富血小板血漿抑制椎間盤退變的分子機(jī)制研究進(jìn)展

李 杰 李紹波

(大理大學(xué) 臨床醫(yī)學(xué)院[大理大學(xué)第一附屬醫(yī)院] 脊柱外科， 云南 大理 671000)

椎間盤退變(intervertebral disc degeneration, IDD)是引起椎間盤突出、椎管狹窄、脊柱側(cè)凸等疾病的病理學(xué)基礎(chǔ)，也是導(dǎo)致腰背痛、四肢疼痛的主要原因之一。據(jù)報(bào)道[1]，IDD的患病率隨年齡增大而升高，大于50歲的人群中IDD患病率高達(dá)90%。隨著全世界人口老齡化的加劇，IDD發(fā)生率大幅度增加，嚴(yán)重影響了患者的生活質(zhì)量，給家庭和社會(huì)帶來(lái)巨大的負(fù)擔(dān)。退變的椎間盤主要表現(xiàn)為中央的髓核基質(zhì)降解增加，蛋白多糖及含水量下降，同時(shí)外周纖維環(huán)增厚，髓核出現(xiàn)皺縮，排列紊亂甚至出現(xiàn)破裂，終板出現(xiàn)變薄、鈣化等現(xiàn)象，致使椎間盤的高度喪失，引起臨床一系列疾病。目前對(duì)于IDD的治療重在緩解癥狀，尚無(wú)行之有效的方法可阻止或逆轉(zhuǎn)其退變過(guò)程。

富血小板血漿(platelet rich plasma, PRP)是自體血液經(jīng)過(guò)離心、富集處理后獲得的血漿制品，其中血小板含量為生理性濃度的3～6倍[2]。激活后的PRP可釋放轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(transforming growth factor-β, TGF-β)，胰島素樣生長(zhǎng)因子1(insulin-like growth factor1, IGF-1)，血小板衍生生長(zhǎng)因子(platelet-derived growth factor, PDGF)，血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)，表皮生長(zhǎng)因子(epidermal growth factor, EGF)等多種物質(zhì)，在促進(jìn)組織生長(zhǎng)、傷口愈合、血管新生、細(xì)胞外基質(zhì)合成等方面起重要作用[3]。此外，PRP還可以阻止過(guò)量白細(xì)胞募集，從而避免組織損傷[4]。目前，PRP已被應(yīng)用于治療膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎[5]、肩袖損傷[6]，同時(shí)在抑制IDD中顯示出良好效果[7]。相關(guān)研究表明PRP可以抑制甚至逆轉(zhuǎn)IDD進(jìn)展，然而具體機(jī)制尚不明確[8]。因此，本文就PRP抑制IDD的作用機(jī)制進(jìn)行歸納、綜述，希望為臨床應(yīng)用提供參考。

1 富血小板血漿與椎間盤退變

1.1 富血小板血漿促進(jìn)椎間盤細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)增殖

髓核(nucleus pulposus, NP)和纖維環(huán)(annulus fibrosus, AF)是椎間盤的重要組成部分。NP主要由NP細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)構(gòu)成，NP細(xì)胞主要功能是產(chǎn)生蛋白多糖和Ⅱ型膠原蛋白等細(xì)胞外基質(zhì)并維持其成分穩(wěn)定，是椎間盤功能的主要執(zhí)行者[9]。AF細(xì)胞由外層的成纖維細(xì)胞和內(nèi)層的類似軟骨細(xì)胞組成，主要起到維持椎間盤內(nèi)壓的作用[10]。IDD的發(fā)生與椎間盤細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)的減少密切相關(guān)。

早在2006年，日本學(xué)者Akeda等[11]就將PRP應(yīng)用于豬椎間盤細(xì)胞，證明PRP可促進(jìn)退變椎間盤細(xì)胞的增殖，并增加蛋白多糖和膠原蛋白的合成。Chen等[12]研究表明，PRP可能通過(guò)作用于TGF-β1/Smad2/3信號(hào)通路，促進(jìn)人NP細(xì)胞的增殖。Yang等[13]發(fā)現(xiàn)，在NP細(xì)胞培養(yǎng)液中加入2.5%PRP共培養(yǎng)，可顯著增強(qiáng)NP細(xì)胞的增殖、TGF-β1、蛋白多糖、膠原蛋白的生成，并且該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)PRP通過(guò)作用于TGF-β1/Smad2/3信號(hào)通路促進(jìn)細(xì)胞增殖及細(xì)胞外基質(zhì)形成。研究發(fā)現(xiàn)[14]，PRP可通過(guò)提高PDGF表達(dá)，增加NP細(xì)胞的生存率，提高蛋白多糖和Ⅱ型膠原蛋白的mRNA表達(dá)水平，進(jìn)一步抑制細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白酶(extracellular regulated protein kinases, ERK)和蛋白激酶B(protein kinase B，PKB)，這表明PRP的作用與ERK/PKB信號(hào)通路有關(guān)。另外，PRP衍生物治療IDD模型小鼠可促進(jìn)蛋白多糖和Ⅱ型膠原蛋白的生成，有效抑制IDD進(jìn)展，該項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)IGF-1/PKB/胰島素受體底物-1是抑制IDD發(fā)展的關(guān)鍵信號(hào)通路[15]。

PRP還能促進(jìn)AF細(xì)胞增殖。Hondke等[16]使用5%PRP培養(yǎng)人AF細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)PRP能夠促進(jìn)人AF細(xì)胞增殖和蛋白多糖積累。但有關(guān)PRP促進(jìn)AF細(xì)胞增殖的具體機(jī)制尚不清楚。

1.2 富血小板血漿對(duì)炎癥反應(yīng)的影響

IDD發(fā)生發(fā)展中，腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白細(xì)胞家族等炎性因子可促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)降解以及趨化因子的產(chǎn)生和細(xì)胞表型變化，進(jìn)一步加重IDD[17]。Kim等[18]用IL-β1和TNF-α處理NP細(xì)胞，減少細(xì)胞外基質(zhì)Ⅱ型膠原蛋白和蛋白多糖合成，加入PRP后炎性因子的作用明顯被抑制。Liu等[19]用脂多糖誘導(dǎo)NP細(xì)胞損傷構(gòu)建椎間盤退變模型，加入PRP后發(fā)現(xiàn)，膠原蛋白和蛋白聚糖的表達(dá)顯著升高，炎癥介質(zhì)和基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases, MMPs)的表達(dá)明顯降低。

有學(xué)者認(rèn)為PRP中的白細(xì)胞在修復(fù)過(guò)程中起阻礙作用。Yin等[20]通過(guò)比較含高濃度白細(xì)胞的PRP(leukocyte PRP, L-PRP)與低濃度白細(xì)胞的PRP對(duì)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的作用時(shí)，發(fā)現(xiàn)L-PRP可通過(guò)作用于NF-κB信號(hào)通路抵消PRP對(duì)細(xì)胞增殖的促進(jìn)作用。Jia等[21]發(fā)現(xiàn)，L-PRP誘導(dǎo)分化髓核干細(xì)胞的同時(shí)，可激活NF-κB通路，升高TNF-α、IL-1β及MMPs表達(dá)水平，致使分化的髓核干細(xì)胞產(chǎn)生較少的細(xì)胞外基質(zhì)。這說(shuō)明在PRP治療IDD過(guò)程中，高濃度白細(xì)胞可抵消PRP部分抗炎作用，影響治療效果。因此，在使用PRP時(shí)應(yīng)去除其中的白細(xì)胞，以便最大程度地發(fā)揮PRP的抗炎功能。

1.3 富血小板血漿抑制椎間盤細(xì)胞凋亡

細(xì)胞凋亡是IDD發(fā)生的重要原因之一，研究表明退變的椎間盤中往往伴隨著大量椎間盤細(xì)胞的凋亡[22]。Sawamura等[23]使用明膠和PRP聯(lián)合注射到兔退變椎間盤，發(fā)現(xiàn)NP細(xì)胞的凋亡數(shù)量明顯減少。Paglia等[24]研究表明，PDGF聯(lián)合透明質(zhì)酸水凝膠可以顯著抑制IDD，有助于防止細(xì)胞凋亡和Ⅲ型膠原基質(zhì)的產(chǎn)生。將TGF-β1加入到受損的NP細(xì)胞培養(yǎng)基后，通過(guò)作用于Fas/FasL信號(hào)通路，抑制凋亡蛋白caspase-3的表達(dá)，從而減少NP細(xì)胞凋亡[25]。另外，TGF-β1可降低AF細(xì)胞中ERK水平，并下調(diào)自噬因子Beclin-1、LC3Ⅱ/Ⅰ和線粒體相關(guān)凋亡蛋白的表達(dá)[26]。這些研究表明PRP可通過(guò)抑制細(xì)胞自噬和調(diào)亡，抑制IDD進(jìn)展。

1.4 富血小板血漿抗椎間盤細(xì)胞氧化應(yīng)激

活性氧(reactive oxygen species，ROS)在調(diào)節(jié)椎間盤細(xì)胞基質(zhì)代謝、炎性表達(dá)過(guò)程中起重要作用，過(guò)度產(chǎn)生ROS會(huì)加劇細(xì)胞外基質(zhì)降解和炎癥反應(yīng)，并減少椎間盤細(xì)胞數(shù)量[27]。因此，抑制氧化應(yīng)激反應(yīng)可能是逆轉(zhuǎn)IDD的有效方法。

Kelch樣ECH相關(guān)蛋白1(Keap1)-核轉(zhuǎn)錄因子E2相關(guān)因子2(Nrf2)信號(hào)通路是細(xì)胞防御氧化應(yīng)激損傷的重要機(jī)制之一，在氧化應(yīng)激反應(yīng)中起關(guān)鍵作用[28]。研究表明，PRP衍生的外泌體可通過(guò)下調(diào)Keap1，從而導(dǎo)致Nrf2從Keap1-Nrf2復(fù)合物中釋放，激活下游抗氧化功能蛋白高表達(dá)，逆轉(zhuǎn)H2O2對(duì)體外培養(yǎng)NP細(xì)胞的氧化損傷，這證明PRP具有抗氧化作用[29]。此外，在應(yīng)用外源性H2O2誘導(dǎo)的大鼠AF細(xì)胞損傷的實(shí)驗(yàn)中，TGF-β1可以通過(guò)上調(diào)谷胱甘肽過(guò)氧化物酶-1的表達(dá)水平抑制AF細(xì)胞損傷[26]。綜上所述，通過(guò)抗氧化作用抑制IDD進(jìn)展也是PRP的作用機(jī)制之一。

1.5 富血小板血漿對(duì)血管生成的影響

椎間盤是體內(nèi)最大的無(wú)神經(jīng)、無(wú)血管組織，營(yíng)養(yǎng)需通過(guò)椎間盤終板滲透供應(yīng)。在IDD過(guò)程中椎間盤逐漸出現(xiàn)血管化和神經(jīng)支配，新生血管參與退變椎間盤的修復(fù)并且促進(jìn)突出的椎間盤重吸收[30]。VEGF可促進(jìn)血管生成、內(nèi)皮細(xì)胞增殖、遷移，同時(shí)增強(qiáng)血管通透性。Salo等[31]發(fā)現(xiàn)，退變的豬椎間盤中大量表達(dá)VEGF，認(rèn)為VEGF有利于促進(jìn)組織的修復(fù)與重建，進(jìn)而抑制IDD的發(fā)展。將VEGF直接注射到家兔退變的椎間盤中，8周后發(fā)現(xiàn)注射部位血管生成數(shù)量增多，血管直徑明顯增大，證明其有利于阻止椎間盤退變[32]。

然而，也有研究認(rèn)為血管增生對(duì)IDD患者的預(yù)后有負(fù)面影響[33]。值得考慮的是，如果血管增生確實(shí)導(dǎo)致IDD加重，那么臨床上注射PRP后，是否使得增生的血管通過(guò)破損的纖維環(huán)進(jìn)入內(nèi)層甚至髓核內(nèi)，造成醫(yī)源性IDD？基于這種不同的說(shuō)法，必需進(jìn)行更多的研究證明血管增生在IDD中的臨床意義。

1.6 富血小板血漿的鎮(zhèn)痛作用

大量研究證實(shí)腰痛與IDD密切相關(guān)。Arnbak等[34]對(duì)1 037例持續(xù)性下腰痛患者進(jìn)行臨床研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)腰痛的發(fā)生率隨著退化程度的增加而增長(zhǎng)。并且87%的持續(xù)性腰痛患者存在IDD[35]。

炎癥介質(zhì)TNF-α和IL-1β等可誘導(dǎo)疼痛相關(guān)因子如一氧化氮、環(huán)氧合酶2和神經(jīng)生長(zhǎng)因子的表達(dá)，從而促進(jìn)神經(jīng)向內(nèi)生長(zhǎng)，這是造成IDD疼痛的機(jī)制之一[17]。正如前文所述，PRP具有良好抗炎作用，可以通過(guò)抑制炎性因子釋放發(fā)揮鎮(zhèn)痛作用。此外PRP中血小板的濃度遠(yuǎn)高于外周，其五羥色胺的產(chǎn)生量會(huì)大大提高，這使得PRP具有更好的鎮(zhèn)痛效果[36]。

趨化因子配體-4(C-C chemokine ligand 4,CCL4)是趨化因子亞家族的重要成員，在介導(dǎo)神經(jīng)性疼痛的過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。研究表明，TGF-β1通過(guò)激活信號(hào)通路下調(diào)NP細(xì)胞中CCL4的表達(dá)，減輕IDD模型大鼠疼痛[37]。由此可見(jiàn)，PRP不僅可抑制IDD進(jìn)展，而且在改善疼痛中也起到重要作用。

2 小結(jié)

IDD嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量，其病因及發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，尚無(wú)行之有效的方法抑制或逆轉(zhuǎn)其進(jìn)展。PRP是一種自體血衍生物，具有良好的促組織修復(fù)功能。本文PRP通過(guò)促進(jìn)退變的椎間盤細(xì)胞增殖及細(xì)胞外基質(zhì)生成、抑制炎癥反應(yīng)、抑制細(xì)胞調(diào)亡、抗細(xì)胞氧化應(yīng)激、影響血管增生及鎮(zhèn)痛等，有效抑制IDD的進(jìn)展進(jìn)行了綜述，為IDD的藥物干預(yù)與修復(fù)治療提供新的思路。