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關節(jié)損傷對軟骨蛋白酶基因表達影響的研究

2016-12-22 05:39:45薛建利崔威
中國骨與關節(jié)雜志 2016年12期
關鍵詞:半月板滑膜骨關節(jié)炎

薛建利 崔威

關節(jié)損傷對軟骨蛋白酶基因表達影響的研究

薛建利 崔威

目的 本研究旨在探索膝關節(jié)損傷后特定的透明軟骨退化酶,如基質金屬蛋白酶 ( MMP )、蛋白聚糖酶 ( Agg ) 的基因表達是否增加。方法 試驗納入 138 例因關節(jié)組織如半月板、前交叉韌帶 ( anterior cruciate ligament,ACL )、透明軟骨損傷而行膝關節(jié)鏡檢查的患者,男 57 例,女 81 例,平均年齡 38.8 歲。檢查前采集全血樣本,檢查時采集滑膜樣本。利用 RT-PCR 和分光光度法處理樣本。結果 患者中,有 56 例 ACL損傷,65 例內側半月板損傷,5 例外側半月板損傷,軟骨損傷者根據 Outerbridge 標準進行分級。實驗室檢測顯示,ACL 撕裂和基因表達 ( MMP1、MMP2、MMP8、MMP9、MMP13、MMP14、Agg1、Agg2、IL1、TNFα 和TIMP2,除外血漿 TIPM1 ) 顯著相關:ACL 患者滑膜中基因表達水平較非 ACL 患者滑膜中的對應基因表達水平顯著上調:MMP1 0.920±0.068 vs 0.794±0.061,MMP2 1.075±0.053 vs 0.668±0.035,MMP8 0.951±0.047 vs 0.766±0.045,MMP9 1.354±0.032 vs 0.947±0.042,MMP13 1.148±0.058 vs 0.991±0.058,MMP14 1.379±0.049vs 0.777±0.036,Agg1 1.309±0.071 vs 0.647±0.034,Agg2 1.043±0.072 vs 0.684±0.069,IL1 1.320±0.054 vs 0.857±0.049,TNFα 1.101±0.050 vs 0.802±0.039,TIMP1 1.197±0.060 vs 1.035±0.071,TIMP2 1.110±0.048vs 0.861±0.048 ( P 值均<0.05 )。除 TIMP1 外 ( 1.092±0.053 vs 1.081±0.033,P=0.32 ),ACL 患者血液中基因表達水平較非 ACL 患者血液中的對應基因表達水平顯著上調:MMP1 1.163±0.030 vs 0.948±0.049,MMP2 0.918±0.056 vs 0.827±0.049,MMP8 1.172±0.029 vs 0.783±0.034,MMP9 1.304±0.059 vs 0.94±0.04,MMP131.155±0.060 vs 0.824±0.043,MMP14 1.095±0.058 vs 0.759±0.033,Agg1 1.270±0.077 vs 0.676±0.038,Agg21.244±0.037 vs 0.871±0.037,IL1 1.128±0.056 vs 0.912±0.045,TNFα 1.018±0.076 vs 0.724±0.047,TIMP11.092±0.053 vs 1.081±0.033,TIMP2 0.906±0.056 vs 0.875±0.049 ( P 值均<0.05 )。所有基因在血漿和滑膜中的表達具有相關性 ( Agg1:r=0.89,MMP1:r=0.88,MMP2:r=0.87,P<0.001 )。結論 ACL 損傷引起蛋白酶基因表達增加,而其它損傷造成的改變尚不確切?;づc血漿中的基因表達存在相關性。

骨關節(jié)炎,膝;透明軟骨;金屬內肽酶類;前交叉韌帶;半月板,脛骨

骨關節(jié)炎 ( osteoarthritis,OA ) 是一種患病率隨年齡顯著增加的漸進性退行性關節(jié)病變,與患者年齡、體重、炎癥、遺傳等因素密切相關[1]。除常見病因外,其危險因素還包括體育運動和關節(jié)損傷病史。有研究表明[2],青年時期有關節(jié)損傷者,13.9%在 65 歲前發(fā)生骨關節(jié)炎,而對照組 ( 青年時期未發(fā)生關節(jié)損傷者 ) 僅 6%。

骨關節(jié)炎基本的病理變化是內外因素變化導致關節(jié)滑膜組織、軟骨組織和軟骨下骨異常代謝并釋放多種蛋白酶[3],從而引發(fā)軟骨基質中蛋白聚糖與膠原纖維網絡的降解,最終導致進行性的骨與軟骨破壞。而在降解過程中,蛋白聚糖的丟失是骨關節(jié)炎軟骨早期退變,也最主要且最重要的病理變化。蛋白聚糖降解是一個蛋白水解過程,它的丟失破壞了軟骨細胞外基質功能和結構的完整性,使軟骨失去了抗負荷性能,最終導致不可逆性關節(jié)功能喪失。

骨關節(jié)炎與透明軟骨分解代謝、再生的相互作用過程有關[4],受滑膜和軟骨細胞分泌炎癥因子的影響,如關節(jié)液中的 IL1、TNF-α 可刺激其它細胞因子分泌,進而影響損傷關節(jié)軟骨的蛋白酶合成。有研究證實,對關節(jié)軟骨起破壞作用的主要是兩種金屬內肽酶[5-6],包括蛋白聚糖酶 ( Agg ) 和基質金屬蛋白酶 ( MMPs )。創(chuàng)傷后可檢測到關節(jié)液中此兩種酶水平改變,如:創(chuàng)傷后血腫會導致 MMP2 和 MMP9水平升高,關節(jié)創(chuàng)傷后 MMP1 水平升高,前交叉韌帶 ( anterior cruciate ligament,ACL ) 損傷后 MMP2 水平升高[7],半月板退行性改變患者中觀察到 MMP3、Agg1、Agg2 活性增強[8]。

既往研究多分析骨關節(jié)炎的損傷機制和關節(jié)液總體酶學水平,尚無對膝關節(jié)損傷后此類酶對應基因表達水平的相關研究。本試驗致力于探索膝關節(jié)損傷是否改變特定蛋白酶 ( 如 MMP1、MMP2、MMP8、 MMP9、MMP13、MMP14、Agg1、Agg2 )、細胞因子( IL1 和 TNFα )、抑制因子 ( TIMP1 和 TIMP2 ) 的基因表達,以期從基因水平探索創(chuàng)傷后骨關節(jié)炎的發(fā)生機制。

資料與方法

一、納入與排除標準

1.納入標準:( 1 ) 在留取關節(jié)樣本前 1 個月內未應用任何藥物者;( 2 ) 1 年內無關節(jié)穿刺治療及關節(jié)內用藥史者。

2.排除標準:( 1 ) 有代謝性疾病史者;( 2 ) 有內分泌紊亂史者;( 3 ) 有風濕性疾病史者;( 4 ) 有結締組織病史者;( 5 ) 有性激素避孕史者;( 6 ) 有糖皮質激素治療史者;( 7 ) 既往有手術或骨折病史者;( 8 )吸煙、飲酒、藥物成癮史者。

二、一般資料

2013 年 6 月至 2015 年 6 月,在西安交大附屬第二醫(yī)院就診的膝關節(jié)損傷患者共 138 例,男57 例,女 81 例,年齡 25~55 歲,平均 38.8 歲。病程為 1 天~1 個月,平均 7 天。均有明確的膝關節(jié)外傷史,臨床表現為關節(jié)腫脹、疼痛、功能障礙、部分彈響等,所有病例均于損傷后 1 個月內經關節(jié)鏡或手術證實。74 例行右膝關節(jié)手術,64 例行左膝關節(jié)手術,其中 29 例同時行 ACL 重建手術。本研究方案已獲西安交通大學附屬第二醫(yī)院倫理委員會批準。

三、樣本采集

檢查前采集受試者外周血標本,從肘窩表淺靜脈采集 2 ml 血液,收集至 5 ml BD VacutainerEDTA K2 管,20 min 內轉存至 -20 ℃ 冰箱冷藏。所有患者行前外側或前內側膝關節(jié)鏡檢查,利用 4 mm 關節(jié)鏡相機評估交叉韌帶、半月板和關節(jié)軟骨的損傷類型和損傷程度 ( Outerbridge 量表[9])。從近滑膜中點處或直接從損傷區(qū)域收集 ACL 周圍滑膜碎片,標本立即放置于含 RNAlater的 1.5 cm3組織保存管中。處理后樣本置于 4 ℃ 環(huán)境,隔日冷藏于 -20 ℃ 冰箱。

四、主要試劑與儀器

RNAlatermsolution,Trizol m( Invitrogen ) reagent,RT-PCR Kit ( Agilent Technologies)。PicodropTM分光光度計,RT-PCR 分析儀器 Stratagene Mx3005P ( Agilent Technologies )。

五、實驗方法[10]

取上述組織、血液標本,按照試劑盒所述方法提取 RNA,利用分光光度計獲得 RNA 濃度和純度,獲得的 RNA 溶液冷藏至 -80 ℃ 環(huán)境以備后用。利用RT-PCR 技術,首先經反轉錄酶的作用以 RNA 合成cDNA,再以 cDNA 為模板,擴增合成目的片段,內部參照為 GAPDH 基因,評估以下基因表達情況:蛋白酶 MMP1、MMP2、MMP8、MMP9、MMP13、MMP14、Agg1、Agg2,抑制因子 TIMP1 和 TIMP2,細胞因子 IL1 和 TNFα,根據分析儀器標準曲線計算各個樣本中所檢測指標的數值。對應的 mRNA 表達情況用 2-ΔΔCt 公式計算。

六、統(tǒng)計學處理

結 果

膝關節(jié)鏡術中評估患者損傷類型:56 例 ACL 損傷,65 例內側半月板 ( MM ) 損傷,11 例外側半月板( LM ) 損傷。21 例 MM 合并 ACL 損傷,5 例 LM 合并 ACL 損傷。根據 Outerbridge 分級標準評估軟骨面損傷程度,I 級 7 例,II 級 32 例,III 級 25 例,IV級 4 例,余 70 例未發(fā)現軟骨面異常。軟骨受損患者中,有 11 例 ACL 撕裂,其中 4 例伴發(fā) MM 損傷。半月板損傷患者中有 30 例合并軟骨面損傷。

如表 1 所示,與無 ACL 損傷者相比,ACL 損傷的患者中,除血 TIMP1 外,滑膜和血液中相關研究基因表達水平均有上調。ACL 患者滑膜中基因表達水平較非 ACL 患者滑膜中的對應基因表達水平顯著上調:MMP1 0.920±0.068 vs 0.794±0.061,MMP2 1.075±0.053 vs 0.668±0.035,MMP8 0.951±0.047 vs 0.766±0.045,MMP9 1.354±0.032 vs 0.947±0.042,MMP13 1.148±0.058 vs 0.991±0.058,MMP141.379±0.049 vs 0.777±0.036,Agg1 1.309±0.071 vs 0.647±0.034,Agg2 1.043±0.072 vs 0.684±0.069,IL1 1.320±0.054 vs 0.857±0.049,TNFα 1.101±0.050 vs 0.802±0.039,TIMP1 1.197±0.060 vs 1.035±0.071,TIMP2 1.110±0.048 vs 0.861±0.048( P 值均<0.05 )。除 TIMP1 外 ( 1.092±0.053 vs 1.081±0.033,P=0.32 ),ACL 患者血液中基因表達水平較非 ACL 患者血液中的對應基因表達水平顯著上調:MMP1 1.163±0.030 vs 0.948±0.049,MMP20.918±0.056 vs 0.827±0.049,MMP8 1.172±0.029 vs 0.783±0.034,MMP9 1.304±0.059 vs 0.94±0.04,MMP13 1.155±0.060 vs 0.824±0.043,MMP141.095±0.058 vs 0.759±0.033,Agg1 1.270±0.077 vs 0.676±0.038,Agg2 1.244±0.037 vs 0.871±0.037,IL1 1.128±0.056 vs 0.912±0.045,TNFα 1.018± 0.076 vs 0.724±0.047,TIMP1 1.092±0.053 vs 1.081± 0.033,TIMP2 0.906±0.056 vs 0.875±0.049 ( P<0.05 )。

與半月板正常的患者相比,MM 損傷的患者中,血 MMP9、Agg2 表達水平顯著提高,而外周血 TIMP2和滑膜 MMP13 表達水平顯著降低 ( P<0.05 )。LM 損傷的患者,外周血 MMP13、MMP14 基因表達水平顯著提高,滑膜 MMP8 基因表達水平降低 ( P<0.05 )。

表1 ACL 與非 ACL 損傷者基因相對 GAPDH 表達水平 (±s )Tab.1 Gene expression level in the patients with or without ACL lesions compared with GAPDH (±s )

表1 ACL 與非 ACL 損傷者基因相對 GAPDH 表達水平 (±s )Tab.1 Gene expression level in the patients with or without ACL lesions compared with GAPDH (±s )

注:aACL 損傷者滑膜、外周血分別與非 ACL 損傷者比較,P<0.05Notice:aComparison of gene expression level in the synovium and peripheral blood of the patients with or without ACL lesions, P < 0.05

非 ACL 患者血液MMP1 0.920±0.068a 1.163±0.030a 0.794±0.061 0.948±0.049 MMP2 1.075±0.053a 0.918±0.056a 0.668±0.035 0.827±0.049 MMP8 0.951±0.047a 1.172±0.029a 0.766±0.045 0.783±0.034 MMP9 1.354±0.032a 1.304±0.059a 0.947±0.042 0.940±0.040 MMP13 1.148±0.058a 1.155±0.060a 0.991±0.058 0.824±0.043 MMP14 1.379±0.049a 1.095±0.058a 0.777±0.036 0.759±0.033 Agg1 1.309±0.071a 1.270±0.077a 0.647±0.034 0.676±0.038 Agg2 1.043±0.072a 1.244±0.037a 0.684±0.069 0.871±0.037 IL1 1.320±0.054a 1.128±0.056a 0.857±0.049 0.912±0.045 TNFα 1.101±0.050a 1.018±0.076a 0.802±0.039 0.724±0.047 TIMP1 1.197±0.060a 1.092±0.053 1.035±0.071 1.081±0.033 TIMP2 1.110±0.048a 0.906±0.056a 0.861±0.048 0.875±0.049基因類型 ACL 患者滑膜 ACL 患者外周血非 ACL 患者滑膜

與無關節(jié)面損傷的患者相比,關節(jié)面損傷的患者中,外周血、滑膜兩種組織中僅 TIMP2 表達水平顯著增加 ( P<0.05 )。外周血 MMP13、MMP14、TIMP1,滑膜細胞 MMP8、MMP14、TIMP1 的基因表達水平無顯著改變,其余研究基因表達水平反而有所降低。

在 ACL 損傷的患者中進行亞組分析,比較單獨ACL 損傷與 ACL 合并半月板或關節(jié)面損傷,合并損傷者滑膜 MMP1、MMP2、MMP13 基因表達水平更低,且在 ACL 合并關節(jié)面損傷的患者中最低;而滑膜 MMP8 和 MMP9 表達水平則顯著增加 ( P<0.05 )。

本試驗最后分析證明,研究的所有基因在滑膜與外周血中表達水平情況顯著相關 ( 表 3 )。相關性最強的為 Agg1 ( r=0.89 )、MMP1 ( r=0.88 ) 和 MMP2 ( r=0.87 ),相關性最弱為 MMP8,差異有統(tǒng)計學意義。結果顯示,本研究所有基因在滑膜和外周血中的表達水平變化具有一致性。

表2 不同膝關節(jié)損傷對基因表達水平的影響Tab.2 Gene expression changes in different knee injuries

表3 滑膜、血液中研究基因表達水平相關性分析 ( P < 0.001 )Tab.3 Correlations between studied gene expression level in the synovial membrane and blood ( P < 0.001 )

討 論

本試驗結果顯示,在 ACL 患者中,除血 TIMP1外,其它基因表達水平都有顯著提高。而在 LM、MM 及軟骨面損傷的患者中,細胞因子表達水平無顯著改變,各金屬內肽酶基因表達水平改變方向也不一致。故 ACL 損傷引起蛋白酶基因表達水平增加,而其它損傷造成的改變尚不確切??紤]到 ACL撕裂經常伴隨其它關節(jié)內組織損傷,本試驗也評估了合并損傷對基因表達水平的影響,發(fā)現合并損傷主要影響 MMP 表達水平,而對 Agg、細胞因子表達水平無明顯改變。通過比較滑膜與外周血中基因的表達水平變化發(fā)現,滑膜與血漿中基因表達水平存在相關性。Monemdjou 等[11]認為 MMP1 和 MMP13是關節(jié)軟骨退化的主要介質,Tchetverikov 等[12]也觀察到關節(jié)創(chuàng)傷后 proMMP1 水平升高。Tajim 等[13]認為關節(jié)內血腫導致 MMP2 和 MMP9 水平升高。Higuchi 等[14]發(fā)現在 ACL 撕裂病例中,MMP1、IL6、TNFα、TIMP1 水平升高。這與我們的實驗數據相符,從 ACL 損傷的患者數據來看,幾乎所有基因表達水平都有顯著提高。在半月板和軟骨損傷患者中,本試驗發(fā)現上述基因表達水平并無顯著變化,TNFα 水平與軟骨退行性標志物似乎并無關聯。通過分析關節(jié)軟骨損傷的影響,本試驗發(fā)現與關節(jié)面受損者相比,大多數蛋白酶基因在關節(jié)軟骨完好者表達水平更高。同樣,El-Arman 等[15]也發(fā)現外周血和滑膜的酶水平存在正相關,闡述了骨關節(jié)炎局部標志物和全身標志物的相關性。

大多數研究分析的是關節(jié)液的總體酶學水平,但本試驗著重研究了這些蛋白酶對應的基因表達水平。骨關節(jié)炎是一種緩慢進展的關節(jié)軟骨退化性疾病,關節(jié)損傷可能發(fā)生在年輕的時候,但受傷病史若造成基因表達水平改變,破壞軟骨的金屬內肽酶表達水平增加,則可能對關節(jié)軟骨造成持久的破壞。本試驗僅在 ACL 損傷的患者中發(fā)現幾乎所有破壞性酶對應基因表達水平提高,半月板、軟骨面損傷造成的基因改變尚無定論。根據這些實驗結果,筆者建議,今后的研究可延長隨訪時間,進一步分析基因表達水平增加對于骨關節(jié)炎的早期診斷意義。

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( 本文編輯:裴艷宏 )

Research on the influence of joint injuries on gene expressions of articular cartilage proteases


XUE Jian-li, CUI Wei.
Department of Orthopedics, the second Affiliated Hospital of Xi’an Jiaotong University, Xi’an, Shanxi, 710004, PRC

Objective To explore whether injuries of the knee joint tissues will increase gene expressions of selected hyaline cartilage degenerating enzymes such as matrix metaloproteinases ( MMP ) and aggreacaneses ( Agg ).Methods A total of 138 patients with joint tissue lesions such as menisci, anterior cruciate ligament ( ACL ) and hyaline cartilage were admitted for knee arthroscopy.There were 81 females and 57 males with a mean age of 38.8 years.Full blood samples were collected preoperatively and synovium samples intraoperatively.Real time polymerase chain reaction ( PCR ) and spectrophotometric analysis were performed.Results ACL lesions were found in 56 patients, medial menisci ( MM ) lesions in 65 patients and lateral menisci ( LM ) lesions in 5 patients.Chondral lesions were estimated according to Outerbridge’s grading system.In laboratory tests, significant correlation was seen between ACL tears and gene expressions ( MMP1, MMP2, MMP8, MMP9, MMP13, MMP14, Agg1, Agg2, IL1, TNFα and TIMP2, except TIMP1 ) ( P < 0.05 ).The gene expression level in synovium of the patients with ACL lesions was significantly elevated compared with that of the patients without ACL lesions: MMP1 0.920 ± 0.068 vs 0.794 ± 0.061; MMP2 1.075 ± 0.053 vs 0.668 ± 0.035; MMP8 0.951 ± 0.047 vs 0.766 ± 0.045; MMP9 1.354 ± 0.032 vs 0.947 ± 0.042; MMP13 1.148 ± 0.058 vs 0.991 ± 0.058; MMP14 1.379 ± 0.049 vs 0.777 ± 0.036; Agg1 1.309 ± 0.071 vs 0.647 ± 0.034; Agg2 1.043 ± 0.072 vs 0.684 ± 0.069; IL1 1.320 ± 0.054 vs 0.857 ± 0.049; TNFα 1.101 ± 0.050 vs 0.802 ±0.039; TIMP1 1.197 ± 0.060 vs 1.035 ± 0.071; TIMP2 1.110 ± 0.048 vs 0.861 ± 0.048 ( P < 0.05 ).Except TIMP1( 1.092 ± 0.053 vs 1.081 ± 0.033, P = 0.32 ), the gene expression level in serum of the patients with ACL lesions was significantly elevated compared with that of the patients without ACL lesions: MMP1 1.163 ± 0.030 vs 0.948 ± 0.049; MMP2 0.918 ± 0.056 vs 0.827 ± 0.049; MMP8 1.172 ± 0.029 vs 0.783 ± 0.034; MMP9 1.304 ± 0.059 vs 0.94 ± 0.04; MMP13 1.155 ± 0.060 vs 0.824 ± 0.043; MMP14 1.095 ± 0.058 vs 0.759 ± 0.033; Agg1 1.270 ± 0.077 vs 0.676 ± 0.038; Agg2 1.244 ± 0.037 vs 0.871 ± 0.037; IL1 1.128 ± 0.056 vs 0.912 ± 0.045; TNFα 1.018 ± 0.076 vs 0.724 ± 0.047; TIMP1 1.092 ± 0.053 vs 1.081 ± 0.033; TIMP2 0.906 ± 0.056 vs 0.875 ± 0.049 ( P < 0.05 ).All of the gene expressions were correlated in the serum and synovium ( Agg1: r = 0.89, MMP1: r = 0.88, MMP2: r = 0.87, P < 0.001 ).Conclusions An ACL lesion provokes elevation in the gene expression of proteases, while the influence of other lesions remains elusive.Gene expression in the synovium is correlated with that in the peripheral blood.

Osteoarthritis, knee; Hyaline cartilage; Metalloendopeptidases; Anterior cruciate ligament; Menisci, tibial

10.3969/j.issn.2095-252X.2016.12.008

R684.7, Q344

710004 西安交通大學附屬第二醫(yī)院骨科 ( 薛建利 );712000 陜西省核工業(yè) 215 醫(yī)院骨科 ( 崔威 )

崔威,Email: cuiwei 197502@126.com

2016-02-24 )

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