整合素在腰椎間盤突出癥發(fā)病機(jī)制中的研究進(jìn)展

付陽陽，王奕嫻，李國娜，蒯仂，戴大城，龔利

(1.上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬岳陽中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院推拿科，上海 200437； 2.上海市中醫(yī)藥大學(xué)，上海 201203)

腰椎間盤突出癥(lumbar disc herniation，LDH)是椎間盤發(fā)生退行性變、纖維環(huán)破裂、髓核突出，刺激壓迫神經(jīng)根及馬尾神經(jīng)，引發(fā)腰腿疼痛的臨床常見病、多發(fā)病,多發(fā)作于L4/L5，L5/S1椎間盤[1-2]。我國青中年人群的LDH發(fā)病率較高，流行病學(xué)調(diào)查顯示，25～40歲人群的LDH檢出率達(dá)13.93%，其發(fā)病率居椎管疾病首位，在重體力勞動者、汽車駕駛工作者中最易出現(xiàn)[3]。椎間盤突出癥的病理尚未完全闡明，治療方法大體分為非手術(shù)治療、手術(shù)治療與微創(chuàng)治療三大類，但分別存在治療周期長、患者痛苦大、療效不確切等問題[4]。

整合素是由α、β亞單位組成的異質(zhì)二聚體黏附糖蛋白受體，可以調(diào)節(jié)細(xì)胞與膠原、纖維連接蛋白、層粘連蛋白等細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)的結(jié)合，并且在細(xì)胞生長、分化、遷移和基質(zhì)合成等過程中起關(guān)鍵作用。多種整合素在正常椎間盤細(xì)胞中表達(dá)，參與信號傳遞、細(xì)胞與ECM連接等過程，整合素的高表達(dá)與椎間盤突出癥的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[5]。現(xiàn)就近年來整合素家族在LDH中的調(diào)節(jié)作用予以綜述，闡述整合素水平的LDH病理生理變化，以尋求新的治療切入點。

1 LDH發(fā)病機(jī)制

椎間盤是一種由周圍纖維環(huán)、上下軟骨終板以及中央髓核組成的特殊結(jié)構(gòu)，在緩沖及轉(zhuǎn)移脊柱負(fù)荷、負(fù)擔(dān)脊柱所受壓力和保證脊柱活動性及穩(wěn)定性等方面起到重要作用[6]。LDH的發(fā)病機(jī)制尚不明確，其發(fā)生發(fā)展與髓核細(xì)胞凋亡、椎間盤的基質(zhì)重塑等有關(guān)[7]。椎間盤組織功能主要由間質(zhì)成分決定。椎間盤細(xì)胞通過分泌、調(diào)節(jié)間質(zhì)成分來維持微環(huán)境穩(wěn)定，其中蛋白聚糖成分、含量改變，膠原重塑，彈性蛋白的損傷與改變都是LDH發(fā)病的重要機(jī)制[8]。髓核軟骨樣細(xì)胞是成人椎間盤中央髓核的主要活性細(xì)胞，其凋亡和鈣化促使中央髓核形態(tài)改變，對環(huán)境適應(yīng)性下降。整合素存在于細(xì)胞表面，是多種ECM蛋白的受體，已經(jīng)鑒定出的椎間盤特異性整合素受體包括纖維連接蛋白結(jié)合的整合素受體α5β1、整合素受體αvβ3和膠原結(jié)合整合素受體α1β1、整合素受體α2β1和整合素受體αvβ1[9-11]。在椎間盤突出癥發(fā)病過程中，整合素水平的改變介導(dǎo)了椎間盤細(xì)胞代謝、遷移、凋亡以及細(xì)胞與ECM的連接，影響了椎間盤突出癥發(fā)病過程。

2 整合素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

整合素有α和β兩條支鏈，目前已知α支鏈18個、β支鏈8個，它們通過共價鍵結(jié)合可組成24種整合素[12]。在不同類型細(xì)胞中，整合素起到轉(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)胞信號、調(diào)節(jié)細(xì)胞黏附等作用[13]。在胞間信號傳導(dǎo)中，α亞基與β亞基的功能存在一定差異，α亞基主要參與受體的識別，β亞基參與細(xì)胞與間質(zhì)、細(xì)胞與細(xì)胞間信號的傳遞。研究發(fā)現(xiàn)，整合素的表達(dá)主要依賴兩種酪氨酸依賴性通道——局部黏著斑激酶(focal adhesion kinase，F(xiàn)AK)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和非受體酪氨酸激酶信號通路的激活[14-15]。而FAK通道可以激活FAK-Ras-促分裂原活化的蛋白激酶通路、FAK-磷脂酰肌醇-3-激酶通路和FAK-信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子1通路；少部分整合素可以激活酪氨酸激酶信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。

3 整合素表達(dá)及對LDH中生物學(xué)行為的影響

3.1整合素在腰椎間盤組織中的表達(dá) 整合素在腰椎間盤組織中表達(dá)。Dana等[5]測定人與豬椎間盤組織中整合素亞基蛋白水平，結(jié)果顯示，人正常椎間盤細(xì)胞可表達(dá)整合素α1、α5、αv、β1、β2、β3、β4、β5、β6亞基，其中整合素α5、αv、β1、β3、β5、β6亞基的表達(dá)水平較高。椎間盤組織中，髓核組織與纖維環(huán)組織在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)成分及排布、對環(huán)境刺激反應(yīng)等方面存在較大差異[16]。髓核組織含有較多隨機(jī)取向的Ⅱ型膠原與較高濃度的蛋白多糖，纖維環(huán)組織則含有較多高度定向的Ⅰ型和Ⅱ型膠原，并形成細(xì)長凸起。面對壓縮與滲透壓改變時，髓核細(xì)胞與椎間盤細(xì)胞反應(yīng)方式不同。研究發(fā)現(xiàn)，椎間盤中髓核細(xì)胞與纖維環(huán)細(xì)胞表面整合素表達(dá)水平存在差異，豬髓核組織表達(dá)的整合素α6、β1和β4亞基蛋白水平高于纖維環(huán)組織[17]。整合素的表達(dá)水平可能影響腰椎間盤ECM的分布，整合素亞基與膠原蛋白、纖維連接蛋白等細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的連接過程以及該過程在環(huán)境改變下椎間盤細(xì)胞反應(yīng)中的作用仍需進(jìn)一步研究。

在突出椎間盤中，部分整合素亞基高表達(dá)。Xia和Zhu[18]通過測定30例LDH患者突出腰椎間盤標(biāo)本和10名健康人腰椎間盤標(biāo)本的整合素α1、α2、α5、αv、β1亞基水平發(fā)現(xiàn)，與健康人椎間盤標(biāo)本相比，LDH患者突出椎間盤組織中整合素α5、β1信使RNA(messenger RNA，mRNA)和蛋白水平明顯升高，但兩者整合素α1、α2、αv亞基mRNA和蛋白水平比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義。進(jìn)一步測定突出椎間盤與正常椎間盤纖維連接蛋白的表達(dá)水平發(fā)現(xiàn)，突出椎間盤組織中纖維連接蛋白水平升高[19]。整合素α5β1是特異性纖維連接蛋白受體，突出椎間盤中整合素α5β1可上調(diào)纖維連接蛋白水平，實現(xiàn)纖維連接蛋白與椎間盤細(xì)胞的連接，延緩椎間盤突出癥進(jìn)展。在LDH發(fā)病過程中，部分整合素亞基mRNA和蛋白水平升高，通過上調(diào)與膠原蛋白、纖維連接蛋白等多種細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的連接，代償性減緩LDH發(fā)病，影響細(xì)胞代謝、遷移、凋亡，目前尚缺乏具體機(jī)制的研究。

3.2整合素對椎間盤細(xì)胞凋亡的影響 整合素在軟骨組織內(nèi)可傳導(dǎo)機(jī)械性刺激及軟骨細(xì)胞內(nèi)信號，進(jìn)而調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞的功能，延緩細(xì)胞凋亡。Dana等[5]研究發(fā)現(xiàn)，人椎間盤與關(guān)節(jié)軟骨的整合素表達(dá)具有高度相似性，整合素在骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病過程中的作用對研究LDH有重要的參考價值。整合素α5β1可以識別纖維連接蛋白中精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸序列(Arg-Gly-Asp，RGD)。FAK作為一種胞質(zhì)酪氨酸激酶，可分N2端區(qū)、激酶區(qū)和C2端區(qū)3個結(jié)構(gòu)域。整合素與纖維粘連蛋白結(jié)合促進(jìn)黏著斑的形成，整合素β1亞基的胞質(zhì)端與FAK的N2端區(qū)結(jié)合，引起FAK構(gòu)象改變，使激酶結(jié)構(gòu)域處于活化狀態(tài)，同時FAK的可磷酸化酪氨酸位點Tyr397自身磷酸化，進(jìn)而激活FAK-Ras-促分裂原活化的蛋白激酶通路、FAK-磷脂酰肌醇-3-激酶通路和FAK-信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子1通路，影響細(xì)胞內(nèi)基因表達(dá)的活性以及細(xì)胞的黏附力，這一通路適用于解釋LDH的整合素傳導(dǎo)通路，整合素可以調(diào)節(jié)椎間盤細(xì)胞與ECM連接能力，影響髓核細(xì)胞的黏附能力，減少細(xì)胞凋亡，保持椎間盤的穩(wěn)定性，降低LDH的發(fā)生率。

整合素通過調(diào)節(jié)信號傳導(dǎo)蛋白影響髓核細(xì)胞與ECM的連接和間充質(zhì)干細(xì)胞的分化，為椎間盤突出癥的治療提供適當(dāng)?shù)囊浦膊牧稀isbud等[20]以低氧條件下培養(yǎng)的間充質(zhì)干細(xì)胞為對象，觀察到整合素α3、β2亞基mRNA上調(diào)，磷酸化胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)水平高于常氧狀態(tài)，葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-3、基質(zhì)金屬蛋白酶2、Ⅱ型膠原、Ⅺ型膠原、蛋白聚糖mRNA及蛋白表達(dá)上調(diào)，間充質(zhì)干細(xì)胞表型與髓核細(xì)胞表型趨于一致，提示低氧狀態(tài)可以誘導(dǎo)整合素α3、β2亞基mRNA水平及磷酸化ERK水平上調(diào)，誘導(dǎo)間質(zhì)干細(xì)胞向髓核細(xì)胞分化。Risbud等[21]對低氧環(huán)境下培養(yǎng)的大鼠髓核細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)，抑制信號傳導(dǎo)蛋白ERK活性后，整合素α2mRNA的表達(dá)被抑制，且細(xì)胞存活率下降。研究亦表明，ERK活性升高后，細(xì)胞與Ⅱ型膠原連接能力增強(qiáng)，即ERK可上調(diào)整合素α2mRNA的表達(dá)水平，增強(qiáng)細(xì)胞與Ⅱ型膠原黏附，避免細(xì)胞凋亡導(dǎo)致的椎間盤病變。整合素參與外界刺激引起的椎間盤反應(yīng)，拮抗磷酸化ERK誘導(dǎo)下的椎間盤細(xì)胞凋亡，并誘導(dǎo)間質(zhì)干細(xì)胞向椎間盤細(xì)胞分化，這一研究結(jié)果可為椎間盤突出癥的手術(shù)治療提供適宜移植材料。

調(diào)節(jié)細(xì)胞整合素水平可以抑制椎間盤細(xì)胞凋亡，拮抗藥物毒副作用。Yang等[22]研究發(fā)現(xiàn)，17β-雌二醇可拮抗左氧氟沙星誘導(dǎo)的髓核細(xì)胞凋亡，其機(jī)制在于上調(diào)整合素α2β1mRNA和蛋白水平，增強(qiáng)髓核細(xì)胞與Ⅱ型膠原的結(jié)合能力，抗細(xì)胞凋亡，防止藥物引起的椎間盤突出癥發(fā)生。Zhao等[23]研究發(fā)現(xiàn)，17β-雌二醇可拮抗白細(xì)胞介素-1β誘導(dǎo)的纖維環(huán)細(xì)胞凋亡，可拮抗白細(xì)胞介素-1β作用，上調(diào)整合素α1亞基的蛋白水平，增強(qiáng)纖維環(huán)細(xì)胞與Ⅱ型膠原的連接能力，抗細(xì)胞凋亡。炎癥因子白細(xì)胞介素-1、腫瘤壞死因子-α等被認(rèn)為與LDH的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，炎癥因子作用于腰椎間盤細(xì)胞引發(fā)細(xì)胞凋亡，加重腰椎間盤突出的程度，進(jìn)一步釋放炎癥因子刺激神經(jīng)根引發(fā)下腰部疼痛[24]。17β-雌二醇上調(diào)整合素α2β1后，可增強(qiáng)椎間盤纖維環(huán)細(xì)胞與膠原蛋白的連接能力，拮抗炎癥因子誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡，延緩椎間盤突出癥的發(fā)展，減輕LDH患者的痛苦。

3.3整合素對ECM影響 整合素在椎間盤細(xì)胞與纖維連接蛋白、膠原等ECM的連接中起重要作用。Gilchrist等[25]研究顯示，阻斷整合素α6亞基功能后，僅有較小細(xì)胞能與纖維連接蛋白連接；阻斷整合素α2亞基功能后，髓核細(xì)胞與Ⅰ型、Ⅱ型膠原的黏附被分別抑制了40%、60%；阻斷整合素β1、α5β1功能可以完全阻斷椎間盤細(xì)胞與Ⅰ型膠原、纖維連接蛋白的黏附，提示整合素在椎間盤細(xì)胞與纖維連接蛋白、膠原的連接過程中不可或缺，整合素蛋白水平的改變直接影響椎間盤細(xì)胞的代謝、遷移等過程。通過測定豬成熟與幼稚椎間盤細(xì)胞以及髓核細(xì)胞與纖維環(huán)細(xì)胞之間整合素亞基蛋白與ECM的表達(dá)水平發(fā)現(xiàn)，與相鄰纖維環(huán)區(qū)相比，豬幼稚髓核細(xì)胞中表達(dá)更多層粘連蛋白γ1鏈，這與層粘連蛋白受體整合素α6亞基蛋白的表達(dá)模式平行[26-27]。在幼稚椎間盤細(xì)胞中，不同整合素表達(dá)模式影響細(xì)胞ECM的成分與分布，造成椎間盤不同區(qū)域細(xì)胞外環(huán)境的差別，進(jìn)而影響幼稚椎間盤組織的生長與發(fā)育。通過調(diào)節(jié)幼稚椎間盤組織整合素水平表達(dá)，可以影響椎間盤組織對外界環(huán)境改變的反應(yīng)，進(jìn)而提供有效的青少年椎間盤突出癥治療手段。

周期性應(yīng)力可影響髓核細(xì)胞中的整合素水平，并可影響ECM的表達(dá)與髓核細(xì)胞的代謝遷移。對周期性靜水壓下培養(yǎng)的大鼠髓核細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)，加壓組大鼠髓核細(xì)胞整合素α1亞基mRNA、Ⅱ型膠原與蛋白多糖的基因水平顯著升高，磷脂酶C-γ1蛋白磷酸化水平升高[28-29]。已有研究證實，磷脂酶C-γ1蛋白磷酸化可以擴(kuò)大軟骨面積、促進(jìn)髓核細(xì)胞遷移，提示整合素可轉(zhuǎn)導(dǎo)力學(xué)信號，調(diào)節(jié)磷脂酶C-γ1的水平以及細(xì)胞與ECM連接能力，延緩椎間盤突出癥的發(fā)展[30-31]。小干擾RNA抑制整合素α1表達(dá)后，ECM中蛋白多糖基因水平下調(diào)，髓核細(xì)胞遷移受到抑制。整合素α1可以調(diào)控髓核ECM中膠原與蛋白多糖的表達(dá)，促進(jìn)髓核細(xì)胞的遷移與軟骨面積的擴(kuò)大，這一過程有利于維持椎間盤的穩(wěn)定性。整合素水平的改變受外界刺激影響，以適應(yīng)外界物理、化學(xué)因素的改變。

整合素α5β1不僅參與了纖維連接蛋白的結(jié)合，還與一些小分子物質(zhì)的作用有關(guān)。Xia和Zhu[32]在纖維粘連蛋白碎片(fibronectin fragments，F(xiàn)n-f)誘導(dǎo)兔椎間盤病變模型中觀察到，髓核細(xì)胞整合素α5和β1亞基mRNA的表達(dá)明顯增加，ERK上調(diào)，Ⅱ型膠原蛋白表達(dá)下降，基質(zhì)金屬蛋白酶9和基質(zhì)金屬蛋白酶13的表達(dá)增加，提示Fn-f可能通過上調(diào)整合素α5和β1mRNA表達(dá)水平改變椎間盤組織微環(huán)境，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，表明整合素在小分子物質(zhì)參與的誘導(dǎo)椎間盤突出癥發(fā)病過程中發(fā)揮了信號轉(zhuǎn)導(dǎo)作用，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，加速椎間盤病變過程。抑制整合素α5和β1mRNA表達(dá)后，F(xiàn)n-f不能誘導(dǎo)椎間盤細(xì)胞凋亡，初步證實整合素參與了Fn-f誘導(dǎo)的兔椎間盤病變過程。此外，應(yīng)注意整合素在LDH疾病過程中的多種作用。多項研究結(jié)果表明，整合素具有抑制椎間盤相關(guān)疾病惡化的作用[33-36]。

4 小 結(jié)

近年來，隨著對整合素認(rèn)識的深入，整合素在各種癌癥、骨關(guān)節(jié)炎中的表達(dá)和作用逐漸被揭示[37-39]。整合素對細(xì)胞與ECM連接的影響作用已經(jīng)得到國內(nèi)外多項研究的證實。在LDH發(fā)病過程中，α1、α2、α5、αv、β1等多種整合素亞基基因與蛋白水平均發(fā)生了變化，整合素亞基還參與抗椎間盤細(xì)胞凋亡、調(diào)節(jié)ECM組成與分布等過程，延緩LDH的進(jìn)展。此外，整合素α5β1參與Fn-f誘導(dǎo)的椎間盤組織微環(huán)境惡化、椎間盤細(xì)胞凋亡過程，在LDH發(fā)病過程中具有重要作用。然而，多種整合素α、β亞基在LDH中的結(jié)合方式尚未明確，仍需進(jìn)一步研究的確定。