正常的空间排列，是骨关节炎的基本细胞学改变^[5]。软骨表面是由致密的胶原纤维构成，并赋予它足够的张力以对抗剪切应力。从对照组可以看出胶原纤维呈一种多孔状的结构，孔隙均匀，它象关节软骨的皮肤一样，能保障软骨细胞从滑液中获取营养和水分，并阻止大分子蛋白和抗体进出软骨；表层与中层的胶原纤维紧密结合呈树叶状，深层与钙化层胶原纤维较粗，垂直走行，并从根部发出胶原纤维在中层呈弓状向表层延伸。这样的超微结构特点对于保护软骨及促进软骨修复具有重要作用^[6]，它的改变代表着关节软骨的早期变性。本次实验通过扫描电镜观察到高脂组已有类似形态学改变，这也说明了高脂饮食结构对软骨损伤具有一定的促进作用。

根据流行病学调查，55-64岁人群骨关节炎的发病率达40%，且骨关节炎患者其补体、血流动力学、炎症细胞、细胞因子、氧自由基系统均有异常^[7]，有研究以高胆固醇喂养小鼠3个月后观察其软骨细胞的超微结构，发现细胞内质网肿胀，胞质内过量脂质沉积，软骨基质中蛋白多糖发生淀粉样变^[8]。Eliztde等^[9]在肥胖患者的组织中发现有一氧化氮合酶mRNA过度表达，能促进一氧化氮的释放。在高脂血症初期一氧化氮合酶基因表达呈增高趋势，其原因可能是低浓度的低密度脂蛋白对内皮细胞刺激引起一氧化氮的释放或是由于高脂血症初期ET水平增高通过对ET-1(B)受体的作用而引起的一氧化氮水平升高所致^[10]。国内也有研究发现^[11-12]，高脂血症大鼠肾皮质及尿中一氧化氮含量增多，血清一氧化氮含量较正常明显增高，并且肾小管诱导型一氧化氮合成酶表达强度与肾组织中细胞凋亡数量呈正相关，可能是一氧化氮生成过多，通过细胞毒素作用对机体形成损害。而临床资料表明骨关节炎患者血清和滑膜液中一氧化氮含量增高，表层活化软骨细胞一氧化氮水平较深层软骨细胞偏高。且体外实验证实，软骨细胞凋亡水平与一氧化氮产生的量和基质降解的程度相关^[13-23]。

因此，长期高脂饮食可导致血脂代谢异常影响软骨代谢，诱发和加重软骨损伤，提示其参与了骨关节炎的发生发展。本次实验中高脂组的三酰甘油、胆固醇显著升高，因而有可能通过上述途径，促使血清一氧化氮升高，诱导软骨细胞发生凋亡。由此说明高脂饮食能间接对软骨造成损害，从而增加关节炎的发病机率，但具体机制目前国内外相关研究罕见，此途径还值得进一步研究探讨。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

全文链接：