細(xì)胞凋亡與腰椎間盤(pán)退變的關(guān)系

岳創(chuàng)，楊民

(皖南醫(yī)學(xué)院弋磯山醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，蕪湖241000)

腰椎間盤(pán)退行性病變是導(dǎo)致的腰腿痛主要原因之一。在多種因素作用下可導(dǎo)致椎間盤(pán)突出、椎管狹窄、退行性脊柱側(cè)彎、脊柱失穩(wěn)等。而髓核細(xì)胞的數(shù)量和功能又與椎間盤(pán)退變密切相關(guān)［1-2］。以往認(rèn)為椎間盤(pán)退變是一種形態(tài)學(xué)的改變，表現(xiàn)為局部生物力學(xué)失穩(wěn)現(xiàn)象，近年來(lái)研究表明，髓核內(nèi)細(xì)胞數(shù)量的丟失可引起椎間盤(pán)退變。研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞凋亡是退變椎間盤(pán)組織細(xì)胞數(shù)量下降的重要原因［3］。為此將細(xì)胞凋亡在腰椎退變中扮演著重要的角色作一綜述。

1 腰椎間盤(pán)退變的機(jī)制

腰椎間盤(pán)退變是一個(gè)多因素參與的綜合疾病，又是多種機(jī)制協(xié)同作用的結(jié)果。椎間盤(pán)內(nèi)細(xì)胞數(shù)量和細(xì)胞外基質(zhì)的減少是退變性椎間盤(pán)的主要因素，椎間盤(pán)退變過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)減少、基質(zhì)蛋白酶活性改變、一氧化氮與細(xì)胞因子、細(xì)胞凋亡失衡、生物力學(xué)、自身免疫反應(yīng)等因素和機(jī)制協(xié)同作用。有研究表明人類椎間盤(pán)組織在20歲后逐漸退變，而衰老、遺傳、心理、肥胖、脊柱過(guò)度軸向負(fù)荷等多種因素都可以加快椎間盤(pán)退變［4］。椎間盤(pán)退變的主要組織形態(tài)改變表現(xiàn)為髓核細(xì)胞壞死、變性，細(xì)胞外基質(zhì)的合成減少［5］，逐漸引起椎間盤(pán)基質(zhì)蛋白多糖及水分的丟失和膠原構(gòu)成的改變。增生的纖維結(jié)締組織把髓核組織所取代，纖維環(huán)韌性的改變、破裂，軟骨終板鈣化。Haefeli等［6］發(fā)現(xiàn)，認(rèn)為在退變開(kāi)始階段為髓核組織纖維化，逐漸形成纖維環(huán)裂縫，椎間盤(pán)退變始于髓核。腰椎間盤(pán)退變的病理表現(xiàn)為髓核和纖維環(huán)界線模糊，可見(jiàn)細(xì)胞叢的聚集［7］和死亡;軟骨終板的解體裂縫、變薄、軟骨下骨微骨折和骨鈣化;纖維環(huán)破裂的數(shù)量和程度增加，肉芽組織和神經(jīng)血管從纖維環(huán)外層向內(nèi)侵入［8］。有研究表明細(xì)胞簇的形成是椎間盤(pán)退變的標(biāo)志，細(xì)胞簇是由增殖和凋亡的細(xì)胞組成［9］。

2 椎間盤(pán)細(xì)胞凋亡途徑

細(xì)胞凋亡是由指維持內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，由基因控制的細(xì)胞自主有序的死亡。越來(lái)越多的研究表明細(xì)胞凋亡在椎間盤(pán)的退變中起重要作用。至今為止，有關(guān)凋亡的途徑，目前研究較多的是死亡受體途徑、線粒體途徑、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)信號(hào)途徑。Wang等［10］報(bào)道，椎間盤(pán)退變的不同階段，細(xì)胞凋亡的途徑也有所不同。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)信號(hào)途徑在椎間盤(pán)輕度退變階段較重要，死亡受體途徑在中度退變階段較重要，線粒體途徑在中、重度退變階段較重要。目前發(fā)現(xiàn)細(xì)胞表面死亡受體途徑是椎間盤(pán)細(xì)胞凋亡的主要途徑之一。FasL是Fas在體內(nèi)的天然配體，F(xiàn)as/FasL是一對(duì)凋亡因子，能夠誘導(dǎo)多種細(xì)胞凋亡。Fas/FasL系統(tǒng)是椎間盤(pán)細(xì)胞凋亡的主要途徑目前已經(jīng)得到證實(shí)［11-12］，在退變椎間盤(pán)中Fas/FasL、TNF-a/TNFR1介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡途徑的研究較多，而對(duì)于 TRAIL及其受體TRAIL-R的研究多集中在腫瘤領(lǐng)域，對(duì)椎間盤(pán)方面的研究比較少。椎間盤(pán)細(xì)胞凋亡在超負(fù)荷機(jī)壓力作用下可引起間盤(pán)退變中細(xì)胞可通過(guò)線粒體途徑凋亡［13］，Rannou 等［14］報(bào)道應(yīng)用 1.3Mpa 拉伸力誘導(dǎo)兔髓核細(xì)胞凋亡，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞中的caspase-9活性明顯增高，但加入caspase-9抑制劑后可以降低細(xì)胞凋亡效應(yīng)，椎間盤(pán)細(xì)胞凋亡是通過(guò)線粒體途經(jīng)介導(dǎo)的。但在Li等［15］的研究中認(rèn)為死亡受體途徑和線粒體途徑都參與了髓核凋亡、而且可以相互交叉?？梢哉J(rèn)為同樣一種細(xì)胞存在多種細(xì)胞凋亡途徑參與，細(xì)胞結(jié)構(gòu)功能的改變會(huì)影響到凋亡信號(hào)傳導(dǎo)途徑不同。

3 細(xì)胞調(diào)亡與腰椎間盤(pán)退變的聯(lián)系

椎間盤(pán)細(xì)胞的大量凋亡直接影響細(xì)胞密度降低，細(xì)胞數(shù)量的減少，從而使基質(zhì)的生成量減少。打破了椎間盤(pán)基質(zhì)破壞與合成的動(dòng)態(tài)平衡，最后導(dǎo)致椎間盤(pán)的退變。推斷椎間盤(pán)細(xì)胞的過(guò)度凋亡可能是椎間盤(pán)退變的重要機(jī)制之一。

3.1 椎間盤(pán)細(xì)胞凋亡的始動(dòng)因素 近年研究認(rèn)為，椎間盤(pán)承受的異常機(jī)械負(fù)荷是椎間盤(pán)細(xì)胞凋亡的重要的始動(dòng)因素。椎間盤(pán)的正常的生物力學(xué)功能是維持椎間隙高度，對(duì)抗相鄰兩椎體的扭轉(zhuǎn)力與壓縮力活動(dòng)限制在一個(gè)無(wú)痛的范圍。生物力學(xué)性能保持脊柱的靈活性和機(jī)械穩(wěn)定性［16］。而異常的機(jī)械應(yīng)力會(huì)直接造成椎間盤(pán)的結(jié)構(gòu)和功能的破壞。在過(guò)度的機(jī)械負(fù)荷下可影響到椎間盤(pán)細(xì)胞代謝，及細(xì)胞凋亡率的增加，最終促使椎間盤(pán)退變。Sauerland等［17］認(rèn)為椎間盤(pán)的代謝依賴于間斷性的應(yīng)力負(fù)荷，而且與應(yīng)力負(fù)荷的強(qiáng)度和頻率相關(guān)。Cornelis［18］以成年公山羊腰椎間盤(pán)組織體外培養(yǎng)3周，分別在無(wú)負(fù)荷、低負(fù)荷、生理負(fù)荷力學(xué)條件下分組觀察，結(jié)果顯示，無(wú)負(fù)荷及低負(fù)荷條件下培養(yǎng)的椎間盤(pán)組織細(xì)胞在細(xì)胞活性、細(xì)胞密度、細(xì)胞基因表達(dá)上出現(xiàn)退化。

3.2 椎間盤(pán)細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)因素 椎間盤(pán)細(xì)胞凋亡是由許多復(fù)雜和相互依賴的因素，其中誘導(dǎo)因素包括機(jī)體的老化，椎間盤(pán)微環(huán)境的變化，高血糖［19］，尼古?。?0］，炎性細(xì)胞因子［21］等。

3.2.1 老齡化因素 腰椎間盤(pán)是由纖維環(huán)、軟骨終板、髓核組成。隨著年齡的增加，纖維環(huán)逐漸透明變性，最后導(dǎo)致破裂;軟骨終板的毛細(xì)血管漸漸萎縮，軟骨終板變薄滲透性增加，營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)減少，最終導(dǎo)致椎間盤(pán)退變;髓核組織的水分逐漸減少，基質(zhì)的合成減少，膠原含量的增加，Ⅱ型膠原向Ⅰ型膠原的轉(zhuǎn)化，逐漸干燥，成顆粒樣改變，最后轉(zhuǎn)變成纖維軟骨變性［22］。隨著年齡的增加，在椎間盤(pán)中脊索細(xì)胞減少或消失，有研究表明脊索細(xì)胞是成熟髓核細(xì)胞的前體細(xì)胞，脊索細(xì)胞可以促進(jìn)軟骨樣細(xì)胞基質(zhì)合成［23］，維持椎間盤(pán)的穩(wěn)態(tài)及抑制軟骨樣細(xì)胞的凋亡［24］。由此可見(jiàn)，年齡的增加是腰椎間盤(pán)的進(jìn)行性退變的關(guān)鍵因素之一。

3.2.2 營(yíng)養(yǎng)代謝因素 椎間盤(pán)是人體中無(wú)血管組織，而椎間盤(pán)的退變與營(yíng)養(yǎng)的供應(yīng)有著密切的聯(lián)系。其主要的營(yíng)養(yǎng)通路為終板途徑和纖維環(huán)途徑。軟骨終板與纖維環(huán)形成了一個(gè)屏障，髓核細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收是通過(guò)軟骨終板的滲透［25］。腰椎退變可引起軟骨終板血管的分布減少，管腔變窄，引起椎間盤(pán)內(nèi)營(yíng)養(yǎng)的減少及代謝產(chǎn)物的淤積，使椎間盤(pán)內(nèi)的氧分壓、pH值、滲透壓等因子變異常［26］。在微環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)的減少可誘發(fā)軟骨終板細(xì)胞凋亡增加，加速腰椎間盤(pán)的退變［27］。Magnier等［28］報(bào)道椎間盤(pán)營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)減少是導(dǎo)致椎間盤(pán)退變的始動(dòng)因素。軟骨終板是椎間盤(pán)的組成部分，在髓核組織的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)和應(yīng)力的緩沖起著重要的作用，軟骨終板鈣化造成椎間盤(pán)血液供給減少，細(xì)胞代謝從有氧變成無(wú)氧代謝，可引起代謝產(chǎn)物滯留，細(xì)胞凋亡增加，細(xì)胞數(shù)量逐漸減少，演化成一系列的病理生理改變，最終導(dǎo)致椎間盤(pán)退變。近年來(lái)，越來(lái)越多的研究證實(shí)，軟骨終板細(xì)胞凋亡在椎間盤(pán)退變中起到重要的作用。

3.2.3 分子生物學(xué)因素 近年來(lái)隨著科學(xué)的進(jìn)步，分子生物學(xué)的發(fā)展，為進(jìn)一步研究椎間盤(pán)的退變提供了很好的條件。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)有加速椎間盤(pán)退變的細(xì)胞因子如腫瘤壞死因子(TNF-α)、白細(xì)胞介素-1、白細(xì)胞介素-6、基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)等。Roberts等［29］通過(guò)研究報(bào)道有多種細(xì)胞因子在椎間盤(pán)退變中起著重要的作用。有促進(jìn)細(xì)胞合成，抑制細(xì)胞凋亡的細(xì)胞因子如轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(TGF-β);缺氧誘導(dǎo)因子(HIFs)和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF);胰島素樣生長(zhǎng)因子(IGF);骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)等。在椎間盤(pán)細(xì)胞凋亡啟動(dòng)后，各種生長(zhǎng)因子和細(xì)胞因子在椎間盤(pán)細(xì)胞凋亡過(guò)程中也發(fā)揮著重要作用［30］。有害的細(xì)胞因子通過(guò)炎性的應(yīng)答，增加基質(zhì)金屬蛋白酶的合成，加速基質(zhì)降解，誘導(dǎo)髓核細(xì)胞的凋亡。在椎間盤(pán)退變中髓核細(xì)胞白介素-1的表達(dá)增高，通過(guò)基質(zhì)金屬蛋白酶途徑，造成椎間盤(pán)基質(zhì)的降解［31］。腫瘤壞死因子可以增加基質(zhì)金屬蛋白酶的活性度，能刺激激活炎性細(xì)胞因子，降解基質(zhì)中的糖蛋白和膠原［32］。Wei［33］報(bào)道 TNF-α 可以明顯誘導(dǎo)髓核細(xì)胞的凋亡，證明與椎間盤(pán)退變有著密切的關(guān)聯(lián)?；|(zhì)金屬蛋白酶主要作用是對(duì)椎間盤(pán)的外基質(zhì)的降解作用，造成髓核的水分的丟失，導(dǎo)致椎間盤(pán)功能的喪失，加速椎間盤(pán)的退變。有實(shí)驗(yàn)報(bào)道MMP-11與軟骨細(xì)胞凋亡呈正相關(guān)，提示MMP-11可以促使椎間盤(pán)細(xì)胞密度降低，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡［34］。目前研究表明基質(zhì)金屬蛋白酶的表達(dá)與調(diào)節(jié)收到多種因素的影響。

3.2.4 一氧化氮 NO是一種炎性介質(zhì)，是由一氧化氮合成酶(NOS)催化左旋精氨酸氧化產(chǎn)生。具有增加血管擴(kuò)張，制細(xì)胞的增殖，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。NO在軟骨終板中可以減少軟骨終板的合成，在炎性因子的參與下，誘導(dǎo)軟骨終板的凋亡［35］。NO能夠抑制椎間盤(pán)外基質(zhì)的合成，造成椎間盤(pán)內(nèi)細(xì)胞數(shù)目的減少，加速椎間盤(pán)的退變。Denda等［36］發(fā)現(xiàn)NO在頸椎與腰椎退行性病變中起到重要的作用。

此外，已經(jīng)報(bào)道脊椎外傷椎體骨折，軟骨終板的破裂可誘導(dǎo)的髓核細(xì)胞凋亡［37］。但是目前影響椎間盤(pán)細(xì)胞凋亡的機(jī)制，仍不完全清楚。

4 細(xì)胞凋亡的抑制

人們通過(guò)細(xì)胞凋亡的干預(yù)，影響細(xì)胞凋亡的過(guò)程，可以減緩腰椎間盤(pán)的退變［38］。Caspase家族在細(xì)胞凋亡起到重要的作用，Park等［39］研究Caspase抑制劑來(lái)抑制椎間盤(pán)細(xì)胞凋亡。近年來(lái)隨著生物治療發(fā)展，在動(dòng)物體內(nèi)做了大量的實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)在動(dòng)物的椎間盤(pán)中內(nèi)打入各種生長(zhǎng)因子可以減緩椎間盤(pán)的退變［40］，Zeng 等［41］發(fā)現(xiàn)在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，缺氧誘導(dǎo)因子可能具有抑制髓核細(xì)胞凋亡的作用。利用組織工程的方法和干細(xì)胞來(lái)延緩椎間盤(pán)退變［42］。

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