TGF-信號通路與椎間盤退行性變的研究進展

吳佳達，沈樹鋒，儲振濤，鐘建斌，胡勇

椎間盤退行性變（IDD）被認為是機體衰老的必然結(jié)果。Miller等[1]進行的一項尸體解剖實驗中發(fā)現(xiàn)，年齡超過50歲的人群中有97%存在IDD。一般無癥狀者不需要進行特殊的治療。目前物理治療、藥物對癥治療及手術(shù)治療是對有癥狀患者的三階梯治療方法，這些治療給患者帶來了沉重的經(jīng)濟負擔[2]。通過生物治療方法阻斷或減緩椎間盤（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胞外基質(zhì)（ECM）含量減少、細胞死亡和炎癥反應(yīng)[3-4]。TGF-信號通路參與炎癥、腫瘤轉(zhuǎn)移和胚胎發(fā)生等多種細胞功能，它的異常調(diào)控可導致細胞功能異常，從而導致多種疾病。王伯陽等[5]對白細胞介素（IL-1）、腫瘤壞死因子（TNF-）和TGF-等在IDD中的病理生理機制進行了綜述，但其未深入地闡明TGF-及其下游通路在IDD過程中發(fā)揮的作用。本文在對已有文獻進行復習的基礎(chǔ)上，從TGF-信號通路入手，從其來源、在IVD損傷修復中的作用和過度激活對IVD的不利影響等方面詳細闡述其在IDD及其再修復中的研究進展。

1 1TGF-信號通路簡介

在哺乳動物中存在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個半胱氨酸殘基作為存在的標志，但由于他們的啟動子序列不同，因此它們轉(zhuǎn)錄水平的表達存在差異[6]。然而研究報道主要聚焦于TGF-1，其它TGF-家族蛋白的調(diào)節(jié)作用報道較少。在細胞外基質(zhì)中，TGF-配體數(shù)量遠遠多于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）非共價結(jié)合后以非活性物質(zhì)潛伏在一個復合物中[8]，它與潛伏性TGF-結(jié)合蛋白（LTBP）在細胞外基質(zhì)中結(jié)合。在椎間盤細胞中，TGF-可被壓力負荷等激活且通過TGF-受體通道進入細胞質(zhì)中。TGF-受體包括TGF-I型受體（TbRIs）和TGF-II型受體（TbRIIs）兩種。TGF-受體復合物是由兩個TbR I和兩個TbR II組成的四聚體構(gòu)成。

Smad是TGF-超家族信號傳導的下游因子，介導TGF-信號傳入細胞核。TGF-經(jīng)典信號通路是Smad依賴的信號通路，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)合后形成一個三聚體。只有這種三聚體能進一步進入細胞核參與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控。此外，TGF-還可以激活非SMAD依賴的非典型信號通路，如絲裂原激活蛋白激酶（MAPK）通路[9]和PI3K/Akt信號通路等。

2 椎間盤細胞TGF-信號通路與年齡的關(guān)系

TGF-信號通路在IVD中表達情況與年齡密切相關(guān)。在動物實驗中，Nagano等[10]研究顯示小鼠椎間盤中TGF-的表達隨著年齡的增長而減弱。Matsunaga等[11]分別觀察了8、24齡和50周齡小鼠頸椎間盤細胞中TGF-及其受體的表達，發(fā)現(xiàn)髓核細胞（NPs）和纖維環(huán)細胞（AFs）中均有TGF-及其受體的表達，且隨著年齡的增長，其表達逐漸減弱。然而，Murakami等[12]對新西蘭長毛兔進行的一項研究顯示，3歲老年兔椎間盤中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-對不同衰老程度的椎間盤作用不同（詳見后述）；（2）TGF-信號通路不僅與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，目前國內(nèi)外尚缺乏關(guān)于正常人類IVD中TGF-信號通路隨年齡增長而變化的報道。

3 TGF-信號通路在IVD損傷修復中的機制

3.1 TGF-信號通路抑制炎癥對IVD細胞的影響 炎癥反應(yīng)與IDD有著密切關(guān)系。在局部炎癥發(fā)生時，巨噬細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）加速椎間盤退變。在一項關(guān)于人類退化性骨關(guān)節(jié)炎的研究中，IL-1能下調(diào)TGF-II型受體的表達，并抑制Smad2/3的磷酸化[13]。IL-1也可以通過NF-B通路激活上調(diào)Smad7（Smad屬于抑制性Smad），從而影響TGF-信號通路向下游傳導。TGF-可以抑制單核/巨噬細胞釋放炎性細胞因子。Li等[14]用比格犬退化的椎間盤作為實驗材料，發(fā)現(xiàn)TGF-能顯著抑制IL-1、TNF-的表達，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細胞退變程度的指標[16]。隨著年齡的增長，椎間盤組織中供血供氧減少，導致微環(huán)境pH值呈酸性。另外，IL-1和TNF-會抑制ECM合成并加速其分解從而加速退變進程，而TGF-可以刺激ECM的合成。Li等[14]研究證實，MMP在ECM降解過程中起著重要作用，這導致正常椎間盤功能喪失。TGF-可以通過調(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-除了抑制椎間盤細胞中ECM的降解外，它還能促進ECM的合成。糖胺聚糖（GAG）、膠原和聚集素是IVD細胞外基質(zhì)的重要組成部分。Liu等[18]利用腺病毒介導TGF-基因表達使衰老的NP細胞中ECM合成明顯增加。此外，TGF-也可以通過Smad2/3刺激GAG的合成。也有報道顯示[19-20]TGF-刺激細胞外基質(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-可通過上調(diào)CCN家族蛋白2（CCN2）的表達和抑制CCN3的表達來誘導聚集素的表達[21]。

3.3 TGF-調(diào)控細胞增殖與細胞死亡椎間盤退行性病變后，椎間盤細胞往往處于缺氧、高機械負荷、高濃度自由基、高滲及低pH等不利微環(huán)境下，這會加速椎間盤細胞死亡并形成惡性循環(huán)。TGF-在椎間盤NPs中可以減緩細胞死亡進程[22]。Ni等[23]用外源性H2O2處理AFs誘導其發(fā)生自噬和凋亡，隨后用TGF-處理這些細胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)TGF-可以阻斷MAPK通路和促進PI3K-AKT-mTOR通路，而且TGF-可以通過增加抗氧化劑人谷胱甘肽過氧化物酶-1（GPX-1）的生成來抑制細胞自噬和凋亡[23]。同樣他們的另一項研究[24]表明，在血清剝奪條件下，TGF-能抑制AFs過度自噬，從而降低細胞凋亡率[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)境會抑制ERK對血小板衍生生長因子（FDGF）或胰島素樣生長因子-I（IGF-I）磷酸化，從而使細胞周期停滯于G1/S期。而在NPs中加入外源性TGF-后，磷酸化的ERK1/2顯著增加，細胞增殖速度明顯加快。

4 TGF-過度激活會產(chǎn)生不利影響

正常情況下，NPs在分化時具有空泡結(jié)構(gòu)，這使其在抗壓性能上優(yōu)于AFs[28]。但過度的機械負荷會使TGF-信號通路過度激活。TGF-信號激活結(jié)締組織生長因子（CTGF）的轉(zhuǎn)錄與分泌，刺激細胞外蛋白多糖級聯(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制：（1）蛋白多糖表達增加使細胞內(nèi)空泡減少；（2）蛋白多糖含量增加使IVD細胞外晶體滲透壓增加，細胞內(nèi)水分向細胞外轉(zhuǎn)移，NP細胞發(fā)生脫水甚至死亡[29]。

其次，不同濃度TGF-可以激活不同的Smad。相對低濃度的TGF-可以激活Smad2/3，相對高濃度TGF-則會優(yōu)先激活Smad1/5/8[30]。在關(guān)節(jié)軟骨細胞中，Smad1/5/8的激活會導致軟骨細胞肥大造成骨關(guān)節(jié)炎。然而，目前尚無報道說明Smad1/5/8的激活對IVD的作用。以上兩種現(xiàn)象可能解釋了當椎間盤嚴重退變時，由于缺乏營養(yǎng)因子等因素，過度激活的TGF-通路反而會惡化椎間盤的退變[31]。但是轉(zhuǎn)化生長因子-信號在IVD退變中負向作用的確切機制仍不清楚，需要更多的研究。TGF-的這一特點為個體化分階段治療IDD提出了更高要求。

5 TGF-治療IDD的機遇與挑戰(zhàn)

研究IDD的病理生理學和分子機制能為其治療方法提供新的思路。目前，通過TGF-相關(guān)信號通路治療IDD尚處于基礎(chǔ)體外研究實驗階段。如前所述，理論上TGF-治療IDD主要通過以下3個方面發(fā)揮作用：（1）抑制細胞局部微環(huán)境炎癥；（2）抑制細胞過度自噬和凋亡；（3）抑制細胞外基質(zhì)過度增生。Yang等[32]進行的體外研究實驗表明注射2.5%富血小板血漿的方法能顯著促進NPs的增殖，且這一現(xiàn)象與TGF-/Smad2/3信號通路激活有關(guān)。此外，間充質(zhì)干細胞（MSCs）具有無限向NPs分化的潛能，因此以間充質(zhì)干細胞為基礎(chǔ)的組織工程研究具有良好的應(yīng)用前景[22]。Felicia等[33]報道在含有堿性成纖維細胞生長因子和胰島素的無血清培養(yǎng)基中，TGF-能夠使MSCs多次傳代。但是如何利用TGF-對不同年齡不同退變程度的IDD患者進行個體化治療，并且避免TGF-信號通路過度激活給局部微環(huán)境甚至整個機體帶來的不利影響仍需后續(xù)進一步研究。另外，TGF-通路和其他信號通路的相互調(diào)控機制有待進一步闡明。只有克服上述問題，基于TGF-信號通路治療IDD才能成為一種有效而安全的治療方法。