SDF-1/CXCR4在椎間盤退變中的作用研究進(jìn)展

郝海靜，王浩輝，閆新星，李世文，徐璐，劉曉奇*

1哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院骨科，哈爾濱 150001；2哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，哈爾濱 150001

全球約有6.37億人受到下腰痛的影響[1]，下腰痛在增加患者身心痛苦的同時(shí)，也給社會(huì)帶來巨大的醫(yī)療和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[2]。椎間盤退變(intervertebral disc degeneration，IDD)被認(rèn)為是導(dǎo)致腰痛的最主要原因，已成為全球性的公共健康問題[3]，臨床主要表現(xiàn)為纖維組織變性、椎間盤高度降低、纖維環(huán)破裂、軟骨終板缺失、環(huán)狀纖維黏液性變、小關(guān)節(jié)突骨贅形成及椎間盤鈣化等[4-5]。多種細(xì)胞活動(dòng)如炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡和基質(zhì)新陳代謝失衡等參與了IDD的發(fā)生[6-7]。趨化因子是一類分子質(zhì)量為7~15 ku的可溶性小細(xì)胞因子，在一定的生理和病理?xiàng)l件下，具有引導(dǎo)免疫細(xì)胞在指定位置趨化的能力[8]。依據(jù)趨化因子N末端2個(gè)半胱氨酸的位置狀態(tài)不同，趨化因子可分為4個(gè)亞類，即CXC類(插入1個(gè)氨基酸殘基)、CC類(不插入氨基酸殘基)、C類(N端只有1個(gè)氨基酸)和C3XC類(插入3個(gè)氨基酸殘基)，而基質(zhì)細(xì)胞源性因子-1(stromal cell-derived factor-1，SDF-1)屬于CXC類趨化因子，其基因編碼序列位于10q11.1，開放讀碼框?yàn)?70 bp，由68個(gè)氨基酸構(gòu)成[9]。CXC亞家族的趨化因子參與中性粒細(xì)胞的趨化，是廣為人且和研究最廣泛的趨化因子[10]。SDF-1最早從骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞中提取出來，可與G蛋白偶聯(lián)受體C-X-C序列的趨化因子受體4(C-X-C motif chemokine receptor-4，CXCR4)結(jié)合而激活不同類型的細(xì)胞，并影響血管生成和白細(xì)胞運(yùn)輸[11-12]。SDF-1/CXCR4軸參與多種病理過程，包括腫瘤、自身免疫疾病和炎癥性疾病等[13-14]。近年來大量研究證實(shí)，SDF-1/CXCR4在IDD中發(fā)揮重要作用，有望成為早期診斷IDD的敏感生物標(biāo)志物和延緩甚至逆轉(zhuǎn)IDD的有效靶點(diǎn)。本文就SDF-1/CXCR4在IDD中的作用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，旨在為深入研究IDD提供新的思路。

1 IDD概述

1.1 椎間盤的結(jié)構(gòu)及功能 椎間盤是一個(gè)適度活動(dòng)的關(guān)節(jié)，其將脊柱的椎骨分開，主要為脊柱提供靈活性，并允許大范圍的運(yùn)動(dòng)和機(jī)械負(fù)荷的傳遞[15]。椎間盤主要由軟骨終板、纖維環(huán)和髓核組成[16]，其中軟骨終板位于椎間盤上部和下部與椎體交界處，可將椎間盤固定在椎體之上；纖維環(huán)的結(jié)構(gòu)厚而致密，可分為外環(huán)和內(nèi)環(huán)，外環(huán)由緊密排列的同心片層狀膠原組織構(gòu)成，主要由產(chǎn)生Ⅰ型膠原(collagen-Ⅰ，COL-Ⅰ)的成纖維細(xì)胞組成；內(nèi)環(huán)多為包含COL-Ⅰ和Ⅱ型膠原(collagen-Ⅱ，COL-Ⅱ)的纖維軟骨；髓核被包圍在纖維環(huán)中，在生理情況下為凝膠狀，主要由蛋白多糖和COL-Ⅱ形成的疏松網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組成[17]。由此可見，椎間盤主要由細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)如COL、蛋白多糖和其他基質(zhì)蛋白組成，這些分子被局部現(xiàn)有的蛋白酶持續(xù)合成和降解，以維持椎間盤的穩(wěn)態(tài)[18]。

1.2 IDD的病理機(jī)制 椎間盤長(zhǎng)期處在低氧、低pH、高滲透壓和應(yīng)力波動(dòng)的惡劣環(huán)境中[19]。隨著椎間盤內(nèi)細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)的減少、細(xì)胞廢物的積累及ECM分子的降解，椎間盤內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)失衡，形成一種酸性越來越強(qiáng)的環(huán)境，細(xì)胞活力被損害，進(jìn)而引發(fā)炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡、ECM代謝失衡等病理過程，最終導(dǎo)致IDD[20]。與此同時(shí)，椎間盤的獨(dú)特結(jié)構(gòu)可將髓核從宿主免疫系統(tǒng)中分離出來，椎間盤中表達(dá)的免疫抑制分子對(duì)免疫細(xì)胞和細(xì)胞因子的浸潤(rùn)有抑制作用。因此，椎間盤被認(rèn)為是免疫豁免器官，免疫豁免狀態(tài)的穩(wěn)定是維持椎間盤免疫系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的基礎(chǔ)，纖維環(huán)、軟骨終板及免疫抑制分子共同組成了血液-髓核屏障，當(dāng)該屏障受損時(shí)，髓核的自身免疫反應(yīng)可激活各種下游級(jí)聯(lián)反應(yīng)，從而介導(dǎo)IDD的發(fā)生[21]。

2 SDF-1/CXCR4在IDD中的作用

2.1 SDF-1/CXCR4在退變椎間盤中的表達(dá)情況已經(jīng)證實(shí)，SDF-1/CXCR4在椎間盤中表達(dá)且在退變的椎間盤中高表達(dá)。Zhang等[22]發(fā)現(xiàn)，SDF-1在椎體-軟骨終板連接區(qū)域的骨髓來源細(xì)胞(bone marrow-derived cells，BMCs)和纖維環(huán)外層成纖維細(xì)胞中高表達(dá)，CXCR4在軟骨終板細(xì)胞和髓核細(xì)胞中高表達(dá)。SDF-1結(jié)合CXCR4是一種互補(bǔ)蛋白表達(dá)模式，這種模式提示了一種旁分泌調(diào)節(jié)機(jī)制，即BMCs和成纖維細(xì)胞產(chǎn)生SDF-1，可在軟骨終板細(xì)胞和髓核細(xì)胞附近發(fā)出信號(hào)CXCR4，從而介導(dǎo)趨化、造血、血管生成，以及腫瘤的擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移等[23]。Er等[24]對(duì)比145例IDD患者和130名健康人的血清SDF-1水平發(fā)現(xiàn)，IDD患者血清SDF-1水平明顯升高，且與Pfirrmann分級(jí)和多裂肌退行性變程度呈正相關(guān)，提示SDF-1可作為IDD早中期的生物標(biāo)志物?？傊琒DF-1/CXCR4在IDD中高表達(dá)，但在其他脊柱退變相關(guān)疾病如后縱韌帶骨化、椎管狹窄等中的表達(dá)情況尚需進(jìn)一步研究；值得注意的是，Modic改變作為評(píng)價(jià)軟骨終板退變的常用指標(biāo)，其與SDF-1/CXCR4表達(dá)的關(guān)系有待闡明。

2.2 SDF-1/CXCR4促進(jìn)IDD的血管形成 作為全身最大的無血管器官，椎間盤新生血管長(zhǎng)入被認(rèn)為是IDD的重要標(biāo)志之一[25]。在椎間盤發(fā)生退變的過程中，椎間盤內(nèi)部成分改變引起其力學(xué)性質(zhì)的變化，當(dāng)超過椎間盤承受負(fù)荷能力時(shí)，纖維環(huán)裂隙形成，隨后肉芽組織和新血管在裂縫中生長(zhǎng)。血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)的表達(dá)與椎間盤突出后血管形成密切相關(guān)[26]。作為一種內(nèi)皮特異性有絲分裂原，VEGF通過動(dòng)員骨髓來源的內(nèi)皮祖細(xì)胞(endothelial progenitor cells，EPCs)和刺激血管內(nèi)皮細(xì)胞(vascular endothelial cells，VECs)的增殖而在新生血管形成中發(fā)揮重要作用[27]。SDF-1與VEGF的相互調(diào)節(jié)可促進(jìn)毛細(xì)血管的形成[28]。Jia等[29]的研究發(fā)現(xiàn)，SDF-1與VEGF在各型突出椎間盤的軟骨終板中均呈高表達(dá)，尤其是“突出型”和“脫出型”，且二者的表達(dá)水平呈高度正相關(guān)，提示SDF-1與VEGF可能在軟骨終板細(xì)胞的募集和椎間盤突出組織的血管化過程中發(fā)揮重要作用；Zhang等[30]研究發(fā)現(xiàn)，隨著髓核細(xì)胞中SDF-1表達(dá)的增加，VECs的增殖遷移能力、管狀結(jié)構(gòu)形成能力增強(qiáng)，表明椎間盤血管化程度與IDD的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)；Zhang等[31]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，IDD形成過程中髓核細(xì)胞可通過SDF-1/CXCR4軸來誘導(dǎo)VECs的成血管活動(dòng)，并且這一活動(dòng)在VECs內(nèi)可能被PI3K/AKT通路調(diào)控。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，突出的椎間盤可因新生血管的長(zhǎng)入而被重吸收，進(jìn)而使壓迫癥狀減輕，但I(xiàn)DD中血管形成為炎性細(xì)胞因子和代謝相關(guān)蛋白酶提供了血管途徑[32]，可改變椎間盤正常營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)及結(jié)構(gòu)的完整性，且可能與IDD晚期的椎間盤鈣化有關(guān)[33]。此外，神經(jīng)生長(zhǎng)因子誘導(dǎo)的痛覺纖維也可隨新生血管長(zhǎng)入椎間盤內(nèi)部，同時(shí)攜帶炎性細(xì)胞因子，從而引發(fā)腰痛[34]?？傊甸g盤血管化既是IDD的始動(dòng)因素，也貫穿IDD的全過程。SDF-1/CXCR4在IDD血管形成中發(fā)揮重要作用，有效靶向抑制SDF-1/CXCR4可能為治療IDD提供新的方向，值得深入研究。然而，目前SDF-1/CXCR4介導(dǎo)椎間盤突出鈣化及痛覺纖維長(zhǎng)入的機(jī)制研究較少，值得進(jìn)一步探索與闡明。

2.3 SDF-1/CXCR4及炎癥相關(guān)通路在IDD中的作用炎癥反應(yīng)與IDD關(guān)系密切[18]。核因子-κB(nuclear factor-κB，NF-κB)和絲裂原活化蛋白激酶(mitogenactivated protein kinases，MAPKs)通路蛋白被認(rèn)為是骨骼肌肉系統(tǒng)疾病中炎癥反應(yīng)及分解代謝的主要調(diào)節(jié)因子，多項(xiàng)研究支持炎癥反應(yīng)介導(dǎo)了NF-κB或MAPKs通路在IDD中的作用[35]。近年來，SDF-1/CXCR4與NF-κB或MAPKs通路在IDD中的作用逐漸受到了關(guān)注。

NF-κB通路是各類細(xì)胞應(yīng)對(duì)損傷、應(yīng)激反應(yīng)和炎癥反應(yīng)的共同通路[36]。NF-κB蛋白屬于一個(gè)結(jié)構(gòu)相關(guān)的快速作用轉(zhuǎn)錄因子家族，該家族成員都擁有一個(gè)共同的高度保守的300個(gè)氨基酸區(qū)域，即Rel同源結(jié)構(gòu)域(Rel homology domain，RHD)。NF-κB家族有5個(gè)成員，分別為RelA(p65)、c-Rel、RelB、p50和p52，在哺乳動(dòng)物中廣泛表達(dá)[37]。有研究發(fā)現(xiàn)，NF-κB信號(hào)在人退變的椎間盤特別是髓核組織中被激活[38]。劉宗超等[39]通過小干擾RNA(small interfering RNA，siRNA)敲除CXCR4(CXCR4-siRNA)，并利用NF-κB抑制劑吡咯烷二硫氨基甲酸酯(pyrrolidine dithiocarbamate，PDTC)研究SDF-1與NF-κB信號(hào)通路的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)上調(diào)SDF-1的表達(dá)可增高髓核細(xì)胞的凋亡水平，但CXCR4敲除后髓核細(xì)胞凋亡水平降低；激活SDF-1可增高磷酸化NF-κB亞基p65的水平，而CXCR4敲除和PDTC處理后p65水平下調(diào)，提示SDF-1/CXCR4可能通過NF-κB通路促進(jìn)髓核細(xì)胞凋亡而加重IDD。此外，獨(dú)活寄生湯作為傳統(tǒng)中醫(yī)經(jīng)典方劑，被證實(shí)可靶向下調(diào)SDF-1/CXCR4/NF-κB通路中多種蛋白的表達(dá)，從而抑制IDD中炎性介質(zhì)的釋放及椎間盤中EMC的降解，達(dá)到延緩甚至治療IDD的目的[40]。MAPKs是一個(gè)高度保守的信號(hào)傳導(dǎo)通路家族，能夠促進(jìn)體內(nèi)激素、生長(zhǎng)因子、炎性細(xì)胞因子等的激活[41]。MAPKs有3個(gè)主要亞家族：細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinases，ERK)、c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinases，JNKs)和p38亞型(p38MAPKs)[42]。大量研究證實(shí)，MAPKs在IDD中發(fā)揮著重要作用[43]，但SDF-1是否介導(dǎo)MAPKs參與IDD有待進(jìn)一步驗(yàn)證。Xiang等[44]發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)CXCR4可激活MAPKs信號(hào)通路，而上調(diào)miR-142-5p可明顯降低CXCR4的表達(dá)，進(jìn)而抑制骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis，OA)軟骨細(xì)胞的凋亡、炎癥反應(yīng)和基質(zhì)分解代謝，并使MAPKs信號(hào)通路失活。由于OA與IDD在形態(tài)及發(fā)病過程中存在許多相似之處，SDF-1與MAPKs在IDD中的作用值得進(jìn)一步深入研究。此外，Zhang等[45]發(fā)現(xiàn)，SDF-1可以劑量依賴的方式上調(diào)基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)1、2、3、9、13的表達(dá)，參與軟骨終板中EMC的降解而導(dǎo)致軟骨終板破裂，進(jìn)而加重IDD，這一過程是否通過MAPKs相關(guān)通路介導(dǎo)有待進(jìn)一步研究。

總之，SDF-1/CXCR4可能通過介導(dǎo)NF-κB和MAPKs通路參與IDD的發(fā)生和發(fā)展，然而，NF-κB與MAPKs是否存在共同通路介導(dǎo)IDD有待進(jìn)一步研究，筆者推測(cè)NF-κB和MAPKs可能分別介導(dǎo)IDD的不同時(shí)期，且可能受SDF-1/CXCR4在不同時(shí)期表達(dá)量的影響；SDF-1/CXCR4與NF-κB家族的5種亞型、MAPKs的3種亞型之間的作用機(jī)制有待深入闡明；SDF-1/CXCR4與IDD相關(guān)細(xì)胞信號(hào)通路如刺猬蛋白、Wnt/β-catenin、Notch及PI3K/Akt等的調(diào)控關(guān)系研究較少，今后可將其作為探尋IDD分子機(jī)制及延緩IDD高效靶點(diǎn)的新的研究方向。

3 SDF-1/CXCR4在椎間盤再生中的作用

目前，IDD的治療方法主要包括手術(shù)治療和非手術(shù)治療，但效果均不理想。新的方法如基因治療、生長(zhǎng)因子注射、干細(xì)胞治療等組織工程方法正在開發(fā)中，以期促進(jìn)椎間盤的再生[46]。SDF-1是一種具有造血干細(xì)胞功能的趨化因子，在組織受損時(shí)，干細(xì)胞從骨髓中被SDF-1招募，參與組織修復(fù)[47]。近年來，SDF-1/CXCR4在調(diào)控以干細(xì)胞為基礎(chǔ)的各種椎間盤再生策略中發(fā)揮了重要作用。

3.1 SDF-1/CXCR4作為椎間盤干細(xì)胞再生的“催化劑” Wei等[48]通過慢病毒轉(zhuǎn)染產(chǎn)生過表達(dá)CXCR4的間充質(zhì)干細(xì)胞(CXCR4-MSCs)，用SPIO標(biāo)記并移植入經(jīng)環(huán)形穿刺誘導(dǎo)的兔變性椎間盤中，結(jié)果顯示，CXCR4-MSCs能夠促使MSCs向SDF-1遷移，致使Aggrecan、COL-Ⅱ mRNA表達(dá)增加，且移植后的椎間盤中SPIO陽性細(xì)胞增多，提示CXCR4過表達(dá)促進(jìn)了MSCs在椎間盤中的滯留，從而減緩了椎間盤的高度喪失；Liu等[49]發(fā)現(xiàn)，將MSCs與髓核干細(xì)胞(nucleus pulposus-derived stem cells，NPSCs)共培養(yǎng)可導(dǎo)致髓核細(xì)胞的機(jī)械模量(彈性模量、松弛模量和瞬時(shí)模量)明顯降低，生物活性(基質(zhì)基因的增殖和表達(dá))明顯增加，而使用AMD3100抑制SDF-1或敲除NPSCs中的CXCR4可消除此作用；Ying等[50]發(fā)現(xiàn)，SDF-1的表達(dá)水平在體外培養(yǎng)的促炎細(xì)胞因子(如IL-1β和TNF-α)誘導(dǎo)間盤細(xì)胞模擬IDD的環(huán)境中明顯上調(diào)，并以劑量依賴的方式增強(qiáng)NPSCs的遷移能力；同時(shí)SDF-1可增加CXCR4的表達(dá)，并刺激CXCR4從細(xì)胞質(zhì)向細(xì)胞膜移位及細(xì)胞骨架重排。軟骨終板干細(xì)胞(cartilage endplate stem cells，CESCs)也具備誘導(dǎo)髓核細(xì)胞再生的潛力，He等[51]發(fā)現(xiàn)，SDF-1在CESCs中高表達(dá)，而CXCR4則在NPSCs中高表達(dá)，將CESCs與NPSCs共培養(yǎng)(1:1)可有效促進(jìn)NPCs的增殖。值得注意的是，這一過程可能是由SDF-1/CXCR4介導(dǎo)ERK1/2信號(hào)通路以旁分泌途徑完成的，提示ERK1/2信號(hào)通路可能是IDD的保護(hù)通路，這與既往觀念相反，因此深入研究SDF-1/CXCR4與ERK1/2通路在IDD中的作用，有望為椎間盤再生提供有效策略。此外，Zhang等[52]發(fā)現(xiàn)，將SDF-1注入椎間盤可能導(dǎo)致軟骨終板退變，但SDF-1可使髓核中的EMC發(fā)生重構(gòu)，從而保留更多的蛋白多糖基質(zhì)密集區(qū)，促進(jìn)髓核再生，表明SDF-1可能是促進(jìn)CESCs向髓核歸巢的有利因素。

3.2 負(fù)載SDF-1在椎間盤再生中的作用 IDD的特征之一是椎間盤細(xì)胞分解/合成代謝不平衡或椎間盤細(xì)胞死亡，從而導(dǎo)致ECM成分降解和水分流失。利用新細(xì)胞重新填充椎間盤可能有助于恢復(fù)組織穩(wěn)態(tài)并延緩IDD進(jìn)展。Pereira等[53]設(shè)計(jì)了一種負(fù)載耐熱多聚透明質(zhì)酸-N-異丙基丙烯酰胺(hyaluronan-poly N-isopropylacrylamide，HAP)的水凝膠并作為趨化劑釋藥系統(tǒng)，研究其在IDD中招募MSCs的潛力，結(jié)果顯示，與僅用HAP處理的椎間盤相比，含SDF-1的HAP水凝膠顯著增加了遷移到髓核切除椎間盤組織中MSCs的數(shù)量。該研究為開發(fā)基于內(nèi)源性細(xì)胞遷移的IDD再生療法提供了新的思路。Pereira等[54]將含有SDF-1(5 ng/ml)的透明質(zhì)酸(HA)傳遞系統(tǒng)(HAPSDF5)注入髓核切除的牛椎間盤中，并將人MSCs接種于對(duì)側(cè)軟骨終板，結(jié)果顯示，HAPSDF5增強(qiáng)了熒光標(biāo)記的MSCs從軟骨終板向椎間盤的遷移能力，此外，COL-Ⅱ的表達(dá)在較早的時(shí)間點(diǎn)即被檢測(cè)到，表明HAPSDF5可通過增加COL-Ⅱ的產(chǎn)生而加速髓核中ECM的重塑。將SDF-1封裝到納米顆粒(nanoparticles，NPS)中是一種前景廣闊的方法，Zhang等[52]以白蛋白/肝素NPS復(fù)合物(albumin/heparin complex nanoparticles，BHNPs)作為SDF-1的注射載體，發(fā)現(xiàn)BHNPs負(fù)載SDF-1可誘導(dǎo)MSCs遷移，且呈劑量依賴性，同時(shí)可增高Sox-9、Aggrecan及COL-Ⅱ mRNA和蛋白的表達(dá)水平，有效誘導(dǎo)纖維環(huán)及髓核再生。

總之，SDF-1/CXCR4通過發(fā)揮趨化和歸巢作用介導(dǎo)MSCs、NPCs、CEPCs向椎間盤遷移及分化，促進(jìn)椎間盤中EMC蛋白、髓核、纖維環(huán)的再生，進(jìn)而改善椎間盤內(nèi)環(huán)境，促進(jìn)椎間盤再生。然而，SDF-1/CXCR4在此過程中是否存在誘發(fā)IDD的作用、SDF-1/CXCR4誘導(dǎo)椎間盤再生的最佳濃度及其毒性、SDF-1/CXCR4在椎間盤再生中的下游敏感通路等仍需深入研究。

4 總結(jié)與展望

IDD是一種成因及表現(xiàn)復(fù)雜，涉及各類椎間盤細(xì)胞、結(jié)構(gòu)及功能改變的病理過程，了解IDD的分子機(jī)制和高效治療靶點(diǎn)具有重要意義。SDF-1在IDD中同時(shí)扮演“敵”和“友”的角色，這可能與IDD的嚴(yán)重程度密切相關(guān)。在IDD早中期，一方面SDF-1協(xié)同VEGF促進(jìn)椎間盤血管再生而調(diào)節(jié)椎間盤營(yíng)養(yǎng)通路及新陳代謝的平衡，甚至使突出的椎間盤自發(fā)重吸收；另一方面，SDF-1還可動(dòng)員和趨化MSCs、NPCc及EPCs，從而提高椎間盤再生效率。在IDD晚期，隨著椎間盤血管化及炎癥反應(yīng)加重，椎間盤內(nèi)環(huán)境嚴(yán)重失衡，SDF-1趨化退變相關(guān)蛋白信號(hào)通路等高表達(dá)，進(jìn)一步加劇IDD，形成椎間盤內(nèi)環(huán)境的惡性循環(huán)。然而，介導(dǎo)SDF-1在IDD中雙重作用的具體分子機(jī)制仍未闡明，這可能與現(xiàn)有的研究方法缺乏晚期IDD動(dòng)物模型等有關(guān)。依據(jù)IDD嚴(yán)重程度，在早中期靶向上調(diào)或在晚期下調(diào)SDF-1的表達(dá)可能是更為有效的IDD治療策略，值得深入研究。