應(yīng)力誘導(dǎo)椎間盤退變的研究進(jìn)展△

張存鑫，王倩，呂超亮，王德春

（1.青島市市立醫(yī)院脊柱外科，山東青島 266071；2.濟(jì)寧市第一人民醫(yī)院脊柱外科，山東濟(jì)寧 272011）

腰背痛是常見的脊柱退行性疾病，據(jù)統(tǒng)計(jì)其點(diǎn)患病率為30%～50%，終生患病率高達(dá)80%～85%，給患者家庭和社會(huì)帶來(lái)了沉重的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)負(fù)擔(dān)。研究表明，椎間盤退變（intervertebral disc degeneration,IDD）是導(dǎo)致腰背痛的重要原因，抑制IDD 是防治腰背痛的重要靶點(diǎn)［1］。雖然IDD 的影響因素眾多，包括老齡、遺傳、機(jī)械負(fù)荷、營(yíng)養(yǎng)缺乏等，多項(xiàng)研究報(bào)道了機(jī)械應(yīng)力（mechanical stress,MS）對(duì)IDD 產(chǎn)生的重要影響［2］，目前MS 誘導(dǎo)IDD 的分子機(jī)制尚未完全闡明，本文擬對(duì)MS 誘導(dǎo)IDD 的不同分子機(jī)制進(jìn)行綜述，為臨床防治LBP 提供理論參考。

1 MS 誘導(dǎo)椎間盤（intervertebral disc, IVD）直接損傷

IVD 功能的維持依賴于完整的組織結(jié)構(gòu)。MS 可導(dǎo)致IVD 結(jié)構(gòu)直接損傷，如纖維環(huán)（annulus fibrosus, AF）破裂、軟骨終板（cartilage endplate, CEP）骨折、髓核組織（nucleus pulposus tissue,NPT）突出等。由于IVD 無(wú)血液供給，自身修復(fù)能力有限，這些物理?yè)p傷為IDD 的發(fā)生奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

雖然CEP 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，更容易受到MS 的損傷，但McMorran 等［3］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)IVD 承受MS 導(dǎo)致CEP 發(fā)生微骨折時(shí)，AF 在微觀上也產(chǎn)生了裂隙或斷裂，這些損傷破壞了IVD 的相對(duì)密閉性，是誘發(fā)或加速IDD 的關(guān)鍵因素。為進(jìn)一步明確密閉性破壞對(duì)IDD 的影響，Su 等［4］在大鼠尾椎CEP 上鉆微孔以破壞IVD 的相對(duì)密閉性，發(fā)現(xiàn)CEP 鉆孔后IDD 顯著增加。在臨床中也有類似發(fā)現(xiàn)，伴有CEP 骨折的患者，其脊柱鄰近節(jié)段IDD 的發(fā)生率顯著增加［5］。因此，保持IVD 組織結(jié)構(gòu)的完整和相對(duì)密閉性，對(duì)預(yù)防MS 誘導(dǎo)的IDD 具有重要意義。

2 MS 誘導(dǎo)IVD 繼發(fā)損傷

MS 誘導(dǎo)IDD 涉及多種病理過(guò)程，包括氧化應(yīng)激、炎性損傷、凋亡、焦亡、自噬、衰老、基質(zhì)降解等，而且這些病理過(guò)程又相互交叉、互為因果，構(gòu)成了MS 誘導(dǎo)IDD 的分子網(wǎng)絡(luò)。

2.1 凋亡

凋亡廣泛存在于退變的IVD 中，MS 可以激活多種凋亡途徑誘導(dǎo)IDD，包括死亡受體途徑、線粒體途徑和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激途徑等。

半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶（cysteinyl aspartate specific proteinase, Caspase）家族是一類重要的細(xì)胞凋亡執(zhí)行蛋白，包括Caspase-3、Caspase-8、Caspase-9 等，其中Caspase-3 是最重要的執(zhí)行蛋白，能夠引發(fā)細(xì)胞核DNA 的斷裂和染色體的碎片化等。Caspase-9 是線粒體凋亡途徑激活的標(biāo)志蛋白，當(dāng)線粒體凋亡程序被激活時(shí)，線粒體膜受損，細(xì)胞色素C被釋放至細(xì)胞質(zhì)中與凋亡酶激活因子1 結(jié)合形成凋亡復(fù)合體，并招募Caspase-9 前體進(jìn)行剪切、活化。活化的Caspase-9 可進(jìn)一步加工其他胱天蛋白酶成員，以啟動(dòng)胱天蛋白酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡［6］。而Caspase-8 則與死亡受體凋亡途徑密切相關(guān)。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可以通過(guò)多種途徑引發(fā)細(xì)胞凋亡，如導(dǎo)致線粒體功能受損，誘導(dǎo)線粒體膜電位下降、ATP 合成減少和活性氧自由基（reactive oxygen species,ROS）產(chǎn)生增加；激活半胱氨酸蛋白酶類家族等［7］。

多項(xiàng)研究表明，MS 可以通過(guò)調(diào)控死亡受體途徑、線粒體途徑和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激途徑等多種凋亡途徑誘導(dǎo)髓核細(xì)胞（nucleus pulposus cell, NPC）凋亡［8，9］。而在AF 和CEP 中，則更多的報(bào)道了MS 通過(guò)影響AF和CEP 能量代謝的方式誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡［10，11］。因此，抑制MS 誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡，是防治IDD 的重要靶點(diǎn)。

2.2 焦亡

焦亡是細(xì)胞程序性死亡的另一種形式，由炎癥反應(yīng)所引起。由于Caspase 能切割底物Gasdermin D（GSDMD）導(dǎo)致焦亡，因此焦亡又被稱為GSDMD 介導(dǎo)的細(xì)胞程序性死亡?；罨腉SDMD-N 端蛋白能夠鑲嵌在細(xì)胞膜上并形成分子通道，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)體的外流而水分子內(nèi)流，細(xì)胞漲大并裂解，最終引起焦亡的發(fā)生。研究表明，炎癥小體相關(guān)蛋白在退變的IVD 中表達(dá)上調(diào)，其表達(dá)與IDD 程度呈正相關(guān)，其機(jī)制可能與MS 激活Wnt/β 信號(hào)通路、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激等相關(guān)［12］。

2.3 鐵死亡

鐵死亡是由細(xì)胞內(nèi)游離鐵的增加、鐵依賴性氧化應(yīng)激的發(fā)展和脂質(zhì)過(guò)氧化物的過(guò)度積累介導(dǎo)的，其特點(diǎn)是鐵依賴性。細(xì)胞中的脂質(zhì)過(guò)氧化和鐵過(guò)載是誘導(dǎo)鐵死亡的兩個(gè)關(guān)鍵信號(hào)。其中，脂質(zhì)過(guò)氧化是鐵死亡的核心驅(qū)動(dòng)機(jī)制。Wang 等［13］研究發(fā)現(xiàn)MS 可以開放壓電離子通道4（Piezo4 ion channels,Piezo4）促進(jìn)鈣內(nèi)流，誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞中谷胱甘肽過(guò)氧化物酶1 蓄積，從而調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞鐵死亡。Wang 等［14］在鐵超載小鼠模型中觀察到鐵超載以劑量依賴性方式促進(jìn)IDD。鐵螯合劑、抗氧化劑和鐵死亡抑制劑均可有效抑制鐵超載誘導(dǎo)的IDD［15］。因此抑制鐵死亡可能是防治IDD 的有效治療策略。

2.4 細(xì)胞衰老

細(xì)胞衰老是細(xì)胞周期中的正常生理過(guò)程。Dai 等認(rèn)為IDD 不是一種被動(dòng)的磨損過(guò)程，而是一種異常的、細(xì)胞介導(dǎo)的對(duì)老化和其他環(huán)境因素（如異常MS）引起的進(jìn)行性結(jié)構(gòu)破壞的反應(yīng)［16］。簡(jiǎn)而言之，IDD 一方面是由于細(xì)胞衰老、分裂耗竭，新生細(xì)胞數(shù)量顯著減少，無(wú)法彌補(bǔ)衰老細(xì)胞的空缺；另一方面衰老的細(xì)胞大量分泌基質(zhì)降解蛋白酶、細(xì)胞因子、趨化因子等，加速了IVD 微環(huán)境的破壞。MS 可以通過(guò)激活壓電離子通道1（Piezo1 ion channels,Piezo1）的表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞外鈣離子的內(nèi)流，激活核因子κB（nuclear factor-kappa B,NF-κB）信號(hào)通路；調(diào)控細(xì)胞骨架重塑，促進(jìn)肌動(dòng)蛋白相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子A 核易位；增強(qiáng)DNA 損傷并激活p53-p21-Rb 信號(hào)途徑等促進(jìn)NPC 衰老［17～19］。在AF 中同樣觀察到細(xì)胞早衰的現(xiàn)象，MS 可以顯著降低AF 細(xì)胞增殖活性和端粒酶活性，導(dǎo)致細(xì)胞衰老［20］。此外，MS 可以通過(guò)下調(diào)YAP1 的表達(dá)，促進(jìn)CEP 組織的衰老［21］。雖然抗衰老研究在細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中效果顯著，但在人體研究中尚未有重大突破。因此，通過(guò)抗衰老的機(jī)制抑制MS 誘導(dǎo)的IDD 可能效果并不理想。

2.5 自噬

自噬可以消化細(xì)胞內(nèi)的“垃圾”。因此，在一定范圍內(nèi)，自噬具有細(xì)胞保護(hù)作用，但當(dāng)刺激因素持續(xù)存在時(shí)，過(guò)度的自噬也可以誘導(dǎo)細(xì)胞死亡，稱為細(xì)胞自噬性死亡。

自噬廣泛參與了MS 誘導(dǎo)IDD 的過(guò)程。研究表明，MS 可以通過(guò)降低自噬水平，加速IDD 的過(guò)程，當(dāng)提升自噬水平后，IDD 可得到有效緩解［22］，其原因可能與自噬增加有助于維持脊索細(xì)胞數(shù)量、抑制細(xì)胞鈣化等相關(guān)。因此，促進(jìn)IVD 細(xì)胞自噬通量的增加，可能是抑制IDD 的重要措施。然而，Huang 等［23］發(fā)現(xiàn)，持續(xù)的MS 顯著增強(qiáng)了PTEN 誘導(dǎo)的激酶1/帕金森蛋白介導(dǎo)的線粒體自噬并導(dǎo)致NPC 衰老，當(dāng)抑制線粒體自噬后，NPC 衰老卻得到強(qiáng)烈挽救。作者認(rèn)為上述兩種觀點(diǎn)并不矛盾。MS 誘導(dǎo)的自噬在一定程度上可以清除細(xì)胞內(nèi)的代謝廢物，發(fā)揮細(xì)胞保護(hù)作用。當(dāng)MS 持續(xù)存在時(shí)，過(guò)度的自噬可以消化分解正常的細(xì)胞器，導(dǎo)致細(xì)胞自噬性死亡。因此，細(xì)胞自噬在MS誘導(dǎo)的IDD 過(guò)程中起到了“雙刃劍”的作用。

2.6 氧化應(yīng)激

ROS 是真核生物線粒體能量代謝的副產(chǎn)物，在體內(nèi)維持較低水平。前期研究認(rèn)為，ROS 會(huì)誘發(fā)多種疾病。然而，近期研究認(rèn)為，ROS 是細(xì)胞內(nèi)的重要信號(hào)傳遞分子，在調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、代謝、衰老、程序性死亡等方面發(fā)揮重要作用［24］。

研究表明，MS 誘導(dǎo)的ROS 蓄積可能是導(dǎo)致IDD的關(guān)鍵，而ROS 蓄積與線粒體功能障礙密切相關(guān)［25，26］。MS 對(duì)線粒體功能的影響一方面來(lái)源于MS對(duì)細(xì)胞的各種應(yīng)力損傷，包括壓力、拉力、擠壓、摩擦等，這些物理?yè)p傷可能來(lái)自于細(xì)胞內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化，也可能來(lái)自于細(xì)胞外部的物理形變。另一方面，MS 可以調(diào)節(jié)細(xì)胞膜上的機(jī)械敏感離子通道蛋白，引起細(xì)胞內(nèi)外離子平衡紊亂，如：Piezo1 通道開放后鈣離子大量?jī)?nèi)流，降低線粒體膜電位，阻礙電子傳遞，導(dǎo)致ROS 蓄積。這些蓄積的ROS 可以直接損傷DNA、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、細(xì)胞器膜等結(jié)構(gòu)，還可以對(duì)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)進(jìn)行調(diào)節(jié)，如調(diào)控凋亡、焦亡、自噬、衰老、炎癥及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激等。其最終結(jié)果為引起IVD 氧化應(yīng)激損傷，導(dǎo)致IDD［27，28］。但是，氧化應(yīng)激反應(yīng)也是細(xì)胞的一種自我保護(hù)機(jī)制，對(duì)維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。ROS 的產(chǎn)生伴隨細(xì)胞的整個(gè)生命周期，ROS 不僅是細(xì)胞代謝產(chǎn)物，也是細(xì)胞內(nèi)的重要信號(hào)分子。作者認(rèn)為，應(yīng)該從維持IVD 內(nèi)氧化代謝平衡的角度來(lái)思考如何抑制IDD。

2.7 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是細(xì)胞蛋白質(zhì)折疊和分泌的核心細(xì)胞器，也是細(xì)胞內(nèi)鈣離子儲(chǔ)存和控制脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)的主要部位。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)折疊或降解過(guò)程出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)便會(huì)導(dǎo)致未折疊蛋白質(zhì)的累積，此時(shí)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)會(huì)激活未折疊蛋白反應(yīng)以降解這些未折疊或者折疊錯(cuò)誤的蛋白質(zhì)。但當(dāng)應(yīng)激條件持續(xù)存在，就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，通過(guò)誘導(dǎo)DNA損傷、激活Caspase-12 等途徑導(dǎo)致細(xì)胞死亡［29］。

研究表明，采用循環(huán)拉伸MS 處理人AF 細(xì)胞，MS 在導(dǎo)致AF 細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的同時(shí)，還可以引起炎性損傷。炎癥反應(yīng)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激之間又相互促進(jìn)，進(jìn)一步加速了AF 細(xì)胞的死亡［30］。Wang 等［31］研究發(fā)現(xiàn)，1.0 MPa 靜態(tài)壓足以誘導(dǎo)NPC 發(fā)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，導(dǎo)致NPC 凋亡，當(dāng)采用?；撬崛パ跄懰岣深A(yù)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激后，可顯著改善MS 誘導(dǎo)的IDD。因此，抑制IVD 內(nèi)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可能是防治IDD 的重要靶點(diǎn)之一。

2.8 炎癥反應(yīng)

炎癥反應(yīng)在IDD 過(guò)程中扮演重要角色。多項(xiàng)研究表明，炎癥反應(yīng)促進(jìn)了IDD 的發(fā)生和發(fā)展［32，33］。Chen［34］研究發(fā)現(xiàn)，異常MS 會(huì)顯著下調(diào)腎上腺素能受體相關(guān)蛋白2 從而激活NOD 樣受體蛋白3（NODlike receptor protein 3, NLRP3）炎癥小體并刺激NPC中白細(xì)胞介素-1β 的表達(dá)，導(dǎo)致IVD 內(nèi)炎癥反應(yīng)和IDD。Cambria 等［35］也發(fā)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)MS 可以顯著促進(jìn)IVD 中環(huán)氧合酶2/ 前列腺素E2 信號(hào)通路的激活，導(dǎo)致IDD。然而Zhang 等［36］研究發(fā)現(xiàn)，中等強(qiáng)度的MS（AF 細(xì)胞5%的形變率）可以通過(guò)抑制細(xì)胞質(zhì)膜微囊蛋白-1 和整合素β1 介導(dǎo)的促炎作用抑制IDD，而高強(qiáng)度的MS（AF 細(xì)胞12%的形變率）則顯著激活細(xì)胞質(zhì)膜微囊蛋白-1 和整合素β1 介導(dǎo)的促炎作用，導(dǎo)致IDD。MS 誘導(dǎo)產(chǎn)生的炎癥因子，一方面可以募集周圍炎性細(xì)胞的聚集和浸潤(rùn)，進(jìn)一步促進(jìn)炎癥因子的釋放；另一方面可以直接啟動(dòng)細(xì)胞凋亡、焦亡、炎性壞死等細(xì)胞死亡程序。而這些死亡、裂解的細(xì)胞又成為新的應(yīng)激源，再次誘導(dǎo)IVD 內(nèi)的炎癥反應(yīng)，進(jìn)入炎癥反應(yīng)惡性循環(huán)。因此，打破IVD 內(nèi)的炎癥反應(yīng)惡性循環(huán)是防治IDD 的關(guān)鍵。

2.9 ECM 降解

ECM 對(duì)維持IVD 的功能狀態(tài)至關(guān)重要。在IDD過(guò)程中，ECM 的分解代謝逐漸增加，而合成代謝逐漸減少［37］。Li 等［37］認(rèn)為，異?；蜻^(guò)載的MS 可以誘導(dǎo)ECM 向纖維化發(fā)展，導(dǎo)致ECM 功能喪失，進(jìn)而導(dǎo)致IDD，其機(jī)制與MS 激活小分子鳥苷酸蛋白A/核轉(zhuǎn)錄因子A 信號(hào)通路密切相關(guān)。在MS 的影響下，脊索細(xì)胞逐漸從IVD 內(nèi)消失，并向NPC 轉(zhuǎn)變，具備產(chǎn)生和維持ECM 的能力。雖然一定MS 可以促進(jìn)NPC的分裂及增殖，但過(guò)度的MS 也可以引起NPC 凋亡，最終，導(dǎo)致NPT 纖維化，從半透明凝膠變?yōu)楦鼒?jiān)固的軟骨組織而失去正常功能［38］。事實(shí)上，MS 對(duì)于IVD 的發(fā)育和成熟發(fā)揮“雙刃劍”的作用。人從出生開始，MS 的變化就在影響IVD 細(xì)胞的功能和行為，包括分化、代謝、增殖和存活等［39］。Liu 等［40］也認(rèn)為，周期性的MS 可以顯著降低ECM 中基質(zhì)金屬蛋白酶的含量，并有效提升II 型膠原蛋白和聚集蛋白聚糖的含量，維持ECM 的功能。

3 總結(jié)與展望

MS 誘導(dǎo)IDD 的分子機(jī)制復(fù)雜多變，包括調(diào)控凋亡、焦亡、鐵死亡、衰老、自噬、氧化應(yīng)激、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、炎性反應(yīng)和ECM 降解等。而且這些病理過(guò)程并不單獨(dú)存在，比如，MS 可以誘導(dǎo)IVD 相關(guān)細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷，導(dǎo)致IVD 內(nèi)脂質(zhì)過(guò)氧化和ROS 蓄積，當(dāng)脂質(zhì)過(guò)氧化和ROS 蓄積超過(guò)細(xì)胞自噬能力后，可誘導(dǎo)細(xì)胞鐵死亡、自噬性死亡和線粒體損傷。線粒體損傷后會(huì)釋放細(xì)胞色素C 進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)進(jìn)而活化Capase-9 引起細(xì)胞凋亡。此外，MS 還可以激活Piezo1離子通道，導(dǎo)致IVD 相關(guān)細(xì)胞內(nèi)陽(yáng)離子內(nèi)流，引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，通過(guò)誘導(dǎo)DNA 損傷、激活Caspase-12等途徑導(dǎo)致細(xì)胞死亡。細(xì)胞死亡后可作為應(yīng)激源導(dǎo)致細(xì)胞炎性損傷，進(jìn)而激活NLRP3 導(dǎo)致細(xì)胞焦亡。而上述病理過(guò)程不存在明確的先后順序，往往相互串?dāng)_，形成信號(hào)傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)共同/協(xié)同發(fā)揮作用。因此，未來(lái)的研究需要從MS 誘導(dǎo)IVD 細(xì)胞損傷分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的視角進(jìn)行探索，從多節(jié)點(diǎn)、多機(jī)制的方向探索IDD 的治療靶點(diǎn)。