吳佳達(dá),沈樹(shù)鋒,儲(chǔ)振濤,鐘建斌,胡勇
椎間盤(pán)退行性變(IDD)被認(rèn)為是機(jī)體衰老的必然結(jié)果。Miller等[1]進(jìn)行的一項(xiàng)尸體解剖實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),年齡超過(guò)50歲的人群中有97%存在IDD。一般無(wú)癥狀者不需要進(jìn)行特殊的治療。目前物理治療、藥物對(duì)癥治療及手術(shù)治療是對(duì)有癥狀患者的三階梯治療方法,這些治療給患者帶來(lái)了沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[2]。通過(guò)生物治療方法阻斷或減緩椎間盤(pán)(IVD)退變的是目前較為新穎的探索方向。
IDD可由多種因素引發(fā)和加劇,包括機(jī)械應(yīng)力、創(chuàng)傷、遺傳傾向和局部炎癥,其病理生理改變主要包括細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)含量減少、細(xì)胞死亡和炎癥反應(yīng)[3-4]。TGF-信號(hào)通路參與炎癥、腫瘤轉(zhuǎn)移和胚胎發(fā)生等多種細(xì)胞功能,它的異常調(diào)控可導(dǎo)致細(xì)胞功能異常,從而導(dǎo)致多種疾病。王伯陽(yáng)等[5]對(duì)白細(xì)胞介素(IL-1)、腫瘤壞死因子(TNF-)和TGF-等在IDD中的病理生理機(jī)制進(jìn)行了綜述,但其未深入地闡明TGF-及其下游通路在IDD過(guò)程中發(fā)揮的作用。本文在對(duì)已有文獻(xiàn)進(jìn)行復(fù)習(xí)的基礎(chǔ)上,從TGF-信號(hào)通路入手,從其來(lái)源、在IVD損傷修復(fù)中的作用和過(guò)度激活對(duì)IVD的不利影響等方面詳細(xì)闡述其在IDD及其再修復(fù)中的研究進(jìn)展。
在哺乳動(dòng)物中存在3種TGF-,分別是TGF-1、TGF-2及TGF-3。盡管這3種轉(zhuǎn)化因子的多肽鏈序列具有高度同源性,并以9個(gè)半胱氨酸殘基作為存在的標(biāo)志,但由于他們的啟動(dòng)子序列不同,因此它們轉(zhuǎn)錄水平的表達(dá)存在差異[6]。然而研究報(bào)道主要聚焦于TGF-1,其它TGF-家族蛋白的調(diào)節(jié)作用報(bào)道較少。在細(xì)胞外基質(zhì)中,TGF-配體數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于TGF-的受體數(shù)量[7]。在非激活狀態(tài)下,TGF-配體與潛伏期相關(guān)肽(LAP)非共價(jià)結(jié)合后以非活性物質(zhì)潛伏在一個(gè)復(fù)合物中[8],它與潛伏性TGF-結(jié)合蛋白(LTBP)在細(xì)胞外基質(zhì)中結(jié)合。在椎間盤(pán)細(xì)胞中,TGF-可被壓力負(fù)荷等激活且通過(guò)TGF-受體通道進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中。TGF-受體包括TGF-I型受體(TbRIs)和TGF-II型受體(TbRIIs)兩種。TGF-受體復(fù)合物是由兩個(gè)TbR I和兩個(gè)TbR II組成的四聚體構(gòu)成。
Smad是TGF-超家族信號(hào)傳導(dǎo)的下游因子,介導(dǎo)TGF-信號(hào)傳入細(xì)胞核。TGF-經(jīng)典信號(hào)通路是Smad依賴(lài)的信號(hào)通路,由激活素受體樣激酶5(ALK-5)刺激Smad 2/3發(fā)生磷酸化,然后磷酸化的Smad 2/3與Smad4結(jié)合后形成一個(gè)三聚體。只有這種三聚體能進(jìn)一步進(jìn)入細(xì)胞核參與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控。此外,TGF-還可以激活非SMAD依賴(lài)的非典型信號(hào)通路,如絲裂原激活蛋白激酶(MAPK)通路[9]和PI3K/Akt信號(hào)通路等。
TGF-信號(hào)通路在IVD中表達(dá)情況與年齡密切相關(guān)。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中,Nagano等[10]研究顯示小鼠椎間盤(pán)中TGF-的表達(dá)隨著年齡的增長(zhǎng)而減弱。Matsunaga等[11]分別觀察了8、24齡和50周齡小鼠頸椎間盤(pán)細(xì)胞中TGF-及其受體的表達(dá),發(fā)現(xiàn)髓核細(xì)胞(NPs)和纖維環(huán)細(xì)胞(AFs)中均有TGF-及其受體的表達(dá),且隨著年齡的增長(zhǎng),其表達(dá)逐漸減弱。然而,Murakami等[12]對(duì)新西蘭長(zhǎng)毛兔進(jìn)行的一項(xiàng)研究顯示,3歲老年兔椎間盤(pán)中TGF-mRNA水平高于6月齡TGFmRNA水平。他們分析這可能與以下幾種原因有關(guān):(1)TGF-對(duì)不同衰老程度的椎間盤(pán)作用不同(詳見(jiàn)后述);(2)TGF-信號(hào)通路不僅與TGF-mRNA有關(guān),還與其他下游相關(guān)物質(zhì)有關(guān)。然而由于倫理等原因的限制,目前國(guó)內(nèi)外尚缺乏關(guān)于正常人類(lèi)IVD中TGF-信號(hào)通路隨年齡增長(zhǎng)而變化的報(bào)道。
3.1 TGF-信號(hào)通路抑制炎癥對(duì)IVD細(xì)胞的影響 炎癥反應(yīng)與IDD有著密切關(guān)系。在局部炎癥發(fā)生時(shí),巨噬細(xì)胞在炎癥趨化因子的作用下富集在炎癥部位,并分泌IL-1、TNF-等。這些炎癥因子通過(guò)上調(diào)基質(zhì)分解代謝酶如基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)加速椎間盤(pán)退變。在一項(xiàng)關(guān)于人類(lèi)退化性骨關(guān)節(jié)炎的研究中,IL-1能下調(diào)TGF-II型受體的表達(dá),并抑制Smad2/3的磷酸化[13]。IL-1也可以通過(guò)NF-B通路激活上調(diào)Smad7(Smad屬于抑制性Smad),從而影響TGF-信號(hào)通路向下游傳導(dǎo)。TGF-可以抑制單核/巨噬細(xì)胞釋放炎性細(xì)胞因子。Li等[14]用比格犬退化的椎間盤(pán)作為實(shí)驗(yàn)材料,發(fā)現(xiàn)TGF-能顯著抑制IL-1、TNF-的表達(dá),并能產(chǎn)生一定的維持效應(yīng)。Scharstuhl等[15]發(fā)現(xiàn)TGF-能夠抵消IL-1對(duì)小鼠關(guān)節(jié)軟骨蛋白多糖合成具有抑制作用,但在老年小鼠中不起作用。
3.2 TGF-影響ECM合成與分解 在ECM中,蛋白聚糖、I型膠原纖維(Col1)、II型膠原纖維(Col2)之間的比例是判斷椎間盤(pán)細(xì)胞退變程度的指標(biāo)[16]。隨著年齡的增長(zhǎng),椎間盤(pán)組織中供血供氧減少,導(dǎo)致微環(huán)境pH值呈酸性。另外,IL-1和TNF-會(huì)抑制ECM合成并加速其分解從而加速退變進(jìn)程,而TGF-可以刺激ECM的合成。Li等[14]研究證實(shí),MMP在ECM降解過(guò)程中起著重要作用,這導(dǎo)致正常椎間盤(pán)功能喪失。TGF-可以通過(guò)調(diào)節(jié)MAPK通路和NF-B通路部分逆轉(zhuǎn)NPs外基質(zhì)的降解[17]。
TGF-除了抑制椎間盤(pán)細(xì)胞中ECM的降解外,它還能促進(jìn)ECM的合成。糖胺聚糖(GAG)、膠原和聚集素是IVD細(xì)胞外基質(zhì)的重要組成部分。Liu等[18]利用腺病毒介導(dǎo)TGF-基因表達(dá)使衰老的NP細(xì)胞中ECM合成明顯增加。此外,TGF-也可以通過(guò)Smad2/3刺激GAG的合成。也有報(bào)道顯示[19-20]TGF-刺激細(xì)胞外基質(zhì)中如硫酸糖胺聚糖(sGAG)、粘多糖等蛋白多糖成分的合成。在NPs中,TGF-可通過(guò)上調(diào)CCN家族蛋白2(CCN2)的表達(dá)和抑制CCN3的表達(dá)來(lái)誘導(dǎo)聚集素的表達(dá)[21]。
3.3 TGF-調(diào)控細(xì)胞增殖與細(xì)胞死亡椎間盤(pán)退行性病變后,椎間盤(pán)細(xì)胞往往處于缺氧、高機(jī)械負(fù)荷、高濃度自由基、高滲及低pH等不利微環(huán)境下,這會(huì)加速椎間盤(pán)細(xì)胞死亡并形成惡性循環(huán)。TGF-在椎間盤(pán)NPs中可以減緩細(xì)胞死亡進(jìn)程[22]。Ni等[23]用外源性H2O2處理AFs誘導(dǎo)其發(fā)生自噬和凋亡,隨后用TGF-處理這些細(xì)胞,結(jié)果發(fā)現(xiàn)TGF-可以阻斷MAPK通路和促進(jìn)PI3K-AKT-mTOR通路,而且TGF-可以通過(guò)增加抗氧化劑人谷胱甘肽過(guò)氧化物酶-1(GPX-1)的生成來(lái)抑制細(xì)胞自噬和凋亡[23]。同樣他們的另一項(xiàng)研究[24]表明,在血清剝奪條件下,TGF-能抑制AFs過(guò)度自噬,從而降低細(xì)胞凋亡率[25]。此外,Bian等[26]發(fā)現(xiàn)在高滲情況下,TGF-可以激活PI3K/AKT途徑而抑制凋亡。
TGF-除了可以抑制IVD的自噬和凋亡還可以加快IVD的增殖速度。Eleni等[27]研究表明,高滲環(huán)境會(huì)抑制ERK對(duì)血小板衍生生長(zhǎng)因子(FDGF)或胰島素樣生長(zhǎng)因子-I(IGF-I)磷酸化,從而使細(xì)胞周期停滯于G1/S期。而在NPs中加入外源性TGF-后,磷酸化的ERK1/2顯著增加,細(xì)胞增殖速度明顯加快。
正常情況下,NPs在分化時(shí)具有空泡結(jié)構(gòu),這使其在抗壓性能上優(yōu)于AFs[28]。但過(guò)度的機(jī)械負(fù)荷會(huì)使TGF-信號(hào)通路過(guò)度激活。TGF-信號(hào)激活結(jié)締組織生長(zhǎng)因子(CTGF)的轉(zhuǎn)錄與分泌,刺激細(xì)胞外蛋白多糖級(jí)聯(lián)變化。NPs在這種微環(huán)境下抗壓能力下降主要有以下兩種機(jī)制:(1)蛋白多糖表達(dá)增加使細(xì)胞內(nèi)空泡減少;(2)蛋白多糖含量增加使IVD細(xì)胞外晶體滲透壓增加,細(xì)胞內(nèi)水分向細(xì)胞外轉(zhuǎn)移,NP細(xì)胞發(fā)生脫水甚至死亡[29]。
其次,不同濃度TGF-可以激活不同的Smad。相對(duì)低濃度的TGF-可以激活Smad2/3,相對(duì)高濃度TGF-則會(huì)優(yōu)先激活Smad1/5/8[30]。在關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞中,Smad1/5/8的激活會(huì)導(dǎo)致軟骨細(xì)胞肥大造成骨關(guān)節(jié)炎。然而,目前尚無(wú)報(bào)道說(shuō)明Smad1/5/8的激活對(duì)IVD的作用。以上兩種現(xiàn)象可能解釋了當(dāng)椎間盤(pán)嚴(yán)重退變時(shí),由于缺乏營(yíng)養(yǎng)因子等因素,過(guò)度激活的TGF-通路反而會(huì)惡化椎間盤(pán)的退變[31]。但是轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-信號(hào)在IVD退變中負(fù)向作用的確切機(jī)制仍不清楚,需要更多的研究。TGF-的這一特點(diǎn)為個(gè)體化分階段治療IDD提出了更高要求。
研究IDD的病理生理學(xué)和分子機(jī)制能為其治療方法提供新的思路。目前,通過(guò)TGF-相關(guān)信號(hào)通路治療IDD尚處于基礎(chǔ)體外研究實(shí)驗(yàn)階段。如前所述,理論上TGF-治療IDD主要通過(guò)以下3個(gè)方面發(fā)揮作用:(1)抑制細(xì)胞局部微環(huán)境炎癥;(2)抑制細(xì)胞過(guò)度自噬和凋亡;(3)抑制細(xì)胞外基質(zhì)過(guò)度增生。Yang等[32]進(jìn)行的體外研究實(shí)驗(yàn)表明注射2.5%富血小板血漿的方法能顯著促進(jìn)NPs的增殖,且這一現(xiàn)象與TGF-/Smad2/3信號(hào)通路激活有關(guān)。此外,間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)具有無(wú)限向NPs分化的潛能,因此以間充質(zhì)干細(xì)胞為基礎(chǔ)的組織工程研究具有良好的應(yīng)用前景[22]。Felicia等[33]報(bào)道在含有堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子和胰島素的無(wú)血清培養(yǎng)基中,TGF-能夠使MSCs多次傳代。但是如何利用TGF-對(duì)不同年齡不同退變程度的IDD患者進(jìn)行個(gè)體化治療,并且避免TGF-信號(hào)通路過(guò)度激活給局部微環(huán)境甚至整個(gè)機(jī)體帶來(lái)的不利影響仍需后續(xù)進(jìn)一步研究。另外,TGF-通路和其他信號(hào)通路的相互調(diào)控機(jī)制有待進(jìn)一步闡明。只有克服上述問(wèn)題,基于TGF-信號(hào)通路治療IDD才能成為一種有效而安全的治療方法。