椎間盤退變機(jī)制研究現(xiàn)狀及生物治療展望

李文舉 李亦梅

（新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院疼痛科，烏魯木齊 830054）

椎間盤退變機(jī)制研究現(xiàn)狀及生物治療展望

李文舉 李亦梅*

（新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院疼痛科，烏魯木齊 830054）

?綜述?

椎間盤退變性疾病的發(fā)病率與復(fù)發(fā)率較高，嚴(yán)重影響患者的工作及日常生活。目前的治療方法主要是緩解疼痛癥狀或神經(jīng)受壓癥狀，卻無法阻止退變進(jìn)程，這也是導(dǎo)致高復(fù)發(fā)的主要原因之一。目前的研究認(rèn)為，椎間盤退變是一個與細(xì)胞外基質(zhì)數(shù)量減少、細(xì)胞老化凋亡、炎性介質(zhì)刺激和血管增生等相關(guān)的復(fù)雜程序。大量實(shí)驗(yàn)研究提示，椎間盤再生活性物質(zhì)、干細(xì)胞移植、自體軟骨細(xì)胞移植、基因治療等方法可以不同程度地增加椎間盤細(xì)胞和基質(zhì)數(shù)量，促進(jìn)椎間盤再生或修復(fù)，從而逆轉(zhuǎn)退變進(jìn)程。日益進(jìn)展的分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和組織工程技術(shù)為椎間盤退變的治療提供了新的契機(jī)，而上述方法大多處于動物實(shí)驗(yàn)或體外實(shí)驗(yàn)階段，臨床應(yīng)用尚存諸多挑戰(zhàn)。本文旨在討論椎間盤退變細(xì)胞生物學(xué)變化的研究現(xiàn)狀，以展望未來生物治療椎間盤退變的前景。

1 椎間盤結(jié)構(gòu)功能特點(diǎn)

椎間盤相當(dāng)于一個微動關(guān)節(jié)，由纖維環(huán)、髓核、上下軟骨終板三個獨(dú)立部分構(gòu)成。纖維環(huán)由膠原纖維束的纖維軟骨構(gòu)成，位于髓核的四周，由環(huán)狀、薄片狀富含膠原纖維密集排列，主要為Ⅰ型膠原纖維。外層纖維環(huán)主要由高濃度的Ⅰ型膠原纖維構(gòu)成，Ⅱ型膠原纖維含量隨著靠近內(nèi)層而逐漸增加。纖維環(huán)的纖維束相互斜行交叉重疊，使纖維環(huán)成為堅(jiān)實(shí)的組織，外層纖維環(huán)的主要功能是抵抗拉應(yīng)力（包括橫向、縱向、扭力），髓核主要功能是抵抗壓應(yīng)力，而內(nèi)層纖維環(huán)的功能兼而有之。髓核是一種彈性膠狀物質(zhì)，由隨機(jī)排列的膠原纖維、放射排列的彈性纖維和高含水蛋白多糖組成[1]。髓核內(nèi)的高含水蛋白多糖是維護(hù)椎間盤滲透壓的必要組成成分，對椎間盤的承重性能有重要影響。位于椎體上下兩端的軟骨終板由透明軟骨和軟骨細(xì)胞密集構(gòu)成，擔(dān)負(fù)著為椎間盤提供營養(yǎng)、清除轉(zhuǎn)運(yùn)廢物的通道作用[2]。椎間盤為脊柱活動提供一定的彈性空間和減震效果，椎間盤三部分結(jié)構(gòu)完好無損是保證其正常功能的前提。

2 椎間盤退變細(xì)胞生物學(xué)變化

椎間盤退變主要表現(xiàn)為細(xì)胞外基質(zhì)的減少，髓核內(nèi)軟骨樣細(xì)胞減少、水合反應(yīng)降低、結(jié)構(gòu)完整性破壞，承載負(fù)荷能力下降，血管增生。但迄今為止對其發(fā)病機(jī)理認(rèn)知仍然有限，目前研究較多和廣為接受的主要有以下幾方面：

2.1 椎間盤基質(zhì)降解——基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinases,MMPs）

因椎間盤細(xì)胞外基質(zhì)破壞導(dǎo)致的椎間盤基質(zhì)結(jié)構(gòu)混亂是椎間盤退變的主要標(biāo)志。針對椎間盤基質(zhì)的主要成分，椎間盤細(xì)胞分泌了多種酶來溶解破壞，其中最主要的酶就是MMPs。大量實(shí)驗(yàn)證明，MMPs在退變椎間盤中表達(dá)增高。MMPs是一個蛋白水解酶家族，參與水解退變椎間盤基質(zhì)所有主要組成部分，包括糖蛋白、蛋白多糖，尤其是膠原蛋白。在正常生理?xiàng)l件下，MMPs的效能受自身活化機(jī)理以及內(nèi)生金屬蛋白酶抑制劑（tissue inhibitor of matrix metalloproteinases,TIMPs）控制；然而在各種病理?xiàng)l件下，MMPs與 TIMPs 之 間 的 失 平 衡 產(chǎn) 生 病 理 性 水 解 作 用[3]。Bachmeier等[3]對 37 個突出或退變的椎間盤與正常椎間盤的MMPs-1，-2，-3，-7，-8，-9，-13，以及 TIMPs-1和 TIMP-2 的 mRNA 表達(dá)水平進(jìn)行一個定量分子分析，發(fā)現(xiàn) MMP-3 mRNA 的表達(dá)水平顯示出一貫和大幅上調(diào)的趨勢，同樣的趨勢在MMP-8也得到顯示，只是幅度略??；另一方面，TIMP-1 與 TIMP-2 的 mRNA表達(dá)水平及上調(diào)幅度與前者幾乎并行，只是后者表達(dá) 水 平 略 低[4]。 由 于 此 類 定 量 分 析 的 實(shí) 驗(yàn) 研 究 報 道較少，MMP-3 與 MMP-8 是否在水解破壞椎間盤基質(zhì)的過程中扮演主要角色還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。除MMPs外，有一種被稱為金屬蛋白酶域蛋白（ADAMTS）的蛋白酶類也在退變椎間盤組織中廣泛獲得，被證明與退變相關(guān)[5]。

2.2 椎間盤細(xì)胞衰老和細(xì)胞凋亡

退變椎間盤外觀形態(tài)的改變間接反映細(xì)胞水平的變化。導(dǎo)致椎間盤功能細(xì)胞數(shù)量減少及細(xì)胞活性改變的主要包括細(xì)胞衰老和細(xì)胞凋亡兩個進(jìn)程。Gruber等[6]研究發(fā)現(xiàn)，與衰老密切相關(guān)的半乳糖苷酶（senescence-associated β-galactosidase,SA-β-gal）在人類 退變或突出的椎間盤中染色加深，并以此推測細(xì)胞衰老可能是椎間盤退變的病理機(jī)制之一。細(xì)胞衰老在椎間盤退變中可能是不斷發(fā)生發(fā)展的[7]，衰老的髓核軟骨細(xì)胞在髓核中的積聚隨著年齡增長而增加，且會推進(jìn)退變進(jìn)程[8]。

經(jīng)典的細(xì)胞凋亡通路主要包括死亡受體途徑、線粒體途徑和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)途徑。目前已有證據(jù)表明，椎間盤的細(xì)胞凋亡與以上三種途徑均有關(guān)聯(lián)，且椎間盤的細(xì)胞凋亡通過三種途徑共同完成。只是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)途徑在輕度退變階段比在中度和重度階段扮演更重要的角色，死亡受體途徑在輕度和中度階段更活躍，而線粒體途徑在中度和重度階段發(fā)揮更重要的作用，且細(xì)胞凋亡在椎間盤突出形成后可能會加速[9]。Wei等[10]的體外研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor,TNF）和過氧化氫（H2O2）可以誘導(dǎo)椎間盤細(xì)胞凋亡，導(dǎo)致細(xì)胞外基質(zhì)數(shù)量減少；同時還發(fā)現(xiàn)，骨形態(tài)發(fā)生蛋白-7（bone morphogenetic protein-7, BMP-7）可以有效抑制該誘導(dǎo)過程，使細(xì)胞外基質(zhì)的生產(chǎn)即使處于細(xì)胞凋亡的環(huán)境仍能持續(xù)進(jìn)行，也許BMP-7可以成為未來治療策略的新角色。隨著椎間盤的老化和退化，其細(xì)胞結(jié)構(gòu)、分子、機(jī)械性能以及纖維環(huán)與髓核之間的界限都會發(fā)生改變。膠原成分的變化和蛋白多糖含量的下降可導(dǎo)致椎間盤結(jié)構(gòu)完整性的破壞、水分減少和承載負(fù)荷的能力降低[11]。

2.3 髓核炎性介質(zhì)的釋放

髓核組織是一個能夠響應(yīng)環(huán)境而產(chǎn)生炎性介質(zhì)的活躍組織。椎間盤源性下腰痛患者的椎間盤內(nèi)有高水平的炎性介質(zhì)，提示由髓核產(chǎn)生的炎性介質(zhì)可能是引起下腰痛的主要原因。Moroney 等[12]研究發(fā)現(xiàn) ，白 細(xì) 胞介 素-6（interleukin-6,IL-6）和 IL-8 可以 引發(fā)炎性級聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的趨化作用；因 IL-8 自身可以誘發(fā)痛覺過敏，這可能是導(dǎo)致疼痛加重的原因之一；而酸中毒和炎性條件可刺激多種細(xì)胞因子釋放，對炎癥反應(yīng)推波助瀾[12]。尤其值得注意的是，TNF-α和 IL-1β可通過調(diào)控共結(jié)合蛋白 多糖-4（Syndecan-4,SDC-4）的表達(dá)，提 高解聚 ADAMTS-5 的活性，從而促進(jìn)蛋白多糖的降解，從而加重椎間盤退變進(jìn)程[13]。目前為止，已有研究涉及多種炎性介質(zhì)：IL-1α，IL-1β，IL-6，TNF-α，粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子（Granulocyte macrophage colony factor,GM-CSF），IL-8，趨化因子（regulated upon activation normal T cell expressed and secreted,RANTES）和IL-10。除此之外，炎性介質(zhì)還有白三烯 B4（leukotriene B4,LTB4），血栓素 B2（Thromboxane B2,TXB2）和 前 列 腺 素 E2（prostaglandin E2,PGE2）等 。 炎 性 介質(zhì)的研究較多，但針對某具體因子的作用，不同研究的結(jié)果尚存矛盾，但大家廣泛認(rèn)知其為引起下腰痛的重要原因之一。

2.4 血管增生

除最外層纖維環(huán)有小毛細(xì)血管，健康成年人的椎間盤無血管組織。而在胎兒早期，內(nèi)層纖維環(huán)及軟骨終板均有血供，直到約2歲時血供逐漸減少、消失[14]。早已有研究表明，退變、突出的椎間盤普遍存在血管增生的現(xiàn)象。且不同的生長因子，如成纖維細(xì)胞生長因子（basic fibroblast growth factor,bFGF），血 管 內(nèi) 皮 生 長 因 子（vascular endothelial growth factor,VEGF），轉(zhuǎn) 化 生 長 因 子 -β（transforming growth factor-β,TGF-β）等已被確認(rèn)對血管增生有積極調(diào)節(jié)作用。有證據(jù)表明，促進(jìn)血管形成的一系列因子、VEGF參與了椎間盤血管化的過程，血管增生會影響椎間盤退行性變患者術(shù)前與術(shù)后的生活質(zhì)量，可能是預(yù)后的重要影響因素；患者可以通過避免血管生成相關(guān)因素（控制體重、注意休息、控制吸煙等）來預(yù)防椎間盤血管增生[15]。值得注意的是，血管增生對椎間盤退變的影響至今尚存爭議：一方面，這可能是椎間盤自我修復(fù)的表現(xiàn)，代表椎間盤具有一定的自我修復(fù)能力；另一方面，血管的增生對椎間盤組織的組成成分及結(jié)構(gòu)功能可能產(chǎn)生消極影響，是引起椎間盤進(jìn)一步退變的因素，這可能是下一步研究的重點(diǎn)之一。

3 未來治療的新策略——生物治療

目前認(rèn)為，椎間盤退變所造成的椎間盤突出癥經(jīng)保守治療6周失敗的患者，可依據(jù)影像學(xué)改變來選擇實(shí)施手術(shù)治療或繼續(xù)長期保守治療[16]。但不論保守治療或手術(shù)治療，均無法阻擋椎間盤退變的進(jìn)程。并且，目前作為手術(shù)金標(biāo)準(zhǔn)的椎體融合術(shù)有明顯的缺點(diǎn)：融合的椎體之間失去靈活性，會增加鄰近椎間盤的應(yīng)力，促進(jìn)其退變[17]。隨著椎間盤退變機(jī)理研究的深入，生物治療的研究逐漸進(jìn)入大家的視野。

生物治療旨在針對椎間盤退變級聯(lián)反應(yīng)的某一環(huán)節(jié)進(jìn)行干預(yù)，預(yù)防和管理椎間盤退變，增加合成代謝，改善受損髓核和纖維環(huán)細(xì)胞的功能，阻止或扭轉(zhuǎn)退變進(jìn)程。目前，文獻(xiàn)報道了以下幾種生物治療策略，主要是針對椎間盤細(xì)胞衰老或凋亡，以及細(xì)胞外基質(zhì)的減少，大多處于動物試驗(yàn)或體外試驗(yàn)階段：① 椎間盤內(nèi)注入活性因子（生長因子、細(xì)胞因子、合成代謝酶等），是目前研究最廣、應(yīng)用潛力較大的新方法[10,18-29]（表 1），但由 于各因 子 在體 內(nèi) 活性存 在時間較短，很難持續(xù)發(fā)揮作用，尚需進(jìn)一步研究臨床應(yīng)用 的 方 法 ；② 干細(xì)胞移植，Doniel等[30]總結(jié) 了 18 篇干細(xì)胞治療椎間盤退變的文獻(xiàn)報道，雖然效果喜憂參半，但仍預(yù)示出不可忽視的潛力；③ 自體軟骨細(xì)胞移植[31]，技術(shù)上可行，效果也可觀；④ 構(gòu)建椎間盤復(fù)合體[32]，運(yùn)用組織工程方法，以殼聚糖、蠶絲、膠原蛋白、藻朊酸鹽或纖維蛋白為支架，種植軟骨細(xì)胞或干細(xì)胞，構(gòu)建出完整或部分椎間盤復(fù)合體，植入體內(nèi)，修復(fù)椎間盤結(jié)構(gòu)及生物力學(xué)的完整性，但支架的選擇尚存爭議，且操作難度大，目前還處于初級研究階段；⑤基因治療，以病毒等為載體，針對椎間盤退變級聯(lián)反應(yīng)的某一環(huán)節(jié)，引進(jìn)外源目的基因到宿主細(xì)胞，如增長/分 化 因 子 -5 基 因（adenovirus growth and differentiation factor-5,Ad-GDF-5）治療[33]、GDF-5 cDNA 治療[34]等。基因治療直指發(fā)病機(jī)理的根本所在，從長遠(yuǎn)來看前景。

表1 椎間盤再生相關(guān)活性因子的文獻(xiàn)報道

生物治療是未來椎間盤退變治療的新策略之一，但應(yīng)用于臨床尚存諸多問題，如技術(shù)要求高、價格昂貴、活性因子持續(xù)時間較短、植入體內(nèi)方法的確立、臨床療效評價方法等。而目前治療方法的諸多局限性，使新方法的探索蘊(yùn)含巨大潛力。

綜上所述，隨著一系列基礎(chǔ)研究成果的陸續(xù)報道，人們對椎間盤退變發(fā)病機(jī)制及細(xì)胞生物學(xué)變化的認(rèn)識正在逐步加深。目前，一些針對其發(fā)病機(jī)制之基質(zhì)減少和細(xì)胞老化或凋亡的方法已經(jīng)許多動物實(shí)驗(yàn)或體外實(shí)驗(yàn)證明有效，但在進(jìn)入臨床試驗(yàn)及臨床應(yīng)用前應(yīng)做好充分評估。針對退變椎間盤諸多炎性介質(zhì)釋放等造成的疼痛癥狀，可以應(yīng)用一些緩解疼痛的方法，在急性期進(jìn)行輔助治療，以減輕患者的痛苦。但要從根本上治療疾病，生物治療的深入研究勢在必行。

[1]Yu J,Winlove PC,Roberts S,et al.Elastic fibre organization in the intervertebral discs of the bovine tail.J Anat, 2002,201(6):465-475.

[2]Zhao CQ,Wang LM,Jiang LS,et al.The cell biology of intervertebral disc aging and degeneration.Ageing Res Rev, 2007,6(3):247-261.

[3]Bachmeier BE,Iancu CM,Jochum M,et al.Matrix metalloproteinases in cancer:comparison of known and novel aspects of their inhibition as a therapeutic approach.Expert Rev Anticancer Ther,2005,5(1):149-163.

[4]Bachmeier BE,Nerlich A,Mittermaier N,et al.Matrix metalloproteinase expression levels suggest distinct enzyme roles during lumbar disc herniation and degeneration.Eur Spine J,2009,18(11):1573-1586.

[5]Le Maitre CL,Freemont AJ,Hoyland JA.Localization of degradative enzymes and their inhibitors in the degenerate human intervertebral disc.J Pathol,2004,204(1):47-54.

[6]Gruber HE,Ingram JA,Norton HJ,et al.Senescence in cells of the aging and degenerating intervertebral disc:immunolocalization of senescence-associated beta-galactosidase in human and sand rat discs.Spine(Phila Pa 1976),2007,32 (3):321-327.

[7]Le Maitre CL,Freemont AJ,Hoyland JA,et al.Accelerated cellular senescence in degenerate intervertebral discs:a possible role in the pathogenesis of intervertebral disc degeneration.Arthritis Res Ther,2007,9(3):R45.

[8]Kim KW,Chung HN,Ha KY,et al.Senescence mechanisms of nucleus pulposus chondrocytes in human intervertebral discs.Spine J,2009,9(8):658-666.

[9]Wang H,Liu H,Zheng ZM,et al.Role of death receptor,mitochondrial and endoplasmic reticulum pathways in different stages of degenerative human lumbar disc.Apoptosis, 2011,16(10):990-1003.

[10]Wei A,Brisby H,Chung SA,et al.Bone morphogenetic protein-7 protects human intervertebral disc cells in vitro from apoptosis.Spine J,2008,8(3):466-474.

[11]Roughley PJ.Biology of intervertebral disc aging and degeneration:involvement of the extracellular matrix.Spine (Phila Pa 1976),2004,29(23):2691-2699.

[12]Moroney PJ,Watson RWG,Burke J,et al.The role of inflammation,and hypoxia and acidosis in experimental intervertebral disc degeneration.J Bone Joint Surg Br Proceedings,2003,85-B:165.

[13]Wang J,Markova D,Anderson DG,et al.TNF-α and IL-1β Promote a Disintegrin-like and Metalloprotease with Thrombospondin Type I Motif-5-mediated Aggrecan Degradation through Syndecan-4 in IntervertebralDisc.J Biol Chem,2011,286(46):39738-39749.

[14]Nerlich AG,Schaaf R,W?lchli B,et al.Temporo-spatial distribution of blood vessels in human lumbar intervertebral discs.Eur Spine J,2007,16(4):547-555.

[15]David G,Ciurea AV,Iencean SM,et al.Angiogenesis in the degeneration of the lumbar intervertebral disc.J Med Life, 2010,3(2):154-161.

[16]Schoenfeld AJ,Weiner BK.Treatment of lumbar disc herniation:Evidence-based practice.Int J Gen Med,2010,3: 209-214.

[17]Gillet P.The fate of the adjacent motion segments after lumbar fusion.J Spinal Disord Tech,2003,16(4):338-345.

[18]Jin H,Shen J,Wang B,et al.TGF-β signaling plays an essential role in the growth and maintenance of intervertebral disc tissue.FEBS Lett,2011,585(8):1209-1215.

[19]Zhang R,Ruan D,Zhang C.Effects of TGF-β1 and IGF-1 on proliferation of human nucleus pulposus cells in medium with different serum concentrations.J Orthop Surg, 2006,1:9.

[20]Pratsinis H,Kletsas D.PDGF,bFGF and IGF-I stimulate the proliferation of intervertebral disc cells in vitro via the activation of the ERK and Akt signaling pathways.Eur Spine J,2007,16(11):1858-1866.

[21]Tsai TT,Guttapalli A,Oguz E,et al.Fibroblast growth factor-2 maintains the differentiation potential of nucleus pulposus cells in vitro:implications for cell-based transplantation therapy.Spine(Phila Pa 1976),2007,32(5):495-502.

[22]Blaney Davidson EN,Vitters EL,van Lent PL,et al.Elevated extracellular matrix production and degradation upon bone morphogenetic protein-2(BMP-2)stimulation point toward a role for BMP-2 in cartilage repair and remodeling. Arthritis Res Ther,2007,9(5):R102.

[23]Haschtmann D,Ferguson SJ,Stoyanov JV.BMP-2and TGF-β3 do not prevent spontaneous degeneration in rabbit disc explants but induce ossification of the annulus fibrosus.Eur Spine J,2012,21(9):1724-1733.

[24]Wang C,Ruan DK,Zhang C,et al.Effects of adeno-associated virus-2-mediated human BMP-7 gene transfection on the phenotype of nucleus pulposus cells.J Orthop Res, 2011,29(6):838-845.

[25]Lin Z,Liu H,Wang W.Study progress of growth differentiation factor 5 or osteogenic protein 1 injection into a degenerated disc.Zhongguo Xiu Fu Chong Jian Wai Ke Za Zhi. 2008,22(4):435-438.

[26]Le Maitre CL,Freemont AJ,Hoyland JA.Expression of cartilage-derived morphogenetic protein in human intervertebral discs and its effect on matrix synthesis in degenerate human nucleus pulposus cells.Arthritis Res Ther,2009,11(5): R137.

[27]Kim JS,Ellman MB,An HS,et al.Lactoferricin mediates anabolic and anti-catabolic effects in the intervertebral disc. J Cell Physiol,2012,227(4):1512-1520.

[28]Mwale F,Masuda K,Pichika R,et al.The efficacy of Link N as a mediator of repair in a rabbit model of intervertebral disc degeneration.Arthritis Res Ther,2011,13(4):R120.

[29]Li X,Phillips FM,An HS,et al.The action of resveratrol,a phytoestrogen found in grapes,on the intervertebral disc. Spine(Phila Pa 1976),2008,33(24):2586-2895.

[30]DrazinD,RosnerJ,AvalosP,etal.StemCellTherapyforDegenerativeDiscDisease.AdvOrthop,2012,2012:961052.

[31]Hohaus C,Ganey TM,Minkus Y,et al.Cell transplantation in lumbar spine disc degeneration disease.Eur Spine J. 2008,17(Suppl 4):492-503.

[32]Bowles RD,Williams RM,Zipfel WR,et al.Self-assembly of aligned tissue-engineered annulus fibrosus and intervertebral disc composite via collagen gel contraction.Tissue Eng Part A,2010,16(4):1339-1348.

[33]Liang H,Ma SY,Feng G,et al.Therapeutic effects of adenovirus-mediated growth and differentiation factor-5 in a mice disc degeneration model induced by annulus needle puncture.Spine J,2010,10(1):32-41.

[34]Cui M,Wan Y,Anderson DG,et al.Mouse growth and differentiation factor-5 protein and DNA therapy potentiates intervertebral disc cell aggregation and chondrogenic gene expression.Spine J,2008,8(2):287-295.

1674-1439（2013）10-0 066-04

10.3969/j.issn.1674-1439.2013.10-016

*通信作者：李亦梅，E-mail:hanyuner1969@163.com