椎間盤退變的分子機(jī)制研究現(xiàn)狀

張威林，王海強(qiáng)，陳宇飛，劉志恒，張泳照，萬中元，孫 振，羅卓荊

腰痛為骨科的常見病、多發(fā)病，脊柱領(lǐng)域的權(quán)威雜志《Spine》在1996 將腰痛列為關(guān)系人類健康的世紀(jì)難題——80%的人一生中至少經(jīng)歷1 次腰痛［1］。據(jù)保守估計，美國每年用于腰痛的醫(yī)療支出約900億美元。腰痛因其巨額的醫(yī)療支出引發(fā)經(jīng)濟(jì)壓力而成為重要的科學(xué)問題、臨床問題，乃至社會問題。腰痛的主要原因為椎間盤退變，這是一系列脊柱退行性疾病的病理基礎(chǔ)。椎間盤退變?yōu)轶w內(nèi)外多種因素綜合作用的結(jié)果，但是其確切的機(jī)制尚未明確。本文將對椎間盤退變的分子機(jī)制研究進(jìn)展作一綜述。

1 正常椎間盤

1.1 正常椎間盤的結(jié)構(gòu)

椎間盤由位于中心的髓核、外周的纖維環(huán)以及上下的軟骨終板構(gòu)成，髓核呈膠凍樣，位于中心，纖維環(huán)主要由15～25 層定向排列的膠原纖維片層按同心圓的方式排列組成。同一層的膠原纖維互相平行，每層膠原纖維與椎體縱軸成60°角，且任意相鄰片層的膠原纖維排列方向都是相反的。軟骨終板位于椎間盤與椎體的銜接處，厚度通常＜1 mm，在維持椎體正常形態(tài)及椎間盤的營養(yǎng)供應(yīng)方面發(fā)揮著重要作用。椎間盤的核心結(jié)構(gòu)為髓核，對于其整體結(jié)構(gòu)和力學(xué)傳導(dǎo)功能至關(guān)重要，因而，椎間盤退變的研究大多集中于對髓核的研究。髓核內(nèi)細(xì)胞數(shù)約為4 000 /mm3，纖維環(huán)內(nèi)約為9 000 /mm3，整個椎間盤的細(xì)胞數(shù)僅占總體積的1%［2］。纖維環(huán)與髓核的主要分成如下：髓核主要由髓核細(xì)胞及細(xì)胞外基質(zhì)構(gòu)成，髓核細(xì)胞主要由小而圓的類軟骨細(xì)胞及大而不規(guī)則的脊索細(xì)胞構(gòu)成。細(xì)胞外基質(zhì)主要包括水、Ⅱ型膠原、蛋白多糖，以及少量的細(xì)胞外基質(zhì)成分，包括纖粘連蛋白、纖調(diào)蛋白和基膜聚糖等［2］; 由髓核到纖維環(huán)，從內(nèi)向外逐漸由Ⅱ型膠原向Ⅰ型膠原轉(zhuǎn)變，其細(xì)胞也由類軟骨細(xì)胞向類成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化。正因為髓核細(xì)胞數(shù)量少，而且需要維持大量的細(xì)胞外基質(zhì)，所以椎間盤容易發(fā)生退變。

1.2 椎間盤的營養(yǎng)供應(yīng)

椎間盤的退變與其營養(yǎng)供應(yīng)的缺乏是密不可分的。椎間盤是人體最大的無血管組織，成人椎間盤髓核幾乎無血管，僅在邊緣1～2 mm 有小毛細(xì)血管。研究發(fā)現(xiàn)椎間盤也需要消耗能量，主要是通過糖酵解來供能，椎間盤細(xì)胞消耗固定量的氧氣、產(chǎn)生少量的CO2，無氧條件下椎間盤細(xì)胞也可以存活至少14 d，表明椎間盤組織處于缺血缺氧的狀態(tài)［3］。椎間盤內(nèi)pH 值一般為6.9～7.2，在退變的情況下，可以達(dá)到6.1［3］。Grunhagen 等［4］發(fā)現(xiàn)椎間盤的血液供應(yīng)主要來自終板的擴(kuò)散，極少量來自周圍的小血管。所以大部分脊柱側(cè)凸的患者由于終板的鈣化引起的椎間盤血供受阻，進(jìn)而導(dǎo)致退化，更加有力的證明了這一觀點［5］。

1.3 脊索細(xì)胞

成人髓核中以小而圓的類軟骨細(xì)胞為主(一般所講的髓核細(xì)胞即指這類細(xì)胞)，而在幼兒及某些其他物種中以大而不規(guī)則的脊索細(xì)胞為主［6］。脊索細(xì)胞在胎兒出生之后有維護(hù)和保持胎兒脊柱功能的作用［7］。脊索細(xì)胞在10 歲左右消失，并由軟骨樣細(xì)胞所取代［8］，這與椎間盤剛開始發(fā)生退變的時間比較接近。但是，目前有大量的證據(jù)可以表明脊索細(xì)胞的功能在成人狀態(tài)依然保存［9］。目前基本可以確定脊索細(xì)胞能減少炎癥介質(zhì)在纖維環(huán)中的表達(dá)［10］，抑制髓核細(xì)胞的凋亡［11］，促使細(xì)胞外基質(zhì)增加，起到維持椎間盤正常形態(tài)的作用。髓核細(xì)胞由于表達(dá)FasL 而具有一定的免疫功能［12］，這項發(fā)現(xiàn)對于椎間盤的退變和功能的恢復(fù)研究具有一定的意義。

2 椎間盤退變的病理變化

2.1 細(xì)胞簇的形成

在椎間盤退變過程中髓核細(xì)胞的病理改變是目前研究的重點，髓核細(xì)胞在退變中的主要特征為標(biāo)志性的細(xì)胞簇形成［13］，其形成的確切機(jī)制及轉(zhuǎn)歸不明。但目前有很多關(guān)于細(xì)胞簇形成的假說。有學(xué)者通過瘦素在體外刺激大鼠的髓核細(xì)胞使髓核細(xì)胞大量增殖并形成細(xì)胞簇，而且還使用瘦素導(dǎo)致纖維軟骨的增生［14］，進(jìn)而得出瘦素是產(chǎn)生細(xì)胞簇的主要原因;還有學(xué)者認(rèn)為細(xì)胞簇的形成與一些病理學(xué)相關(guān)的細(xì)胞應(yīng)激蛋白表達(dá)有關(guān)，例如應(yīng)激蛋白HSF-1，Hsp27 和Hsp72［15］。他們認(rèn)為細(xì)胞簇的形成是髓核細(xì)胞對于外界刺激的應(yīng)激反應(yīng)表現(xiàn)。Jones 等［16］研究發(fā)現(xiàn)，髓核是具有吞噬功能的細(xì)胞，而且Wang等［17］捕捉到了正在吞噬微粒的髓核細(xì)胞的圖像，證明髓核細(xì)胞具有吞噬作用，所以細(xì)胞簇的形成也可能是髓核細(xì)胞聚集成簇吞噬壞死凋亡細(xì)胞而形成。有研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞簇主要由衰老、增殖及凋亡的細(xì)胞組成［18］。細(xì)胞簇的形成是椎間盤退變的標(biāo)志，所以有關(guān)于細(xì)胞簇的形成機(jī)制值得深入地研究和驗證。

對于髓核細(xì)胞進(jìn)行單層培養(yǎng)是研究其生物功能的主要手段之一，而對于單層培養(yǎng)條件下髓核細(xì)胞細(xì)胞簇的轉(zhuǎn)歸問題，文獻(xiàn)［17］顯示，單層培養(yǎng)的人椎間盤退變的髓核細(xì)胞，其細(xì)胞簇在培養(yǎng)48 h 后逐漸趨于消失，對探討細(xì)胞簇的成因提供了積極的思路。

2.2 細(xì)胞外基質(zhì)的變化

2.2.1 膠原蛋白的變化

膠原蛋白是構(gòu)成椎間盤的主要成分，所以在椎間盤退化過程中膠原蛋白的變化不可忽視。構(gòu)成椎間盤的膠原蛋白主要是Ⅰ型和Ⅱ型膠原，如前所述，正常椎間盤中從內(nèi)向外逐漸由Ⅱ型膠原向Ⅰ型膠原轉(zhuǎn)變，但是在退變的椎間盤中原本在髓核占主要的Ⅱ型膠原變性，而原本在外層纖維環(huán)占主導(dǎo)的Ⅰ型膠原在髓核的表達(dá)增加［19］。由于椎間盤中膠原的這種變化會導(dǎo)致椎間盤變硬，傳導(dǎo)力的作用降低，使纖維環(huán)容易破裂，導(dǎo)致髓核突出壓迫神經(jīng)，出現(xiàn)相應(yīng)癥狀。

2.2.2 蛋白多糖的改變

蛋白多糖是一種由多肽為主鏈、以氨基多糖為側(cè)鏈組成的大分子。蛋白多糖的改變要比膠原的變化明顯，其改變也是椎間盤退化的早期表現(xiàn)之一。在椎間盤退變的過程中，呈聚集狀的蛋白多糖含量明顯下降，而非聚集的蛋白多糖含量增加，聚集狀蛋白多糖的丟失直接導(dǎo)致髓核細(xì)胞外基質(zhì)滲透壓下降，從而導(dǎo)致髓核含水量下降，這是引起椎間盤退變并導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能改變的主要原因［20］。

2.2.3 纖粘連蛋白

纖粘連蛋白可影響細(xì)胞的伸展、移動、吞噬、分化及增殖和血液凝固。Anderson 等［21］運用PCR、蛋白印跡和光密度法對正常人和椎間盤退變患者之間纖粘連蛋白的表達(dá)進(jìn)行比較，得出退變椎間盤中纖維連接蛋白基因明顯高表達(dá)。隨著椎間盤退變，纖粘連蛋白含量增加并主要以片段形式存在，可刺激椎間盤細(xì)胞產(chǎn)生金屬蛋白酶(matrix metal proteinase，MMPs) 和細(xì)胞因子，下調(diào)蛋白聚糖的含量，增加細(xì)胞基質(zhì)的降解［22］。

2.2.4 MMPs

MMPs 是參與降解全身各種組織的細(xì)胞外基質(zhì)的蛋白酶家族，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)24 種MMPs，在人類中存在23 種［23］。在胎兒的形成過程中這種酶也起到了十分重要的作用［24］。目前有很多關(guān)于MMPs與椎間盤退變之間關(guān)系的研究，這些研究主要集中在MMP-1、2、3、7、9、13。有學(xué)者在髓核細(xì)胞和纖維內(nèi)環(huán)上的觀察到MMPs 的表達(dá)，而在外環(huán)和正常的組織上不表達(dá)，在退變的椎間盤髓核細(xì)胞中MMPs的表達(dá)要高于正常的椎間盤組織［25］。MMPs 組織抑制因子(tissue inhibitors of metalloproteinases，TIMPs) 通過與MMPs 形成穩(wěn)定復(fù)合體及直接抑制MMPs 活化這2 種方式抑制MMPs 以維持其表達(dá)穩(wěn)定［26-27］。一旦失去平衡MMPs 可以使椎間盤喪失原有功能，導(dǎo)致腰疼痛［28］。文獻(xiàn)［29］顯示，壓力負(fù)荷可以導(dǎo)致解整鏈蛋白MMPs 增加，并促進(jìn)TIMPs-3介導(dǎo)的椎間盤退變的產(chǎn)生。

3 椎間盤退變的分子機(jī)制

3.1 FasL-Fas 凋亡途徑與椎間盤退變

Fas 是腫瘤壞死因子受體家族成員，F(xiàn)asL 是Fas在體內(nèi)的天然配體。FasL-Fas 為經(jīng)典的凋亡傳統(tǒng)通路，F(xiàn)asL 在細(xì)胞外與細(xì)胞膜表面的Fas 結(jié)合后，F(xiàn)as交聯(lián)成三聚體或多聚體。Fas 分子N-端死亡效應(yīng)結(jié)構(gòu)域?qū)⑺劳鲂盘栂蛳聜鬟f，活化半胱氨酸天門冬氨酸蛋白酶，降解DNA，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡［30］。目前有很多關(guān)于FasL-Fas 凋亡途徑與椎間盤退變的研究。研究表明椎間盤的退變與椎間盤自身的免疫赦免狀態(tài)的改變有關(guān)，組織器官的免疫赦免不僅僅是靠被動的血液生理屏障來維持的，還有FasL 所介導(dǎo)的主動免疫的參與［31］。椎間盤髓核表達(dá)FasL，從而可誘導(dǎo)入侵的細(xì)胞毒性T 淋巴細(xì)胞產(chǎn)生凋亡，而且FasL的表達(dá)可以維持T 淋巴細(xì)胞和B 淋巴細(xì)胞的平衡［32］。在椎間盤形成的早期也有FasL 的表達(dá)［33］，從而證明了其對椎間盤免疫穩(wěn)定性的重要性。所以FasL 的表達(dá)對于椎間盤的退變也具有極其重要的意義。研究椎間盤退變狀態(tài)下FasL 表達(dá)的改變，以及髓核細(xì)胞和免疫細(xì)胞通過FasL-Fas 相互作用機(jī)制，對于深入理解椎間盤退變的分子機(jī)制有著重要的意義。

3.2 microRNA(miRNA)

3.2.1 miRNA 概述

Lee 等［34］在1993 年第1 次發(fā)現(xiàn)了miRNA 為非編碼小RNA，長度19～25 nt，廣泛存在于真核生物中。它通過與mRNA 的3’非翻譯區(qū)靶向結(jié)合，沉默靶基因或抑制靶基因的表達(dá)。在不同物種間具有高度的保守性、時序性和組織特異性。miRNA 與細(xì)胞凋亡、細(xì)胞癌變、細(xì)胞分化、腫瘤轉(zhuǎn)移、病毒感染、細(xì)胞增殖等息息相關(guān)，近年來關(guān)于miRNA 的研究比較熱門，2002 年miRbase 收錄的miRNA 只有218 條，在2010 年時已經(jīng)達(dá)到15 172 條，目前最新的miRbase18.0 更是增加到了21 643 條。這么眾多的miRNA 通過基因調(diào)控廣泛參與人體的各項生命活動，其在椎間盤退變中發(fā)揮什么樣的作用值得深入探討。研究顯示椎間盤退變髓核中miRNA 表達(dá)譜與相對正常的相比，有29 個miRNA 差異表達(dá)，其中上調(diào)的6 個，下調(diào)的23 個。

3.2.2 miRNA 與椎間盤退變

細(xì)胞凋亡主要通過內(nèi)外2 條通路來激活，內(nèi)源性通路主要是由線粒體中細(xì)胞色素C 等介導(dǎo)，而外源性通路是由死亡受體與其相應(yīng)的配體結(jié)合介導(dǎo)的，其中FasL-Fas 就是這樣的外源性通路［35］。研究表明，椎間盤退變中2 種凋亡通路都存在，且與FasL-Fas 介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡有關(guān)。Fas 相關(guān)死亡結(jié)構(gòu)域蛋白(Fas-associated protein with death domain，F(xiàn)ADD) 及caspase-3 為FasL-Fas 凋亡途徑中的關(guān)鍵蛋白，對椎間盤退變時凋亡增多的確切分子機(jī)制進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)miR-155 在退變椎間盤髓核中下調(diào)明顯［36］，生物信息學(xué)分析和報告基因也證實了FADD及CASP3 為miR-155 的靶基因。在體外，上調(diào)miR-155 的表達(dá)引起FADD 和caspase-3 表達(dá)降低，而下調(diào)miR-155 的表達(dá)則引起FADD 和caspase-3 的增加，進(jìn)而引起Fas 介導(dǎo)的凋亡增加。從而提出差異表達(dá)的miR-155 為椎間盤退變時凋亡增加及椎間盤退變的病因之一。這一發(fā)現(xiàn)對于椎間盤退變的分子機(jī)制研究具有重要意義。

3.3 炎性介質(zhì)

大量的研究表明退變的腰椎椎間盤組織中能產(chǎn)生炎性介質(zhì)，炎性成分已被認(rèn)為是導(dǎo)致椎間盤退變的主要因素之一。白細(xì)胞介素-1(interleukin-1，IL-1) 、腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF) 等都已經(jīng)被證實在椎間盤退變過程中顯著增高。IL-1使椎間盤纖維環(huán)細(xì)胞產(chǎn)生的前列腺素E 和磷脂酶A增加，且分泌呈劑量依賴性，同時能誘導(dǎo)酪蛋白酶mRNA產(chǎn)生，減少纖維環(huán)中總的蛋白多糖含量，促進(jìn)椎間盤退變［37］。TNF 使蛋白聚糖和Ⅱ型膠原基因表達(dá)明顯下降，誘導(dǎo)椎間盤退變的發(fā)生［38］。某些炎性介質(zhì)在椎間盤的退變過程中也是減少的，例如轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β) ，Pattison 等［39］發(fā)現(xiàn)TGF-β1 能夠促進(jìn)髓核細(xì)胞分泌蛋白多糖，并可顯著降低MMP-2 的活性，TGF-β1 的減少可以引起椎間盤的退變。

4 展 望

綜上所述，椎間盤的退變機(jī)制錯綜復(fù)雜，對于其退變的機(jī)制應(yīng)該兼顧微觀與宏觀，而且對于椎間盤退變機(jī)制的研究任重而道遠(yuǎn)，依然存在很多急需解決的問題。對椎間盤退變分子機(jī)制的研究，不僅為椎間盤退變的病因提供依據(jù)，更為重要的是能夠為椎間盤退變的分子治療提供潛在的新的靶點。例如miR-155 下調(diào)為凋亡增加的因素，那么通過病毒介導(dǎo)的pre-miR-155，有可能抑制凋亡而延緩椎間盤的退變，起到治療作用。椎間盤退變的分子機(jī)制尚存很多問題有待進(jìn)一步研究，希望本綜述能給同道帶來一些啟發(fā)，為解決這一困擾人類許久的醫(yī)學(xué)難題指引新的方向。

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