線粒體功能障礙在椎間盤退變中的作用*

陳勝 陳明玨 林嗣雄，3 曹惠玲 邵增務(wù)肖國芝

下腰痛（low back pain，LBP）一般是指位于下位肋骨邊緣和臀部折痕之間的疼痛，嚴重影響了人們的生活質(zhì)量，給社會經(jīng)濟造成了沉重的負擔(dān)。據(jù)流行病學(xué)調(diào)查，LBP 的平均總患病率為31.0%，終生患病率為38.9%[1]，在傷殘損失壽命年影響因素中排名第一[2]。對高收入國家疾病費用進行統(tǒng)計分析表明，治療LBP 的總花費與其他常見的花費巨大的疾病相當(dāng)，如癌癥、心血管疾病、自身免疫性疾病和精神疾病等[3]。椎間盤退變（intervertebral disc degeneration，IDD）與LBP 的發(fā)生密切相關(guān)，被認為是導(dǎo)致LBP 的主要影響因素之一[4]。因此，研究和闡明IDD 的分子機制有助于LBP 的治療。在過去幾十年里，研究者發(fā)現(xiàn)線粒體功能障礙可以導(dǎo)致細胞和器官功能失調(diào)，進而導(dǎo)致一系列人類疾病，揭示了線粒體在人類健康中的重要作用[5]。近年來，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，線粒體功能障礙參與了IDD 的發(fā)生發(fā)展，線粒體在維持椎間盤穩(wěn)態(tài)中具有重要作用[6-7]。因此，本文旨在結(jié)合相關(guān)的研究報道和最新的見解，對線粒體功能障礙相關(guān)的分子機制在IDD 中的作用進行綜述，并對將線粒體作為治療椎間盤退變靶點進行了展望。

1 椎間盤的生物學(xué)特征

正常的椎間盤是一種纖維軟骨樣的結(jié)構(gòu)，位于脊柱上下椎體之間，被肌肉和韌帶包圍[8]。在人體內(nèi)，從C2-3到L5-S1共23 塊椎間盤，起著緩沖肌肉緊張和身體重量對脊柱施加壓力的作用，為脊柱提供穩(wěn)定性和多軸靈活性。椎間盤是一種乏血供的器官，主要由中央的髓核，外周的纖維環(huán)和上、下軟骨終板（軟骨終板與鄰近的軟骨下板在概念上容易混淆，見圖1）三部分組成[9]。椎間盤的每一部分都有區(qū)域特異的原位椎間盤細胞（如髓核細胞、纖維環(huán)細胞等），這些細胞可以合成和分泌細胞外基質(zhì)，參與椎間盤穩(wěn)態(tài)的維持。由于椎間盤特殊的結(jié)構(gòu)組成，椎間盤內(nèi)呈現(xiàn)的是過度壓力、高滲、低pH 和營養(yǎng)缺乏的不利微環(huán)境。這些不利因素誘導(dǎo)椎間盤細胞衰老、促進細胞死亡、激活炎癥反應(yīng)、破壞細胞外基質(zhì)分解/合成平衡，最終導(dǎo)致IDD。然而，其中的具體機制還沒有完全闡明[10]。

2 線粒體的結(jié)構(gòu)和功能

線粒體作為真核細胞的能量供應(yīng)中心，在ATP 和許多其他生物合成中間物的生產(chǎn)中起著關(guān)鍵作用，并參與構(gòu)建了細胞應(yīng)激反應(yīng)中相互串?dāng)_的信號通路[5，11]。線粒體由組成和功能不同的線粒體外膜（mitochondrial outer membrane，MOM）和線粒體內(nèi)膜（mitochondrial inner membrane，MIM）分為兩個間隔，膜間隙（intermembrane space，IMS）和基質(zhì)。MOM 含有多種孔蛋白、膜轉(zhuǎn)運蛋白和酶，這些成分為MOM 內(nèi)外的溝通奠定基礎(chǔ)，也支持了其作為信號平臺的諸多功能，如調(diào)節(jié)代謝、活性氧（reactive oxygen species，ROS）的產(chǎn)生和釋放、Ca2+穩(wěn)態(tài)、線粒體自噬和細胞死亡等[12]。MIM 由于折疊多次形成了線粒體嵴結(jié)構(gòu)，顯著擴大了膜的面積。MIM 主要含有調(diào)控氧化磷酸化和ATP 合成的電子傳遞鏈（electron transport chain，ETC）蛋白復(fù)合物，以及轉(zhuǎn)運蛋白和調(diào)節(jié)線粒體動力學(xué)的蛋白。IMS 是位于MOM 和MIM 之間的間隙，參與了蛋白加工、蛋白降解以及MIM 和細胞質(zhì)之間代謝物的轉(zhuǎn)運。線粒體基質(zhì)也稱為線粒體內(nèi)腔，是MIM 包繞形成的線粒體內(nèi)部間隙。線粒體基質(zhì)主要含有線粒體DNA、有機小分子、離子以及三羧酸循環(huán)和其他代謝通路的酶。

3 線粒體功能障礙與IDD

3.1 線粒體功能障礙導(dǎo)致的氧化應(yīng)激在IDD 中的作用

氧化應(yīng)激是指細胞內(nèi)ROS 水平明顯超過生理閾值的一種狀態(tài)，在IDD 的發(fā)生發(fā)展中起著重要作用[13]。ROS 是一類含氧的高效化學(xué)反應(yīng)性氧化劑，包括過氧化氫（H2O2）、超氧化物陰離子自由基（·O2-）、羥自由基（·OH）和單態(tài)氧（1O2）。在生理狀態(tài)下，ROS 的產(chǎn)生主要是線粒體由狀態(tài)Ⅲ向狀態(tài)Ⅳ轉(zhuǎn)換中高氧的環(huán)境和高還原態(tài)的呼吸鏈使大量電子漏出并還原氧分子而形成的[14]。在椎間盤中，不利微環(huán)境可以導(dǎo)致椎間盤細胞內(nèi)線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔（mitochondrial permeabilitytransitionpore，MPTP）開放、線粒體膜電位（mitochondrial membrane potential，MMP）降低，使得小分子物質(zhì)大量進入線粒體內(nèi)膜，引起線粒體腫脹、線粒體嵴消失、呼吸鏈受損，最終導(dǎo)致線粒體功能障礙。功能發(fā)生障礙的線粒體會漏出大量的電子，促使椎間盤細胞內(nèi)ROS 增加，過度增加的ROS 反過來還會促進線粒體功能障礙，使ROS 產(chǎn)生進一步增多，形成惡性循環(huán)[15]。目前已有報道，壓力[16]、高糖[17]、高滲[18]和血清剝奪[19]等不利微環(huán)境都會導(dǎo)致椎間盤細胞內(nèi)線粒體功能障礙，使椎間盤細胞內(nèi)線粒體ROS 過度增加。椎間盤內(nèi)過度增加的ROS會對椎間盤細胞造成氧化應(yīng)激損傷（見圖2），可表現(xiàn)為：①細胞增殖減慢，細胞周期阻滯，衰老相關(guān)分泌表型（TNF-、IL-1、IL-6 和IL-8 等）表達升高，p53/p21 和p16/Rb 通路激活，細胞發(fā)生衰老[18]；②NLRP3 炎癥小體激活，IL-1 釋放增多，加劇炎癥反應(yīng)[20]；③細胞發(fā)生線粒體動力學(xué)改變、死亡[21]；④細胞外基質(zhì)合成和分解平衡被破壞[15]。由此可見，在治療IDD 的過程中，我們可以通過改善線粒體功能，減少氧化應(yīng)激損害。

3.2 線粒體途徑的細胞凋亡在IDD 中的作用

細胞凋亡是一種程序性細胞死亡方式，表現(xiàn)為細胞皺縮、核固縮、DNA 斷裂和凋亡小體形成。細胞凋亡主要分為線粒體途徑的細胞凋亡（也稱為內(nèi)源性途徑的細胞凋亡）和外源性途徑的細胞凋亡[22]。線粒體途徑的細胞凋亡是不利微環(huán)境導(dǎo)致椎間盤細胞死亡的一種主要死亡方式[16]。在各種刺激作用下，線粒體上的抗凋亡Bcl-2 蛋白表達下降，促凋亡唯BH3 域蛋白活化，促凋亡Bax 和Bak 蛋白寡聚化，線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔開放，細胞色素C 釋放。從線粒體釋放出的細胞色素C 與凋亡蛋白酶激活因子1 結(jié)合并誘導(dǎo)凋亡復(fù)合體形成，隨后caspase-9 被招募激活并進一步激活caspase-3/7，最終導(dǎo)致細胞凋亡。文獻報道，椎間盤內(nèi)異常的應(yīng)力[23]、糖基化終末產(chǎn)物[24]、高糖[25]和炎癥[26]等都會造成線粒體途徑的細胞凋亡（見圖2）。筆者前期的實驗也證明了線粒體途徑的細胞凋亡在椎間盤退變中起著重要作用，但是同時還發(fā)現(xiàn)抑制凋亡并不能很好地抑制不利刺激因素造成的椎間盤細胞死亡[27]。近期的一些實驗證據(jù)表明，椎間盤退變過程中還存在其他細胞死亡方式，包括壞死性凋亡[28]、焦亡[29]和鐵死亡[30]。因此，找到能聯(lián)合調(diào)控多種細胞死亡的靶點可能是治療IDD 的一種有效方法。

3.3 線粒體自噬在IDD 中的作用

線粒體自噬指在不利因素刺激下，線粒體受到損傷、功能發(fā)生障礙，細胞中的自噬小體特異性地識別和包被受損的線粒體，并與溶酶體融合形成自噬溶酶體，最終被降解的過程（見圖2）。線粒體自噬根據(jù)自噬體識別途徑的不同可分為：①由泛素介導(dǎo)的自噬，主要由PINK1/Parkin 通路參與；②由線粒體自噬受體蛋白介導(dǎo)的自噬，主要由BINP3/NIX、FUNDC1 蛋白參與[31]。線粒體自噬在IDD 的發(fā)生發(fā)展中起到雙刃劍的作用：一方面，適當(dāng)?shù)木€粒體自噬激活有利于椎間盤細胞穩(wěn)態(tài)的維持。研究發(fā)現(xiàn)，血紅素氧合酶-1 可以通過激活線粒體自噬抑制人髓核細胞發(fā)生的復(fù)制性衰老[32]，尿石素A 可以通過激活線粒體自噬抑制叔丁基過氧化氫誘導(dǎo)的髓核細胞凋亡[33]。另一方面，線粒體自噬的過度激活可促進IDD 的進展。筆者的研究發(fā)現(xiàn)，過度的壓力可以通過激活線粒體自噬導(dǎo)致髓核細胞發(fā)生衰老[34]。Xu 等[35]的實驗結(jié)果表明，氧化應(yīng)激可以通過提高線粒體自噬水平誘導(dǎo)人髓核細胞發(fā)生凋亡。有研究證實，氧化應(yīng)激中大量的ROS可以通過PI3K-AKT-mTOR 和MAPK 通路過度激活自噬[36]。而在過度的自噬中，caspase-8 激活上調(diào)以及凋亡蛋白抑制因子降解增多可誘導(dǎo)細胞凋亡的產(chǎn)生[37]。因此，在未來的實驗中，筆者需要深入探討線粒體自噬相關(guān)的分子機制，并對其做到精準調(diào)控，這將有助于加強對IDD 病因的理解和相關(guān)治療靶點的開發(fā)。

3.4 線粒體分裂/融合失衡在IDD 中的作用

線粒體是一個高度活躍的細胞器，在環(huán)境刺激下會發(fā)生分裂、融合和自噬等變化，這些過程統(tǒng)稱為線粒體動力學(xué)[38]。其中，線粒體分裂和融合失衡在心血管疾病、腫瘤等多種疾病的發(fā)生發(fā)展中起著重要作用[39]。研究已證實有許多蛋白介導(dǎo)線粒體分裂和融合的過程，Drp1、Mff 和Fis1 蛋白主要參與線粒體分裂，Mfn1、Mfn2 和Opa1 蛋白主要參與線粒體融合[40]。有研究報道，過度的壓力可導(dǎo)致髓核細胞線粒體分裂/融合失衡，表現(xiàn)為線粒體融合相關(guān)蛋白Mfn1、Mfn2和Opa1 表達降低，線粒體分裂相關(guān)蛋白Drp1、Mff 和Fis1表達升高，最終引起線粒體功能障礙[41]。Madhu 等[7]發(fā)現(xiàn)在低氧條件下，髓核細胞Drp1 蛋白表達升高，線粒體分裂增加。筆者最近的研究也發(fā)現(xiàn)Drp1 介導(dǎo)的線粒體分裂參與了氧化低密度脂蛋白導(dǎo)致的纖維環(huán)細胞凋亡[42]。Chen 等[43]報道Mfn2 在人退變的椎間盤組織中表達降低，過表達Mfn2可以通過調(diào)節(jié)自噬緩解氧化應(yīng)激對髓核細胞造成的損傷、延緩IDD。這些證據(jù)表明，壓力等導(dǎo)致的椎間盤細胞線粒體分裂/融合失衡，可通過調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激、凋亡和自噬，促進IDD的進展（見圖2）。椎間盤內(nèi)其他不利微環(huán)境是否也可以通過影響線粒體分裂/融合平衡進而引起IDD 目前還不清楚，需要深入研究。

圖2 線粒體功能障礙在IDD 中的作用示意圖

4 以線粒體為靶點治療IDD 的展望

目前，IDD 的治療主要包括臥床休息、物理治療、藥物對癥治療和手術(shù)治療，這些治療手段都不能從根本上逆轉(zhuǎn)退變的椎間盤組織。根據(jù)線粒體功能障礙促進IDD 進展的相關(guān)分子機制，可以考慮從以下幾個方面進行治療干預(yù)：①抑制過多的線粒體ROS。有研究報道TIGAR 分子可以通過提高NADPH/NADP+和還原型/氧化型谷胱甘肽的比例抑制髓核細胞線粒體ROS 產(chǎn)生，減輕氧化應(yīng)激對髓核細胞的損傷[44]。除了相關(guān)藥物開發(fā)，還可以考慮將線粒體ROS 清除劑和生物材料進行結(jié)合，實現(xiàn)精準、高效和長期的椎間盤內(nèi)ROS清除效果。②抑制線粒體途徑的凋亡。例如，淫羊藿苷可以通過升高Bcl-2 表達、降低Bax 表達抑制氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的髓核細胞凋亡，緩解IDD 進展[45]。③調(diào)節(jié)線粒體自噬。有研究發(fā)現(xiàn)褪黑素可以通過激活線粒體自噬抑制髓核細胞凋亡，抑制細胞外基質(zhì)分解[46]。此外，可以針對凋亡和自噬之間串?dāng)_的相關(guān)靶點開發(fā)藥物，實現(xiàn)聯(lián)合調(diào)控，這可能是修復(fù)IDD 的一個良好策略。④調(diào)節(jié)線粒體分裂/融合。例如，米托蒽醌可以改善過度壓力造成的線粒體分裂/融合失衡，進而治療IDD[41]。⑤其他如干細胞治療，通過細胞間線粒體轉(zhuǎn)移提供正常的線粒體或干細胞分泌外泌體、細胞因子等改善線粒體功能障礙[47-48]?？傊诰€粒體功能在椎間盤穩(wěn)態(tài)中的重要作用，將線粒體作為靶點治療IDD 可能會成為一個非常具有前景的研究方向。

5 總結(jié)

在椎間盤不利微環(huán)境下，椎間盤細胞發(fā)生線粒體功能障礙，功能障礙的線粒體通過調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激、細胞死亡、線粒體自噬、線粒體分裂/融合及其之間的相互串?dāng)_，引起椎間盤細胞死亡、基質(zhì)穩(wěn)態(tài)破壞和炎癥反應(yīng)，最終促進IDD 的發(fā)生和進展。在未來的研究中，對IDD 中相關(guān)線粒體分子機制的深入探討及針對靶點進行治療干預(yù)，將會使我們對IDD 疾病的認識進入一個新階段。