機械應力與生物因子在腰椎黃韌帶肥厚過程中作用的研究進展▲

梁雄欽 陳 鋒 范曉茜 高 森 楊新強 陸佳辰

(廣西中醫(yī)藥大學附屬瑞康醫(yī)院脊柱外科，南寧市 530000，電子郵箱：1072273461@qq.com)

【提要】 腰椎椎管狹窄癥是下腰痛的主要病因之一，多發(fā)于老年患者，而黃韌帶肥厚是引起腰椎椎管狹窄癥的重要原因。現(xiàn)代醫(yī)學研究表明，黃韌帶肥厚涉及多種生物因子及分子信號通路，但具體機制尚未完全清楚，而機械應力、炎癥反應在黃韌帶肥厚過程中起至關(guān)重要的作用。本文就機械應力及生物因子在黃韌帶肥厚過程中的作用做一綜述。

一項關(guān)于全球疾病經(jīng)濟負擔的研究顯示，下腰痛的經(jīng)濟負擔等級從1990年的第11位上升到2010年的第6位[1]，而腰椎椎管狹窄癥是下腰痛的主要病因之一。腰椎椎管狹窄癥是指由各種原因引起的纖維組織增生肥厚或骨質(zhì)增生，導致椎管或神經(jīng)根管狹窄，刺激或壓迫由此通過的脊神經(jīng)根或馬尾神經(jīng)而出現(xiàn)以間歇性跛行、腰腿疼痛及麻木為主要臨床表現(xiàn)的綜合征[2]。研究表明，黃韌帶肥厚是引起腰椎管狹窄的主要病理生理機制之一[3]。目前已有眾多學者對黃韌帶增生肥厚的病理生理機制進行了相關(guān)的研究，其中以機械應力、局部炎癥反應等分子機制及信號通路的研究報告較多，但目前尚未完全清楚其具體的分子信號傳導通路及基因調(diào)控靶點。本文就機械應力及生物因子在黃韌帶肥厚過程中的作用做一綜述。

1 黃韌帶肥厚的病理特征

正常的黃韌帶主要由彈力纖維和膠原纖維構(gòu)成，其中彈力纖維和膠原纖維分別占80%和20%。彈力纖維排列緊密規(guī)則，表面的分支交錯形成網(wǎng)狀，彈力纖維間一般可見膠原纖維和散在的成纖維細胞[4]。膠原纖維是由膠原蛋白聚集形成，其中以膠原蛋白Ⅰ和膠原蛋白 Ⅲ為主，膠原纖維細且較均勻，總體與彈力纖維平行[5]。影像學上可觀察到正常黃韌帶厚度為(3.16±0.85)mm，目前大多數(shù)學者認為腰椎黃韌帶厚度>5 mm即可診斷為黃韌帶肥厚[6-7]。黃韌帶肥厚的基本病理特征為彈力纖維損失、排列紊亂，并可出現(xiàn)大量膠原纖維增加、堆積，接著大量的膠原纖維代替彈性纖維，或是形成纖維瘢痕，瘢痕組織持續(xù)增生后，黃韌帶的彈性度下降，最終導致黃韌帶肥厚。因此，黃韌帶肥厚的本質(zhì)就是黃韌帶組織纖維化的過程。

2 機械應力在黃韌帶肥厚中的作用

異常、反復的機械應力是導致黃韌帶肥厚的起始原因。早期學者們發(fā)現(xiàn)，黃韌帶的彈性纖維受到異常牽拉力后會遭受破壞，并且彈性纖維受到破壞后并不能恢復其彈性功能，異常機械應力造成反復的纖維損傷，形成纖維瘢痕或組織纖維化，最終導致黃韌帶肥厚[8]。但機械應力是通過哪種生物信號通路而導致黃韌帶肥厚目前尚未完全清楚。目前大多數(shù)學者認為機械應力刺激作用下引起炎癥介質(zhì)因子、生長因子的增加是引起黃韌帶肥厚的機制之一。

研究表明，機械應力會引起黃韌帶組織局部損傷，反復的損傷會引起黃韌帶局部炎癥反應，炎癥反應會導致纖維瘢痕形成和組織纖維化，最終導致黃韌帶增生肥厚[9]。炎癥的產(chǎn)生過程由多種分子機制介導，目前研究表明誘導型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)/一氧化氮(nitric oxide，NO)和環(huán)氧合酶2(cyclooxygenase 2，COX-2)/前列腺素E2(prostaglandin E2,PGE2)是最主要的兩個分子機制[10-11]。有研究表明，機械應力作用下可導致黃韌帶組織中大量的炎癥因子表達水平升高[12]，說明機械應力能誘導黃韌帶組織產(chǎn)生局部炎癥，而且COX-2/PGE2和iNOS/NO這兩個分子機制在黃韌帶組織產(chǎn)生炎癥的過程中起著重要的作用。Chao等[13]在體外細胞實驗中發(fā)現(xiàn)，離心力可以誘導人黃韌帶細胞產(chǎn)生炎癥反應，機械應力可促進PGE2和NO的產(chǎn)生,還能提高白細胞介素(interleukin，IL)-1α、IL-1β、IL-6，以及iNOS和COX-2的表達水平，從而誘導黃韌帶組織產(chǎn)生炎癥反應，繼而導致黃韌帶肥厚。Nakamura等[14]在離體細胞實驗中發(fā)現(xiàn)，在機械應力刺激下黃韌帶成纖維細胞中的血管生成素樣蛋白2(angiopoietin-like protein 2，Angptl2)表達水平增加，并發(fā)現(xiàn)Angptl2表達水平的增加與肥大黃韌帶的厚度呈正相關(guān)，機械應力刺激下Angptl2表達水平的增加可能是因為黃韌帶成纖維細胞中鈣調(diào)磷酸酶/活化T 細胞核因子(nuclear factor of activated T cell,NFAT)途徑的激活，鈣調(diào)磷酸酶/NFAT途徑在纖維化、免疫應答中起著重要作用，在細胞的增殖和凋亡也扮演著重要的角色[15]。Nakamura等[14]研究還發(fā)現(xiàn)，肥厚的黃韌帶組織中Angptl2表達與轉(zhuǎn)化生長因子β1(transforming growth factor β1，TGF-β1)mRNA的表達呈正相關(guān)，Angptl2可提高TGF-β1及其受體的表達水平，并激活TGF-β1/Smad信號通路，提示Angptl2可能是通過激活TGF-β1/Smad信號通路促進了黃韌帶組織變性，從而進一步導致黃韌帶肥大。以上實驗提示，機械應力刺激作用下活鈣調(diào)磷酸酶/NFAT途徑被激活，從而誘導Angptl2的表達增加，Angptl2通過激活TGF-β1/Smad信號通路導致黃韌帶肥厚。Nakamura等[16]研究發(fā)現(xiàn)，Angptl2可以通過增加IL-6的表達水平促進黃韌帶組織炎癥的發(fā)生，從而導致黃韌帶肥厚。還有學者在皮肌炎的病理學研究中發(fā)現(xiàn)，Angptl2可以通過自分泌或旁分泌的方式激活核因子κB(nuclear factor kappaB，NF-κB)來增加IL-1β和IL-6的表達，從而誘發(fā)炎癥[17]；而在骨關(guān)節(jié)炎中，Angptl2則是通過整合素α5、β1誘導軟骨細胞中各種炎癥相關(guān)因子的表達[18]，進一步證實了Angptl2在炎癥反應中發(fā)揮了重要作用。

膠原蛋白含量增加是黃韌帶肥大的原因之一,機械應力能夠刺激各種生長因子表達，促進膠原蛋白增加，導致組織中膠原纖維大量堆積，最終引發(fā)黃韌帶肥厚[19]。大量研究表明，TGF-β1是誘導黃韌帶成纖維細胞向肌纖維細胞轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因子，是誘導組織纖維化、促進Ⅰ型及Ⅲ型膠原纖維表達的重要轉(zhuǎn)化生長因子,也是參與免疫反應的重要因子，是組織修復、影響炎癥和纖維化的重要生物因子[20-22]。Nakatani等[23]給予體外黃韌帶細胞一定的機械拉伸力后發(fā)現(xiàn)，黃韌帶細胞中的TGF-β1表達水平增加，并且可見Ⅰ型、Ⅲ型膠原纖維大量表達,說明機械應力可以增加促纖維化因子的表達，并導致膠原纖維的堆積。亦有研究表明，通過阻斷 TGF-β1的相關(guān)信號通路能抑制黃韌帶的成纖維細胞向肌纖維細胞轉(zhuǎn)化[24]，表明機械應力刺激下TGF-β1呈高表達，進而引起膠原蛋白增加可能是黃韌帶肥厚的分子機制。Hayashi等[25]通過兔子模擬試驗研究發(fā)現(xiàn)，在機械應力集中作用16周后，黃韌帶中基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)-2、TGF-β1、成纖維細胞生長因子9(fibroblast growth factors 9，F(xiàn)GF 9)表達水平增高，而FGF 9能夠促進新血管形成，參與修復損害的內(nèi)皮細胞，也是促進組織纖維化的一種生物因子[26-27]。還有研究表明，F(xiàn)GF 9可激活磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphotidylinositol-3-kinase，PI3K)/蛋白激酶B/(protein kinase B,Akt)通路，并有助于調(diào)節(jié)包括干細胞在內(nèi)的多種細胞的存活、增殖和凋亡[28-29]，認為機械應力引起FGF 9表達水平的增加及激活PI3K-Akt通路可能對于黃韌帶變性和肥大起著至關(guān)重要的作用。還有研究發(fā)現(xiàn)，機械應力可以誘導胰島素樣生長因子1(insulin-like growth factor 1,IGF-1)表達水平增加，說明機械應力的刺激作用能促進黃韌帶中IGF-1的表達，再通過激活某些信號通路，使黃韌帶膠原纖維增加，最后形成肥厚的黃韌帶組織[30]。

綜上所述，機械應力可以導致COX-2、iNOS、Angptl2等炎癥因子表達水平增加，可能通過COX-2/PGE2和iNOS/NO分子機制，或者TGF-β1/Smad信號通路，使黃韌帶局部發(fā)生炎癥反應，繼而發(fā)生纖維瘢痕化、纖維增生；同時，機械應力還能誘導黃韌帶組織中的TGF-β1、FGF 9、IGF-1等生長因子的表達，使Ⅰ型、Ⅲ型膠原纖維的合成增加，或加速黃韌帶組織膠原纖維化，最終導致黃韌帶肥厚。機械應力在黃韌帶肥厚的過程中起著至關(guān)重要的作用，既可以引起局部炎癥導致黃韌帶形成纖維瘢痕或持續(xù)增生導致黃韌帶肥厚，也可以誘導生長因子的表達，引起膠原蛋白含量增加，加速黃韌帶膠原纖維化，持續(xù)的膠原纖維增加導致黃韌帶增厚。

3 其他炎癥因子在黃韌帶肥厚中的作用

近年來的研究發(fā)現(xiàn)，許多炎癥因子參與黃韌帶肥厚的過程，但其具體機制尚未完全明確。有學者發(fā)現(xiàn)，椎間盤突出癥會產(chǎn)生一些炎性細胞因子，包括IL-1α、IL-6、NO、PGE2、腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α，TNF-α)、MMP等[31-32]。Park等[33]在體外培養(yǎng)的人體黃韌帶細胞中加入IL-α、IL-6、TNF-α、PGE2和NO，發(fā)現(xiàn)這幾類炎癥因子能強烈刺激黃韌帶細胞，使黃韌帶細胞增殖加速，主要表現(xiàn)為黃韌帶細胞的DNA合成增加，并上調(diào)了Ⅰ型、Ⅴ型和Ⅺ 型膠原mRNA的表達水平，說明IL-α、IL-6、TNF-α、PGE2和NO等炎性細胞因子會影響黃韌帶代謝或者促進黃韌帶纖維化，從而引起黃韌帶肥厚，認為椎間盤突出癥產(chǎn)生的炎癥因子通過椎管進入周圍組織從而作用于黃韌帶。Sun等[34]研究發(fā)現(xiàn)，肥厚的黃韌帶其細胞中瘦素的表達水平顯著增加，體外實驗中施加外源性瘦素可增加IL-6的表達水平，證實IL-6可以提高黃韌帶細胞中的膠原蛋白表達，而瘦素可能是通過NF-κB途徑上調(diào)IL-6的表達水平。而Sun等[35]的另一個研究發(fā)現(xiàn)，微小RNA(microRNA，miRNA)-21通過增加IL-6的表達水平促進黃韌帶的纖維化和肥大。有學者研究發(fā)現(xiàn)，Janus激酶(Janus-activated kinase,JAK)/信號轉(zhuǎn)導子和轉(zhuǎn)錄激活子(signal transducer and activator of transcription,STAT)途徑是許多促炎細胞因子如γ-干擾素、α-干擾素、IL-6等的主要信號傳導途徑[36]。Delen等[37]研究表明，IL-6可能是通過激活 JAK/STAT信號通路，進而誘發(fā)黃韌帶組織產(chǎn)生炎癥，導致黃韌帶肥厚。

4 TGF-β1在黃韌帶肥厚中的作用

TGF-β1是一個具有多作用、多功能的生物因子，在組織修復、炎癥和纖維化中均發(fā)揮至關(guān)重要的作用。TGF-β1受體的絲氨酸/蘇氨酸激酶活性能激活典型的Smad信號通路，通過MAPK-細胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinases，ERK)途徑介導下游信號傳導[38]。除了典型的Smad信號通路，TGF-β1信號通路還包括Jun激酶(Jun kinase，JNK)、p38 MAPK、NF-κB、PI3K-Akt-mTOR等[39]。有研究發(fā)現(xiàn)，TGF-β1能刺激α-平滑肌肌動蛋白(α-smooth muscle actin,α-SMA)、纖連蛋白、Ⅰ型膠原蛋白和Ⅲ型膠原蛋白的表達，α-SMA是成肌纖維細胞的標志物，提示TGF-β1刺激可加速黃韌帶的成纖維細胞轉(zhuǎn)變?yōu)槌杉±w維細胞[40]。此外，肥厚黃韌帶的成纖維細胞中α-SMA蛋白表達水平與TGF-β1水平呈正相關(guān)，加入外源性TGF-β1可以上調(diào)α-SMA mRNA的表達水平，說明TGF-β1通過產(chǎn)生細胞外基質(zhì)促進黃韌帶纖維化[40]。目前有關(guān)TGF-β1影響黃韌帶肥厚的具體機制尚未完全清晰，但可以肯定的是TGF-β1在黃韌帶肥厚過程中起著重要的作用。

5 結(jié)締組織生長因子對黃韌帶肥厚的影響

結(jié)締組織生長因子(connective tissue growth factor，CTGF)是一種促纖維化因子，參與纖維化過程，促進細胞增殖、遷移、黏附及細胞外基質(zhì)合成和新生血管形成等，參與創(chuàng)傷修復[41]。Zhong等[42]研究發(fā)現(xiàn)，體外培養(yǎng)的肥厚的黃韌帶組織中CTGF表達水平明顯升高，CTGF的表達水平與黃韌帶厚度呈正相關(guān)，外源性增加CTGF可促進Ⅰ型和Ⅲ型膠原蛋白的合成，說明CTGF 與黃韌帶肥厚有關(guān)。盧昌懷等[43]研究發(fā)現(xiàn)，給予外源性 TGF-β1 刺激可以促進黃韌帶細胞增殖，并可提高CTGF、Ⅰ型膠原蛋白和Ⅲ型膠原蛋白的表達水平，而下調(diào) CTGF的表達水平則可以抑制黃韌帶細胞的增生，認為TGF-β1通過提高CTGF 的表達促進黃韌帶細胞增生，但其具體機制尚未完全清楚。研究表明，CTGF在腎纖維化、骨骼肌纖維化中均起重要的作用[44-45]，而黃韌帶與其他肌腱和韌帶一樣，均為一種結(jié)締組織，主要由細胞外基質(zhì)和少量成纖維細胞組成，CTGF在黃韌帶纖維化中或許也起著重要的作用。

6 MMP在黃韌帶肥厚過程中的作用

MMP是機體一些正常生理過程(如細胞外基質(zhì)重塑)的關(guān)鍵因子，其參與細胞外基質(zhì)的降解，并與炎癥性疾病(如關(guān)節(jié)炎、腰椎間盤突出癥和心血管疾病)的發(fā)生有關(guān)[46]。Park等[47]研究發(fā)現(xiàn)，MMP在椎管狹窄患者的黃韌帶成纖維細胞中高表達，認為MMP可能與彈性蛋白降解和黃韌帶纖維化有關(guān)。Yabe等[48]研究發(fā)現(xiàn)，MMP-2表達水平上調(diào)會加速膠原纖維蛋白合成和彈性纖維蛋白的降解，而膠原纖維的合成和彈性纖維降解可能會加速瘢痕的形成。但上述研究均未闡釋MMP加速黃韌帶纖維化的具體分子機制。有研究表明，黃韌帶中彈性纖維的比例與MMP-2 mRNA表達水平呈負相關(guān)，而IL-6表達水平與MMP-2 mRNA表達水平呈正相關(guān)，并且證實IL-6可以激活STAT3和MMP-2，通過抑制STAT3的表達可以削弱IL-6誘導的MMP-2表達水平的增加[49]，這些結(jié)果證明IL-6通過JAK/STAT3信號傳導誘導MMP-2的表達和分泌，MMP-2表達的增加促進了彈性纖維的降解，彈性纖維的降解加速了黃韌帶肥厚的過程。雖然目前對于MMP影響黃韌帶肥厚的機制尚未完全清晰，但是在一些動物實驗中發(fā)現(xiàn)MMP抑制劑對于纖維化治療有一定的作用。

7 miRNA在黃韌帶肥厚過程中的作用

miRNA是一類非編碼內(nèi)源性RNA分子，可以通過抑制翻譯或誘導mRNA降解來調(diào)節(jié)靶基因表達[50]。miRNA-21是miRNA家族的成員之一，在介導細胞增殖、分化、遷移和炎癥中起關(guān)鍵作用[51-52]。Xu等[53]研究發(fā)現(xiàn)，miRNA-21過表達可上調(diào)黃韌帶細胞中Ⅰ型、Ⅲ型膠原蛋白和IL-6的表達水平，認為miRNA-21通過激活I(lǐng)L-6的表達引起了黃韌帶組織中的炎癥反應，并能促進細胞外基質(zhì)的表達，從而導致黃韌帶肥厚。

8 其他因素對黃韌帶肥厚的影響

有研究表明，血管生成和炎癥反應之間有密切的關(guān)系，兩者在黃韌帶肥厚的過程中起著重要的作用，在炎性細胞浸潤(如巨噬細胞、T淋巴細胞)過程中可以發(fā)現(xiàn)IL-6、TGF-β1、Angptl2、血管內(nèi)皮生長因子的過量產(chǎn)生，血管生成可能參與了炎癥反應[16,54]。Hur等[55]在肥大的黃韌帶組織發(fā)現(xiàn)有豐富的毛細血管形成，而血管內(nèi)皮生長因子可能是這一過程的關(guān)鍵因素。Jezek等[56]研究發(fā)現(xiàn)，血管密度的變化與年齡有關(guān)，黃韌帶肥厚可能與年齡增長導致的韌帶機械性能下降有關(guān)。Yüceta等[57]研究發(fā)現(xiàn)，過氧化氫酶在肥厚的黃韌帶組織中表達降低，過氧化氫酶具有保護細胞免受氧化應激的作用，黃韌帶組織中缺乏過氧化氫酶可能會導致細胞加劇氧化，加速黃韌帶肥厚的發(fā)展，因此過氧化氫酶可能是未來治療黃韌帶肥厚的新方向。Maruf等[58]研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病會影響黃韌帶的纖維化，在糖尿病患者中可以發(fā)現(xiàn)晚期糖基化終產(chǎn)物(advanced glycation end product，AGE)堆積于黃韌帶組織上，特別是在黃韌帶彈性纖維斷裂的區(qū)域，表明AGE具有分解代謝功能，推測AGE可能是通過COX2/PGE2途徑增加了細胞中MMP-2和MMP-9的生物合成，從而加速黃韌帶組織的彈性纖維降解，繼而促進了黃韌帶肥厚進程。有研究顯示，維生素D缺乏可能也是導致腰椎椎管狹窄的原因，腰椎管狹窄患者中維生素D缺乏癥非常普遍(76.5%)[59]，目前大多數(shù)學者認為維生素D缺乏可能會增加腰椎椎管狹窄發(fā)生的風險，但維生素D如何對腰椎椎管狹窄產(chǎn)生作用，目前尚未完全清楚。

9 小結(jié)與展望

目前，黃韌帶肥厚的機制尚未完全清楚，機械應力、炎癥反應等對黃韌帶肥厚的過程有至關(guān)重要的作用。黃韌帶肥厚的過程中涉及多種生物因子及生物信號通路，COX-2/PGE2、iNOS/NO可能是誘導黃韌帶產(chǎn)生炎癥，形成瘢痕組織、瘢痕增生，從而導致黃韌帶肥厚的重要信號通路，而PI3K/Akt、IGF-1/Akt/mTORC1則可能是誘導黃韌帶組織彈性纖維降解、膠原纖維堆積，加速纖維化，從而導致黃韌帶肥厚的重要信號通路；JAK/STAT3、TGF-β1/Smad信號通路可能既參與誘導黃韌帶產(chǎn)生炎癥，又參與了誘導黃韌帶的膠原纖維化過程。雖然目前對黃韌帶肥厚發(fā)生發(fā)展的機制有較多研究，但對于黃韌帶肥厚的治療尚缺乏有效的藥物,進一步研究黃韌帶肥厚的機制將對其引起的下腰痛的治療具有非凡的意義。