氧化应激活化NLRP3炎性体/Caspase-1/IL-1β信号通路在牵拉致多裂肌损伤性萎缩中的作用和机制

Traumatic atrophy of multifidus muscle after posterior lumbar surgery is the important reason of refractory low back pain. Although clinical studies have reported that minimally invasive techniques can reduce this traumatic atrophy of multifidus, they still can't totally avoid it. Previous studies have shown that the ischemia-reperfusion injury caused by retraction is the main reason, but the exact molecular mechanisms have not been studied. The latest research in vitro, found that, through thioredoxin interacting protein (TXNIP), oxidative stress can activate the NLRP3 inflammasome/caspase-1/IL-1β signaling pathway, and trigger excessive inflammatory response. In our own animal study, we observed there were obvious oxidative stress and inflammation after retraction in posterior lumbar surgery, which were significantly correlated with the extent of multifidus injury and atrophy. So, this project will analyze the effect of NLRP3 inflammasome/caspase-1/IL-1β signaling pathway activated by oxidative stress in posterior lumbar surgery, and investigate how TXNIP modulates this signaling pathway, through multifidus cell models affected by H2O2 in vitro and oxidative stress models caused by retraction injury in vivo, using the wild type, TXNIP-/- and NLRP3-/- mice models. The object is to provide a theoretical basis for developing new treatments of postoperative multifidus traumatic atrophy.

腰椎后路术后多裂肌损伤性萎缩是顽固性腰背痛的重要原因，临床通过微创技术进行预防，取得了一定疗效，但并不能完全防治其发生发展。国外研究表明，手术牵拉致多裂肌缺血再灌注损伤是发病的重要原因，但确切分子机制尚不明了。体外研究发现，氧化应激通过硫氧还蛋白交互作用蛋白(TXNIP)活化NLRP3/caspase-1/IL-1β信号通路，触发过度炎症反应。国外研究证实骨骼肌细胞在相关因素刺激下可分泌NLRP3、释放大量炎性分子。我们观察到，多裂肌持续牵拉后发生了明显的氧化应激和炎症反应，并与多裂肌损伤和萎缩程度密切相关。因此本项目利用野生型、TXNIP和NLRP3基因敲除小鼠模型，通过体内牵拉损伤和体外H2O2作用制备氧化应激模型，明确氧化应激活化NLRP3/caspase-1/IL-1β信号通路在多裂肌损伤性萎缩中的作用，并阐述TXNIP对该通路的调控作用，最终为多裂肌损伤性萎缩的治疗提供分子靶标。

项目背景：.腰椎后路术后多裂肌损伤性萎缩是顽固性腰背痛的重要原因，目前临床上预防手段局限，其中微创技术取得了一定疗效，但远期作用并不显著。国外相关研究表明，手术牵拉致多裂肌缺血再灌注损伤可引起多裂肌萎缩，但尚无分子水平研究进展。体外研究发现，氧化应激可通过硫氧还蛋白交互作用蛋白(TXNIP)活化NLRP3/caspase-1/IL-1β信号通路，以引起多裂肌细胞内过度的炎症反应。我们发现，多裂肌持续牵拉后发生了明显的氧化应激和炎症反应，并与多裂肌损伤和萎缩程度密切相关。在本项目中，我们利用野生型、TXNIP和NLRP3基因敲除小鼠模型，通过人工制造腰椎后路牵拉损伤和体外H2O2作用制备氧化应激模型，明确氧化应激活化NLRP3/caspase-1/IL-1β信号通路在多裂肌损伤性萎缩中的作用，并阐述TXNIP对该通路的调控作用，对多裂肌损伤性萎缩的治疗提供更精确的分子水平的指导。.主要研究内容：. 对实验动物腰椎后路切开单纯牵拉后缝合以建立多裂肌牵拉损伤模型，评估炎症相关基因表达情况，验证腰椎后路术后多裂肌损伤与牵拉产生的氧化应激与炎症反应的关系。检测多裂肌H2O2氧化应激细胞模型与APDC抗氧化细胞模型以及沉默NLRP3后Caspase-1/IL-1β表达情况，以明确NLRP3/caspase-1/IL-1β信号通路在氧化应激介导的多裂肌损伤性萎缩中的作用。用H2O2刺激沉默TXNIP基因的多裂肌细胞并检测Caspase-1和IL-1β表达情况，以明确抑制TXNIP的表达对多裂肌牵拉造成的氧化应激的影响。.重要结果：. 腰椎后路切开单纯牵拉使TXNIP、NLRP3、Caspase-1和IL-1β表达明显增加（P<0.01），且牵拉2h较牵拉1h表达明显增加（P<0.01）。H2O2氧化刺激的多裂肌细胞中H2O2组TXNIP、NLRP3/Caspase-1/IL-1β表达明显增高而结构蛋白MHC明显下降，而APDC抗氧化组细胞中TXNIP、NLRP3/Caspase-1/IL-1β表达明显降低（P<0.001）而结构蛋白MHC明显升高。沉默NLRP3基因的多裂肌细胞中Caspase-1和IL-1β表达明显降低，MHC表达增高。相比于对照组，沉默多裂肌细胞中的TXNIP基因组H2O2刺激后Caspase-1和IL-1β表达明显降低而MHC表达增加。