椎間盤退行性變的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制研究進(jìn)展

李俊杰，梁舒涵， 彭奇，林斌,饒耀劍

(1湖南中醫(yī)藥大學(xué)，長沙410007；2河南省洛陽正骨醫(yī)院 河南省骨科醫(yī)院)

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椎間盤退行性變的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制研究進(jìn)展

李俊杰1，梁舒涵1， 彭奇1，林斌1,饒耀劍2

(1湖南中醫(yī)藥大學(xué)，長沙410007；2河南省洛陽正骨醫(yī)院 河南省骨科醫(yī)院)

摘要：椎間盤退行性變的發(fā)生是一個(gè)復(fù)雜的生理病理改變過程，受到很多因素調(diào)控。細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑是一個(gè)巨大且復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，每個(gè)信號(hào)通路之間相互聯(lián)系、相互作用、相互交叉，共同協(xié)調(diào)細(xì)胞的生存、增殖、分化及凋亡。近年來研究表明，椎間盤退行性變與Wnt/β-catenin、NF-κB、促分裂素原活化蛋白激酶、脂酰肌醇-3激酶/絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶、轉(zhuǎn)化生長因子β/Smads等多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制有關(guān)，對上述機(jī)制進(jìn)行深入研究，可能會(huì)為臨床干預(yù)椎間盤退行性變及其保守治療提供新的思路。

關(guān)鍵詞：椎間盤退行性變；信號(hào)通路

椎間盤退行性變(簡稱椎間盤退變)是骨科常見病、多發(fā)病，是引起頸椎病、椎間盤突出癥、慢性下腰痛、神經(jīng)痛等癥狀的重要病理基礎(chǔ)，其發(fā)病是一個(gè)復(fù)雜的慢性過程，發(fā)生機(jī)制至今尚未完全闡明。細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑是一個(gè)巨大且復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，每個(gè)信號(hào)通路之間相互聯(lián)系、相互作用、相互交叉，共同協(xié)調(diào)細(xì)胞的生存、增殖、分化及凋亡。近年來研究表明，在椎間盤退變的過程中，存在著Wnt/β-catenin、NF-κB、促分裂素原活化蛋白激酶(MAPK)、脂酰肌醇-3激酶(PI3K)/絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶(Akt)、轉(zhuǎn)化生長因子β(TGF-β)/Smads等多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制的改變，深入研究椎間盤退變過程中信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的改變及其機(jī)制，可進(jìn)一步了解該病的發(fā)病原因及過程，并為其治療提供新的思路。本研究對上述與椎間盤退變有關(guān)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制綜述如下。

1Wnt/β-catenin信號(hào)通路

經(jīng)典的Wnt信號(hào)通路由Wnt家族分泌蛋白、糖原合成激酶3、Frizzled家族跨膜受體蛋白Dishevelled、β-catenin等轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子等構(gòu)成。Wnt/β-catenin信號(hào)通路激活后，使β-catenin蛋白在細(xì)胞質(zhì)聚集并向細(xì)胞核內(nèi)轉(zhuǎn)移，抑制其降解，并調(diào)控下游一系列靶基因的表達(dá)，以維持椎間盤細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)的穩(wěn)態(tài)，同時(shí)促進(jìn)椎間盤細(xì)胞的生長發(fā)育、功能形成及老化。

Wnt/β-catenin信號(hào)通路在椎間盤退變過程中被激活，且發(fā)揮重要的調(diào)控作用。與腰椎間盤突出癥患者比較，退變椎間盤組織與相同時(shí)間段腰椎創(chuàng)傷患者髓核組織中β-catenin mRNA和蛋白表達(dá)均升高。與正常髓核細(xì)胞相比，應(yīng)用外源性TNF-α制備的兔椎間盤髓核細(xì)胞退變模型β-catenin和基質(zhì)金屬蛋白酶-13(MMP-13)mRNA表達(dá)均明顯升高，Ⅱ型膠原mRNA和蛋白表達(dá)均明顯減少；而應(yīng)用Wnt/β-catenin信號(hào)通路抑制劑 DKK1后上述作用明顯減弱[1]。Munetaka等[2]對不同MRI信號(hào)的比格犬的椎間盤進(jìn)行培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)髓核組織MRI信號(hào)強(qiáng)度與β-catenin、Runx2 mRNA表達(dá)具有相關(guān)性，說明退變椎間盤組織中Wnt/β-catenin 信號(hào)通路的激活能增加Runx2表達(dá)，從而導(dǎo)致腰椎間盤鈣化。 Wnt/β-catenin信號(hào)通路的激活可增加下游靶基因的表達(dá)，從而加速椎間盤的退變。

2NF-κB信號(hào)通路

NF-κB蛋白是由Sen等[3]在1986年于淋巴細(xì)胞抽提物中發(fā)現(xiàn)的，是一種能與免疫球蛋白輕鏈基因的增強(qiáng)子κB序列(GGGACTTTCC)特異性結(jié)合的核蛋白因子。NF-κB經(jīng)典激活是由IkB激酶(IKK)介導(dǎo)完成的，IKK包括兩個(gè)催化亞基(IKKα、IKKβ)和一個(gè)調(diào)節(jié)亞基(IKKγ)[4]。

研究表明，NF-κB在動(dòng)物椎間盤退變髓核中的髓核細(xì)胞和軟骨終板中的軟骨細(xì)胞均呈陽性表達(dá)，而在其自身對照的椎間盤細(xì)胞中均呈弱陽性或陰性表達(dá)[4]。胡志軍等[5]建立兔的椎間盤退變模型，并采用免疫組化染色觀察不同時(shí)間點(diǎn)椎間盤NF-κB的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)其在椎間盤退變早期表達(dá)明顯，說明NF-κB對椎間盤退變的早期病變起促進(jìn)作用。吳慶能等[6]在人退變椎間盤組織中也發(fā)現(xiàn)了 NF-κB的高表達(dá)，并認(rèn)為其可能在椎間盤退變中起重要作用。Sun等[7]研究發(fā)現(xiàn)，與正常椎間盤組織比較，退變椎間盤組織中 NF-κB、MMP-13蛋白表達(dá)均升高，而給予NF-κB抑制劑BAY11-7082后這些蛋白表達(dá)均降低。Nasto等[8]研究證明，激活椎間盤細(xì)胞的NF-κB信號(hào)通路后其靶基因表達(dá)水平提高，部分基質(zhì)降解酶和炎性因子合成增多，細(xì)胞外基質(zhì)的降解增加，最終導(dǎo)致椎間盤退變。研究表明，與正常椎間盤相比，老化退變的椎間盤組織NF-κB活性增強(qiáng)；敲除NF-κB亞基p65等位基因后，正常與老化退變的椎間盤細(xì)胞內(nèi)及細(xì)胞外蛋白多糖水平均升高，加入IKK抑制劑8K-NBD后其水平均發(fā)生了逆轉(zhuǎn)變化，提示IKK/NF-κB信號(hào)通路在椎間盤退變的過程中起重要作用[8]。因此，NF-κB信號(hào)通路的激活與椎間盤退變的發(fā)生有關(guān)。

3MAPK信號(hào)通路

MAPK是一類能將細(xì)胞外刺激信號(hào)轉(zhuǎn)換成廣泛的細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，主要有細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ERK)、c-Jun氨基末端激酶(JNK)、p38MAPK和ERK5等4個(gè)主要亞族，在許多生理過程中發(fā)揮著重要的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)作用[9]。目前研究較多的是ERK1/2、JNK1/2/3和p38MAPK信號(hào)通路[10~12]。

3.1ERK1/2信號(hào)通路Risbud等[13]研究證明，當(dāng)鼠髓核細(xì)胞處于低氧環(huán)境中時(shí)，細(xì)胞內(nèi)ERK1/2及p38信號(hào)通路均發(fā)生磷酸化，給予ERK1/2信號(hào)通路抑制劑PD98059后，鼠髓核細(xì)胞中α2整合素mRNA表達(dá)減少，從而進(jìn)一步影響髓核細(xì)胞在低氧環(huán)境下的生存，而p38信號(hào)通路無明顯抑制作用。劉瑞龍等[14]采用不同的滲透壓梯度以及ERK1/2特異性抑制劑PD98059處理髓核細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)突然的高滲透壓(600 mOsm) 可以使兔髓核細(xì)胞凋亡明顯增加，同時(shí)激活ERK1/2信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，但該信號(hào)通路在一定程度上具有抗髓核細(xì)胞凋亡作用。以上均說明ERK1/2信號(hào)通路對抑制椎間盤退變有一定作用。

3.2JNK1/2/3信號(hào)通路JNK于1990年被發(fā)現(xiàn)，是促M(fèi)APK超家族成員之一，有3個(gè)亞型，即JNK1、JNK2和JNK3[15]。研究表明，JNK信號(hào)通路在細(xì)胞的凋亡中發(fā)揮著重要作用[16]。董振輝等[17]在應(yīng)用TNF-α誘導(dǎo)髓核細(xì)胞凋亡的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了磷酸化JNK/SAPK及磷酸化p38MAPK表達(dá)均升高，而應(yīng)用JNK信號(hào)通路阻斷劑SP600125及p38MAPK阻斷劑SB203580后，無明顯磷酸化JNK/SAPK及磷酸化p38MAPK表達(dá)，證實(shí)了外源性TNF-α可通過激活p38MAPK和JNK/SAPK信號(hào)通路而促進(jìn)髓核細(xì)胞凋亡。

3.3p38MAPK信號(hào)通路p38MAPK由Brewster等[18]于1993年發(fā)現(xiàn)，存在p38α1/α2、p38β1/β2、p38γ和p38δ等6種異構(gòu)形式，不同異構(gòu)體的分布具有組織特異性。p38MAPK信號(hào)通路可被機(jī)械應(yīng)力、滲透壓變化、氧化、GPCR、IL-1和TNF-α等因素激活，并參與維持細(xì)胞的正常功能和介導(dǎo)炎癥反應(yīng)過程。研究發(fā)現(xiàn)，在人退變頸椎間盤的髓核細(xì)胞核和纖維環(huán)中均存在p38MAPK的異常表達(dá)，而且其表達(dá)水平與髓核細(xì)胞退變的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)[19，20]。Studer等[21]在人髓核細(xì)胞中應(yīng)用了p38MAPK信號(hào)通路抑制劑后發(fā)現(xiàn)，前列腺素E2合成明顯減少，而MMP組織抑制因子1與MMP-3的比值明顯升高，提示p38MAPK信號(hào)通路可能通過調(diào)節(jié)前列腺素E2、MMP的合成而參與椎間盤髓核細(xì)胞退變的病理生理過程。

4PI3K/Akt信號(hào)通路

受體酪氨酸激酶和G蛋白耦聯(lián)受體的主要下游效應(yīng)器為PI3K，受體酪氨酸激酶與PI3K復(fù)合物下游關(guān)鍵的近節(jié)點(diǎn)是Akt，PI3K/Akt信號(hào)通路能具有促進(jìn)細(xì)胞增殖、抗細(xì)胞凋亡、調(diào)節(jié)葡萄糖和蛋白質(zhì)的合成等作用。Sox9基因是與椎間盤退變密切相關(guān)的因子，具有促進(jìn)合成Ⅱ型膠原和蛋白聚糖的作用[22]。Park等[23]研究發(fā)現(xiàn)，人椎間盤退變組織中Sox9和Ⅱ型膠原的表達(dá)均明顯減少。Cheng等[24]研究發(fā)現(xiàn)，PI3K/Akt信號(hào)通路能調(diào)控髓核細(xì)胞中Sox9的表達(dá)，并提高其活性；而抑制PI3K/Akt信號(hào)通路后，Sox9啟動(dòng)子的活性和轉(zhuǎn)錄活性均明顯降低，其表達(dá)也明顯減少。Zhang等[25]研究發(fā)現(xiàn)，大鼠軟骨終板細(xì)胞中類胰島素生長因子可通過激活PI3K/Akt通路而上調(diào)Ⅱ型膠原的表達(dá)。因此，PI3K/Akt信號(hào)通路與椎間盤退變的發(fā)生有關(guān)。

5TGF-β/Smads信號(hào)通路

TGF-β超家族由分泌型多肽分子TGF-β、活化素、抑制素、骨發(fā)生蛋白等構(gòu)成，具有廣泛的生物學(xué)活性,已有研究證實(shí)其參與早期胚胎發(fā)育、軟骨和骨的形成、細(xì)胞外基質(zhì)的合成、炎癥、間質(zhì)纖維化、免疫和內(nèi)分泌功能的調(diào)節(jié)、腫瘤的形成和發(fā)展等病理生理活動(dòng)。Smads是細(xì)胞內(nèi)重要的TGF-β信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和調(diào)節(jié)分子，可以將TGF-β信號(hào)直接由細(xì)胞膜轉(zhuǎn)導(dǎo)入細(xì)胞核內(nèi)。

Shoji等[26]研究發(fā)現(xiàn)，增加轉(zhuǎn)基因小鼠的軟骨間層蛋白表達(dá)，可抑制其體內(nèi)的TGF-β/Smads信號(hào)通路，最終導(dǎo)致小鼠腰椎間盤形態(tài)及影像學(xué)表現(xiàn)發(fā)生改變，即導(dǎo)致腰椎間盤退變。朱兆華等[27]研究發(fā)現(xiàn)，與正常髓核組織比較，腰椎滑脫椎間盤髓核組織TGF-β1和Smad3表達(dá)均升高并呈顯著正相關(guān)，且隨著病程的延長和滑脫度數(shù)的增加，說明TGF-β/Smad信號(hào)通路參與了退變性腰椎滑脫的發(fā)病過程。但是關(guān)于該信號(hào)通路在椎間盤退變方面的研究尚處于初期階段，其對椎間盤退變的具體作用及機(jī)制還有待進(jìn)一步的研究。

綜上所述，椎間盤退變與Wnt/β-catenin、NF-κB、MAPK、PI3K/Akt、TGF-β/Smads等信號(hào)通路有關(guān)。近年來，椎間盤退變信號(hào)通路的研究受到了國內(nèi)外學(xué)者的重視，與椎間盤退變有關(guān)的各種信號(hào)通路不斷被發(fā)現(xiàn)。從信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制入手進(jìn)行深入研究，可能會(huì)為臨床干預(yù)椎間盤退變及其保守治療提供新的思路。但目前國內(nèi)外學(xué)者對于椎間盤退變信號(hào)通路的研究相對簡單，仍需要對其進(jìn)行更加深入的研究和探索。

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·綜述·

收稿日期：(2015-05-06)

中圖分類號(hào)：R681.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-266X(2015)48-0090-03

doi:10.3969/j.issn.1002-266X.2015.48.035

通信作者：饒耀劍，E-mail: 108689775@qq.com