頸椎椎間盤突出癥中炎性因子及信號通路的研究進展

張佳銘，路文杰，陳金鑫，周 鋮，蔣偉宇

1. 浙江中醫(yī)藥大學第二臨床醫(yī)學院，杭州 310053

2. 南通良春中醫(yī)醫(yī)院風濕科，南通 226000

3. 陜西中醫(yī)藥大學第一臨床醫(yī)學院，咸陽 712000

4. 寧波市第六醫(yī)院脊柱外科，寧波 315040

隨著人們工作及生活節(jié)奏的不斷加快，近年來，頸痛發(fā)生率不斷上升，并呈現(xiàn)年輕化趨勢［1］。2010年全球疾病負擔研究［2］表明，頸痛是全球第四大致殘原因，僅排在背痛、抑郁和關(guān)節(jié)痛之后。頸痛發(fā)生率約為15% ~ 50%，其中女性發(fā)生率為26.4%［3］。頸椎椎間盤突出癥（CDH）是導致頸痛的主要疾病之一，其主要表現(xiàn)為頸部軸性疼痛、頸部運動受限和感覺缺陷、膀胱功能障礙、手部力量及靈活性喪失等。椎間盤退行性變（IDD）是引起椎間盤突出，導致疼痛的主要原因［4］。有研究［5］表明，炎性因子廣泛參與IDD的各個過程。而細胞信號通路則是炎性因子參與細胞間炎性反應(yīng)的主要途徑，其通過調(diào)控細胞的增殖、分化、凋亡等過程，調(diào)節(jié)頸椎IDD及其繼發(fā)性改變。本文通過查閱CDH中炎性因子及信號通路相關(guān)研究文獻，探討CDH發(fā)生過程中的病理變化，著重于炎性反應(yīng)對CDH的影響，并特別關(guān)注這一過程相關(guān)的炎性因子與信號通路，以期為CDH的治療提供思路，現(xiàn)綜述如下。

1 CDH與炎性因子

近年來，炎性因子在CDH中的作用逐漸得到重視。Fisher等［6］的研究發(fā)現(xiàn)，正常的神經(jīng)受到機械壓迫時并不會產(chǎn)生疼痛，只會導致周圍神經(jīng)麻木，只有神經(jīng)同時出現(xiàn)壓迫和炎性反應(yīng)時才會導致疼痛。有研究［7］表明，各種炎性反應(yīng)誘發(fā)或加速頸椎椎間盤細胞的衰老和凋亡，導致椎間盤組織學和化學性質(zhì)的改變，是引起IDD的直接原因。并且炎性因子在發(fā)生退行性變的椎間盤中的表達水平顯著高于正常椎間盤，特別是疼痛嚴重的椎間盤，這間接表明了炎性因子是誘發(fā)和加重CDH的重要原因［8］。炎性因子主要從3個方面參與IDD：①促進炎性介質(zhì)和其他炎性因子在椎間盤的表達水平，放大炎性反應(yīng)；②刺激細胞外基質(zhì)細胞降解、誘導椎間盤細胞的衰老和凋亡，加速IDD；③影響椎間盤基質(zhì)的分解和合成代謝［9］。

但由于各種炎性因子在椎間盤髓核、纖維環(huán)、軟骨終板細胞中的調(diào)控機制以及所涉及的信號通路較多，甚至互相矛盾，目前對于各種炎性因子是如何經(jīng)由相關(guān)信號通路介導CDH發(fā)生的機制還不確切。常見的參與CDH發(fā)生、發(fā)展的炎性因子有白細胞介素 -1（IL-1）、腫瘤壞死因子 -α（TNF-α）、高遷移率族蛋白B1（HMGB1）、血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）等。

1.1 IL-1

IL-1是由纖維細胞、單核巨噬細胞、軟骨細胞和內(nèi)皮細胞等分泌的一種多效細胞因子，是炎性免疫反應(yīng)的關(guān)鍵介體，有IL-1α和IL-1β 2種不同的分子形式，主要與IL-1受體結(jié)合，生物學效能受IL-1轉(zhuǎn)化酶、IL-1受體及IL-1受體拮抗劑及核轉(zhuǎn)錄因子-κB（NF-κB）、ERK1/2等通路的共同影響，需要在轉(zhuǎn)錄和翻譯水平進行誘導［10］。IL-1主要參與協(xié)同刺激T/B細胞的活化，促進成纖維細胞增殖，激活軟骨細胞的炎性反應(yīng)［11］。

在健康椎間盤中，椎間盤內(nèi)的主要細胞外基質(zhì)成分合成和降解速率是平衡的，但當發(fā)生CDH時，負責競爭抑制IL-1的IL-1受體拮抗劑分泌減少，從而促使IL-1的分泌增加［12］。IL-1通過促進基質(zhì)降解，誘導基質(zhì)金屬蛋白酶（MMPs）和解聚蛋白樣金屬蛋白酶（ADAMTSs）的表達，最終導致椎間盤基質(zhì)合成和降解失衡，并刺激椎間盤細胞異常合成蛋白多糖，使Ⅱ型膠原蛋白向Ⅰ型膠原蛋白轉(zhuǎn)化，致使NF-κB、ERK1/2等途徑的調(diào)控受到破壞，大量產(chǎn)生IL-1β前體及NALP3、ASC和Caspase-1等炎性小體，從而產(chǎn)生活性分泌蛋白，促進炎性反應(yīng)的發(fā)生，進一步加速CDH的發(fā)展［13］。

IL-1在正常的椎間盤中表達水平較低，但在CDH患者中的表達水平較正常人或輕度IDD患者顯著增高，并隨著退行性變嚴重程度的加重而增加，說明IL-1或許與CDH引發(fā)的頸痛密切相關(guān)［14］。IL-1可刺激椎間盤細胞分泌前列腺素E2等炎性物質(zhì)增強緩激肽的敏感性，從而直接刺激神經(jīng)根，導致CDH的神經(jīng)根性疼痛。Kepler等［15］的研究發(fā)現(xiàn)，IL-1β可以影響二級炎性介質(zhì)趨化因子（C-C基元）配體5在疼痛患者椎間盤的表達，促進了炎性細胞對損傷組織的募集。IL-1β也可通過促進VEGF、神經(jīng)生長因子和腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子的產(chǎn)生來刺激椎間盤內(nèi)神經(jīng)元和血管的生長，使血管、神經(jīng)侵入椎間盤組織，進一步加劇CDH患者的頸部疼痛［16］。可見IL-1與CDH的發(fā)生、發(fā)展及其癥狀嚴重程度密切相關(guān)。

1.2 TNF-α

TNF-α是一種相對分子量為26 000的Ⅱ型跨膜蛋白，可由纖維細胞、單核細胞、軟骨細胞等分泌，并且在免疫應(yīng)答和炎性反應(yīng)中發(fā)揮巨大作用［17］。發(fā)生退行性變的椎間盤較正常椎間盤中TNF-α含量顯著增高，并隨著退行性變程度的加重而呈升高的趨勢［18］。TNF-α在CDH中的作用：①刺激放大炎性反應(yīng)；膜結(jié)合型TNF被金屬蛋白酶TACE/ADAM-17降解為可溶性TNF?？扇苄訲NF-α或膜結(jié)合型TNF-α與TNF-1受體結(jié)合，導致TRADD、RIP1、TRAF2等因子的聚集，形成復合物，該復合物分別通過NF-κB或MAPKB信號通路激活p65或AP1因子，誘導MMPs、ADAMTSs表達，破壞頸椎椎間盤內(nèi)細胞外基質(zhì)的平衡［19］。②降低蛋白和膠原的聚合，調(diào)整MMPs的活性和表達；TNF-α可通過激活MAPKs信號通路，增加ADAMT-4、MMP-3、MMP-13的含量，導致蛋白聚糖、Ⅱ型膠原蛋白和細胞外基質(zhì)的降解，從而加重頸椎IDD［20］。③刺激其他細胞因子的產(chǎn)生，TNF-α可刺激血管內(nèi)皮細胞合成多種炎性因子，從而進一步加重椎間盤內(nèi)的炎性反應(yīng)。Nees等［21］的研究表明，TNF-α能夠誘導IL-6、IL-8及NO等在軟骨的表達增加。Kang等［22］將外源性TNF-α注射入豬模型椎間盤3個月后，椎間盤結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯退行性改變，并且IL-1β在纖維環(huán)的表達水平顯著提高，提示TNF-α能夠促使其他炎性因子的產(chǎn)生和提高，誘發(fā)頸椎IDD。④調(diào)節(jié)自噬。自噬為頸椎退行性疾病的重要發(fā)生機制［23］。Gruber等［24］使用IL-1β或TNF-α處理人環(huán)細胞，發(fā)現(xiàn)TNF-α可損傷自噬調(diào)節(jié)劑1、p62、PIM-2和WIPI49等因子，從而影響自噬反應(yīng)，參與CDH。綜上，TNF-α可通過多種方式誘導和放大炎性反應(yīng)，可設(shè)想若能抑制TNF-α的分泌，便可有效減輕炎性反應(yīng)，從而減輕CDH患者的疼痛癥狀。

1.3 HMGB1

HMGB1可由壞死細胞、巨噬細胞和其他髓樣細胞釋放，具有調(diào)控轉(zhuǎn)錄、控制細胞新陳代謝、激活細胞因子和趨化因子樣活性等功能［25］。有研究［26］表明，HMGB1可提升細胞外基質(zhì)中炎性因子TNF-α、PGE2、IL-1和IL-6表達，從而放大軟骨終板炎性過程。García-Arnandis等［27］運用免疫組織化學法測定人滑膜中的HMGB1，發(fā)現(xiàn)HMGB1與IL-1β協(xié)同作用誘導ERK1和p38磷酸化，并參與IL-6和IL-8在軟骨細胞的轉(zhuǎn)錄及上調(diào)MMP-1和MMP-13的表達，這些作用放大了炎性反應(yīng)，加速了CDH的發(fā)展。同時，HMGB1是細胞凋亡經(jīng)由MPKS途徑的重要調(diào)節(jié)器。Liu等［28］通過甘草甜素抑制HMGB1的表達抑制p38/p-JUK信號通路，減少了髓核細胞的凋亡，從而減緩了IDD，并認為HMGB1是未來治療IDD的重要靶點。Han等［29］發(fā)現(xiàn)，脂多糖可誘導HMGB1從纖維環(huán)干細胞核中釋放，增加炎性因子（IL-β1，IL-6，COX-2和TNF-α）和特定的分解代謝基因（MMP-3和MMP-13）的表達，促進纖維環(huán)細胞凋亡。利用二甲雙胍可阻斷HMGB1釋放來降低脂多糖誘導的環(huán)纖維的炎性反應(yīng)，減緩IDD的發(fā)展，為治療CDH提供新的方向。

1.4 VEGF

VEGF是一種可以促進血管內(nèi)皮細胞有絲分裂、誘導基底膜降解而形成毛細血管網(wǎng)的細胞因子，它通過增強毛細血管的通透性，促使新生血管以出芽的方式生成，但也增加了炎性反應(yīng)的擴散［30］。羅堅等［31］發(fā)現(xiàn)，IDD患者VEGF的陽性表達率明顯高于正常人群，認為VEGF在發(fā)生退行性椎間盤組織中具有促進新生血管浸潤的作用，且VEGF的表達量與IDD的程度呈正相關(guān)。椎間盤老化或營養(yǎng)供應(yīng)障礙時，可促進VEGF合成的提高，影響細胞間信息交流，加速椎間盤基質(zhì)的分解，導致IDD。Zhang等［32］的研究表明，艾灸可通過抑制VEGF在髓核細胞的表達，并通過VEGF途徑升高聚集蛋白聚糖和COX-2的表達，增強自噬并減少髓核細胞的凋亡，有利于減緩頸椎IDD的進程。

2 CDH與信號通路

由于頸椎擁有較大的活動度，且部分頸椎關(guān)節(jié)缺少椎間盤，相較于胸椎和腰椎更容易發(fā)生退行性變。炎性因子可通過放大炎性反應(yīng)的范圍、加速細胞的代謝與凋亡、抑制細胞基質(zhì)合成等方式參與CDH的發(fā)生與發(fā)展。信號通路不僅可以對上述炎性因子進行調(diào)控，放大炎性反應(yīng)，同時在IDD中還具有誘導相關(guān)基因表達水平升高、調(diào)控細胞應(yīng)激以及調(diào)控細胞新陳代謝的關(guān)鍵作用，其主要途徑包括絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）、Notch和Wnt通路等。

2.1 MAPKS

MAPK是廣泛表達的酪氨酸或絲氨酸激酶，能夠被各種細胞外刺激激活，如生長因子、細菌復合物、炎性因子、物理刺激等，其參與基因誘導、細胞應(yīng)激和炎性反應(yīng)以及細胞新陳代謝的調(diào)控，是CDH發(fā)生、發(fā)展的重要因素［33］。MAPKS信號傳導途徑主要通過3級激酶級聯(lián)反應(yīng)進行，即需要MAPK及其上游依次激活［34］。MAPK主要分為3類，細胞外信號調(diào)節(jié)激酶（ERKs）與2個應(yīng)激激活蛋白激酶（SAPKs）家族，即c-Jun氨基末端激酶（JNK）和p38。

2.1.1 p38

p38是由360個氨基酸構(gòu)成，相對分子量約為36 000 的蛋白質(zhì)。有研究［9，35］證實，p38在發(fā)生退行性變的頸椎椎間盤髓核細胞的含量與IDD程度呈正相關(guān)。p38是誘導MMP-13表達的關(guān)鍵信號通路，通過降低聚集蛋白聚糖和Ⅱ型膠原蛋白的基因表達，加速IDD［36］。Ge等［37］的研究發(fā)現(xiàn)，椎間盤處于受壓情況下可激活p38途徑，加速髓核細胞的衰老，且外源性IL-10能有效降低p38的磷酸化水平從而延緩IDD。

2.1.2 JNK

JNK是保守的絲氨酸或蘇氨酸蛋白激酶，可被細胞因子、紫外線照射、熱休克等應(yīng)激刺激，并激活Ser-63和Ser-73的結(jié)合，導致c-Jun的激活［38］。有研究［39］表明，炎性因子可誘導JNK磷酸化，導致蛋白多糖合成減少和MMP-3、MMP-13的產(chǎn)生增加，加速CDH的發(fā)生、發(fā)展。CXCL8/11也可能通過影響JNK信號通路并增強其他炎性因子的表達來促進凋亡并抑制軟骨細胞的增殖，加劇CDH的進展［40］。JNK還參與抑制調(diào)節(jié)Ⅱ型膠原表達的轉(zhuǎn)錄因子SOX-9的表達，抑制軟骨的形成，而軟骨終板缺損導致的椎間盤營養(yǎng)供應(yīng)減少則是誘發(fā)CDH的重要原因［41-42］。

2.1.3 ERK

ERK信號通路通過誘導軟骨細胞的增殖和肥大分化，促進終板軟骨鈣化和骨贅的形成，加速CDH的進展［43-44］。ERK是誘導軟骨形成轉(zhuǎn)錄因子SOX-9的關(guān)鍵信號通路，抑制ERK信號通路，可降低SOX-9的表達，抑制軟骨細胞增殖和肥大，減緩CDH的進展［45］。Yue等［46］認為，Mg2+可通過抑制ERK磷酸化信號轉(zhuǎn)導降低自噬蛋白LC3的表達，下調(diào)肥大基因Runx2、MMP-13和Col 10α1，上調(diào)軟骨形成基因SOX-9和Col 1α1，有效抑制ATDC5細胞外基質(zhì)鈣化，這或許有助于降低終板軟骨的降解，緩解CDH的進展。Han等［47］的研究發(fā)現(xiàn)，瘦素可通過激活體外 ERK信號通路，致使椎間盤終板的細胞基質(zhì)丟失和透明軟骨鈣化，誘導CDH的發(fā)生、發(fā)展。

2.2 Notch

Notch信號通路是一種進化保守的途徑，其轉(zhuǎn)導主要由其5個配體（Dll1，Dll3，Dll4，Jag1和Jag2）與Notch信號通路的4個受體（Notch1-4）結(jié)合而激活［48］。維持Notch信號通路需要生理Notch信號傳導，但Notch信號的持續(xù)激活會導致軟骨細胞變性和骨關(guān)節(jié)炎。與非變性椎間盤相比，纖維環(huán)和髓核細胞中Notch信號的活性在發(fā)生退行性變的椎間盤組織中有所增加［49］，并且在髓核細胞中可被IL1-β和TNF-α誘導。Zheng等［50］的研究證實，Notch信號在纖維環(huán)細胞或髓核細胞中的激活會影響基質(zhì)分解基因（MMPs和ADAMTS）的表達，并可能減弱TNF-α1和巨噬細胞誘導的MMP-13在髓核細胞中的表達，表明Notch信號通路在促進CDH發(fā)展中的巨大作用。

2.3 Wnt

Wnt通路包括經(jīng)典的Wnt/β-catenin信號通路和3條非經(jīng)典的信號通路。其中Wnt/β-catenin信號通路是調(diào)控細胞生長發(fā)育的關(guān)鍵途徑，由Wnt蛋白配體、膜受體和胞內(nèi)信號分子構(gòu)成。Iwata等［51］的研究證實，發(fā)生退行性變的椎間盤中β-catenin mRNA和蛋白表達較健康對照組顯著上調(diào)。Choi等［52］通過建立自發(fā)性IDD SM/J小鼠模型發(fā)現(xiàn)，終板軟骨細胞肥大標志物（Col 10a1、CTGF和Runx2）的表達升高與β-catenin mRNA具有相關(guān)性，并可抑制SOX-8和BMP-2這2種益軟骨因子，抑制椎間盤軟骨的修復。然而，也有學者［53］認為，IDD過程中Wnt/β-catenin活性會降低，并證實可通過雌激素和甲狀旁腺激素增強Wnt/β-catenin途徑的活性，延緩大鼠IDD進程，這或許與退行性變不同階段椎間盤的細胞類型有關(guān)。

3 總結(jié)與展望

頸椎退行性疾病的發(fā)生機制復雜，多種因素共同作用導致頸椎關(guān)節(jié)內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)失調(diào)，最終促使IDD的發(fā)生。目前，肩頸痛的研究已由宏觀的生物力學深入到微觀的細胞因子領(lǐng)域，但仍不能完全闡明CDH的發(fā)生機制。D’Avanzo等［54］認為，機械壓迫、頸椎關(guān)節(jié)失穩(wěn)和血液循環(huán)障礙等物理因素是導致CDH的主要原因。對于CDH的治療是臨床急需解決的一大難題，一般性藥物治療對于糾正骨關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)性改變不能獲得滿意的效果，手術(shù)治療則存在風險較高及術(shù)后并發(fā)癥較多等弊端。通過降低主要炎性因子的表達，抑制相關(guān)信號通路對細胞外基質(zhì)降解、軟骨細胞增殖與凋亡的調(diào)控，以降低椎間盤內(nèi)的炎性反應(yīng)為靶向治療CDH提供了新的思路和方向。CDH的發(fā)生受不同信號通路的共同作用，通過激活下游產(chǎn)物誘導細胞外基質(zhì)降解，提高炎性因子的表達水平，促使軟骨終板鈣化及髓核細胞凋亡；各種炎性因子通過多種信號通路相互交叉或影響，形成了錯綜復雜的炎性網(wǎng)絡(luò)，共同導致CDH的發(fā)生與發(fā)展。未來研究應(yīng)當著眼于不同炎性因子與其相關(guān)信號傳導通路之間的相互作用機制，進行進一步動物模型實驗和臨床試驗，全面系統(tǒng)地闡明CDH的炎性發(fā)生機制?？梢灶A(yù)見的是，以相關(guān)炎性因子及信號通路為靶向的療法，將為CDH的藥物治療提供新的途徑。