TNF-α在腰椎間盤退變中作用的研究進展

顏夏衛(wèi) 王澤 沈欽榮

TNF-α在腰椎間盤退變中作用的研究進展

顏夏衛(wèi) 王澤 沈欽榮

腰椎間盤退變是指腰椎間盤各部分組織發(fā)生老化退變產(chǎn)生以下腰痛和下肢神經(jīng)根性疼痛為主要癥狀的一類疾病，主要受衰老、機械壓迫、遺傳、自身免疫等因素影響。目前腰椎間盤退變的確切機制尚無定論，但大量研究表明退變的腰椎間盤組織中存在炎性細胞及炎性介質(zhì)的高表達［1］，其中腫瘤壞死因子α（TNF-α）發(fā)揮重要作用。作者對TNF-α在腰椎間盤退變中的作用作一綜述。

1　TNF-α的生物學特征及功能

1975年，有學者發(fā)現(xiàn)一種能使多種腫瘤發(fā)生出血性壞死的物質(zhì)，稱之為腫瘤壞死因子（TNF），其包括TNF-α 和TNF -β兩個亞型［2］。其中，TNF-α是一種具有多種生物學效應的細胞因子，其主要由活化的單核細胞和巨噬細胞產(chǎn)生，其前體由233個氨基酸組成，其中包含76個氨基酸殘基組成的信號肽，主要由單核細胞和巨噬細胞產(chǎn)生。TNF-α能調(diào)節(jié)機體免疫功能，產(chǎn)生多種免疫介質(zhì)參與 B細胞及T細胞免疫過程，殺傷或抑制腫瘤細胞。其次，TNF-α能促進中性粒細胞粘附至血管內(nèi)皮細胞上，刺激機體局部炎癥反應。TNF-α還可促進細胞增殖和分化，對腫瘤細胞具有生長因子樣作用。因此，TNF-α對于維持機體內(nèi)壞境穩(wěn)定，新陳代謝和免疫系統(tǒng)等方面具有重要意義。

2　TNF-α在腰椎間盤退變中的作用

椎間盤由上下軟骨終板、髓核、纖維環(huán)三部分組成，主要成分包括蛋白多糖，膠原和水。有研究表明，TNF-α能夠直接或間接產(chǎn)生各種炎癥反應，激活基質(zhì)降解酶，誘導細胞外基質(zhì)的分解及椎間盤細胞的衰老和凋亡，加速腰椎間盤組織的退變，病理變化主要表現(xiàn)為髓核和纖維環(huán)細胞變性，壞死，軟骨終板變薄、破裂，引起椎間盤源性腰痛［3］。一方面，椎間盤的各種不良應力，機械性損傷等多種因素均會刺激單核細胞或巨噬細胞分泌TNF-α。大量的TNF-α的產(chǎn)生和釋放通過上調(diào)基質(zhì)金屬酶活性、增強中性粒細胞改變內(nèi)皮細胞的通透性、抑制膠原和蛋白多糖的合成等多種形式破壞機體內(nèi)環(huán)境的免疫平衡，從而產(chǎn)生病理效應，參與椎間盤各組織退變當中。另一方面，TNF-α自身具有正反饋效應［4］，退變的椎間盤組織可促進其他炎性因子的表達，各種炎性因子間相互作用，又不斷持續(xù)產(chǎn)生TNF-α，形成一個惡性循環(huán)，加速椎間盤退變。杜偉等［5］發(fā)現(xiàn)退變的椎間盤組織中，TNF-α的表達與椎間盤退變呈正相關趨勢，這也表明TNF-α是腰椎間盤退變過程中的一個重要致炎因子。

2.1TNF-α在終板軟骨退變中的作用 終板軟骨異常變化與腰椎間盤退變有著密切的關系。軟骨終板覆蓋整個髓核和部分纖維環(huán)，由軟骨細胞和細胞基質(zhì)組成，調(diào)節(jié)椎體和椎間盤之間正常的營養(yǎng)供給。椎間盤的營養(yǎng)物質(zhì)擴散和代謝產(chǎn)物排出主要通過終板軟骨下毛細血管進行運輸。劉斌等［6］發(fā)現(xiàn)TNF-α含量在終板軟骨退變過程中相應增加，提示TNF-α與終板軟骨的退變存在正相關。葉偉等［7］發(fā)現(xiàn)一定濃度的TNF-α可抑制體外培養(yǎng)的終板軟骨細胞的增殖及基質(zhì)合成，促進軟骨終板細胞促凋亡因子的生成，從而促進終板軟骨的退變。Chen S［8］發(fā)現(xiàn)TNF-α通過激活核因子kB途徑來影響終板軟骨細胞與細胞外基質(zhì)的表達。終板軟骨細胞是軟骨細胞的一種，TNF-α作用于終板軟骨細胞的機制同軟骨細胞類似。因此，TNF-α可促進基質(zhì)金屬蛋白酶分泌，引起軟骨基質(zhì)降解，生成有纖維母細胞特性的Ⅰ型膠原，同時抑制軟骨細胞合成具有透明軟骨特性的蛋白聚糖和Ⅱ型膠原［9，10］，加速終板軟骨退變，通透性降低，影響腰椎間盤的營養(yǎng)供應及代謝產(chǎn)物排出，最終造成腰椎間盤退變。

2.2TNF-α在髓核退變中的作用 有研究認為，腰椎間盤退變始于髓核。髓核位于椎間盤中后部，由少量髓核細胞和大量細胞外基質(zhì)組成，其中細胞外基質(zhì)包括蛋白多糖和Ⅱ型膠原，被纖維環(huán)包圍成封閉環(huán)境隔絕于血循環(huán)之外，不存在血供和神經(jīng)支配，但其自身具有免疫功能。TNF-α可以通過調(diào)控髓核細胞因子網(wǎng)絡直接干擾細胞的生長、分化以及凋亡，影響髓核細胞增殖與凋亡的平衡，對椎間盤退變起到重要作用［11］。Yoshida等［12］通過針刺家兔髓核建立椎間盤退變模型時發(fā)現(xiàn)，建模后第一天髓核細胞就產(chǎn)生TNF-α。Onozawa等［13］在大鼠髓核細胞中檢測到TNF-α，并認為髓核細胞可以分泌TNF-α。更多的研究結(jié)果也證實腰椎間盤突出的同時髓核細胞就開始產(chǎn)生TNF-α等前炎癥因子。另外，Murata等［14］通過觀察暴露于髓核的背根神經(jīng)節(jié)細胞變化過程，證實TNF-α在髓核細胞凋亡中發(fā)揮了關鍵作用。Gruber等［15］在退變的髓核中發(fā)現(xiàn)大量的衰老細胞，其存在降低椎間盤產(chǎn)生足夠的新細胞來取代已經(jīng)凋亡或壞死的髓核細胞。髓核細胞是髓核主要組成之一，是椎間盤功能的主要執(zhí)行者。TNF-α作為促炎因子，使中性粒細胞和單核細胞釋放炎性介質(zhì)，誘導髓核細胞凋亡，抑制新細胞生成，從而導致椎間盤退變的。另一方面TNF-α干擾髓核細胞外基質(zhì)的合成效率和蛋白酶活動，影響基質(zhì)代謝，進而加速髓核細胞凋亡。Doita等［16］研究表明TNF-α可以增強基質(zhì)金屬蛋白酶活性和基因表達。Le Maitre等［17，18］證實基質(zhì)金屬蛋白酶在正常椎間盤和退變椎間盤中同時存在，且在退變的椎間盤中的含量更高。胡緒江等［19］通過實驗發(fā)現(xiàn)一定范圍內(nèi)TNF-α的劑量越大，家兔髓核內(nèi)的蛋白多糖降解越快，髓核細胞數(shù)量愈少。另外，一些研究認為TNF-α可以通過激活ERK1/2、P38 MAPK、Notch、JNK/ASPK、Wnt/β-catenin等信號通路［20～22］，刺激基質(zhì)金屬蛋白酶的表達與活性升高，抑制髓核細胞的增殖，誘導髓核細胞衰老和凋亡以及細胞外基質(zhì)的分解，髓核中水分、蛋白多糖和Ⅱ型膠原的含量明顯減少，Ⅰ型膠原含量增加，導致髓核纖維化加重，髓核變堅硬、干燥，加速椎間盤退變的發(fā)生。

2.3TNF-α在纖維環(huán)退變中的作用 目前無證據(jù)證明TNF-α存在于正常纖維環(huán)組織內(nèi)。纖維環(huán)位于椎間盤的周緣部，主要成分是Ⅰ型和Ⅱ型膠原，從內(nèi)層纖維環(huán)到外層纖維環(huán)，Ⅱ型膠原含量逐漸減低，Ⅰ型膠原含量逐漸增加。韓建軍等［23］通過免疫組化染色法檢測到椎間盤膨出、突出、脫出的纖維環(huán)樣本中TNF-α水平分別為25%、66.7%和78.5%，對照組正常椎間盤則無TNF-α表達，表明纖維環(huán)中TNF-α在腰椎間盤發(fā)生退變時產(chǎn)生，含量與纖維環(huán)撕裂程度存在密切關系。這與大量研究表明手術切除的腰椎退變纖維環(huán)中存在高表達TNF-α的結(jié)果一致。徐無忌等［24］予以TNF-α干預體外培養(yǎng)的椎間盤，發(fā)現(xiàn)纖維環(huán)中的Ⅱ型膠原含量逐漸減低，Ⅰ型膠原含量逐漸增加，提示TNF-α可加速纖維環(huán)退變。因此，當椎間盤應力不均造成纖維環(huán)發(fā)生退變，完整性受損時，大量TNF-α進入椎管，刺激神經(jīng)根周圍組織及硬膜囊，發(fā)生炎性反應，使細胞外基質(zhì)降解，蛋白多糖含量減少，最終使髓核纖維化加劇，導致髓核與纖維環(huán)邊界模糊，加速椎間盤退變的發(fā)生。

2.4TNF-α在椎間盤源性腰痛中的作用 TNF-α也被認為是觸發(fā)與維持椎間盤源性腰痛過程中一個重要炎性因子。Lgarashi等［25］研究表明TNF-α是引起大鼠神經(jīng)性疼痛的炎性因子。Cuellar等［26］發(fā)現(xiàn)大鼠在TNF-α作用一定時間內(nèi)可產(chǎn)生痛覺過敏，引起異常性疼痛。有研究證實TNF-α可引起疼痛行為改變，而這種疼痛與髓核所產(chǎn)生的疼痛特征相似。Hayashi等［27］研究表明TNF-α可作為誘導因子誘導神經(jīng)軸突向退變的髓核內(nèi)長入而產(chǎn)生疼痛。同時，袁偉杰等［28］發(fā)現(xiàn)實驗組中TNF-α的表達及肢體痛閥在椎間盤髓核突出10d、20d時均高于對照組，40d時無明顯差異，提示TNF-α在椎間盤髓核突出早期是損傷神經(jīng)根并引起疼痛的主要致炎因子。吳志強等［29］在大鼠纖維環(huán)穿刺致痛模型中發(fā)現(xiàn)TNF-α在建模后第1天開始升高，持續(xù)升高并維持至造模后35d，這與袁偉杰等的研究結(jié)果基本一致。Peng等［30］對手術切除的病理性椎間盤標本研究發(fā)現(xiàn)髓核至纖維環(huán)外層有血管化肉芽組織形成，認為椎間盤后方血管神經(jīng)分布廣泛的區(qū)域是疼痛的起源部位。另外，目前已開展較多關于TNF-α的生物性拮抗劑研究，并證實其在減輕疼痛、緩解癥狀的作用。Karppinen 等［31］通過臨床研究表明，TNF-α生物性拮抗劑Infliximab具有緩解腰痛癥狀作用，且效果明顯，但作用機制尚未明確。正常椎間盤一般只在纖維環(huán)的外1/3處存在感覺神經(jīng)纖維，而退變的椎間盤在髓核和纖維環(huán)內(nèi)層出現(xiàn)神經(jīng)纖維分布，這是因為退變椎間盤中的髓核細胞分泌大量TNF-α通過破裂的纖維環(huán)裂隙漏出，刺激纖維環(huán)外部的神經(jīng)末梢，誘導巨噬細胞發(fā)生各種炎癥反應，引起疼痛。另外血管、神經(jīng)纖維可通過裂隙向髓核及內(nèi)層纖維環(huán)長入，該神經(jīng)纖維缺乏髓鞘，各種炎癥反應降低痛閥，共同引起椎間盤源性腰痛。

3　小結(jié)

國內(nèi)外大量文獻從不同角度分析了TNF-α在腰椎間盤退變過程中發(fā)揮的作用，但TNF-α僅為引起腰椎間盤退變中一個炎癥因素，較多具體作用機制及其關系目前尚未清楚，隨著研究的深入和實驗技術的不斷完善，這些研究將為細胞因子延緩腰椎間盤退變和臨床應用提供新的思路和方法。

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浙江省中醫(yī)藥重點學科項目（2012-XK-A32）

312000 浙江中醫(yī)藥大學附屬紹興中醫(yī)院 骨傷科