白藜蘆醇與椎間盤退變性疾病

蔡同川 張亮

隨著生活及勞動方式的改變，各種原因?qū)е碌淖甸g盤退變性疾病(IDD)發(fā)病率不斷增高[1]。目前除手術(shù)治療外，IDD藥物治療研究較少[2]。研究發(fā)現(xiàn)，IDD發(fā)生與椎間盤細胞細胞外基質(zhì)(ECM)代謝、自噬、凋亡及衰老等多種因素有關(guān)。髓核細胞作為椎間盤中最為重要的細胞組成部分之一，其衰老與凋亡則成為IDD發(fā)生發(fā)展的重要影響因素。

白藜蘆醇于1940年由Michio首次從白藜蘆根莖中提取，并由此得名。此外，白藜蘆醇也廣泛存在于各種漿果、花生、大豆及黑巧克力中[3]。目前研究發(fā)現(xiàn)，白藜蘆醇可改善骨關(guān)節(jié)炎、神經(jīng)退變性疾病、心血管疾病、糖尿病及血管淀粉樣變等[4]。白藜蘆醇對IDD的治療作用除與其抗氧化、抗炎及調(diào)節(jié)糖代謝有關(guān)外，還可能通過多個信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路影響髓核細胞凋亡、自噬及ECM合成[5]。目前白藜蘆醇改善IDD的相關(guān)研究還處于基礎(chǔ)階段，本文就白藜蘆醇通過多種途徑改善IDD的研究進展進行綜述。

1 白藜蘆醇對髓核細胞的影響

1.1 影響ECM合成

椎間盤包括軟骨終板、纖維環(huán)及髓核。髓核是一種凝膠狀基質(zhì)，含有豐富的水、蛋白聚糖及Ⅱ型膠原[6]，維持髓核組織的ECM平衡對椎間盤正常功能至關(guān)重要。目前研究發(fā)現(xiàn)，在IDD發(fā)生發(fā)展過程中，髓核組織ECM降解增加，同時合成受到限制，從而影響椎間盤生物力學(xué)性能，加重椎間盤退變進程[7]。在細胞層面，機械負(fù)荷、活性氧自由基、高糖及炎性因子均可誘導(dǎo)氧化應(yīng)激反應(yīng)發(fā)生，從而促進ECM分解代謝[8-10]。在機體層面，高強度的機械壓縮應(yīng)力可減少ECM合成，增加其降解，破壞基質(zhì)代謝和平衡[11-12]。

Gao等[8]通過過氧化氫(H2O2)制作髓核細胞氧化應(yīng)激損傷模型，并施加白藜蘆醇及白藜蘆醇抑制劑(3-MA)干預(yù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)白藜蘆醇干預(yù)后可促進ECM表達，上調(diào)自噬相關(guān)標(biāo)記物表達，并與磷脂酰肌醇 3-激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路活性改變顯示出相似趨勢；進一步分析發(fā)現(xiàn)，3-MA通過抑制自噬減少ECM產(chǎn)生，但對PI3K/Akt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路沒有影響。由此認(rèn)為，白藜蘆醇可能通過PI3K/Akt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路激活自噬，從而促進ECM合成，進而減輕氧化應(yīng)激損傷導(dǎo)致的椎間盤退變。Han等[11]通過灌注培養(yǎng)和壓縮應(yīng)力制作髓核細胞壓縮應(yīng)力損傷模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)損傷后髓核細胞中ECM表達顯著降低，PI3K/Akt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的活性明顯低于未損傷髓核細胞；白藜蘆醇干預(yù)后ECM表達呈劑量依賴性增加，可促進PI3K/Akt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路活性。這進一步說明白藜蘆醇可能通過激活PI3K/Akt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路改善氧化應(yīng)激及機械應(yīng)力損傷導(dǎo)致的髓核細胞ECM表達下降。

沈皆亮等[13]提取老年腰椎間盤突出癥患者的髓核細胞并施加白藜蘆醇干預(yù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)白藜蘆醇可以促進髓核細胞合成ECM；進一步將沉默信息轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子(SIRT)1特異性siRNA轉(zhuǎn)染到退變髓核細胞，結(jié)果證實白藜蘆醇對人髓核細胞ECM合成影響的機制與SIRT1調(diào)節(jié)相關(guān)。劉滬喆等[14]進一步研究白藜蘆醇對人髓核細胞ECM合成的調(diào)控作用及其機制，結(jié)果發(fā)現(xiàn)白藜蘆醇可通過抑制Wnt/β-catenin信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路促進ECM表達。因此，白藜蘆醇可能通過SIRT1及Wnt/β-catenin等信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路促進人退變髓核細胞ECM合成。

除氧化應(yīng)激及機械應(yīng)力損傷外，炎性反應(yīng)也是導(dǎo)致ECM降解的重要因素之一。在炎性反應(yīng)導(dǎo)致的椎間盤退變過程中，基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)是降解ECM的主要因素。Wang等[15]研究發(fā)現(xiàn)，白藜蘆醇可通過激活磷酸腺苷激活蛋白激酶(AMPK)/ SIRTl信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路抑制腫瘤壞死因子(TNF)-α介導(dǎo)的MMP-3表達，進而表現(xiàn)出對ECM的保護作用。Wu等[16]比較腰椎間盤突出癥手術(shù)患者及腰椎骨折手術(shù)患者術(shù)中取出的髓核組織中SIRT1及ECM表達，結(jié)果發(fā)現(xiàn)退變椎間盤髓核中SIRT1及ECM表達減少，MMP-1表達增加，而加入白藜蘆醇后可以逆轉(zhuǎn)這一情況，由此說明白藜蘆醇可通過影響MMP-1及SIRT1表達促進ECM表達。

此外，隨著髓核細胞培養(yǎng)傳代次數(shù)的增加，去分化細胞比例不斷增加，使得細胞表型發(fā)生改變，從而減少ECM表達。沈皆亮等[17]研究發(fā)現(xiàn)，白藜蘆醇可以通過SIRT1信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路恢復(fù)去分化的髓核細胞表型，從而促進ECM合成。

1.2 影響細胞自噬

自噬是一種高度保守的分解代謝過程，真核細胞可通過激活自噬維持足夠的代謝功能、生物能量水平及氨基酸儲備來促進細胞存活[18]。正常條件下自噬基礎(chǔ)水平較低，主要受壓力和細胞外因子影響而被激活[18]。

研究發(fā)現(xiàn)，白藜蘆醇作為SIRT1的活化劑，可通過多種途徑調(diào)節(jié)髓核細胞自噬，從而對髓核細胞提供保護作用[8,15,19]；白藜蘆醇可激活人退變髓核細胞中SIRT1活性，促使自噬相關(guān)蛋白LC3表達增加，促進LC3-Ⅰ向LC3-Ⅱ轉(zhuǎn)化，進而提高自噬水平[20]。Zhang等[19]研究發(fā)現(xiàn)，白藜蘆醇可激活髓核細胞自噬并逆轉(zhuǎn)氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的髓核細胞線粒體損傷；加入自噬抑制劑后，白藜蘆醇介導(dǎo)的線粒體功能保護作用被明顯逆轉(zhuǎn)。

白藜蘆醇作為SIRT1的激活劑，可抑制哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)活性，延緩細胞衰老[19]。SIRT1/AMPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路是除mTOR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路外另一重要的自噬體形成信號級聯(lián)調(diào)節(jié)方式，該通路可在熱量限制的情況下誘導(dǎo)自噬。Wang等[15]研究發(fā)現(xiàn)，白藜蘆醇可通過激活SIRT1/AMPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路激活髓核細胞發(fā)生自噬，從而減少TNF-α介導(dǎo)的MMP-3表達增加。由于自噬對熱量限制非常敏感，而白藜蘆醇可模擬熱量限制的功能[10,21]，所以通過白藜蘆醇可以模擬熱量限制激活細胞自噬，進而抑制髓核細胞退變。

1.3 影響細胞凋亡

在IDD發(fā)生發(fā)展過程中，髓核細胞先表現(xiàn)出退變性改變，主要表現(xiàn)為細胞凋亡增加[7,22]。因此，可以認(rèn)為髓核細胞凋亡是IDD的典型特征之一。多種因素如異常應(yīng)力及各種應(yīng)激損傷均可導(dǎo)致髓核細胞凋亡。Zhang等[12]研究發(fā)現(xiàn)，高強度的機械壓縮應(yīng)力可促進髓核細胞凋亡并激活細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK)1/2信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，而白藜蘆醇可以通過劑量依賴性方式抑制髓核細胞凋亡及ERK1/2信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，從而推測白藜蘆醇可以通過抑制ERK1/2信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路抑制壓縮應(yīng)力導(dǎo)致的髓核細胞凋亡。

近年來，研究證實糖尿病是IDD的重要病因之一[23-25]。Wang等[9]研究白藜蘆醇對高糖誘導(dǎo)的髓核細胞凋亡的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)白藜蘆醇可以部分緩解高糖誘導(dǎo)的髓核細胞凋亡、衰老及細胞內(nèi)活性氧自由基生成，且可降低高糖誘導(dǎo)的PI3K/Akt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，由此證實白藜蘆醇可通過激活PI3K/Akt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路減輕高糖誘導(dǎo)的髓核細胞衰老及凋亡。Wang等[9]采用白藜蘆醇及SIRT1抑制劑處理人退變髓核細胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)白藜蘆醇干預(yù)的髓核細胞凋亡率顯著低于以SIRT1抑制劑處理的髓核細胞，且髓核細胞Akt磷酸化水平也呈相同趨勢，由此認(rèn)為SIRT1通過Akt抗凋亡信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路減少人退變髓核細胞凋亡。

此外，細胞炎癥因子也是導(dǎo)致IDD發(fā)生的主要因素之一，白細胞介素(IL)-1β是目前誘導(dǎo)髓核細胞凋亡的常用方法，抑制IL-1β產(chǎn)生可以減少細胞凋亡。Yang等[26]研究發(fā)現(xiàn)，17b-雌二醇(17b-E2)與白藜蘆醇聯(lián)用可經(jīng)PI3K/Akt/caspase-3信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路對抗IL-1β誘導(dǎo)的髓核細胞凋亡。Buckley等[27]研究同樣證實，白藜蘆醇可通過激活PI3K/Akt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路減少IL-1β誘導(dǎo)的髓核細胞凋亡。

氧化應(yīng)激損傷也是常見的髓核細胞凋亡原因。Li等[28]采用硝普鈉制作髓核細胞氧化應(yīng)激損傷模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)硝普鈉可誘導(dǎo)髓核細胞凋亡，促進細胞內(nèi)活性氧自由基及一氧化氮水平增加；白藜蘆醇可顯著抑制細胞凋亡、活性氧自由基產(chǎn)生及細胞骨架破壞。由此可知，白藜蘆醇同樣可以改善氧化應(yīng)激損傷導(dǎo)致的髓核細胞凋亡。

1.4 影響細胞衰老

在IDD發(fā)生發(fā)展過程中，髓核細胞衰老也是重要誘因之一。Buckley等[27]通過白藜蘆醇干預(yù)由機械應(yīng)力損傷誘導(dǎo)的髓核細胞衰老，結(jié)果發(fā)現(xiàn)白藜蘆醇在機械應(yīng)力下以濃度依賴方式減少活性氧自由基產(chǎn)生及合成并降低核因子(NF)-κB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路活性，進而減輕髓核細胞衰老。Wang等[9]的研究同樣證實，白藜蘆醇可通過激活PI3K/Akt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路減輕高糖引起的髓核細胞衰老。

2 白藜蘆醇動物實驗研究

雖然目前理論上白藜蘆醇保護髓核細胞的作用已被證實，但絕大多數(shù)研究仍停留在細胞水平，僅有少量動物模型的研究。Xia等[29]通過椎間盤穿刺的方法制作SD大鼠IDD模型，并通過灌胃方式灌入白藜蘆醇。隨后的影像學(xué)檢查發(fā)現(xiàn)白藜蘆醇可改善椎間盤退變表現(xiàn)，提取的髓核組織中SIRT1表達增加，p16表達減少；對SIRT1缺陷大鼠進行相同研究則發(fā)現(xiàn)椎間盤退變程度加重，同時p16表達增加。這提示白藜蘆醇可通過激活SIRT1抑制p16表達，進而抑制穿刺誘導(dǎo)的椎間盤退變。Lin等[30]研究SD大鼠的動物行為，結(jié)果發(fā)現(xiàn)白藜蘆醇可顯著減少損傷部位免疫反應(yīng)導(dǎo)致的神經(jīng)根性疼痛癥狀。但大多數(shù)動物實驗研究以SD大鼠作為模型，極少數(shù)采用幼豬，因此可能對研究結(jié)果造成一定影響。

然而，白藜蘆醇由于水溶性差、穩(wěn)定性差、代謝速度快及在椎間盤局部難以達到有效血藥濃度等原因，應(yīng)用潛力受到一定影響。近年來，隨著材料學(xué)的不斷進步，聚(乳酸-共-乙醇酸)納米氣泡(NB)被研制。Shen等[31]通過應(yīng)用雙乳液法將白藜蘆醇與NB復(fù)合，然后運用碳化二亞胺法將生物素標(biāo)記物N-鈣黏蛋白抗體(AbCDH2)與NB進一步結(jié)合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)白藜蘆醇/AbCDH2-NB復(fù)合物具有較高的白藜蘆醇負(fù)載能力和藥物釋放效率，同時可增強從白藜蘆醇/AbCDH2-NB復(fù)合物釋放的白藜蘆醇與髓核細胞結(jié)合的靶向性并增強局部血藥濃度，由此達到靶向治療目的；在兔退變椎間盤模型中也證實，白藜蘆醇/AbCDH2-NB局部注射可有效延緩椎間盤退變進程。

3 研究局限性

目前白藜蘆醇對髓核細胞影響的研究仍較少，且存在一定的局限性。首先，在細胞來源方面，目前主要采用SD大鼠，少部分采用幼豬。但就椎間盤發(fā)育而言，牛、羊等大型哺乳動物比大鼠更接近人類。其次，目前尚未發(fā)現(xiàn)合適的細胞表型來區(qū)分髓核組織中的脊索細胞，因此脊索細胞的存在可能會影響最終研究結(jié)果。最后，目前髓核細胞體外擴增培養(yǎng)多在有氧環(huán)境下進行，雖然對生長無明顯影響，但這與實際生存的低氧環(huán)境并不相符，所以一定程度上局限了研究結(jié)果的實際應(yīng)用。

4 結(jié)語

IDD發(fā)生與機械應(yīng)力、高糖、炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激及細胞衰老等諸多因素相關(guān)，這些因素可通過影響髓核細胞功能促進IDD發(fā)生發(fā)展。白藜蘆醇可通過調(diào)節(jié)髓核細胞ECM合成、激活髓核細胞自噬、抑制髓核細胞凋亡與衰老等多種方式達到保護髓核細胞的作用，對IDD防治具有重要意義。