炎癥與椎間盤退行性變關(guān)系的研究進(jìn)展

劉四海，周少懷*，羊明智，王 欣，范明宇，汪 平

1.武漢市第三醫(yī)院骨科，武漢 430060

2.南華大學(xué)附屬第一醫(yī)院脊柱外科，衡陽 421000

椎間盤退行性變（IDD）是引起椎間盤突出、椎管狹窄等相關(guān)疾病的病理基礎(chǔ)，也是導(dǎo)致腰腿痛的主要原因之一[1］。椎間盤髓核組織蛋白多糖減少、纖維環(huán)裂隙出現(xiàn)，導(dǎo)致髓核組織從纖維環(huán)的裂口中突出，引起相應(yīng)的免疫炎性反應(yīng)，且同時脊髓和神經(jīng)根受到突出髓核的壓迫，導(dǎo)致患者出現(xiàn)腰腿痛癥狀。

椎間盤是由上下軟骨終板、纖維環(huán)及中央髓核組成，其對脊柱的承重及活動起著至關(guān)重要的作用。IDD 和許多因素相關(guān)，主要包括炎性因子[2］、生物力學(xué)、氧化應(yīng)激、細(xì)胞凋亡、椎間盤營養(yǎng)通路、基質(zhì)金屬蛋白酶（MMPs）及金屬蛋白酶組織抑制劑等[3］。炎性反應(yīng)是IDD 的重要因素之一[3-4］，其中白細(xì)胞介素（IL）、腫瘤壞死因子α（TNF-α）、前列腺素E2（PGE2）、一氧化氮（NO）及一氧化氮合酶（NOS）等在整個IDD 的發(fā)生及發(fā)展過程中都起著非常重要的作用。本文就炎癥與IDD 的相關(guān)性作如下綜述。

1 炎性因子與IDD

1.1 IL

IL 是常見炎性因子，在多種急性或慢性炎性反應(yīng)中扮演著重要角色。在椎間盤細(xì)胞中，單核巨噬細(xì)胞是分泌IL-1β 的主要細(xì)胞，類軟骨細(xì)胞及成纖維細(xì)胞也可少量分泌IL-1β。IL-1β 和IL-6 都是椎間盤致痛性炎性因子，其存在水平與椎間盤疼痛程度密切相關(guān)[5］。張宇等[6］的研究中，采用一定劑量的IL-1β 將小鼠椎間盤軟骨終板細(xì)胞處理24 h，在不同時間點檢測軟骨終板細(xì)胞增殖受IL-1β 影響的程度，并觀察細(xì)胞的退行性變及其相關(guān)蛋白表達(dá)情況，結(jié)果表明，IL-1β與軟骨終板細(xì)胞退行性變具有相關(guān)性。Fang等[7］將IL-1β添加到胎牛血清中，再以不同濃度對髓核細(xì)胞培養(yǎng)基進(jìn)行干預(yù)，研究IL-1β在體外對人椎間盤細(xì)胞的影響，結(jié)果顯示，IL-1β 可以促進(jìn)其他炎性因子的釋放，加速IDD。IL-6 是IL 家族中另外一個重要的炎性因子，可促進(jìn)炎性介質(zhì)的釋放，使炎性細(xì)胞聚集，導(dǎo)致相關(guān)神經(jīng)敏感性上升，使機(jī)體產(chǎn)生疼痛癥狀。Krupkova 等[8］分析內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激標(biāo)志物GRP78 及炎性因子IL-6、IL-8、IL-1β、TNF-α 在人IDD 標(biāo)本（n=51，Pfirrmann 分級2 ～ 5 級）中的基因表達(dá)，結(jié)果顯示，GRP78 的表達(dá)與IDD 程度和IL-6 水平呈正相關(guān)，與IL-1β 和TNF-α 水平無相關(guān)性；內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)可引起IDD 中IL-6 的釋放，其通過p38 絲裂原激活蛋白激酶（p38 MAPK）和CHOP 介導(dǎo)IL-6 的釋放。Sadowska 等[9］的研究也證明IL-6 和IL-8 與IDD 密切相關(guān)。同時，Li 等[10］的研究表明，miR-148a 通過調(diào)節(jié)p38 MAPK 途徑抑制椎間盤細(xì)胞釋放炎性因子。

IL家族成員IL-17通過p38/c-Fos和JNK/c-Jun信號通路促進(jìn)髓核細(xì)胞中COX2 的表達(dá)和PGE2 的產(chǎn)生，從而介導(dǎo)IDD 炎癥的發(fā)生[11］。IL-10 及IL-21 亦均與IDD顯著相關(guān)，IL-10可導(dǎo)致椎間盤內(nèi)穩(wěn)態(tài)失衡和退行性變[12］，IL-21 可以通過STAT 信號通路刺激TNF-α 而加重IDD[13］。IL-37 是一種抗炎細(xì)胞因子，與多種以過度炎癥為特征的疾病相關(guān)。IL-37 表達(dá)下調(diào)可能導(dǎo)致退行性變椎間盤中IL-1β 和IL-16 的過度表達(dá)，并可能參與IDD 的進(jìn)展[14］。眾多的研究表明，IL 不僅與機(jī)體其他部位炎癥的發(fā)生發(fā)展相關(guān)，與IDD 的發(fā)生發(fā)展亦緊密相關(guān)。

1.2 TNF-α

Evashwick-Rogler 等[15］的研究中，通過給IDD大鼠注射TNF-α、抗TNF-α 或生理鹽水，每周檢測大鼠后肢機(jī)械痛覺敏感性，結(jié)果表明，TNF-α 是椎間盤疼痛的始發(fā)者，其早期抑制可減輕疼痛和減緩?fù)诵行宰?。胡緒江等[16］的研究認(rèn)為，TNF-α 不僅與IDD的發(fā)生相關(guān)，且與IDD具有量效及時效的關(guān)系。Chen 等[17］的研究表明，在發(fā)生退行性變的椎間盤組織中TNF-α 呈高表達(dá)，參與IDD 的病理過程，并與之密切相關(guān)，其中包括基質(zhì)破壞、炎性反應(yīng)、細(xì)胞凋亡、自噬和細(xì)胞增殖。

Wang 等[18］認(rèn)為，TNF-α 受體TNFR1 和TNFR2是最有效的炎性因子和信號之一，TNF-α 不僅參與IDD 的多種病理過程，重要的是，抗TNF-α 治療有望減輕IDD 和緩解下腰痛。由于TNF-α 與IDD 中炎性反應(yīng)的重要相關(guān)性，抗TNF-α 治療越來越多，有學(xué)者希望從這類研究中找到減輕IDD 和緩解腰痛癥狀的新手段，如血紅素氧合酶-1[19］。顆粒蛋白前體（PGRN）是一種廣泛表達(dá)的生長因子，能有效抑制TNF-α 介導(dǎo)的炎性反應(yīng)。Wang 等[20］的研究表明，PGRN 通過誘導(dǎo)IL-10 和減少IL-17 表達(dá)來減緩IDD，認(rèn)為PGRN 可作為IDD 的生物學(xué)標(biāo)志物和潛在的治療靶點。

1.3 PGE2

PGE2 是人體內(nèi)重要的致痛性炎性因子之一。當(dāng)PGE2 的濃度≥106mmol/L 時，可直接導(dǎo)致機(jī)體產(chǎn)生疼痛；當(dāng)PGE2 的濃度＜106mmol/L 時，其可通過G-蛋白偶聯(lián)受體使第二信使環(huán)磷腺苷（cAMP）受到影響，導(dǎo)致傷害性感覺器對緩激肽或者其他致痛物質(zhì)的敏感性增加[21］。Willems 等[22］的研究發(fā)現(xiàn)，犬發(fā)生退行性變的椎間盤髓核中PGE2 水平顯著高于未發(fā)生退行性變的椎間盤，在突出性椎間盤中PGE2 水平顯著高于非突出性椎間盤；作者提出，未來需要研究是否可通過降低PGE2 的水平有效鎮(zhèn)痛，并在IDD 的進(jìn)程和椎間盤疾病的發(fā)展中發(fā)揮保護(hù)作用。姜志釗等[23］通過檢測術(shù)前伴坐骨神經(jīng)痛癥狀的椎間盤突出癥患者的同一椎間盤不同部位的PGE2 含量，發(fā)現(xiàn)PGE2 不僅與IDD 及椎間盤突出的發(fā)生有關(guān)，且PGE2 含量越高，坐骨神經(jīng)痛的程度越重。

1.4 NO 和NOS

NO 是一種內(nèi)皮細(xì)胞舒張因子，可使血管通透性增加，同時也在IDD 進(jìn)程中的炎性反應(yīng)過程中扮演著重要的角色。劉斌等[24］的以新西蘭家兔為標(biāo)本的實驗中，在家兔發(fā)生退行性變的椎間盤中分別測定NO 和NOS 的含量，結(jié)果證實，NO 在IDD 的過程中是一個非常重要的影響因子，而誘導(dǎo)型NOS（iNOS）可以促進(jìn)NO 的合成。

炎性因子導(dǎo)致的炎性反應(yīng)可使椎間盤的細(xì)胞外基質(zhì)降解增加，使基質(zhì)內(nèi)細(xì)胞的衰老、凋亡速度加快，使細(xì)胞外合成及分泌的基質(zhì)逐漸減少，導(dǎo)致破壞的椎間盤細(xì)胞外基質(zhì)無法修復(fù)而發(fā)生IDD。炎性反應(yīng)可以加速IDD，發(fā)生退行性變的椎間盤組織因為細(xì)胞廢物的增多及髓核細(xì)胞凋亡的增加，也會加重炎性反應(yīng)[4，25］。

1.5 脂多糖（LPS ）

在20 世紀(jì)早期，LPS 因刺激免疫系統(tǒng)而受到關(guān)注，糖脂通常被稱為內(nèi)毒素。LPS 是革蘭陰性菌細(xì)胞壁中的一種成分，由類脂A、核心多糖、O-抗原組成，其毒性成分主要為類脂A，LPS 促進(jìn)機(jī)體多個系統(tǒng)、組織的慢性炎癥發(fā)生和發(fā)展是目前研究的熱點。研究表明，在人體發(fā)生退行性變的髓核細(xì)胞中，LPS 能夠激活細(xì)胞中的NF-κF 信號通路，促進(jìn)TNF-α 及IL-1β 等炎性因子的表達(dá)；相反，如果人為抑制NF-κF 信號通路，各種相關(guān)炎性因子的表達(dá)明顯降低[26］。同時，組織如果在沒有炎癥刺激的情況下，細(xì)胞質(zhì)中NF-κB 通常以非活性的形式存在，當(dāng)炎性反應(yīng)發(fā)生時，可被LPS 在內(nèi)的多種炎性因子（IL-1β、IL-6 及TNF-α 等）激活，NF-κB 迅速轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核中，調(diào)控目標(biāo)靶基因的轉(zhuǎn)錄與表達(dá)[27］，使炎性反應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)及擴(kuò)大。

2 炎癥相關(guān)蛋白與IDD

2.1 抗炎蛋白—磷脂轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（PLTP）

PLTP 最早是在線粒體及微粒體中發(fā)現(xiàn)，其可運(yùn)輸和促進(jìn)磷脂酰膽堿（PC）的合成、分泌傳遞神經(jīng)遞質(zhì)，參與蛋白質(zhì)的成熟和細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程等[28］。在人體不同組織或細(xì)胞中，PLTP 的具體功能有所不同。一旦出現(xiàn)PLTP 缺乏或者PLTP 合成代謝障礙，則會影響到其相應(yīng)的生理功能而導(dǎo)致疾病的發(fā)生。目前，隨著PLTP 抗炎性反應(yīng)作用的發(fā)現(xiàn)，其成為研究各類急慢性炎癥性疾病的熱點。Gautier等[29］的研究指出，PLTP 可以調(diào)節(jié)LPS 和脂蛋白的結(jié)合和代謝。在PLTP 表達(dá)缺陷的小鼠模型中，LPS和脂蛋白結(jié)合延遲，導(dǎo)致LPS 在血液中的滯留時間延長，形成毒性更強(qiáng)的LPS 顆粒，和野生型小鼠比較，其LPS 誘導(dǎo)的內(nèi)毒素血癥死亡率明顯增加，提示PLTP 可能在調(diào)節(jié)炎性反應(yīng)和機(jī)體固有免疫方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。PLTP 不僅可以參與先天性免疫調(diào)節(jié)[30］，還可以通過調(diào)節(jié)信號通路調(diào)節(jié)炎性反應(yīng)。在機(jī)體某些組織及器官出現(xiàn)急性或慢性炎癥時，PLTP的活性也會隨之增強(qiáng)[31-32］。在THP-1 細(xì)胞中，PLTP可以通過ABCA1 激活JAK2-STAT3 信號通路，使巨噬細(xì)胞的NF-κB 激活減少，導(dǎo)致炎性因子低表達(dá)，從而達(dá)到抗炎的效果[33-34］。不僅PLTP 可以通過此信號通路抑制椎間盤的炎性反應(yīng)，有研究表明，miRNA-146a 同樣也可以通過TRAF6/NF-κB 通路改善椎間盤髓核組織的炎性反應(yīng)[35］。

2.2 促炎蛋白—高遷移率族蛋白1（HMGB1）

HMGB1 作為核蛋白的一種參與細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄，且與染色體穩(wěn)定性有一定關(guān)系[36］。目前，隨著對HMGB1 研究的深入，發(fā)現(xiàn)其在細(xì)胞外與人體很多病理過程有密切的聯(lián)系。目前的研究表明，HMGB1作為遲發(fā)型介質(zhì)參與了炎性反應(yīng)的發(fā)生及發(fā)展。通過對機(jī)體一些系統(tǒng)、器官疾病以及某些急慢性炎癥的研究發(fā)現(xiàn)，HMGB1 在其中均扮演著重要角色，如人類免疫缺陷病毒（HIV）感染[37］、嚴(yán)重膿毒血癥[38］、2 型糖尿病[39］等。同樣，HMGB1 在IDD 的炎性反應(yīng)中也發(fā)揮著重要作用。Fang 等[7］的研究顯示，HMGB1 在IDD 中不僅可以促進(jìn)炎性因子的釋放，同時對MMPs 的表達(dá)也有上調(diào)作用，對toll 樣受體（TLR）、RAGE 和NF-κB 信號通路均有促進(jìn)作用，從而加速IDD。HMGB1 可以介導(dǎo)椎間盤炎性反應(yīng)的發(fā)生，同時炎性反應(yīng)也會導(dǎo)致HMGB1 分泌增加，使其成為一個級聯(lián)放大反應(yīng)，加速IDD。

3 炎癥與椎間盤細(xì)胞凋亡

細(xì)胞凋亡是一種程序性的細(xì)胞死亡，與細(xì)胞自噬相關(guān)，細(xì)胞自噬又與機(jī)體的一些退行性疾病相關(guān)[40］。IDD 的發(fā)生與細(xì)胞凋亡途徑激活和自噬、細(xì)胞有絲分裂及有害的微環(huán)境相關(guān)[1，41-42］。當(dāng)刺激持續(xù)或過度發(fā)生時，細(xì)胞可能會出現(xiàn)衰老或凋亡，衰老的細(xì)胞代謝活躍，且能夠保持與相鄰細(xì)胞的相互作用，如接受其表型變化，細(xì)胞則開始分泌促炎癥介質(zhì)，包括細(xì)胞因子、趨化因子、基質(zhì)降解蛋白酶和特定的生長因子，增強(qiáng)炎癥和退行性變環(huán)境[43-44］。目前的研究表明，炎性因子可導(dǎo)致細(xì)胞凋亡速度加快，其中起最主要作用的是IL-1和TNF-α[45］。對發(fā)生退行性變的椎間盤的研究發(fā)現(xiàn)，椎間盤組織中細(xì)胞凋亡的整體水平較未發(fā)生退行性變的椎間盤顯著升高[46］。細(xì)胞凋亡，不僅可以導(dǎo)致細(xì)胞密度的減少，同時也可以增強(qiáng)有害的炎性微環(huán)境，使炎性反應(yīng)加劇。由于椎間盤幾乎是不含神經(jīng)血管和天然免疫細(xì)胞的組織，如果不能夠迅速清除死亡細(xì)胞，將會導(dǎo)致過敏反應(yīng)，同樣可以使炎性反應(yīng)加劇，使IDD 加重[3］。

4 總結(jié)與展望

對于IDD 的具體機(jī)制尚未完全明確，目前公認(rèn)為多因素作用的結(jié)果。其中炎性反應(yīng)在這個過程中起著關(guān)鍵作用，它與IDD 的病理生理反應(yīng)密切相關(guān)。通過調(diào)控炎性因子及相關(guān)反應(yīng)蛋白的表達(dá)水平，控制相關(guān)信號通路，達(dá)到控制炎性反應(yīng)發(fā)生、發(fā)展的目的，為IDD 在生物治療和基因治療方面提供了新的思路。自提出通過基因治療逆轉(zhuǎn)IDD 的設(shè)想以來，基因及分子治療領(lǐng)域已經(jīng)取得巨大的進(jìn)步。但是，大多研究還處于實驗室階段，臨床應(yīng)用仍有一定難度，如相關(guān)的技術(shù)要求高、價格貴、因子活性時間短等，需要后續(xù)進(jìn)一步開發(fā)高效、實用及安全的載體；進(jìn)一步明確IDD 的分子生物學(xué)機(jī)制，找出更多相關(guān)基因及有效治療靶點；尋找實驗室研究與臨床治療之間更加經(jīng)濟(jì)、有效的切入點；進(jìn)一步研究相關(guān)藥物的臨床干預(yù)時間、給藥途徑、藥物劑量以及可能出現(xiàn)的不良反應(yīng)；建立一套切實可行的臨床療效評價體系等。只有這些問題得到妥善的解決，IDD 生物學(xué)治療才能進(jìn)入臨床應(yīng)用階段。