椎間盤生物學(xué)及細(xì)胞表型的研究進(jìn)展

胡義立，吳小濤，王鋒

(1.東南大學(xué) 醫(yī)學(xué)院，江蘇 南京 210009；東南大學(xué)附屬中大醫(yī)院 脊柱外科，江蘇 南京 210009)

椎間盤生物學(xué)及細(xì)胞表型的研究進(jìn)展

胡義立1，吳小濤2，王鋒2

(1.東南大學(xué) 醫(yī)學(xué)院，江蘇 南京 210009；東南大學(xué)附屬中大醫(yī)院 脊柱外科，江蘇 南京 210009)

椎間盤退變是腰背痛的主要原因，研究椎間盤發(fā)育、退變，結(jié)構(gòu)功能以及椎間盤中各種細(xì)胞的特異性標(biāo)志物有助于椎間盤疾病的治療。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，椎間盤起源于脊索，椎間盤退變始于髓核細(xì)胞類型和數(shù)量的改變，同時(shí)也伴隨著纖維環(huán)細(xì)胞和終板軟骨細(xì)胞的改變。髓核細(xì)胞有相對(duì)系統(tǒng)的標(biāo)志物，而纖維環(huán)細(xì)胞和終板軟骨細(xì)胞尚無明確的標(biāo)志物。作者就椎間盤的生物學(xué)特征以及椎間盤內(nèi)各種細(xì)胞標(biāo)志物的研究進(jìn)展作一綜述。

椎間盤； 脊索； 髓核細(xì)胞； 纖維環(huán)細(xì)胞； 終板軟骨細(xì)胞； 細(xì)胞表型； 文獻(xiàn)綜述

據(jù)美國健康統(tǒng)計(jì)中心報(bào)道，85%的人在一生中曾經(jīng)受到腰背痛的困擾。腰背痛是目前45歲以下人群活動(dòng)受限的最常見原因。隨著生活、工作壓力的增大，腰背痛已經(jīng)越來越影響著更多的人，不僅是個(gè)人的生活受限，在很大程度上也造成了經(jīng)濟(jì)損失。

近年的研究發(fā)現(xiàn)，椎間盤退變是腰背痛的主要原因。目前臨床上治療椎間盤疾病包括保守治療及手術(shù)治療，但它們通常只解決臨床癥狀，不能從根本上治療和修復(fù)椎間盤退變的病理基礎(chǔ)。而外科手術(shù)甚至?xí)铀偈中g(shù)椎間盤或者臨近椎間盤的退變。所以，希望通過對(duì)椎間盤的生物學(xué)特征及細(xì)胞表型的研究，找到生物學(xué)治療的方法來修復(fù)椎間盤的退變。

作者對(duì)椎間盤的生物學(xué)特征以及椎間盤內(nèi)各種細(xì)胞標(biāo)志物的研究進(jìn)展作一綜述。

1 椎間盤的生物學(xué)

1.1 椎間盤起源

椎間盤發(fā)育過程中涉及多種物理和化學(xué)反應(yīng)，其中脊索起到重要的作用。脊索是脊柱胚胎發(fā)育的中心[1]，它不僅作為信號(hào)中心調(diào)節(jié)細(xì)胞的活動(dòng)，同時(shí)還是髓核的生發(fā)結(jié)構(gòu)。早期脊索來源于中胚層，是一種軸向桿狀結(jié)構(gòu)，其誘導(dǎo)中胚層腹側(cè)細(xì)胞衍生物向生骨節(jié)細(xì)胞分化，且使分化后的成對(duì)生骨節(jié)細(xì)胞向脊索遷移，形成連續(xù)未分節(jié)的脊索鞘[2]。脊索內(nèi)的細(xì)胞合成蛋白聚糖，使細(xì)胞液泡內(nèi)的滲透壓逐漸升高，導(dǎo)致脊索快速空泡化、脊索內(nèi)部的壓力升高、脊索被拉長拉直，形成脊柱的基礎(chǔ)。脊索繼續(xù)調(diào)節(jié)脊索鞘逐漸分節(jié)，形成椎體和纖維環(huán)，而椎體兩側(cè)形成一層軟骨終板，在纖維環(huán)形成的同時(shí)，脊索和椎體原基相接觸并在椎體間區(qū)逐漸膨脹形成髓核[3]。

1.2 椎間盤結(jié)構(gòu)

椎間盤是由特殊的結(jié)締組織構(gòu)成，連接脊柱兩個(gè)相鄰的椎體，并且在軸向壓力下維持脊柱的各種活動(dòng)和穩(wěn)定。椎間盤是一種軟骨關(guān)節(jié)，由纖維環(huán)(AF)、髓核(NP)和軟骨終板(CEP)3個(gè)結(jié)構(gòu)獨(dú)特、相互依賴的組織組成。椎間盤的功能源于不同細(xì)胞群體組成的特定微觀結(jié)構(gòu)。椎間盤內(nèi)平衡和結(jié)構(gòu)完整性的維持取決于多種因素，包括細(xì)胞對(duì)機(jī)械負(fù)荷的反應(yīng)。纖維環(huán)是一種復(fù)雜的纖維軟骨組織[4]，包繞在椎間盤的外圍。外層纖維環(huán)是由平行的Ⅰ型膠原纖維束構(gòu)成的同心圓結(jié)構(gòu)。每層纖維環(huán)形成一定的角度來適應(yīng)各種應(yīng)力。內(nèi)層纖維環(huán)是外層纖維環(huán)和髓核之間的過渡，與外層纖維環(huán)相比，內(nèi)層纖維環(huán)的基質(zhì)內(nèi)具有更多的Ⅱ型膠原和蛋白聚糖，其獨(dú)特的構(gòu)成能夠抵抗壓力[5]。髓核是由蛋白聚糖和水組成的凝膠狀組織，其通過Ⅱ型膠原和彈性蛋白纖維的不規(guī)則網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)松散地結(jié)合在一起。滲透壓使水流向髓核，水分子通過Ⅱ型膠原的不規(guī)則網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)保存在基質(zhì)中，承受了髓核保持高度和抗壓的負(fù)荷[6]。軟骨終板將椎間盤固定到鄰近的椎體上，并且為椎間盤提供營養(yǎng)[7]。與關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞類似，終板內(nèi)的細(xì)胞富含Ⅱ型膠原蛋白和蛋白多糖。

1.3 椎間盤的受力及功能

脊椎動(dòng)物椎間盤受到壓縮、拉伸、扭轉(zhuǎn)、剪切以及流體流動(dòng)等復(fù)雜的力學(xué)刺激[8]。髓核的主要功能是在承受壓力的情況下使脊椎均勻地負(fù)荷。髓核因其特殊的成分及結(jié)構(gòu)具有可塑性，在壓力下改變形狀，使壓力向各個(gè)方向傳遞。在椎體活動(dòng)中，髓核又起到支點(diǎn)作用，其形態(tài)可隨脊柱作各種運(yùn)動(dòng)時(shí)的重心不同而改變，起著類似軸承一樣滾動(dòng)支撐椎體的作用。例如脊柱前屈時(shí)，髓核的大部分移向椎間盤的后部；脊柱背伸時(shí)，髓核的大部分移向椎間盤的前部；脊柱作旋轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)，髓核的大部分位于中央[9]。

1.4 椎間盤退變

椎間盤的退變是腰背痛的常見原因，但是病因?qū)W研究尚未有準(zhǔn)確的定論，因此沒有具體的標(biāo)準(zhǔn)來區(qū)分正常與退變、老化與適應(yīng)性重塑。Adams等[10]定義，椎間盤退變是一種對(duì)椎間盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行性損壞的、細(xì)胞介導(dǎo)的異常反應(yīng)。椎間盤退變過程被認(rèn)為起源髓核，而髓核最重要的病理學(xué)改變體現(xiàn)在細(xì)胞數(shù)量和活力丟失。Boos等[11]研究表明，早前椎間盤中發(fā)生明顯的細(xì)胞凋亡，隨后出現(xiàn)廣泛的細(xì)胞增殖，凋亡的細(xì)胞不會(huì)被吞噬細(xì)胞吞噬，而是與增殖的細(xì)胞共存，使細(xì)胞密度上升。細(xì)胞密度的上升并不意味著存活的細(xì)胞數(shù)量上升。自從嬰兒出生起，椎間盤的微環(huán)境、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)以及機(jī)械壓力的改變促使著椎間盤細(xì)胞類型發(fā)生改變[12]。椎間盤中脊索細(xì)胞數(shù)量減少使細(xì)胞內(nèi)及細(xì)胞基質(zhì)的蛋白聚糖數(shù)量減少，而纖維成分逐漸增加，椎間盤中纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也在發(fā)生著變化[13]。髓核和纖維環(huán)含水量減少可能是其中蛋白多糖的含量及相關(guān)固定電荷密度減少的結(jié)果，反之又影響了組織的力學(xué)、化學(xué)及電學(xué)特性。隨著退變的發(fā)生，軟骨終板的厚度變得不規(guī)則并出現(xiàn)局灶性缺損，隨之發(fā)生鈣化[14]。膠原成分雖然看起來不受中度或早期椎間盤退變的影響，但Ⅰ型和Ⅱ型膠原的分布卻發(fā)生了變化。發(fā)生退變時(shí)，內(nèi)層纖維環(huán)的Ⅱ型膠原相對(duì)含量減少。隨著退變的進(jìn)展，水分進(jìn)一步丟失，組織密度進(jìn)一步增加，纖維環(huán)受力增加。隨之造成微結(jié)構(gòu)的重建及微結(jié)構(gòu)的破壞增加，進(jìn)一步加劇退變。

2 椎間盤內(nèi)不同細(xì)胞的表型鑒定

2.1 髓核細(xì)胞的表型

2.2 纖維環(huán)細(xì)胞的表型

2.3 軟骨終板的表型

雖然軟骨終板對(duì)于維持椎間盤的健康是至關(guān)重要的，但是其分子特征不夠明顯。目前沒有關(guān)于軟骨終板的轉(zhuǎn)錄圖譜，這可能是由于軟骨終板比髓核、纖維環(huán)小，使得它難以分離。軟骨終板的胞外基質(zhì)含量類似于透明軟骨，因此軟骨終板中的軟骨細(xì)胞被認(rèn)為類似于關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞。然而，軟骨終板內(nèi)的軟骨細(xì)胞不顯示關(guān)節(jié)軟骨的獨(dú)有特征，在這些軟骨組織內(nèi)的細(xì)胞表型的直接比較可以提供不同研究思路。

3 小 結(jié)

在過去10年中，遺傳和生物信息學(xué)方法已經(jīng)使椎間盤生物學(xué)研究取得了巨大的突破。在對(duì)椎間盤的發(fā)育和退變過程的研究中發(fā)現(xiàn)，椎間盤發(fā)源于脊索，脊索細(xì)胞及其分泌的細(xì)胞基質(zhì)在早期髓核發(fā)育過程中發(fā)揮重要的作用，細(xì)胞和細(xì)胞基質(zhì)、分子信號(hào)的改變影響著椎間盤的退變。同時(shí)，許多特異性表達(dá)的基因和蛋白質(zhì)被用來分析調(diào)節(jié)椎間盤退變的分子途徑，也有助于定義促進(jìn)臨床診斷和靶向治療椎間盤退變的標(biāo)志物。盡管本文描述的表型特征能夠區(qū)分椎間盤內(nèi)最主要的組織髓核、纖維環(huán)和軟骨終板細(xì)胞類型，但是椎間盤組織中的異質(zhì)性尚未得到解決。具體來說，更好地理解胚胎和成人椎間盤中脊索細(xì)胞表型的差異、衰老和退變期間髓核細(xì)胞發(fā)生的變化，或內(nèi)層和外層纖維環(huán)細(xì)胞之間的表型差異，將有助于發(fā)現(xiàn)常見椎間盤病變的治療靶點(diǎn)。

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國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(81572170)

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