基于外泌體的作用機(jī)制探討從腎論治腰椎間盤突出癥的研究進(jìn)展

陳祖鵬,朱智濤,袁 寧 綜述,陳 鋒審校

(1.廣西中醫(yī)藥大學(xué),廣西 南寧 530001;2.廣西中醫(yī)藥大學(xué)附屬瑞康醫(yī)院,廣西 南寧 530000)

由于腰椎間盤退行性改變引起椎間盤正常生理功能的喪失,導(dǎo)致腰椎管狹窄、腰椎間盤突出等疾病發(fā)生,引起的下腰痛癥狀使人們的生活質(zhì)量受到了嚴(yán)重影響[1-2]。椎間盤退變是椎間盤細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)衰老、損傷相關(guān)的病理改變,椎間盤退變引起的疾病主要病因是腰椎間盤的突出壓迫相應(yīng)節(jié)段的脊髓和椎間神經(jīng)根,內(nèi)部的髓核和外圍的纖維環(huán)組成了椎間盤的主要結(jié)構(gòu),其主要功能是作為脊柱的承重及緩沖部分縱向壓力[3]。由于長期的炎性激活,細(xì)胞外基質(zhì)減少,或細(xì)胞衰老造成了椎間盤退化,從而無法支持脊柱的生物力學(xué)完整性和正常生理功能[4]。21世紀(jì)以來,分子生物學(xué)、組織工程技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展為退變的椎間盤組織再生、修復(fù)和延緩?fù)嘶峁┝丝赡堋Ｋ韬思?xì)胞外基質(zhì)的分解與髓核細(xì)胞凋亡為腰椎間盤退行性改變的主要病理改變,外泌體為細(xì)胞分泌的主要信息作用介質(zhì),是具有生物學(xué)活性的微小囊泡,可調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、分化、凋亡,可使受損椎間盤髓核細(xì)胞及其細(xì)胞外基質(zhì)修復(fù)和延緩其椎間盤的退變[5-6]。椎間盤退變引起的疾病主要根據(jù)其癥狀對應(yīng)與祖國醫(yī)學(xué)中的腰痛病。大量臨床資料顯示,“腰痛病”的中醫(yī)發(fā)病因素主要是與“腎精虧虛”密切相關(guān)。NF-κB信號通路的激活對腎虛椎間盤的退變起至關(guān)重要的作用,而用補(bǔ)益腎精等理論指導(dǎo)中醫(yī)藥對腰椎間盤突出癥的防治,起到了較好的臨床療效。由于外泌體對NF-κB信號通路具有調(diào)控作用,對退行性病變的椎間盤來逆轉(zhuǎn)其退變,外泌體的生物學(xué)特性與“從腎論治”椎間盤突出癥的證候?qū)W理論物質(zhì)特征相似。因此,本文將通過外泌體作用機(jī)制來對中醫(yī)學(xué)中從腎論治腰椎間盤突出癥予以重點(diǎn)探討和闡述,以此豐富中醫(yī)理論的內(nèi)涵,也為其指導(dǎo)腰椎間盤突出癥的防治提供新的研究方向。

1 從腎論治腰椎間盤突出癥中西醫(yī)理論探析

腰椎間盤突出癥屬中醫(yī)學(xué)“腰痹證”“腰痛病”等范疇,《內(nèi)經(jīng)》里說“腰者,腎之府,轉(zhuǎn)搖不能,腎將憊矣”(《素問·脈要精微論》)。這句話表明了腎與腰的密切關(guān)系——腎的強(qiáng)弱狀況,先、后天之精藏于腎,腎精氣充足,機(jī)體才能正常運(yùn)作,只有腎氣和腎精充足,腰部才能靈活有度具有正常生理功能,因?yàn)檠恐饕揽磕I氣的固攝作用與腎精的濡養(yǎng)作用?！端貑枴ど瞎盘煺嬲摗?“七八,肝氣衰,筋不能動……腎臟衰,形體皆極”。肝為罷極之本,主筋脈,肝氣充足則筋脈得養(yǎng),肢體活動功能正常。年老后出現(xiàn)肝腎俱虛,可導(dǎo)致筋骨肌肉失去濡養(yǎng),腎中精氣不足,易受風(fēng)寒濕邪侵襲,痹阻經(jīng)絡(luò),出現(xiàn)腰背部疼痛不適,活動嚴(yán)重受限。

相關(guān)的動物實(shí)驗(yàn)也證明了腎虛與腰椎間盤退行性改變的密切相關(guān)性。間斷的軸向力學(xué)負(fù)載加劇了腎虛小鼠椎間盤內(nèi)軟骨細(xì)胞退變和基質(zhì)分解酶的表達(dá),從而誘導(dǎo)腰椎間盤退變的發(fā)生和發(fā)展,能造成更為嚴(yán)重的椎間盤退變[7]。研究發(fā)現(xiàn)通過改善中醫(yī)腎的功能狀態(tài),可以下調(diào)Wnt/β-catenin信號傳導(dǎo)通路,并在一定程度上調(diào)節(jié)HPA軸,對腰椎退行性有一定的治療作用[8]。中醫(yī)中的腎是指人體先天發(fā)育、生殖和臟腑化生等生理機(jī)能,中醫(yī)所謂的腎在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)認(rèn)識之中,已從物質(zhì)實(shí)體到功能狀態(tài)的轉(zhuǎn)變[9]。通過觀察實(shí)驗(yàn)大鼠在去除卵巢和前肢,使其直立跳躍后出現(xiàn)了椎體骨質(zhì)改變與骨質(zhì)疏松,并出現(xiàn)了診察腎虛的“骨象”指標(biāo)與腎虛型動物的行為學(xué)改變和雌激素水平下降,去除卵巢后雌激素水平下降導(dǎo)致椎體松質(zhì)骨-軟骨板-髓核之間的液流、物質(zhì)交換紊亂甚至障礙的根本原因,從而出現(xiàn)腰椎間盤Ⅱ型膠原在軟骨板和纖維環(huán)中的陽性表達(dá)減少,Ⅹ膠原蛋白基因mRNA表達(dá)顯著等腰椎間盤退變變現(xiàn)[10]。研究發(fā)現(xiàn)腎虛證候小鼠的NF-κB信號通路被高度激活且伴隨著腎虛狀態(tài)的加重,相應(yīng)指標(biāo)的變化更加明顯[11]。中醫(yī)認(rèn)為的腎虛證候與NF-κB信號通路的相關(guān)性可進(jìn)一步闡釋腎虛與腰椎間盤退變關(guān)系密切。NF-κB是一種常見的細(xì)胞信號通路,在椎間盤退變過程中炎癥和基質(zhì)降解與NF-κB信號通路的激活有著重要聯(lián)系,NF-κB信號通路的激活在椎間盤退變中起到重要作用[12]。中醫(yī)對治療腰椎間盤突出具有顯著的優(yōu)勢和良好的療效,治療中注重強(qiáng)腰補(bǔ)腎,現(xiàn)代分子生物學(xué)研究也證實(shí)了腰為腎之府的理論優(yōu)勢。研究發(fā)現(xiàn),益腎活血通絡(luò)方能抑制髓核細(xì)胞NF-κB p65信號通路,下調(diào)CHOP、MMP-13,增加SOX9的表達(dá)來減少過載靜壓下髓核細(xì)胞的凋亡,其機(jī)制具有延緩髓核細(xì)胞退變的作用[13]。譚旭儀等[14]研究發(fā)現(xiàn),檢測灌胃補(bǔ)肝健腰方大鼠的椎間盤發(fā)現(xiàn)了NF-κB mRNA、IKK-β mRNA及TNF-α表達(dá)顯著減少,得出了該方具有抑制NF-κB信號通路的作用,這可能是其治療腰椎間盤突出癥的作用機(jī)制。周文明等[15]研究發(fā)現(xiàn),受到了補(bǔ)腎壯督方干預(yù)的腰椎間盤退變大鼠模型,三磷酸腺苷酶(ATP)的活性明顯升高,并且顯著降低大鼠退變腰椎間盤組織中 TNF-α水平,抑制了炎癥因子的釋放,穩(wěn)定椎間盤活性,減緩了腰椎間盤退化。骨碎補(bǔ)總黃酮能通過下調(diào)細(xì)胞內(nèi)基質(zhì)金屬蛋白酶3和 TNF-α等炎癥因子的抑制表達(dá),抑制退變椎間盤中NF-κB信號通路激活,保護(hù)間軟骨細(xì)胞,延緩椎間盤退化[16]。這些研究表明,補(bǔ)腎中藥、溫養(yǎng)腎精類方劑可以下調(diào)炎癥通道,從而減少髓核細(xì)胞凋亡,減輕椎間盤退化以治療腰椎間盤突出癥[17]。通過對這些信號通路的研究,從現(xiàn)代分子生物學(xué)角度對腎虛型腰椎間盤突出癥有了進(jìn)一步的證實(shí),使運(yùn)用補(bǔ)腎法防治腰的相關(guān)疾病更具科學(xué)性。

2 椎間盤與外泌體

2.1外泌體的研究現(xiàn)狀 1981年TRAMS 等在透射電鏡下發(fā)現(xiàn)“外泌體”,JOHNSTONE 等在1981年命名為“exosomes”[18];外泌體是細(xì)胞外小囊泡的一種亞組,包膜內(nèi)包含了大量的外泌體在膜上攜帶大量功能性蛋白質(zhì)、RNA 和mRNA及豐富的膽固醇、神經(jīng)酰胺、鞘磷脂和脂筏,作為細(xì)胞間通信的載體[19]。它們在細(xì)胞之間參與了通信、調(diào)控等大量生物途徑,可以產(chǎn)生多種生物活性營養(yǎng)因子,刺激鄰近細(xì)胞分泌因子來修復(fù)組織[20]。外泌體具有脂質(zhì)雙層膜結(jié)構(gòu),滲透性和穩(wěn)定性良好。其特殊的膜特性容易與細(xì)胞外膜融合,將外泌體膜內(nèi)生物活性物質(zhì)注入細(xì)胞膜內(nèi),完成細(xì)胞間通信,其膜內(nèi)物質(zhì)特別是mRNA、信使RNA進(jìn)入靶細(xì)胞內(nèi)內(nèi)涵的基因通過表達(dá)完成了對靶細(xì)胞的調(diào)控,改變其靶細(xì)胞的生命歷程,還可以通過跨膜蛋白直接與靶細(xì)胞信號受體結(jié)合從而發(fā)揮相應(yīng)的生理作用[21]。最近的大量研究表明,外泌體通過調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡、增殖或分化過程,對促進(jìn)與疾病相關(guān)的組織損傷具有顯著作用。故外泌體或可以成為多種疾病治療的重要介質(zhì)。外泌體為細(xì)胞分泌的主要信息作用介質(zhì),是具有生物學(xué)活性的微小囊泡[5]。

2.2外泌體對椎間盤的影響 近年來對外泌體的研究發(fā)現(xiàn),外泌體具有良好的融合性,其內(nèi)存在豐富的生物學(xué)信息,正在得到越來越多的科學(xué)家重視。外泌體在人體內(nèi)分布廣泛,且?guī)缀跄苓M(jìn)入人體的所有體液完成體液循環(huán),其特殊特征使其成為細(xì)胞間信號傳遞和信息交流的重要途徑,與機(jī)體生理、病理過程的發(fā)生十分密切[22]。HO-1的活性直接影響到抗氧化損傷能力的變化。而椎間盤的退化過程中無不包含著髓核細(xì)胞凋亡,纖維環(huán)氧化退變過程,HO-1降解血紅素產(chǎn)生的產(chǎn)物對細(xì)胞產(chǎn)生保護(hù)作用[23]。有相關(guān)研究表示,間充質(zhì)干細(xì)胞外泌體通過有效抑制BACH1的表達(dá),促進(jìn)HO-1表達(dá),減緩了椎間盤退行性改變;并證實(shí)外泌體促進(jìn)椎間盤退變中髓核細(xì)胞外基質(zhì)合成的作用是通過mRNA等轉(zhuǎn)錄后調(diào)控因子來實(shí)現(xiàn)[24]。龔東亮等[25]研究發(fā)現(xiàn),通過間充質(zhì)干細(xì)胞外泌體與靶細(xì)胞融合能夠提高其 Mir-21 表達(dá),抑制BACH1 來促進(jìn)HO-1機(jī)制修復(fù)椎間盤退變的能力。LIAO等[26]對晚期糖基化終產(chǎn)物誘導(dǎo)的髓核細(xì)胞使用干細(xì)胞外泌體干預(yù),結(jié)果顯示,經(jīng)外泌體干預(yù)后髓核細(xì)胞中caspase-12和caspase-3的水平均出現(xiàn)降低,而且外泌體的抗凋亡作用呈現(xiàn)明顯的劑量正相關(guān)趨勢。CHENG 等[27]通過細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和動物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),通過源自人骨髓間質(zhì)干細(xì)胞和成纖維細(xì)胞的外泌體干預(yù)髓核細(xì)胞凋亡率明顯低于其他組,動物模型中注射外泌體組Pfirrmann評分、組織學(xué)評分等均明顯低于未注射組。綜合上述文獻(xiàn)顯示,腰椎間盤退變與外泌體有著緊密的關(guān)系,目前手術(shù)治療椎間盤病變多不能恢復(fù)椎間盤原有功能,若能對髓核細(xì)胞通過外泌體行細(xì)胞治療延長椎間盤使用壽命,對于提升患者生活質(zhì)量前景巨大。但外泌體所含的成分復(fù)雜,由于目前報道較少,其發(fā)揮作用的具體機(jī)制仍未完全明了,還需要科研工作者進(jìn)一步地深入考究與挖掘。

2.3外泌體對NF-κB 信號通路的影響 在椎間盤發(fā)生退變時,椎間盤退行性改變的過程中NF-κB 信號通路可能起到調(diào)節(jié)樞紐作用,在椎間盤退變疾病中NF-κB 信號通路可能是潛在的治療靶點(diǎn)[28]。近年來許多研究證實(shí),外泌體蛋白或RNA在改變受體的活動或功能中起著至關(guān)重要的作用,間充質(zhì)干細(xì)胞的外泌體可以在體外降低髓核細(xì)胞的凋亡率,促進(jìn)椎間盤細(xì)胞外基質(zhì)重新合成[29]。肖權(quán)等[30]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過外泌體干預(yù)的受損髓核細(xì)胞,不僅髓核細(xì)胞的凋亡率下降,且通過Western blot檢測發(fā)現(xiàn)NF-κB信號通路的激活,認(rèn)為外泌體的抗髓核細(xì)胞凋亡作用可能與信號通路的NF-κB調(diào)控相關(guān)。近期研究證實(shí),干細(xì)胞來源外泌體可以抑制炎癥介質(zhì)激活,減少髓核細(xì)胞凋亡,通過抑制NF-κB信號通路的激活,進(jìn)而抑制炎癥因子活力和侵襲,抑制內(nèi)毒素導(dǎo)致的髓核細(xì)胞凋亡[31]。由此可見,外泌體可以通過其內(nèi)涵豐富的信息因子調(diào)控NF-κB 信號通路表達(dá)。

3 從外泌體作用機(jī)制探討運(yùn)用補(bǔ)腎理論防治腰椎間盤突出癥

中醫(yī)藥防治腰部疾病在長期實(shí)踐中已取得顯著的療效,特別是“腰為腎之府”為理論指導(dǎo)對腰椎間盤突出癥治療取得了較好的臨床效果。結(jié)合現(xiàn)代分子生物學(xué)可以具體、量化該理論的科學(xué)內(nèi)涵,為臨床提供更多的科學(xué)依據(jù)。外泌體的生物學(xué)特點(diǎn)及功能與中醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)理論中對臟腑之間的聯(lián)系具有契合之處,外泌體有望成為中醫(yī)學(xué)理論的基礎(chǔ)物質(zhì)為,中醫(yī)學(xué)理論作用機(jī)制的闡釋提供客觀、量化、整體性的實(shí)驗(yàn)依據(jù)[32]。筆者認(rèn)為中醫(yī)學(xué)的科學(xué)內(nèi)涵,在一定程度上可以通過對相應(yīng)外泌體的研究來從微觀的角度理解。

中醫(yī)的腎與西醫(yī)說的腎臟不同,它代表的是中醫(yī)學(xué)中的一個系統(tǒng),也不是簡單的現(xiàn)代醫(yī)學(xué)各個器官的結(jié)合體,是具有多種生理效應(yīng)的功能集合體[33]。中醫(yī)所說的腎是對腰部功能活動起著統(tǒng)領(lǐng)作用,影響著包括脊柱在內(nèi)的腰部肌肉、韌帶、關(guān)節(jié)的生理病理。祖國醫(yī)學(xué)認(rèn)為,腎的生理功能主要通過元?dú)庠跈C(jī)體的循環(huán)來實(shí)現(xiàn),腎中所藏的精氣即先天之精生化為元?dú)?。腎中所藏的精氣與腎的基因組整體密切相關(guān),腎的基因組轉(zhuǎn)譯為具有功能的蛋白質(zhì)組整體,故元?dú)獾墓δ軤顟B(tài)就是腎的蛋白質(zhì)組整體的功能[34]。而外泌體包裹著蛋白質(zhì)組整體跨在人體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn),在細(xì)胞間的轉(zhuǎn)運(yùn)、識別、表達(dá)等發(fā)揮著重要的作用。LV等[35]通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了,慢性腎病患者與健康人相比尿液中的外泌體有顯著差異,前者尿液外泌體中miR-200、miR-29水平比后者下降十分明顯。周榮耀等[36]研究中觀察到通過人尿源干細(xì)胞外泌體對髓核細(xì)胞的干預(yù),促進(jìn)了髓核細(xì)胞增殖、分化,且能夠減少細(xì)胞外基質(zhì)的降解,對于維持椎間盤內(nèi)環(huán)境結(jié)構(gòu)完整和生物力學(xué)穩(wěn)定起著重要作用。在尿液中腎臟分泌的細(xì)胞因子可以通過某種途徑到達(dá)靶向組織結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用?，F(xiàn)代分子生物學(xué)已證實(shí),腎臟影響其他臟器組織的生理、病理改變是通過“自分泌、旁分泌、內(nèi)分泌”等方式實(shí)現(xiàn)[37]。外泌體或許代表了中醫(yī)理論之中腎精的一部分生理作用,其有效溝通了腎臟與腰的關(guān)系,腎精足則濡養(yǎng)腰背部則靈活有度,而外泌體能夠通過靶向作用于髓核細(xì)胞、椎間盤間質(zhì),發(fā)揮著具有特定的生物作用,恢復(fù)椎間盤的生理,修復(fù)或減緩了腰椎的退行性改變。

現(xiàn)代研究中,NF-κB信號通路的功能受到眾多因子的調(diào)控,其中外泌體是一大影響因子。且外泌體對椎間盤退變的影響可以通過調(diào)控NF-κB信號通路的抑制或激活狀態(tài)來釋放影響髓核細(xì)胞凋亡的炎癥因子,并影響纖維環(huán)退變進(jìn)程。外泌體與既往研究中作為“腰為腎之府”理論物質(zhì)基礎(chǔ)的相關(guān)因子類似,可以通過細(xì)胞間的信息傳遞來調(diào)節(jié)細(xì)胞的生理機(jī)能。由于外泌體揭示細(xì)胞間網(wǎng)絡(luò)交流促進(jìn)疾病產(chǎn)生的機(jī)制與物質(zhì)基礎(chǔ),可以將證候研究中引入外泌體來詮釋。在“腰為腎之府”理論指導(dǎo)下運(yùn)用補(bǔ)腎藥物及方劑治療椎間盤突出取得了較好的臨床療效,補(bǔ)腎藥物及方劑通過調(diào)控NF-κB信號通路減緩椎間盤退變其具體的作用機(jī)制也有相關(guān)研究。外泌體對NF-κB信號通路的影響來促進(jìn)退變椎間盤修復(fù)已有較為明確的研究證實(shí),從腎論治椎間盤突出癥與外泌體逆轉(zhuǎn)椎間盤退變存在一定相似性,都通過調(diào)控NF-κB信號通路來實(shí)現(xiàn)。有研究表明,不同細(xì)胞外泌體功能的廣泛性與中醫(yī)“腎”對機(jī)體的調(diào)控多靶點(diǎn)是一致的[38]。也有研究表明,腎細(xì)胞外泌體能促進(jìn)骨細(xì)胞增殖,外泌體是中醫(yī)“腎”臟腑理論的基礎(chǔ)物質(zhì)之一[39]。因此,外泌體的靶向研究可反過來佐證中醫(yī)“腎”的構(gòu)成,補(bǔ)充了從腎論治腰椎間盤突出癥的理論認(rèn)識,為運(yùn)用補(bǔ)腎法防治腰痛病開拓新的現(xiàn)代理論研究思路,更好地被當(dāng)代醫(yī)學(xué)所理解和認(rèn)可。

4 結(jié) 語

外泌體特殊的生物學(xué)功能,引起眾多科研工作者的探索,外泌體對改善椎間盤退行性改變生物學(xué)機(jī)制已經(jīng)有了大量的研究,祖國醫(yī)學(xué)的獨(dú)特優(yōu)勢在治療下腰痛的臨床實(shí)踐過程中得到了證實(shí),關(guān)于補(bǔ)腎強(qiáng)腰等相關(guān)中腰干預(yù)腰椎間盤髓核退變的研究也得到了證實(shí)。其中醫(yī)臟腑功能理論或許可以通過外泌體的作用機(jī)制來詮釋,為臨床防治腰椎間盤退變提供更多的思路和方向。通過外泌體研究中醫(yī)理論科學(xué)內(nèi)涵增加了循證醫(yī)學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性。使用微觀生物學(xué)技術(shù)來研究中醫(yī)學(xué)經(jīng)典理論使得其更加具體化、形象化,而中醫(yī)理論內(nèi)涵十分豐富,單一的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)是不能完全解釋的。需要科研工作者探索更多的前沿技術(shù),讓中醫(yī)藥得到更好的傳承和發(fā)展。