actabiomedicaActa Biomedica ScientificaActa Biomedica Scientifica2541-94202587-9596Scientific Centre for Family Health and Human Reproduction Problems10.29413/ABS.2020-5.6.16actabiomedica-2506Research ArticleНЕВРОЛОГИЯ И НЕЙРОХИРУРГИЯNEUROLOGY AND NEUROSURGERYИсследование интраоперационных биоптатов Ligamentum flavum пациентов со стенозирующими процессами позвоночного канала методом полимеразной цепной реакцииMolecular Genetic Studies of Intraoperative Ligamentum Flavum Bioptates of Patients with Spinal Canal Stenosishttps://orcid.org/0000-0002-5080-9225РодионоваЛ. В.RodionovaL. V.

кандидат биологических наук, заведующая лабораторией клеточной патофизиологии и биохимии; ассистент кафедры клинической лабораторной диагностики

664003, г. Иркутск, ул. Борцов Революции, 1, Россия

664049, г. Иркутск, Юбилейный, 100, Россия

Cand. Sc. (Biol.), Head of the Laboratory of Cell Pathophysiology and Biochemistry; Teaching Assistantat the Department of Clinical Laboratory Medicine

Bortsov Revolyutsii str. 1, Irkutsk 664003, Russian Federation 

Yubileyniy 100, Irkutsk 664049, Russian Federation 

greidmacho@yandex.ruСамойловаЛ. Г.SamoilovaL. G.

младший научный сотрудник лаборатории клеточной патофизиологии и биохимии

664003, г. Иркутск, ул. Борцов Революции, 1, Россия

Bortsov Revolyutsii str. 1, Irkutsk 664003, Russian Federation 

popovalg@mail.ruБогородскаяС. Л.BogorodskayaS. L.

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории клеточной патофизиологии и биохимии

664003, г. Иркутск, ул. Борцов Революции, 1, Россия

Bortsov Revolyutsii str. 1, Irkutsk 664003, Russian Federation 

sbogorodskaya@mail.ruГороховаВ. Г.GorokhovaV. G.

кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории клеточной патофизиологии и биохимии

664003, г. Иркутск, ул. Борцов Революции, 1, Россия

Bortsov Revolyutsii str. 1, Irkutsk 664003, Russian Federation 

iscst@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9008-6383СороковиковВ. А.SorokovikovV. A.

доктор медицинских наук, профессор, директор; заведующий кафедрой травматологии, ортопедии и нейрохирургии

664003, г. Иркутск, ул. Борцов Революции, 1, Россия

664049, г. Иркутск, Юбилейный, 100, Россия

Dr. Sc. (Med.), Professor, Director; Head of the Department of Traumatology, Orthopedy and Neurosurgery

Bortsov Revolyutsii str. 1, Irkutsk 664003, Russian Federation

Yubileyniy 100, Irkutsk 664049, Russian Federation

vasorokovikov@mail.ruФГБНУ «Иркутский научный центр хирургии и травматологии»; Иркутская государственная медицинская академия последипломного образования – филиал ФГБОУ ДПО «Российская медицинская академия непрерывного профессионального образования» Минздрава РоссииIrkutsk Scientific Centre of Surgery and Traumatology; Irkutsk State Medical Academy of Postgraduate Education – Branch Campus of the Russian Medical Academy of Continuing Professional EducationФГБНУ «Иркутский научный центр хирургии и травматологии»Irkutsk Scientific Centre of Surgery and TraumatologyФГБНУ «Иркутский научный центр хирургии и травматологии»; Иркутская государственная медицинская академия последипломного образования – филиал ФГБОУ ДПО «Российская медицинская академия непрерывного профессионального образования» Минздрава РоссииIrkutsk Scientific Centre of Surgery and Traumatology; Irkutsk State Medical Academy of Postgraduate Education – Branch Campus of the Russian Medical Academy of Continuing Professional Education20201501202156144150Copyright © Родионова Л.В., Самойлова Л.Г., Богородская С.Л., Горохова В.Г., Сороковиков В.А., 20212021Родионова Л.В., Самойлова Л.Г., Богородская С.Л., Горохова В.Г., Сороковиков В.А.Rodionova L.V., Samoilova L.G., Bogorodskaya S.L., Gorokhova V.G., Sorokovikov V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.actabiomedica.ru/jour/article/view/2506

Ligamentum flavum участвует в развитии стенозирующего процесса позвоночного канала и дурального мешка, но механизмы, лежащие в основе дегенеративно-дистрофических изменений, изучены ещё недостаточно.

Цель работы

Цель работы. Исследовать экспрессию генов-кандидатов, принимающих участие в  метаболизме соединительной ткани в интраоперационных образцах Ligamentum flavum  пациентов со стенозирующими процессами позвоночного канала и дурального мешка поясничного отдела позвоночника.

Материалы и методы

Материалы и методы. Из интраоперационных биоптатов Ligamentum flavum 33 человек (16 мужчин и 17 женщин) со стенозирующими процессами позвоночного канала и дурального мешка поясничного отдела позвоночника выделяли РНК, проводили  обратную транскрипцию и ставили real-time ПЦР (CFX96, Biorad) со специфичными праймерами.

Результаты

Результаты. Приведены характеристики экспрессии генов-кандидатов, активных в Ligamentum flavum обследованного контингента пациентов: генов ацетилтрансфераз NAT1 и NAT2; генов, определяющих интенсивность локального метаболизма (Dio1, Dio2 и Dio3); генов-рецепторов к эстрадиолу ESR1 и ESR2; генов, кодирующих рецепторы к факторам роста и паратиреоидному гормону. Во всех образцах Ligamentum flavum обнаружена активность генов AANAT, ESR2, FGFR1, FGFR3, NAA20, PTH1R и PTH2R. В подавляющем большинстве образцов (93,9–97,0%) были активны гены PDGFA, ESR1, CALCR, PDGFB. В 21,2–39,4 % образцов было выявлено «молчание» генов Dio1, Dio2, Dio3, NAT2 и GDF5, и только в 39,4 % образцов выявлены транскрипты гена NAT1. Наибольшая гетерогенность содержания транскриптов наблюдалась для генов Dio1, NAT2 и Dio2. Наиболее стабильной экспрессией в ткани Ligamentum flavum и узким диапазоном колебаний отличались гены с высоким уровнем активности AANAT, ESR2, NAA20 и гены со средним уровнем активности FGFR1, FGFR3, PTH1R и PTH2R.

Заключение

Заключение. Ligamentum flavum является перспективным малоизученным субстратом  для молекулярно-генетических исследований. Выявленные особенности локальной  экспрессии генов в очаге патологии дают новую информацию о патогенезе стенозирующих процессов позвоночного канала и дурального мешка поясничного отдела позвоночника.

Background

Background. Ligamentum flavum is involved in the development of stenosis of the spinal canal and dural sac, but the mechanisms underlying degenerative-dystrophic changes have not yet been sufficiently studied.

Aim

Aim. To study the expression of candidate genes potentially involved in connective tissue metabolism in intraoperative samples of Ligamentum flavum of patients with stenosis processes of spinal canal and duralsac on the lumbar spine.

Materials and methods

Materials and methods. During the surgical treatment, Ligamentum flavum biopsies were collected from 33 people with stenosis processes of spinal canal and dural sac on the lumbar spine (16 men, 17 women). RNA was isolated, then reverse transcription was performed. After that, real time PCR was performed (CFX96, Biorad) with the specific primers (RealTimePrimers.com).

Results

Results. The characteristics of the expression of candidate genes that are active in the Ligamentum flavum of  the examined patient population are given: NAT1 and NAT2 acetyltransferase genes; genes that determine the intensity of local metabolism (Dio1, Dio2 and Dio3); estradiol receptor genes ESR1 and ESR2; genes encoding receptors for growth factors and parathyroid hormone. All Ligamentum flavum samples showed activity of the NAT, ESR 2, FGFR1, FGFR3, NA20, PTH1R, and PTH2R genes. In the vast majority of samples (93.9–97.0 %), the following genes were active: PDGFA, ESR1, CALCR, and PDGFB. In 21.2–39.4 % of samples, “silence” of the Dio1, Dio2, Dio3, NAT2 and GDF5 genes was detected, and only 39.4 % of samples revealed NAT1 transcripts. The highest heterogeneity of transcript content was observed for Dio1, NAT2, and Dio2. The most stable expression in Ligamentum flavum tissue and a narrow range of fluctuations were characterized by genes with a high level of activity AANAT, ESR2, NAA20 and genes with an average level of activity FGFR1, FGFR3, PTH1R and PTH2R.

Conclusions

Conclusions. Ligamentum flavum is a promising little-studied substrate for molecular genetic research. The revealed features of gene expression provide new information about pathogenesis, and the new fundamental knowledge obtained can provide a basis for developing methods for preventing the development of epidural fibrosis.

стеноз позвоночного каналадегенеративно-дистрофические заболевания позвоночникаLigamentum flavumэкспрессия геновreal-time ПЦРstenosis of the spinal canaldegenerative spine disordersLigamentum flavumgene expressionreal time PCRReferencesЖивотенко А.П., Кошкарева З.В., Сороковиков В.А. Профилактика послеоперационного рубцово-спаечного эпидурита: современное состояние вопроса. Хирургия позвоночника. 2019; 16(3): 74-81. doi: 10.14531/ss2019.3.74-81Zhivotenko AP, Koshkareva ZV, Sorokovikov VA. Prevention of postoperative epidural fibrosis: current state of the issue. Spine Surgery. 2019; 16(3): 74-81. doi: 10.14531/ss2019.3.74-81. (In Russ.)Кириенко А.Н., Сороковиков В.А., Поздеева Н.А. Дегенеративно-дистрофические поражения шейного отдела позвоночника. Сибирский медицинский журнал (Иркутск). 2015; 7: 21-25.Kirienko AN, Sorokovikov VA, Pozdeeva NA. Degenerativedystrophic cervical spine disorders (review of literature). Sibirskiy meditsinskiy zhurnal (Irkutsk). 2015; 7: 21-25. (In Russ.)Lan X, Gao J, Xu JZ, Liu XM. Treatment of ossification of ligamentum flavum complicated with lumbar spinal stenosis. Zhongguo Gu Shang. 2017; 30(2): 175-178. doi: 10.3969/j.issn.1003-0034.2017.02.016Lan X, Gao J, Xu JZ, Liu XM. Treatment of ossification of Ligamentum flavum complicated with lumbar spinal stenosis. Zhongguo Gu Shang. 2017; 30(2): 175-178. doi: 10.3969/j.issn.1003-0034.2017.02.016Haig AJ, Adewole A, Yamakawa KSJ, Kelemen B, Aagesen AL. The Ligamentum flavum at L4-5: Relationship with anthropomorphic factors and clinical findings in older persons with and without spinal disorders. PMR. 2012; 4(1): 23-29.Haig AJ, Adewole A, Yamakawa KSJ, Kelemen B, Aagesen AL. The Ligamentum flavum at L4-5: Relationship with anthropomorphic factors and clinical findings in older persons with and without spinal disorders. PMR. 2012; 4(1): 23-29.Rahimizadeh A, Soufiani H, Amirzadeh M, Rahimizadeh Sh. Ossification of the Ligamentum Flavum of the Lumbar Spine in Caucasians: Case Series. J Spine Neurosurg. 2017. 6(5). doi: 10.4172/2325-9701.1000283Rahimizadeh A, Soufiani H, Amirzadeh M, Rahimizadeh Sh. Ossification of the Ligamentum Flavum of the Lumbar Spine in Caucasians: Case Series. J Spine Neurosurg. 2017. 6(5). doi: 10.4172/2325-9701.1000283Zhong ZM, Zha DS, Xiao WD, Wu SH, Wu Q, Zhang Y, et al. Hypertrophy of Ligamentum flavum in lumbar spine stenosis associated with the increased expression of connective tissue growth factor. J Orthop Res. 2011; 29(10): 1592-1597. doi: 10.1002/jor.21431Zhong ZM, Zha DS, Xiao WD, Wu SH, Wu Q, Zhang Y, et al. Hypertrophy of Ligamentum flavum in lumbar spine stenosis associated with the increased expression of connective tissue growth factor. J Orthop Res. 2011; 29(10): 1592-1597. doi: 10.1002/jor.21431Zhang Y, Xu XM, Wu SP, Xia XZ, Li CT, Dedg CL, et al. Overexpression of platelet-derived growth factor-BB in degenerative hypertrophied Ligamentum flavum. Nan Fang Yi Ke Da Xue Xue Bao. 2011; 31(7): 1268-1272.Zhang Y, Xu XM, Wu SP, Xia XZ, Li CT, Dedg CL, et al. Overexpression of platelet-derived growth factor-BB in degenerative hypertrophied Ligamentum flavum. Nan Fang Yi Ke Da Xue Xue Bao. 2011; 31(7): 1268-1272.Zhong ZM, Chen JT, Zhang Y, Zha DS, Lin ZS, Zhao CY, et al. Growth/differentiation factor-5 induces osteogenic differentiation of human Ligamentum flavum cells through activation of ERK1/2 and p38 MAPK. Cell Physiol Biochem. 2010; 26(2): 179-186. doi: 10.1159/000320526Zhong ZM, Chen JT, Zhang Y, Zha DS, Lin ZS, Zhao CY, et al. Growth/differentiation factor-5 induces osteogenic differentiation of human Ligamentum flavum cells through activation of ERK1/2 and p38 MAPK. Cell Physiol Biochem. 2010; 26(2): 179-186. doi: 10.1159/000320526Matsushita T, Wilcox WR, Chan YY, Kawanami A, Bükülmez H, Balmes G, et al. FGFR3 promotes synchondrosis closure and fusion of ossification centers through the MAPK pathway. Hum Mol Genet. 2009; 18(2): 227-240.Matsushita T, Wilcox WR, Chan YY, Kawanami A, Bükülmez H, Balmes G, et al. FGFR3 promotes synchondrosis closure and fusion of ossification centers through the MAPK pathway. Hum Mol Genet. 2009; 18(2): 227-240.Chen MH, Hu CK, Chen PR, Chen YS, Sun JS, Chen MH. Dose-dependent regulation of cell proliferation and collagen degradation by estradiol on ligamentum flavum. BMC Musculoskelet Disord. 2014; 15: 238. doi: 10.1186/1471-2474-15-238Chen MH, Hu CK, Chen PR, Chen YS, Sun JS, Chen MH. Dose-dependent regulation of cell proliferation and collagen degradation by estradiol on ligamentum flavum. BMC Musculoskelet Disord. 2014; 15: 238. doi: 10.1186/1471-2474-15-238Родионова Л.В., Самойлова Л.Г., Шурыгина И.А., Скляренко О.В., Животенко А.П., Кошкарева З.В., и др. Особенности реакций ацетилирования у больных со стенозирующим процессом позвоночного канала и дурального мешка поясничного отдела позвоночника в зависимости от выраженности оссификации Ligamentum flavum. Патогенез. 2020; 13(3): 45-52. doi: 10.25557/2310-0435.2020.03.45-52Rodionova LV, Samoylova LG, Shurygina IA, Sklyarenko OV, Zhivotenko AP, Koshkareva ZV, et al. Features of acetylation reactions in patients with stenosing process of the spinal canal and dural sac of the lumbar spine, depending on the severity of ossification of the Ligamentum flavum. Pathogenesis. 2020. 13(3): 45-52. doi: 10.25557/2310-0435.2020.03.45-52.(In Russ.)Родионова Л.В., Сороковиков В.А., Самойлова Л.Г., Негреева М.Б., Скляренко О.В., Кошкарева З.В. Исследование факторов, определяющих половозрастные различия в течении дегенеративно-дистрофической патологии позвоночника, осложненной стенозом позвоночного канала. Современные проблемы науки и образования. 2016; 6: 200. URL: http://www.science-education.ru/article/view?id=25829.Rodionova LV, Sorokovikov VA, Samoylova LG, Negreeva MB, Sklyarenko OV, Koshkareva ZV. Investigation of the factors that determine age and sex differences in the course of degenerative-dystrophic pathology of the spine, complicated by spinal stenosis. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. 2016. 6: 200. URL: http://www.science-education.ru/article/view?id=25829. (In Russ.)Родионова Л.В., Самойлова Л.Г., Невежина А.В., Шурыгина И.А. Экспрессия генов дейодиназ в интраоперационных образцах Ligamentum flavum пациентов со стенозирующими процессами позвоночного канала и дурального мешка на поясничном отделе позвоночника. Acta biomedica scientifica. 2019; 4(6): 20-25. doi: 10.29413/ABS.2019-4.6.3Rodionova LV, Samoylova LG, Nevezhina AV, Shurygina IA. Expression of deiodinase genes in intraoperative samples of Ligamentum flavum in patients with stenotic processes of the spinal canal and dural sac on the lumbar spine. Acta biomedica scientifica. 2019. 4(6): 20-25. doi: 10.29413/ABS.2019-4.6.3. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.