腫瘤壞死因子-α在椎間盤細(xì)胞凋亡中的作用

·綜述·

腫瘤壞死因子-α在椎間盤細(xì)胞凋亡中的作用

王?，?， 丁文元

作者單位：050051石家莊, 河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院，河北省骨科生物力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

通信作者：丁文元dingwenyuanls@Sina.cn

【關(guān)鍵詞】椎間盤； 腫瘤壞死因子α； 細(xì)胞凋亡

作者簡(jiǎn)介：王海瑩(1988— )，碩士，醫(yī)師

【中圖分類號(hào)】R681.53【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】 A

DOI【】

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收稿日期：(2014-01-08)

椎間盤退變是引起慢性下腰痛的重要原因[1]，引起椎間盤退變的具體原因目前還不清楚，但椎間盤細(xì)胞，特別是髓核細(xì)胞，對(duì)維持正常的椎間盤結(jié)構(gòu)與功能具有重要作用[2]。髓核細(xì)胞增殖與凋亡平衡的破壞對(duì)椎間盤的退變起到了重要作用[3]。近年來(lái)，炎性細(xì)胞因子在椎間盤退變中作用備受關(guān)注[4]。Peng[5]研究發(fā)現(xiàn)，由炎癥反應(yīng)所產(chǎn)生的細(xì)胞因子對(duì)加速椎間盤退變起到了重要作用。但目前導(dǎo)致椎間盤細(xì)胞凋亡的原因和機(jī)制并不十分明確，腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor, TNF)超家族在椎間盤細(xì)胞凋亡中發(fā)揮了重要作用。其中，TNF-α是發(fā)現(xiàn)最早、研究較多的一種強(qiáng)有力的炎癥因子。本文就TNF-α與椎間盤細(xì)胞，特別是髓核細(xì)胞凋亡的關(guān)系以及作用機(jī)制作一綜述。

1TNF-α的來(lái)源及作用

1.1TNF-α的來(lái)源

1975年，Carswell等[6]在小鼠血清中發(fā)現(xiàn)了一種對(duì)腫瘤細(xì)胞具有殺傷作用并且能夠?qū)е履[瘤組織壞死的物質(zhì)，稱為TNF。TNF有2個(gè)亞型，分別為TNF-α和TNF-β。其中，TNF-α又稱惡質(zhì)素，是一種單核因子，它主要由活化的單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞產(chǎn)生，正常情況下，血漿中的TNF-α水平較低。Nerlich等[7]研究發(fā)現(xiàn)，退變的髓核和纖維環(huán)細(xì)胞發(fā)生了變化，并且具有了巨噬細(xì)胞的特點(diǎn)。秦海江等[8]發(fā)現(xiàn)體外培養(yǎng)的椎間盤細(xì)胞與巨噬細(xì)胞相比，細(xì)胞中的TNF-α水平接近，認(rèn)為TNF-α首先是巨噬細(xì)胞產(chǎn)生。Burke等[9]及侯曉東等[10]發(fā)現(xiàn)軟骨細(xì)胞能夠產(chǎn)生TNF-α。王靖等[11]通過(guò)針刺兔的椎間盤，發(fā)現(xiàn)與未發(fā)生退變的椎間盤相比，退變椎間盤纖維環(huán)的某些區(qū)域產(chǎn)生了TNF-α。Onozawa等[12]利用蛋白質(zhì)印跡法檢測(cè)出在鼠髓核細(xì)胞中存在相對(duì)分子質(zhì)量為17 000的TNF-α表達(dá)，并認(rèn)為髓核細(xì)胞能分泌TNF-α。Shamji等[13]發(fā)現(xiàn)，TNF-α可使椎間盤細(xì)胞產(chǎn)生代謝性應(yīng)激，導(dǎo)致代謝產(chǎn)物含量增加。對(duì)鼠背根神經(jīng)元細(xì)胞凋亡的研究發(fā)現(xiàn)，髓核細(xì)胞分泌TNF-α是誘導(dǎo)自身凋亡的重要途徑[14]。Yoshida等[15]通過(guò)針刺兔髓核法制作椎間盤退變模型時(shí)發(fā)現(xiàn)，在針刺髓核第1天時(shí)，髓核細(xì)胞就產(chǎn)生了TNF-α。通過(guò)以上學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，椎間盤中的TNF-α主要由退變的髓核細(xì)胞和纖維軟骨細(xì)胞分泌，而且這些細(xì)胞已經(jīng)具有了類似單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的功能。

1.2TNF-α的作用

正常情況下，血液中TNF-α水平很低，但對(duì)于維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)、新陳代謝及免疫系統(tǒng)等方面具有重要作用。首先，TNF-α能借助機(jī)體免疫功能，對(duì)同一腫瘤產(chǎn)生直接和間接雙重活性的抗癌效應(yīng)；TNF-α能誘導(dǎo)產(chǎn)生多種免疫介質(zhì)參與B細(xì)胞及T細(xì)胞免疫過(guò)程。其次，TNF-α參與整個(gè)炎癥反應(yīng)過(guò)程，增強(qiáng)中性粒細(xì)胞對(duì)血管內(nèi)皮的黏附性；增進(jìn)凝血因子及組織因子的活性。TNF-α還可與其他炎癥因子組成龐大復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，它們之間相互作用、相互影響。

TNF-α的主要作用包括[16]：①上調(diào)基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases, MMPs)活性并促其基因表達(dá)；②促進(jìn)其他細(xì)胞因子的表達(dá)，如白細(xì)胞介素-2(interleukin-2, IL-2)、環(huán)氧化酶-2(cycloxyenase-2, COX-2)和前列腺素-E2(prostaglandin E2, PGE2)等；③刺激細(xì)胞遷移以及改善內(nèi)皮細(xì)胞通透性；④抑制膠原和蛋白多糖的合成；⑤引起炎癥反應(yīng)。

2TNF-α與其他炎癥因子的關(guān)系

TNF-α對(duì)椎間盤的破壞作用不僅限于TNF-α自身對(duì)椎間盤細(xì)胞凋亡的誘導(dǎo)作用，各種炎癥因子之間也存在相互協(xié)調(diào)、相互誘導(dǎo)的作用。TNF-α自身還可以表現(xiàn)出“正反饋”的效應(yīng)[17]。有研究表明，TNF-α合成可顯著促進(jìn)其他炎癥因子的表達(dá)，因此TNF-α又被稱為“前炎癥因子”、“始動(dòng)因子”[18]。丁文元等[19]在早期退變的椎間盤組織中檢測(cè)到包括TNF-α在內(nèi)的前炎癥因子。Moon等[20]應(yīng)用TNF-α刺激人纖維環(huán)時(shí)，發(fā)現(xiàn)TNF-α具有上調(diào)腫瘤生長(zhǎng)因子(tumor growth factor-β1, TGF-β1)、胰島素樣生長(zhǎng)因子 (insulin-like growth factor-1, IGF-1)、IL-8、IL-6的作用。Ohba等[21]研究發(fā)現(xiàn)，TNF-α可誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子合成，進(jìn)而誘導(dǎo)IL-6、IL-8等炎癥因子產(chǎn)生，促進(jìn)MMPs、纖溶酶、尿激酶等的合成，加速蛋白聚糖、Ⅱ型膠原的降解；而且對(duì)其自身的表達(dá)也有促進(jìn)作用，形成類似“正反饋”機(jī)制的循環(huán)。Fujita等[22]發(fā)現(xiàn)，在髓核細(xì)胞中，TNF-α可以通過(guò)NF-κB途徑增強(qiáng)脯氨酰羥化酶3的表達(dá)，當(dāng)脯氨酰羥化酶3表達(dá)增多時(shí)，髓核細(xì)胞中的MMP-13、多配體蛋白聚糖4、COX-2、血小板反應(yīng)蛋白解整合素金屬肽酶5表達(dá)增多。Wang等[23]發(fā)現(xiàn)，TNF-α可以通過(guò)上調(diào)多配體蛋白聚糖4的表達(dá)，增強(qiáng)髓核細(xì)胞血小板反應(yīng)蛋白解整合素金屬肽酶5的活性，進(jìn)而使蛋白聚糖降解增加，并且當(dāng)加入TNF-α抑制劑后變得減弱。

IL-6、PGE2、一氧化氮屬于“下游”炎癥因子，TNF-α、IL-1β等炎癥因子的增加可間接刺激其含量的增加。正常椎間盤具有一定抑制 IL-6、PGE2、一氧化氮等分泌的功能，過(guò)多的TNF-α、IL-1β可打破這一平衡，使IL-6、PGE2、一氧化氮等大量產(chǎn)生。IL-6可顯著促進(jìn)MMP的表達(dá)，破壞椎間盤中蛋白聚糖、Ⅱ型膠原的正常比例，使椎間盤髓核水分丟失，失去具有良好緩沖性能的“膠凍樣”形態(tài)。雖然PGE2、NO含量對(duì)TNF-α、IL-1β的直接作用影響不大，但可通過(guò)炎癥反應(yīng)改變椎間盤環(huán)境(pH值、電解質(zhì)、氧飽和度等)，鞏固已有的退變[17]。

3TNF-α與椎間盤細(xì)胞凋亡

3.1TNF-α引起椎間盤細(xì)胞凋亡的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

細(xì)胞凋亡是由基因控制的細(xì)胞自主性死亡過(guò)程。椎間盤細(xì)胞過(guò)度凋亡可能是導(dǎo)致椎間盤基質(zhì)大分子改變的主要原因，也是造成椎間盤細(xì)胞減少的直接原因。研究表明，在退變椎間盤中，髓核細(xì)胞凋亡率可高達(dá)(61.3±24.5)%，而正常僅為(15.5±6.5)%[24]。在凋亡眾多的誘發(fā)因素中,炎癥因子有著重要地位[25-26]。TNF-α在炎癥反應(yīng)中是激活細(xì)胞因子級(jí)聯(lián)反應(yīng)中的主要介質(zhì)，它在循環(huán)中較早出現(xiàn)并迅速達(dá)到高峰。

絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases，MAPKs)是細(xì)胞內(nèi)的一類絲/蘇氨酸蛋白激酶。研究證實(shí)，MAPKs轉(zhuǎn)導(dǎo)通路存在于大多數(shù)細(xì)胞內(nèi)，并對(duì)細(xì)胞生物學(xué)反應(yīng)(如細(xì)胞增殖、分化、轉(zhuǎn)化和凋亡等)的過(guò)程具有至關(guān)重要的作用[27]。MAPKs信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑是細(xì)胞內(nèi)多條信號(hào)通路的交匯點(diǎn)。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有多條并行的MAPKs信號(hào)通路。應(yīng)激刺激、生長(zhǎng)因子、炎癥因子和某些G蛋白耦聯(lián)受體可激活p38MAPK和JNK/SAPK 2條轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，這2條途徑通過(guò)連續(xù)的蛋白質(zhì)磷酸化誘發(fā)瀑布式級(jí)聯(lián)反應(yīng)，從而通過(guò)p38MAPK和JNK/SAPK途徑誘發(fā)細(xì)胞凋亡[28-30]。

在退變椎間盤中，存在著高于正常含量的TNF-α，有著p38MAPK和JNK/SAPK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的激活條件。董振輝等[31]研究發(fā)現(xiàn)，髓核細(xì)胞中既有p38MAPK的表達(dá)又有JNK/SAPK的表達(dá)。它們的活化形式即P-p38MAPK和P-JNK/SAPK的表達(dá)，進(jìn)一步試驗(yàn)證實(shí)TNF-α組中存在著P-p38MAPK和P-JNK/SAPK的表達(dá)，而其阻斷組中未檢測(cè)出P-p38MAPK和P-JNK/SAPK的表達(dá)，證明2條途徑均可被外源性炎性因子所激活。在流式細(xì)胞儀檢測(cè)凋亡和TUNEL法檢測(cè)凋亡的結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，在P-p38MAPK和P-JNK/SAPK高表達(dá)的TNF-α組中，細(xì)胞凋亡率亦高于阻斷組及對(duì)照組(P<0.01)?？梢?jiàn)，TNF-α可以通過(guò)p38MAPK和JNK/SAPK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑誘導(dǎo)髓核細(xì)胞的凋亡。

3.2TNF-α引起椎間盤細(xì)胞凋亡相關(guān)基因的表達(dá)

抗凋亡基因Bcl-2家族是一種重要的控制細(xì)胞凋亡的基因家族，具有調(diào)控細(xì)胞存活期的生物學(xué)效應(yīng)，但并不影響細(xì)胞增殖周期。有研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞中Bax/Bcl-2似乎可以調(diào)控凋亡的發(fā)生[32]。

Tschoeke等[33]研究發(fā)現(xiàn)，TNF-α可能通過(guò)細(xì)胞內(nèi)的某些機(jī)制使Bcl-2表達(dá)降低，從而開(kāi)啟加速椎間盤細(xì)胞凋亡的“開(kāi)關(guān)”。由此推測(cè)TNF-α可能在引起椎間盤退變進(jìn)而導(dǎo)致椎間盤突出的過(guò)程中起非常重要的作用。Takada等[34]在正常大鼠和人突出椎間盤中均發(fā)現(xiàn)有Fas受體及其配體的存在，而線粒體途徑主要涉及Bax和Bcl-2表達(dá)程度的變化。TNF-α加速髓核細(xì)胞凋亡的機(jī)制可能是使Bax表達(dá)增強(qiáng)、Bcl-2表達(dá)降低，從而使Bcl-2/Bax比例降低，進(jìn)而加速髓核細(xì)胞的凋亡。

上皮膜蛋白-1(epithelial membrane protein-1,EMP-1)基因首先在腦腫瘤中發(fā)現(xiàn)，認(rèn)為其可能與腫瘤的形成有關(guān),所以EMP-1又被稱為腫瘤相關(guān)性膜蛋白。有研究發(fā)現(xiàn)EMP-1在另一些組織和細(xì)胞中有抑制細(xì)胞增殖和促進(jìn)凋亡的作用。胡明等[35-36]研究表明，在EMP-1高表達(dá)的情況下,椎間盤細(xì)胞發(fā)生了超常的細(xì)胞凋亡。在介導(dǎo)凋亡的過(guò)程中，Caspase家族發(fā)揮了重要作用,其中Caspase-3是關(guān)鍵的執(zhí)行分子,它在細(xì)胞內(nèi)以及細(xì)胞間凋亡信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中起關(guān)鍵作用。

史紅偉等[37]在利用TNF-α誘導(dǎo)大鼠髓核細(xì)胞凋亡的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，誘導(dǎo)組EMP-1基因以及Caspase-3基因表達(dá)量明顯增高,并且與TNF-α有濃度及時(shí)間依賴性。因此認(rèn)為TNF-α具有誘導(dǎo)大鼠髓核細(xì)胞凋亡的作用，并且明顯誘導(dǎo)EMP-1、Caspase-3促凋亡基因的高表達(dá)。

4針對(duì)TNF-α治療的展望

目前，TNF-α的生物性拮抗劑主要有Abalimumab、Etanercept、Infliximab、Onercept等。Onda等[38]發(fā)現(xiàn)TNF-α抗體可部分緩解由于髓核突出所致的根性疼痛。Olmarker等[39]在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)Iinfliximab具有減輕突出髓核所致的疼痛。Sasaki等[40]由大鼠實(shí)驗(yàn)得出TNF-α抗體能夠緩解坐骨神經(jīng)痛，且緩解效果明顯。Karppinen等[41]首次通過(guò)臨床試驗(yàn)得出，Infliximab具有減輕腰腿痛的作用。Shamji等[42]發(fā)現(xiàn)可溶性TNF受體Ⅱ能夠顯著抑制 TNF-α對(duì)椎間盤的影響。Olmarker[43]在椎間盤源性腰痛實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合應(yīng)用TNF-α與IL-1β 2種細(xì)胞因子抑制劑對(duì)神經(jīng)傳導(dǎo)速度的影響效果更明顯。Studer等[44]發(fā)現(xiàn)p38MAPK 通路是 IL-1β、TNF-α等細(xì)胞因子介導(dǎo)產(chǎn)生IL-6、PGE2的重要途徑，椎間盤中IL-6、PGE2含量在通過(guò)抑制p38MARK通路后明顯減少。Caspase-3途徑是IL-1β、TNF-α細(xì)胞因子介導(dǎo)椎間盤細(xì)胞凋亡的重要通路之一，煙酚胺可降低其表達(dá)，保留椎間盤中正常比例的Ⅱ型膠原、水分、蛋白多糖等[45]。

綜上，雖然目前關(guān)于TNF-α的生物性拮抗劑研究很多，但大多只是研究其對(duì)于減輕疼痛、緩解癥狀的作用。對(duì)于TNF-α的生物性拮抗劑是否能減緩TNF-α引起的椎間盤細(xì)胞凋亡，目前鮮有報(bào)道。TNF-α的生物性拮抗劑的臨床應(yīng)用及作用機(jī)制還需大量的論證。

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(本文編輯張建芬)