腰椎間盤退變相關(guān)血清炎性因子及其信號(hào)通路的研究進(jìn)展

廖星棟，陳鋒，周先明，劉萬祥，閆乾，黃知見，吳?；?/p>

(1廣西中醫(yī)藥大學(xué)，南寧530001；2廣西中醫(yī)藥大學(xué)附屬瑞康醫(yī)院)

椎間盤是脊柱中兩個(gè)椎體間的果凍樣彈性組織，由纖維環(huán)、髓核、軟骨終板構(gòu)成，主要作用是承受并緩沖椎體間的各種壓力、應(yīng)力。隨著年齡增長及腰椎系統(tǒng)退變、穩(wěn)定性降低，椎間盤的負(fù)荷不斷增大并發(fā)生退變，最終其負(fù)荷可能超過承受極限而導(dǎo)致纖維環(huán)破裂、髓核突出，引起腰腿痛或神經(jīng)功能障礙等。研究證實(shí)，白細(xì)胞介素1β(IL-1β)、TNF-α以及基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)等血清炎性因子可介導(dǎo)并加快腰椎間盤的退變過程，其表達(dá)受到一系列信號(hào)通道如絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路、NF-κB通路、Wnt/β-catenin通路的調(diào)控。本研究對(duì)腰椎間盤退變相關(guān)血清炎性因子及其信號(hào)通路作一綜述。

1 與腰椎間盤退變相關(guān)的血清炎性因子

1.1 IL-1β 白細(xì)胞介素是由多種細(xì)胞產(chǎn)生的一類細(xì)胞因子, 在傳遞生物信息、激活與調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞、介導(dǎo)B/T淋巴細(xì)胞活化增殖與分化及炎癥反應(yīng)等過程中均具有重要作用。白細(xì)胞介素有許多家族成員，其中IL-1β介導(dǎo)腰椎間盤退變的作用報(bào)道較多。Wang等[1]研究發(fā)現(xiàn)，IL-1β參與了腰椎間盤髓核細(xì)胞的凋亡過程，并通過NF-κB p65通道上調(diào)髓核細(xì)胞中asporin蛋白表達(dá)，從而促進(jìn)腰椎間盤退變，但其潛在的分子機(jī)制尚不清楚；Shen等[2]報(bào)道，IL-1β可降低髓核細(xì)胞Bcl-2/Bax，并促使細(xì)胞色素C從線粒體釋放至細(xì)胞質(zhì)從而損傷線粒體，提示IL-1β可通過線粒體途徑誘導(dǎo)髓核細(xì)胞凋亡。Si等[3]報(bào)道，IL-1β可刺激髓核細(xì)胞IL-7、IL-8及MMP-3、MMP-13等基因及蛋白表達(dá)而加重神經(jīng)刺激，其認(rèn)為此可能是椎間盤源性腰背痛的病理機(jī)制之一。研究發(fā)現(xiàn)，IL-1β和TNF-α可上調(diào)血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)、神經(jīng)營養(yǎng)因子、神經(jīng)生長因子(NGF)和腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)表達(dá)，從而促進(jìn)椎間盤血管生成及神經(jīng)支配，最終引起炎癥反應(yīng)及疼痛癥狀的加重[4]；抑制IL-1β活性有助于髓核細(xì)胞分泌細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)，并干預(yù)椎間盤的退變及老化[5]。上述已經(jīng)證實(shí)IL-1β在腰椎間盤退變的炎癥反應(yīng)過程中具有非常重要的作用，其主要機(jī)制可概括為激活炎性反應(yīng)并誘導(dǎo)基質(zhì)降解酶降解細(xì)胞外基質(zhì)表達(dá)。

1.2 TNF-α TNF-α是由巨噬細(xì)胞分泌的一種小分子蛋白，不僅對(duì)多種腫瘤細(xì)胞具有細(xì)胞毒作用，還與炎癥反應(yīng)、關(guān)節(jié)炎、敗血癥及血管多發(fā)性硬化等疾病的發(fā)生密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，TNF-α參與細(xì)胞炎癥反應(yīng)，且可啟動(dòng)髓核細(xì)胞Wnt信號(hào)通路，而后者又可上調(diào)TNF-α表達(dá)，二者構(gòu)成一個(gè)正反饋回路，從而刺激并調(diào)控髓核細(xì)胞的退變過程[6]。一項(xiàng)關(guān)于TNF-α影響髓核細(xì)胞過早衰老的分子機(jī)制實(shí)驗(yàn)表明，TNF-α可以激活PI3K/Akt通路并降低線粒體活性，從而抑制細(xì)胞增殖，盡管TNF-α已經(jīng)被滅活，但髓核細(xì)胞已經(jīng)出現(xiàn)了不可逆損傷，亦未發(fā)現(xiàn)組織修復(fù)跡象[7]。TNF-α還可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)源活性氧(ROS)水平大幅升高，促使p38 MAPK信號(hào)通路快速磷酸化和依賴ROS的JNK通路激活；TNF-α還可通過上調(diào)MMP-3表達(dá)對(duì)髓核細(xì)胞發(fā)揮促炎作用[8]。Liu等[9]收集了2 000例份人腰椎間盤纖維環(huán)破裂或完好的標(biāo)本，通過PCR及免疫組化檢測發(fā)現(xiàn)椎間盤纖維環(huán)破裂標(biāo)本中的TNF-α mRNA及蛋白表達(dá)均明顯高于腰椎間盤纖維環(huán)完好標(biāo)本，其認(rèn)為TNF-α可能與IL-17協(xié)同促進(jìn)腰椎間盤退變。但有學(xué)者首次發(fā)現(xiàn)，在有足夠營養(yǎng)水平及氧飽和度的情況下，人髓核細(xì)胞在暴露于TNF-α的最初時(shí)期反而會(huì)有增殖活性升高的現(xiàn)象，隨著增殖活性的過度升高才出現(xiàn)缺氧及凋亡等；然而在實(shí)際人體內(nèi)腰椎間盤退變過程中，細(xì)胞營養(yǎng)素和氧供應(yīng)往往不足也不均衡，因此TNF-α對(duì)細(xì)胞增殖的影響多表現(xiàn)為抑制[10]。目前學(xué)界的共識(shí)是TNF-α與椎間盤退變互為因果、相互促進(jìn)，故研究TNF-α表達(dá)改變對(duì)評(píng)估腰椎間盤退變情況具有重要意義。

1.3 MMPs MMPs是一個(gè)大家族，因其需要Ca2+、Zn2+等金屬離子作為輔助因子而得名，其成員具有相似的結(jié)構(gòu)，即一般由疏水信號(hào)肽序列、前肽區(qū)、催化活性區(qū)、富含脯氨酸的鉸鏈區(qū)、羧基末端區(qū)5個(gè)功能不同的結(jié)構(gòu)域組成。一種MMP可降解多種細(xì)胞外基質(zhì)成分，一種細(xì)胞外基質(zhì)成分又可被多種MMPs降解，且不同蛋白酶的降解效率不同。Wu等[11]研究發(fā)現(xiàn)，腰椎間盤突出癥患者髓核組織MMPs表達(dá)明顯高于椎體爆裂骨折患者。有研究對(duì)大鼠尾椎間盤施加1.3 MPa的靜態(tài)壓力并持續(xù)56天，制作出嚙齒類動(dòng)物靜態(tài)壓縮負(fù)荷引起椎間盤退變的模型，發(fā)現(xiàn)從第7天開始椎間盤退變組織MMP-3表達(dá)顯著升高，說明MMP-3可作為腰椎間盤退變程度的評(píng)估因子[12]。以上研究一定程度上說明MMPs參與了人腰椎間盤的退變過程。而MMPs的基因轉(zhuǎn)錄也受到其他細(xì)胞因子影響。研究發(fā)現(xiàn)，IL-17可通過NF-κB信號(hào)通路上調(diào)MMPs表達(dá)，從而導(dǎo)致髓核組織中Ⅱ型膠原表達(dá)減少[13]。腰椎間盤退變的一個(gè)重要特點(diǎn)是細(xì)胞外基質(zhì)降解，有研究發(fā)現(xiàn)，在髓核組織退變過程中MMP-7、MMP-13表達(dá)明顯升高，并與髓核退變程度呈正相關(guān)，并且其可以分解Ⅱ型膠原、蛋白聚糖等多種基質(zhì)[14]。但有學(xué)者向體外的牛尾骨椎間盤標(biāo)本單獨(dú)注入濃度為10 μg/mL的MMP-3，發(fā)現(xiàn)椎間盤總膠原含量相較鹽水對(duì)照組降低，但既未誘導(dǎo)可見的細(xì)胞外基質(zhì)降解，也未引起細(xì)胞內(nèi)相關(guān)基因表達(dá)變化，提示可能單獨(dú)的MMP并不能誘發(fā)腰椎間盤退變，需要多個(gè)家族成員共同作用[15]?？梢姡琈MPs家族成員在腰椎間盤細(xì)胞外基質(zhì)的降解過程中發(fā)揮重要作用，MMPs能使椎間盤退變速度加快，且連同IL、TNF-α構(gòu)成一個(gè)相互影響、相互調(diào)控的有機(jī)系統(tǒng)。

2 與腰椎間盤退變相關(guān)的信號(hào)通道

腰椎間盤突出的發(fā)病機(jī)制尚不完全清楚，大致可歸結(jié)為蛋白多糖含量減少、髓核水分丟失、細(xì)胞外基質(zhì)分解、上下軟骨終板鈣化及通透性降低等。但如果從分子生物學(xué)的角度來闡述，在腰椎間盤退變的過程中存在著多種信號(hào)通路并共同調(diào)控上述炎性因子的表達(dá)，主要包括MAPK通路、NF-κB通路、Wnt/β-catenin通路等。

2.1 MAPK通路 MAPK通路參與許多細(xì)胞的電生理活動(dòng)，可直接調(diào)節(jié)細(xì)胞的生存、增殖、分化及凋亡，是真核生物中將細(xì)胞外刺激信號(hào)轉(zhuǎn)換成廣泛細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)的一類絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。MAPK通路的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)功能主要通過細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ERK)、c-Jun N末端激酶(JNK/SARK)、p38 MAPK三條通路實(shí)現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，p38 MAPK可誘導(dǎo)大鼠背部椎間盤髓核細(xì)胞凋亡并加快對(duì)壞死椎間盤組織的吸收[16]；p38家族有四種亞型，即p38α、p38β、p38γ及p38δ，在大鼠背部退變椎間盤髓核組織中p38α、p38β、p38δ均被激活并起主導(dǎo)作用，采用慢病毒轉(zhuǎn)染技術(shù)抑制p38α、p38β表達(dá)可以降低IL-1β誘導(dǎo)的MMP-13表達(dá)水平，而抑制p38δ則具有相反效果[17]；IL-1可激活JNK信號(hào)通路，向大鼠纖維環(huán)組織添加SP600125(一種JNK抑制劑)可顯著抑制IL-1引起的誘導(dǎo)性IL-6、和MMP-3、13表達(dá)上調(diào)，并逆轉(zhuǎn)Ⅰ型膠原和胰島素樣生長因子1(IGF-1)的基因表達(dá)下調(diào)[18]。Park等[19]在人退變纖維環(huán)、髓核組織標(biāo)本中分別添加SB202190(p38 α/β抑制劑)、SP600125和PD98059(ERK 1/2抑制劑)，發(fā)現(xiàn)兩種標(biāo)本中的IL-6、IL-8及TNF-α表達(dá)都不同程度低于無添加的標(biāo)本組。c-fos基因是新發(fā)現(xiàn)的介導(dǎo)髓核細(xì)胞退變過程的相關(guān)基因。有研究在髓核標(biāo)本中加入上述三種MAPK抑制劑后發(fā)現(xiàn)，PD98059可完全抑制c-fos啟動(dòng)子(另外兩種僅能部分抑制)，進(jìn)而減輕c-fos對(duì)聚集蛋白聚糖和Ⅱ型膠原啟動(dòng)子活性的抑制，首次發(fā)現(xiàn)MAPK通路對(duì)髓核細(xì)胞c-fos的調(diào)節(jié)具有相反作用[20]。CCAAT/增強(qiáng)子結(jié)合蛋白β(C/EBPβ)作為TNF-α的轉(zhuǎn)錄因子之一通過ERK1/2和P38通路誘導(dǎo)TNF-α的表達(dá)增強(qiáng)，PD98059及SB202190可起到明顯抑制作用[21]。因此，選擇性阻斷上述三種MAPK通路或?qū)⒊蔀榉乐窝甸g盤退變的新方向。

2.2 NF-κB通路 NF-κB是一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子蛋白家族，在靜息細(xì)胞中大多呈二聚體并與κB抑制因子(ikB)結(jié)合，使得其RHD亞單位C末端的核定位區(qū)域(NLS)被掩蓋而不具有生物活性。當(dāng)受到細(xì)胞外信號(hào)刺激后，ikB被其激酶ikK磷酸化，并暴露出NLS，NF-κB向細(xì)胞核移位、結(jié)合并誘導(dǎo)相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄[22]。因此，NF-κB通路不需要新翻譯出的蛋白即可被激活，并在第一時(shí)間內(nèi)迅速對(duì)細(xì)胞刺激作出反應(yīng)。已有研究證實(shí)，TNF-α、IL-1是NF-κB通路的調(diào)控轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，并與NF-κB表達(dá)水平存在同步變化趨勢(shì)，即在炎癥初期NF-κB異?；罨寡仔砸蜃哟罅酷尫?，而炎癥后期又可表達(dá)抗炎反應(yīng)基因[23]。研究發(fā)現(xiàn)，退變的腰椎間盤組織中NF-κB p65蛋白多定位于細(xì)胞核，而正常的腰椎間盤組織則多位于細(xì)胞質(zhì)，這與相應(yīng)的通路機(jī)制是相符的；該研究隨后在腰椎間盤組織中加入BAY11-7082阻斷劑抑制NF-κB信號(hào)通路，結(jié)果發(fā)現(xiàn)可顯著下調(diào)聚集蛋白聚糖酶、MMPs表達(dá)，并上調(diào)聚集蛋白多糖、Ⅱ型膠原表達(dá)，且隨著抑制劑濃度的增加，其調(diào)節(jié)作用也逐漸增強(qiáng)[24]。有研究發(fā)現(xiàn)，8K-NBD肽可以抑制NF-κB通路，并增加椎間盤蛋白多糖合成[25]；過度表達(dá)的Sirtuin 6(Sirtuin家族成員之一，化學(xué)成分為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸依賴性脫乙?；?可與NF-κB p65產(chǎn)生物理相互作用，進(jìn)而抑制其轉(zhuǎn)錄活性[26]；最近又發(fā)現(xiàn)血紅素氧合酶-1 (HO-1)也可以抑制NF-kB p65及IL-1β的表達(dá)[27]。由此可見，NF-κB通路在腰椎間盤退變過程中對(duì)炎性因子具有介導(dǎo)作用。

2.3 Wnt/β-catenin通路 Wnt/β-catenin通路是Wnt通路家族中的經(jīng)典通路，β-catenin是啟動(dòng)、調(diào)節(jié)該通路的重要開關(guān)。退變髓核、軟骨終板細(xì)胞中的Wnt信號(hào)通路相關(guān)因子呈陽性表達(dá)，而正常細(xì)胞中則呈弱陽性或陰性，異常激活該通路可導(dǎo)致髓核蛋白多糖含量降低、纖維環(huán)片層結(jié)構(gòu)紊亂[28]。葉樹楠等[29]將TNF-α注入兔腰椎間盤，經(jīng)蛋白印跡檢測發(fā)現(xiàn)β-catenin蛋白表達(dá)明顯增加，說明Wnt/β-catenin通路可被TNF-α激活；該研究對(duì)退變椎間盤組織采用Dickkopf(DKK)-1轉(zhuǎn)染的腺病毒阻斷Wnt通路，結(jié)果顯示組織MMP-13表達(dá)明顯降低，髓核細(xì)胞形態(tài)排列退變程度較無干預(yù)組織明顯減輕。研究顯示，干擾Wnt表達(dá)可顯著抑制大鼠腰椎間盤組織TNF-α表達(dá)，且DKK抑制劑DDK-3、DDK-4可用于阻斷Wnt通路，而DDK-1、DDK-2則不能阻斷Wnt通路[30]。另有研究發(fā)現(xiàn)，TNF-α可誘導(dǎo)環(huán)氧合酶2和前列腺素E2刺激Wnt通路傳導(dǎo)，并激活其靶基因；通過拮抗E-前列腺素受體EP3可以調(diào)控Wnt通路活性[31]。此外,Wnt-3a或β-catenin也可以促使髓核細(xì)胞中MMP-9、MMP-10表達(dá)升高[32]。

綜上所述，腰椎間盤退變相關(guān)血清炎性因子與信號(hào)通路之間相互聯(lián)系、相互交叉，存在著十分復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。炎性因子IL-1β、TNF-α及MMPs(包括各自家族的其他成員)可以直接或間接激活MAPK、NF-κB或Wnt/β-catenin 信號(hào)通路，信號(hào)通路則會(huì)調(diào)控增強(qiáng)炎性因子表達(dá)，構(gòu)成血清炎性因子與信號(hào)通路之間的正反饋回路；若一方受到抑制，另一方也將受到干擾，血清炎性因子之間、信號(hào)通道之間也存在相互影響的關(guān)系。血清炎性因子與相關(guān)信號(hào)通路是兩個(gè)龐大的家族，擁有眾多成員及亞型，目前對(duì)其中的作用關(guān)系仍缺乏更細(xì)致具體的認(rèn)識(shí)，需更深入的研究探索。