退變椎間盤細胞細胞因子分泌的改變及其影響

范宇棟,吳小濤

(1.東南大學(xué)醫(yī)學(xué)院,江蘇 南京 210009; 2.東南大學(xué)附屬中大醫(yī)院 骨科,江蘇 南京 210009)

下腰痛及坐骨神經(jīng)痛是骨科最常見的臨床癥狀之一,Cassidy等[1]調(diào)查發(fā)現(xiàn),美國成年群體年累計發(fā)病率為18.6%;每年有40萬人因下腰痛而不能正常工作。據(jù)統(tǒng)計[2]美國每年花費在治療腰痛的費用在1 000億美元左右。對此病的臨床治療主要分為以鎮(zhèn)痛、理療為主的保守治療及以切除病變椎間盤為主要術(shù)式的手術(shù)治療,這些治療策略雖可緩解癥狀卻對社會造成較重負擔(dān)且難以扭轉(zhuǎn)退變,尚有小部分患者治療效果不確切。

目前對椎間盤退變機制的研究,形成了以椎間盤細胞老化凋亡異常、酶及細胞活性物質(zhì)異常為主流的養(yǎng)分枯竭機制、生物力學(xué)機制、自身免疫反應(yīng)機制等多種學(xué)說。無論椎間盤細胞老化或是凋亡,都引起可增殖細胞數(shù)目的減少而發(fā)生椎間盤退變;但與細胞程序性凋亡不同,老化細胞仍具有代謝活力,卻形成老化細胞特有的分泌表型,導(dǎo)致鄰近細胞的生存微環(huán)境惡化,其中眾多炎癥因子及營養(yǎng)因子的失平衡對周圍微環(huán)境的惡化作用顯著,本文將對其中4種細胞因子的分泌改變及其影響做一綜述。

1 白細胞介素(IL)

IL是體內(nèi)廣泛存在的在傳遞信息、調(diào)控免疫細胞及炎癥反應(yīng)過程中起重要作用一類細胞因子,分子結(jié)構(gòu)繁多且具有統(tǒng)一命名,椎間盤退變研究中常見的有IL- 1、IL- 2、IL- 6等。

Le Maitre等[3]與Kalb等[4]實驗均獨立證實老化椎間盤細胞IL- 1、IL- 6的表達明顯升高,正常椎間盤組織內(nèi)檢測不到IL- 1、IL- 6及其受體的表達?；|(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)是椎間盤內(nèi)調(diào)節(jié)基質(zhì)代謝的酶系統(tǒng)之一,它與其他降解酶系統(tǒng)(例如膠原酶、基質(zhì)溶解酶等)的活性升高會對相應(yīng)的底物產(chǎn)生分解和破壞作用,介導(dǎo)及加劇椎間盤的退變。研究發(fā)現(xiàn),IL- l及腫瘤壞死因子-α(TNF-α)可刺激MMPs高表達。Liu等[5]用外源的IL- 1β刺激體外培養(yǎng)的人椎間盤,發(fā)現(xiàn)MMPs在其髓核組織中的生成明顯增加。還有研究證實IL- 1可以刺激軟骨素酶ABC的產(chǎn)生,而軟骨素酶ABC又可以激活膠原酶。IL- 1可以抑制組織金屬蛋白酶抑制劑(TIMPs)的合成[6]。IL- 6同樣是重要的炎癥介質(zhì),Burke等[7]在體外培養(yǎng)退變椎間盤細胞中測得IL- 6等炎癥因子表達;Specchia等[8]通過椎間盤組織免疫組織化學(xué)實驗證實退變椎間盤內(nèi)IL- 6及其受體IL- 6R的表達,而二者在健康椎間盤內(nèi)并無表達。近期研究[9]發(fā)現(xiàn),IL- 6與IL- 6可溶性受體處理體外培養(yǎng)的人體椎間盤細胞可以下調(diào)膠原及蛋白多糖的轉(zhuǎn)錄及合成。

細胞的老化凋亡、基質(zhì)降解退變等過程,使椎間盤內(nèi)可增殖細胞數(shù)量減少、椎間盤細胞生物學(xué)行為及基質(zhì)成分改變,最終體現(xiàn)為椎間盤結(jié)構(gòu)功能的退變。另有報道指出,椎間盤內(nèi)另一種表達增多的炎癥因子——TNF-α,既可以刺激培養(yǎng)的椎間盤細胞上調(diào)表達IL- 1β,反過來,TNF-α及Ⅱ型TNF受體也可以受IL- 1β刺激而表達上調(diào)[10],兩者在椎間盤細胞的老化凋亡及基質(zhì)降解作用過程中有著相似的作用,兩者相互級聯(lián)形成“惡性循環(huán)”,可能為椎間盤退變進展的重要機制。

2 TNF- α

TNF-α是一種炎癥早期產(chǎn)生的細胞因子,其生物學(xué)活性主要為殺傷某些細胞、抗病毒感染等;在炎癥反應(yīng)中是激活細胞因子級聯(lián)反應(yīng)的主要介質(zhì)。TNF-α在椎間盤的退變中發(fā)揮著重要作用。TNF-α誘導(dǎo)椎間盤細胞產(chǎn)生MMPs,降解基質(zhì)中的蛋白多糖、糖蛋白(例如纖維粘連蛋白、明膠和層粘連蛋白)、彈性蛋白以及膠原。Purmessur等[11]研究發(fā)現(xiàn),TNF- α處理牛椎間盤模擬出了類似人椎間盤退變的蛋白多糖降解代謝及致炎因子合成活躍的表現(xiàn),該效應(yīng)不可逆。Seguin等[12]的研究結(jié)果指出在類似生理水平的TNF-α作用下,蛋白多糖及Ⅱ型膠原的基因表達即明顯抑制,積累總量明顯下降;而諸如基質(zhì)金屬蛋白酶- 1,3,13(MMP- 1,MMP- 3, MMP- 13)及聚蛋白多糖酶ADAMTS4、ADAMTS5的表達及活性上調(diào)[23]。Millward- Sadler等[10]指出,雖然TNF-α誘導(dǎo)椎間盤細胞產(chǎn)生MMPs的作用不及IL- 1β,但是TNF-α可以誘導(dǎo)IL-1β、IL- 1Ra、TNF-α及TNF- R2的表達。

Weiler等[13]認為TNF-α的表達與椎間盤退變程度及年齡增長密切相關(guān),退變椎間盤組織中TNF-α確實存在。但是在這個研究中,TNF-α同樣在嬰幼兒椎間盤尸檢樣本中發(fā)現(xiàn),這可能與嬰幼兒生長過程的血供減少引起椎間盤微環(huán)境變化有關(guān)。TNF-α在椎間盤退變中可能更多扮演著推波助瀾的作用,此觀點有待實驗進一步驗證。另有實驗[14]表明,隨著椎間盤退變程度加重及年齡增長,椎間盤細胞的TNF-α的特異性受體及TNF-α活化酶表達增多,這意味TNF-α作用通路的各個環(huán)節(jié)均受到強化。

TNF-α及其受體表達的增多及功能的亢進,一方面抑制椎間盤基質(zhì)表達,促進降解酶的合成,破壞了基質(zhì)總量平衡;另一方面,通過刺激分泌其他炎癥因子發(fā)揮協(xié)調(diào)作用,產(chǎn)生更加復(fù)雜的生物學(xué)效應(yīng),加重了椎間盤退變。

3 胰島素樣生長因子- 1(IGF- 1)

IGF- 1具有維持體外培養(yǎng)細胞表型、促進細胞外基質(zhì)合成、抑制細胞凋亡和促進細胞增殖等作用。Okuda等[15]研究表明，IGF- 1發(fā)揮作用主要由IGF- 1R特異性介導(dǎo)。Osada等[16]證實了小牛髓核細胞轉(zhuǎn)錄與表達IGF- 1及其受體,且小牛髓核細胞表面分布明顯多于成牛;對髓核細胞蛋白聚糖的合成及積累刺激作用呈劑量依賴性。謝洋等[17]實驗發(fā)現(xiàn),退變?nèi)梭w椎間盤組織中IGF- 1、IGF- 1R的表達明顯低于正常椎間盤,退變椎間盤細胞的細胞增殖指數(shù)較低、細胞凋亡指數(shù)較高,與正常組有統(tǒng)計學(xué)差異,推測IGF- 1、IGF- 1R表達下調(diào)與椎間盤退變密切相關(guān)。王磊等[18]發(fā)現(xiàn),在人退變椎間盤細胞培養(yǎng)液中加入IGF- 1能使其合成Ⅱ型膠原的能力顯著提高。IGF- 1和TGF-β可通過降低MMP- 2的活性影響細胞外基質(zhì)總量的積累[19]。Gruber等[21- 22]報道適當(dāng)濃度的IGF- 1能有效抑制體外培養(yǎng)纖維環(huán)細胞的衰老和凋亡,說明IGF- 1具有保持可增殖細胞數(shù)量的作用。Zhang等[22]報道IGF- 1具有抑制IL- 1β介導(dǎo)的髓核細胞凋亡的作用,在保護細胞方面起重要作用。

IGF- l通過自分泌和旁分泌機制抑制椎間盤軟骨樣細胞衰老及凋亡,促進其分泌細胞外基質(zhì),同時抑制MMPs的活性及IL- 1β的致退變作用,在抗椎間盤退變機制中發(fā)揮著重要作用。它們在退變椎間盤組織中含量減少,意味著椎間盤內(nèi)修復(fù)與更新能力下降及破壞與退變過程的加劇。

4 轉(zhuǎn)化生長因子- β(TGF- β)

TGF-β在細胞外基質(zhì)的產(chǎn)生及凋控方面起重要作用。在椎間盤退變方面研究較多的是TGF-βl、TGF-β2、TGF-β3 3種。Matsunaga等[23]報道在小鼠椎間盤研究中有TGF-β與其特異性受體的存在;而Tolonen等[24]與Burke等[7]分別在人未退變椎間盤組織檢測到TGF-β1,在退變椎間盤組織中TGF-β的表達明顯下降。

關(guān)于TGF-β在椎間盤組織中意義的研究,Walsh等[25]通過椎間盤間注射TGF-β等生長因子促進椎間盤髓核細胞合成蛋白多糖、Ⅱ型膠原,提升了細胞增殖率,延緩甚至逆轉(zhuǎn)椎間盤的退變;Jin等[26]指出,他們在實驗中阻斷TGF-βⅡ型受體途徑后,解除了對MMP- 13基因表達的抑制,提示TGF-β對維持椎間盤細胞正常特性必不可少。其作用的另一方面顯示對椎間盤不利的一面。Peng等[27]實驗發(fā)現(xiàn)破裂纖維環(huán)肉芽組織區(qū)TGF-β等生長因子及其受體含量遠遠高于非肉芽組織區(qū)及正常椎間盤組織,認為TGF-β的表達可能在椎間盤破裂的修復(fù)及后續(xù)繼發(fā)的椎間盤退變過程中發(fā)揮作用;Tolonen推測,包括TGF-β1在內(nèi)的各種生長因子相對于在正常椎間盤內(nèi)的表達模式的差異可能與椎間盤內(nèi)級聯(lián)退變反應(yīng)密切相關(guān)[28]。而Nerlich等[29]認為,鑒于TGF-β1與纖維連接蛋白表達的相關(guān)性,以及椎間盤內(nèi)發(fā)生的基質(zhì)異常重構(gòu)現(xiàn)象,TGF-β1在促進基質(zhì)合成的同時,擾亂了基質(zhì)的均衡,同樣引起對椎間盤的不利影響。

TGF-β2與TGF-β1有相同的活化形式和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng),同源性較高。TGF-β2可以促進軟骨蛋白聚糖和Ⅱ型膠原的合成,抑制細胞外基質(zhì)降解?？滦碌萚30]在兔纖維環(huán)損傷致椎間盤退變的模型中發(fā)現(xiàn)TGF-β2隨著椎間盤退變程度的加重而下降,推測TGF-β2下降可能是椎問盤退變的機制之一。Risbud等[31]在培養(yǎng)基中分別加入TGF-β1、TGF-β3培養(yǎng)椎間盤后,發(fā)現(xiàn)均能有效維持細胞表型、促進基質(zhì)及TGF-β受體合成,但TGF-β3更能提高關(guān)鍵性基質(zhì)的合成,保持轉(zhuǎn)化生長因子受體表達,降低膠原轉(zhuǎn)型等。Haberstroh等[32]研究表明TGF-β3尚能誘導(dǎo)細胞分化,上調(diào)基質(zhì)分子及Ⅹ型膠原的表達 。

5 椎間盤細胞分泌表型的改變及其影響

長期以來,人們對老化細胞的認識不只停留在其增殖障礙以及繼發(fā)的細胞數(shù)量減少,而且更加關(guān)注細胞老化后所表現(xiàn)的特殊生物學(xué)行為。椎間盤退變區(qū)域不僅細胞外基質(zhì)成分和TGF-β、IGF- 1等營養(yǎng)因子及TIMPs等基質(zhì)降解酶抑制劑合成緩慢、分泌不足,MMPs、聚蛋白多糖酶ADAMTs等基質(zhì)降解酶表達活躍、活性升高;而且傾向于表達更多的TNF-α，IL- 1、6、8等致炎因子及其受體,直接抑制促合成及抗降解機制,促進基質(zhì)降解過程,并有可能通過自分泌/旁分泌途徑及相互間協(xié)同作用,形成級聯(lián)效應(yīng)、交織成網(wǎng)[33],最終惡化臨近組織的微環(huán)境。對于老化過程中椎間盤細胞分泌表型的改變及其意義的研究,將有助于對于椎間盤退變過程與機制的全面理解,這使得利用生物學(xué)手段來修復(fù)退變椎間盤成為可能,盡管椎間盤退變的生物學(xué)療法在實驗中已取得一定效果,但是實際臨床應(yīng)用仍面臨很多問題,具體作用環(huán)節(jié)、干預(yù)時機、治療方案的選擇,以及如何阻斷病理生理的級聯(lián)效應(yīng)將是擺在我們面前的一項重大課題。

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