神經(jīng)肽Y在椎間盤(pán)退變發(fā)病機(jī)制中的作用△

李 凡，謝瑋鑫，李展春

（上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院骨科，上海200127）

椎間盤(pán)退變是指椎間盤(pán)組織結(jié)構(gòu)的退行性改變，表現(xiàn)為脊柱穩(wěn)定性喪失、分子生物學(xué)與生物力學(xué)改變，被認(rèn)為是退變性脊柱疾病的始動(dòng)因素與病理基礎(chǔ)，它可以繼發(fā)性的導(dǎo)致椎間盤(pán)突出、椎管狹窄、腰椎退變性側(cè)凸以及下腰痛等疾病。隨著人口老齡化及工作生活方式的轉(zhuǎn)變，椎間盤(pán)退變性疾病的發(fā)病率持續(xù)增加，極大地影響了患者的生活質(zhì)量［1］，然而椎間盤(pán)退變的分子機(jī)制尚不明確。近年來(lái)，越來(lái)越多的研究表明神經(jīng)肽Y（neuropeptide Y,NPY）在椎間盤(pán)退變的發(fā)病機(jī)制起重要作用。本文就NPY在椎間盤(pán)退變病理過(guò)程的作用進(jìn)行綜述，旨在為退變性脊柱疾病的防治提供新的視角。

1 NPY在椎間盤(pán)退變中的表達(dá)

NPY是一種由36個(gè)氨基酸組成的神經(jīng)肽類物質(zhì)，其廣泛分布在哺乳動(dòng)物的中樞與外周交感神經(jīng)系統(tǒng)以及組織器官中，通過(guò)與其受體結(jié)合參與機(jī)體生理功能的調(diào)節(jié)。NPY受體包含了Y1R、Y2R、Y5R等多種亞型，這些受體介導(dǎo)了不同的生物學(xué)功能。生理狀態(tài)下，NPY免疫陽(yáng)性神經(jīng)纖維廣泛分布于椎體、椎間盤(pán)、脊柱韌帶中，并且在纖維環(huán)外層分布最多，髓核中無(wú)分布［2］。隨著椎間盤(pán)退變的發(fā)生，椎間盤(pán)纖維環(huán)深層和髓核出現(xiàn)神經(jīng)侵入。研究報(bào)道，在人類突出椎間盤(pán)組織中觀察到交感神經(jīng)侵入到中央的髓核組織，并在髓核中檢測(cè)到大量的NPY表達(dá)［3］。作者前期的研究表明在椎間盤(pán)退變大鼠模型中，椎間盤(pán)組織中的NPY表達(dá)升高，Y1R的表達(dá)明顯下降，Y2R的表達(dá)無(wú)變化，并發(fā)現(xiàn)NPY可能通過(guò)外周Y1R參與椎間盤(pán)源性腰痛的發(fā)生［4］。因此，推測(cè)椎間盤(pán)中NPY的增加及其受體的表達(dá)變化與椎間盤(pán)退變的發(fā)生密切相關(guān)。

2 NPY參與椎間盤(pán)退變的發(fā)病機(jī)制

椎間盤(pán)中的細(xì)胞外基質(zhì)穩(wěn)態(tài)、細(xì)胞穩(wěn)態(tài)、能量代謝穩(wěn)態(tài)及免疫穩(wěn)態(tài)是實(shí)現(xiàn)椎間盤(pán)正常生理功能的關(guān)鍵。椎間盤(pán)退變的基本病理改變表現(xiàn)為細(xì)胞外基質(zhì)的合成分解代謝失衡、功能性椎間盤(pán)細(xì)胞的數(shù)量減少、氧化應(yīng)激損傷、新生血管的侵入以及免疫細(xì)胞浸潤(rùn)等。椎間盤(pán)退變的機(jī)制錯(cuò)綜復(fù)雜，以上各種病理機(jī)制之間相互作用，最終導(dǎo)致椎間盤(pán)退變。椎間盤(pán)細(xì)胞外基質(zhì)代謝失衡破壞了細(xì)胞生存的微環(huán)境；細(xì)胞數(shù)量與表型的改變?cè)黾恿嘶|(zhì)降解酶和促炎介質(zhì)的積累；氧化應(yīng)激損傷了細(xì)胞外基質(zhì)代謝穩(wěn)態(tài)與細(xì)胞穩(wěn)態(tài)；新生血管的形成不僅改變了椎間盤(pán)的正常低氧環(huán)境，也破壞了椎間盤(pán)的免疫赦免狀態(tài)。因此，NPY很可能參與了椎間盤(pán)退變的以上病理過(guò)程。因此，通過(guò)靶向調(diào)節(jié)NPY的生物學(xué)活性，可能作為延緩椎間盤(pán)退變的有效途徑。

2.1 NPY對(duì)椎間盤(pán)細(xì)胞外基質(zhì)代謝的影響

正常情況下，椎間盤(pán)細(xì)胞可以合成分泌多種基質(zhì)成分，基質(zhì)的合成與分解代謝處于平衡，并提供應(yīng)力支撐與穩(wěn)定的細(xì)胞生存微環(huán)境。椎間盤(pán)細(xì)胞數(shù)量與表型的改變以及氧化應(yīng)激促進(jìn)了基質(zhì)的分解代謝，破壞了基質(zhì)穩(wěn)態(tài)。細(xì)胞外基質(zhì)主要由II型膠原、蛋白多糖等構(gòu)成?；|(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinases,MMPs）與蛋白多糖酶（a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs,ADAMTs）分別是降解II型膠原和蛋白多糖的關(guān)鍵酶。在退變的椎間盤(pán)組織中，MMPs與ADAMTs等基質(zhì)分解酶的活性增加，導(dǎo)致了膠原構(gòu)成改變與蛋白多糖丟失。有研究發(fā)現(xiàn)NPY可以通過(guò)與小腸細(xì)胞表面Y1R結(jié)合激活MMP-3，從而減弱細(xì)胞外基質(zhì)-基底膜相互作用［5］。此外，Y1R缺失的成骨細(xì)胞體外跨基質(zhì)遷移實(shí)驗(yàn)證實(shí)NPY/Y1R可以激活MMP-9［6］。體外研究表明，外源性的NPY可以增加正常的人關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞中MMP-3，13與ADAMTS-5的表達(dá)，參與了軟骨基質(zhì)中II型膠原和蛋白多糖的過(guò)度降解，而椎間盤(pán)細(xì)胞與關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的表型類似［7］。以上研究提示NPY可能增加MMPs與ADAMTs的表達(dá)，加速椎間盤(pán)退變。

NPY可能參與炎癥因子IL-1β誘導(dǎo)的椎間盤(pán)細(xì)胞外基質(zhì)代謝失衡。椎間盤(pán)細(xì)胞自身分泌大量的炎性細(xì)胞因子是椎間盤(pán)退變的重要特征之一，如IL-1β、IL-6與TNF-α等［8］，其中IL-1β被認(rèn)為是椎間盤(pán)慢性炎癥反應(yīng)形成的中心環(huán)節(jié)，它可以調(diào)控MMPs與ADAMTs的生成，加速基質(zhì)降解。Hernanz等［9］的研究結(jié)果表明NPY可以刺激外周血IL-1β和TNF-α的產(chǎn)生。另外，F(xiàn)erreira等［10］報(bào)道NPY激活小膠質(zhì)細(xì)胞表面的Y1R間接通過(guò)抑制一氧化氮合成，影響IL-1β的釋放。NPY可能是IL-1β上游的關(guān)鍵調(diào)控分子，降低NPY的表達(dá)可以抑制中樞神經(jīng)系統(tǒng)IL-1β的水平［11］。此外，ROS介導(dǎo)的NLRP3/IL-1β炎癥小體信號(hào)通路過(guò)度激活與椎間盤(pán)退變密切相關(guān)［12］，而NPY可以增加細(xì)胞ROS的生成［13］，這表明NPY可能對(duì)椎間盤(pán)細(xì)胞分泌IL-1β起到促進(jìn)作用。

2.2 NPY對(duì)椎間盤(pán)細(xì)胞凋亡的影響

椎間盤(pán)細(xì)胞可以合成和分泌基質(zhì)成分，并抑制炎癥反應(yīng)，維持椎間盤(pán)的正常生理功能。細(xì)胞外基質(zhì)代謝失衡與氧化應(yīng)激可以引起椎間盤(pán)細(xì)胞的數(shù)量下降及功能減退，特別是凋亡與自噬，被認(rèn)為是椎間盤(pán)退變的重要原因之一［14］。近年來(lái)，NPY由于在退變性疾病過(guò)程中調(diào)節(jié)凋亡與自噬的作用而備受關(guān)注。NPY參與了細(xì)胞多種凋亡途徑。線粒體損傷途徑與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激途徑異常激活介導(dǎo)的椎間盤(pán)細(xì)胞凋亡在椎間盤(pán)退變的過(guò)程中扮演了重要角色［15］。線粒體損傷途徑中，細(xì)胞p53上調(diào)介導(dǎo)線粒體中細(xì)胞色素C釋放，從而激活caspase級(jí)聯(lián)反應(yīng)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。研究發(fā)現(xiàn)退變椎間盤(pán)組織中 p53的表達(dá)增高［16］。Sirotkin等［17］研究顯示生理劑量的NPY明顯上調(diào)了卵巢細(xì)胞中p53的水平，促進(jìn)了Bcl-2的表達(dá)。另外，NPY被證實(shí)可以損傷心肌細(xì)胞的線粒體膜結(jié)構(gòu)［18］，這可能與NPY的促凋亡作用有關(guān)。Lee［19］報(bào)道NPY自身可能對(duì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激傳感器的激活沒(méi)有影響，但NPY可以通過(guò)激活下游PI3K途徑抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡。NPY/Y1R信號(hào)通路激活可以增強(qiáng)自噬［20］，這很可能與Y1R下游的PI3K信號(hào)通路激活有關(guān)［19，21］。PI3K及下游AKt分子的激活被證實(shí)抑制了椎間盤(pán)細(xì)胞凋亡，并誘導(dǎo)或促進(jìn)自噬，對(duì)椎間盤(pán)退變起保護(hù)作用［22］。

在細(xì)胞表型上，纖維環(huán)細(xì)胞與髓核細(xì)胞被認(rèn)為是一種類軟骨細(xì)胞。軟骨終板中也含有大量的軟骨細(xì)胞。ATDC5細(xì)胞是常用的小鼠成軟骨細(xì)胞系細(xì)胞。Chen等［23］以ATDC5細(xì)胞為模型，證實(shí)了NPY可以通過(guò)Y1R顯著促進(jìn)軟骨細(xì)胞的增殖與分化。提示NPY可能參與椎間盤(pán)細(xì)胞的增殖，這與退變椎間盤(pán)組織中細(xì)胞簇的形成有關(guān)。

2.3 NPY對(duì)椎間盤(pán)氧化應(yīng)激的影響

氧化應(yīng)激介導(dǎo)的椎間盤(pán)結(jié)構(gòu)和功能損傷是椎間盤(pán)退變的主要病理特征之一。正常椎間盤(pán)維持低氧環(huán)境，新生血管的形成可能破壞低氧穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致氧化應(yīng)激。氧化應(yīng)激不僅增強(qiáng)了椎間盤(pán)基質(zhì)的降解與椎間盤(pán)細(xì)胞的促炎表型，也誘導(dǎo)了功能性細(xì)胞的數(shù)量減少［24］。細(xì)胞線粒體中活性氧（reactive oxygen species,ROS）的產(chǎn)生與清除狀態(tài)失衡，直接導(dǎo)致了氧化應(yīng)激損傷。

NPY與線粒體中ROS的過(guò)量產(chǎn)生密切相關(guān)。體外研究證實(shí)，NPY增加了巨噬細(xì)胞與中性粒細(xì)胞中ROS 的生成［25］。Shin 等［13］報(bào)道 NPY 誘導(dǎo)了前體脂肪細(xì)胞中ROS的產(chǎn)生，并且Y1R、Y2R和Y5R拮抗劑均有效阻斷了NPY的效應(yīng)。NPY促進(jìn)細(xì)胞ROS生成的作用與NPY調(diào)控線粒體功能密切相關(guān)。線粒體呼吸鏈損傷與細(xì)胞內(nèi)鈣超載是ROS產(chǎn)生的重要來(lái)源之一，NPY具有解偶聯(lián)氧化磷酸化及阻斷線粒體鈣攝取的作用［26］。Luo 等［18］發(fā)現(xiàn) NPY 以劑量依賴性的方式損傷心肌細(xì)胞的線粒體結(jié)構(gòu)與膜電位，抑制細(xì)胞能量代謝，這可能導(dǎo)致ROS的過(guò)度積累。SIRT1是調(diào)節(jié)線粒體ROS穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵調(diào)控因子，NPY通過(guò)激活Y1R可以抑制下游CREB-SIRT1信號(hào)通路［26］，提示SIRT1可能作為NPY促進(jìn)ROS產(chǎn)生的重要介質(zhì)。目前，尚未有研究報(bào)道NPY可以調(diào)控椎間盤(pán)細(xì)胞內(nèi)ROS的穩(wěn)態(tài)。通過(guò)調(diào)控NPY的表達(dá)可能調(diào)節(jié)椎間盤(pán)細(xì)胞的ROS穩(wěn)態(tài)，從而減輕氧化應(yīng)激損傷，作為椎間盤(pán)退變的有效治療途徑。

2.4 NPY對(duì)椎間盤(pán)血管生成的影響

目前，諸多研究認(rèn)為椎間盤(pán)中新生血管的形成與椎間盤(pán)退變的程度密切相關(guān)。新生血管的長(zhǎng)入加速了椎間盤(pán)退變，一方面血管浸潤(rùn)增加了椎間盤(pán)中炎癥因子的水平，滿足了基質(zhì)降解酶激活所需的條件，促進(jìn)了基質(zhì)的分解代謝［6］，另一方面于新生血管使得其周圍區(qū)域內(nèi)氧張力升高，破壞了椎間盤(pán)細(xì)胞所處的低氧環(huán)境，誘導(dǎo)了氧化應(yīng)激損傷［28］。此外，血管形成不僅增加了纖維環(huán)的裂隙，也與免疫細(xì)胞的浸潤(rùn)有關(guān)。

NPY是一種強(qiáng)烈的促血管生成的神經(jīng)遞質(zhì)。Zukowska等［29］報(bào)道NPY在體外激活Y1R與Y2R，促進(jìn)了人血管內(nèi)皮細(xì)胞的粘附、遷移、增殖及毛細(xì)血管的形成，并且主要由Y2R介導(dǎo)。研究表明，Y2R缺失的大鼠非缺血性肌肉血管明顯減少［30］，這與阻斷NPY的促血管生成效應(yīng)有關(guān)，而Y1R拮抗劑的抑制作用較弱，并且刺激Y5R也觀察到缺血性血管再生。值得注意的是，NPY也誘導(dǎo)了相關(guān)促血管生成受體的表達(dá)。Robich等［31］觀察到使用NPY預(yù)處理后，新生血管鄰近組織中Y1R、Y2R與Y5R的表達(dá)顯著上調(diào)。NPY的促血管生成效應(yīng)可能與激活Y2R下游的血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（vascular endothelial grown factor,VEGF）有關(guān)。VEGF具有促血管生成活性，可以通過(guò)誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞的增殖及遷移促進(jìn)血管生成，其在退變椎間盤(pán)組織中高表達(dá)［16］。Alasvand等［32］發(fā)現(xiàn)單獨(dú)使用NPY拮抗劑或Y2R拮抗劑均可以顯著降低血清VEGF的濃度，升高VEGF受體-1的濃度。此外，NPY也可能通過(guò)降低血管生成抑制因子如內(nèi)皮抑素與血管抑素的表達(dá)及分泌，刺激血管生成［31］。這些研究提示NPY可能通過(guò)Y2R調(diào)節(jié)VEGF介導(dǎo)的血管生成，參與椎間盤(pán)退變的發(fā)病。

2.5 NPY對(duì)椎間盤(pán)免疫穩(wěn)態(tài)的影響

椎間盤(pán)是被認(rèn)為是一個(gè)免疫赦免器官。正常生理狀態(tài)下，具有免疫原性的椎間盤(pán)組織依靠物理屏障及自身主動(dòng)清除免疫細(xì)胞的功能，維持免疫穩(wěn)態(tài)，當(dāng)這種免疫赦免狀態(tài)被打破后，免疫細(xì)胞聚集浸潤(rùn)在椎間盤(pán)內(nèi)部，引發(fā)強(qiáng)烈的自身免疫反應(yīng)，導(dǎo)致椎間盤(pán)退變［33］?；|(zhì)過(guò)度降解導(dǎo)致纖維環(huán)裂隙增加以及新生血管侵入均可能破壞椎間盤(pán)對(duì)免疫系統(tǒng)的物理屏障。近年來(lái)，神經(jīng)-免疫系統(tǒng)的相互作用為疾病機(jī)制的研究提供了新認(rèn)識(shí)，諸多研究表明NPY具有免疫調(diào)節(jié)的生物學(xué)活性。人體多種免疫細(xì)胞上廣泛存在Y1R，如T細(xì)胞、B細(xì)胞及巨噬細(xì)胞等，NPY可以通過(guò)Y1R調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞的功能及凋亡［34］，椎間盤(pán)組織中高水平的NPY可能促進(jìn)了免疫細(xì)胞的活化，破壞了椎間盤(pán)的免疫穩(wěn)態(tài)，從而加速椎間盤(pán)的退變。

3 展望

綜上所述，NPY可能參與了椎間盤(pán)退變的發(fā)病機(jī)制，包括調(diào)節(jié)椎間盤(pán)細(xì)胞外基質(zhì)降解、細(xì)胞凋亡與自噬、氧化應(yīng)激、新生血管生成以及免疫穩(wěn)態(tài)等。針對(duì)NPY生物學(xué)活性的調(diào)節(jié)有望作為預(yù)防和治療椎間盤(pán)退變的潛在靶點(diǎn)。探討NPY對(duì)椎間盤(pán)退變的影響有助于更好地認(rèn)識(shí)和理解椎間盤(pán)退變的病理機(jī)制，并為退變性脊柱疾病的防治提供新的思路。