脊索細胞在椎間盤退變中的研究進展

馬 俊，張 穎，袁 文

椎間盤退行性改變是臨床上引起頸腰痛、頸椎及腰椎神經根病變及頸椎脊髓病變最常見的原因。目前治療主要以手術治療為主，醫療支出巨大，同時也不能從根本延緩椎間盤退變的發生。如何早期抑制椎間盤退變是近年來的研究熱點。脊索細胞是新發現的一類髓核組成細胞，其可以促進髓核細胞外基質成分的合成。成人髓核組織中脊索細胞的減少和消失可能與椎間盤退變的發生有關。本文將就當前脊索細胞的特征以及其在椎間盤退變方面的相關進展作簡要綜述。

1 脊索細胞的形態及發育特征

1.1 脊索細胞的發育史

在胚胎發育過程的原腸胚期，脊索的出現是脊椎動物體軸形成的標志。脊索起源于中胚層，充當胚胎原始的軸向骨架成分［1］。在脊索周圍的中胚層組織為軸旁中胚層，軸旁中胚層有2 條，縱行排列在脊索的兩側。在發育過程中，脊索可以分泌一些信號分子誘導軸旁中胚層斷裂形成塊狀細胞團，稱為體節，每個體節都能形成生皮生肌節、生骨節，發育形成真皮、骨骼肌以及中軸骨等［2-3］。每塊椎骨均來源于不同區域的生骨節細胞，兩側的生骨節細胞發育形成椎弓和椎弓根，靠中軸兩生骨節相鄰區域的間充質組織發育形成椎體和椎間盤纖維環［4］。人胚胎發育至5～12周時，脊索逐漸斷裂形成一些細胞殘留成分，后者被原始的纖維環包裹，最終形成完整的椎間盤。而胚胎脊索細胞存在于正在發育的椎間盤中，目前對于其轉歸尚存在爭議，一般認為此類細胞會長期存在于椎間盤中并分化為髓核細胞［5-6］。

1.2 脊索細胞的自然史

一般認為，人髓核組織中脊索細胞在10歲以后就會消失。觀察人髓核組織中脊索細胞存在與否與年齡的關系時發現，在新生兒髓核組織中存在很多脊索細胞，胞質中含大的空泡狀結構，細胞外基質成分如蛋白多糖含量較少;而在成人髓核組織中，脊索細胞數目較少甚至消失，取而代之的是軟骨樣細胞，細胞與細胞外基質相對比例降低，同時伴隨細胞外基質微環境的改變［7-8］。目前關于脊索細胞數目減少、消失的機制還不十分明確，可能與其向軟骨樣細胞分化最終達到終末分化以及細胞凋亡有關。

1.3 脊索細胞的形態特征

不成熟椎間盤髓核組織中含有脊索細胞和類軟骨細胞，而后者就是通常所指的“髓核細胞”。目前脊索細胞主要是根據形態特征和相關表型來鑒定。光鏡下脊索細胞常聚集成束，具有大的空泡狀包涵體，常用此區別于類軟骨細胞。brachyury 基因參與了胚胎發育過程中脊索的形成［9］，其錯誤表達可導致異位脊索的形成，因此一般將髓核組織中brachyury 基因的表達作為脊索細胞存在的標志［10］。研究者發現髓核中脊索細胞和軟骨樣細胞兩者在細胞角蛋白-8、細胞角蛋白-18、整合素亞單位(α1、α6、β1)基因表達上存在差異［11-12］，在一定程度上可用于兩者的鑒別。針對脊索細胞特異性的表型分子還需要進一步研究發現和證實。

2 脊索細胞對椎間盤穩態的調節

McCann 等［13］通過Noto-cre 小鼠模型證實脊索細胞和軟骨樣細胞都是由胚胎脊索發育而來，并認為脊索細胞是成熟髓核中軟骨樣細胞的前體細胞。Risbud 等［14］也證實成人椎間盤中存在脊索前體細胞，可向間充質細胞分化。Kim 等［15］將兔髓核組織中的脊索細胞分離出來體外培養時發現脊索細胞可產生蛋白多糖，表達Ⅱ型膠原和Sox-9 等軟骨細胞特征表型，向包括軟骨樣細胞在內的幾種形態不同的細胞分化，同時還具備一定的自我更新能力。脊索細胞具有干祖細胞的特性，在椎間盤細胞更新中扮演著“前體細胞”的角色［15-16］。

2.1 脊索細胞促進軟骨樣細胞基質合成和表型維持

Erwin 等［17］發現體外培養的脊索細胞可以分泌結締組織生長因子(connective tissue growth factor，CTGF)，后者可以促進髓核中軟骨樣細胞蛋白多糖等細胞外基質的合成，作者又將重組人CTGF 加入到無血清條件下培養的髓核細胞中，發現聚集蛋白聚糖表達增加，并且兩者之間存在明顯的劑量效應關系。趙獻峰等［18］將兔髓核組織中的脊索細胞和軟骨樣細胞分離，按單純軟骨樣細胞培養組(A組)及脊索細胞、軟骨樣細胞按1∶1 共培養組(B組)處理，發現B組細胞增殖能力高于A組，A組3 代以內細胞表達蛋白多糖及Ⅱ型膠原，B組細胞表型維持至5 代，脊索細胞能促進髓核軟骨樣細胞的增殖及表型維持。把藻酸鈉微球包裹的髓核細胞和脊索細胞按1∶1 培養時，髓核細胞的活力以及細胞外基質的聚集明顯增加，Ⅱ型膠原和聚集蛋白聚糖基因表達增加，而細胞增殖情況并沒有明顯改變［19］。Abbott 等［20］比較了2 種不同方式獲得的脊索條件培養基和傳統轉化生長因子-β3(transforming growth factor-β3，TGF-β3)聯合地塞米松誘導方式對人退變髓核中軟骨樣細胞的影響，發現通過海藻酸鈉三維培養和組織塊培養的脊索細胞釋放的生長因子促進髓核細胞基質合成的作用較為明顯，但細胞數目較傳統TGF-β3 聯合地塞米松誘導方式少，作者認為這可能與其釋放的生長因子濃度不適合細胞增殖或者不釋放促細胞增殖的生長因子有關。

2.2 脊索細胞抑制軟骨樣細胞的凋亡

脊索細胞不僅可以維持軟骨樣細胞的基質代謝，而且能夠調控其凋亡過程。IL-1β 或IL-1β 聯合Fas-配體常用于體外誘導髓核細胞凋亡和基質降解。脊索細胞釋放的生長因子可以抑制caspase-9、caspase-3、caspase-7 的活性而抑制軟骨樣細胞的凋亡，同時上調聚集蛋白聚糖、Ⅱ型膠原、TIMP-1 基因的表達，下調基質金屬蛋白酶3(matrix metalloproteinase-3，MMP-3)的表達，從而抑制細胞外基質的降解，達到維持髓核組織穩態的目的［21］。

3 脊索細胞參與椎間盤退變的可能機制

脊索細胞在不同物種中存在的時間是不一樣的，有研究者發現脊索細胞存在與否與椎間盤退變是否發生密切相關。Hunter 等［22］發現非軟骨營養不良品種幼年犬髓核中同時存在軟骨樣細胞和脊索細胞，脊索細胞聚集成束，細胞束外圍有包膜包裹，而老年犬髓核中脊索細胞數目急劇下降甚至消失，軟骨樣細胞數目增多，而這個品種犬只有在年老后才發生椎間盤退變。在其他一些嚙齒類動物的不成熟髓核組織中脊索細胞是其中最主要的細胞成份，但是在生長1年以后卻很少有脊索細胞的存在［5，23］，鑒于脊索細胞在椎間盤髓核基質合成和細胞活性調節方面有重要作用，脊索細胞數目的減少與椎間盤退變的發生有密切聯系［22，24-25］。

脊索細胞的凋亡是脊索細胞數目減少的原因之一。Kim 等［26］發現大鼠脊索細胞組成性表達Fas、Fas 配體以及caspase-9，可能參與了脊索細胞的凋亡過程。氧化應激是導致細胞凋亡的常見原因之一。在后續的實驗中，該作者通過過氧化氫作用于體外培養的脊索細胞，發現氧化應激能激活內源性凋亡通路caspase-9、外源性凋亡通路caspase-8 以及共同通路caspase-3，從而導致脊索細胞凋亡增加;抑制caspase-9 和caspase-8 的活性并不能顯著抑制細胞的凋亡，而抑制caspase-3 能顯著抑制氧化應激誘導的脊索細胞凋亡［27］。Suhl 等［28］比較無血清條件和正常血清條件下大鼠脊索細胞的凋亡情況時發現，當脊索細胞在無血清條件下培養時，神經生長因子(nerve growth factor，NGF)、p75 受體以及c-Jun氨基端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)信號通下游分子表達增加，與之相反，原肌球蛋白相關激酶(tropomyosin related kinase A，Trk A)受體、蛋白激酶(protein kinase B，PKB/Akt)和絲裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase，MAPK)信號通路分子等表達下降，從而激活caspase-8、caspase-9、caspase-3，導致脊索細胞凋亡增加;NGF 通過與其TrkA 受體、p75 受體選擇性結合調節脊索細胞的生存和凋亡，抑制caspase-8 和caspase-9 的活性可以顯著減少細胞凋亡的發生。

除此之外，脊索細胞向軟骨樣細胞分化可能也參與了椎間盤退變的過程。Yang 等［29］觀察針刺小鼠椎間盤退變模型不同時間段細胞組成及細胞外基質表達情況時發現，脊索細胞不斷向軟骨樣細胞、纖維軟骨樣細胞分化，同時表型表達也發生改變，蛋白多糖和Ⅱ型膠原表達減少，而一些纖維軟骨表型如Ⅰ型膠原、纖連蛋白等表達增加，細胞外基質成分發生改變，椎間盤高度降低。因此，在脊索細胞不斷向軟骨樣細胞分化最終達到終末分化過程同時，細胞表型也發生相應改變，影響髓核組織的正常細胞代謝和基質合成過程，從而導致椎間盤退變的發生［10，29］。

4 脊索細胞在椎間盤修復和再生方面的應用前景

鑒于脊索細胞在維持椎間盤正常細胞代謝和基質合成方面的重要意義，因此脊索細胞在椎間盤修復和再生方面有重要的應用前景。理想的椎間盤修復方法應為運用組織工程技術，將種子細胞移植到退變椎間盤髓核組織中，保證足夠有功能的細胞數目，抑制與基質降解相關酶的活性，增加細胞外基質的合成，從而達到修復椎間盤、延緩椎間盤退變的目的［30-31］。脊索細胞可能在以下幾個方面用于椎間盤退變的修復:①促進髓核組織細胞外基質的合成代謝;②誘導間充質細胞向類髓核細胞定向分化;③自身作為“種子細胞”。總之，脊索細胞作為一種可能用于椎間盤退變修復的種子細胞，研究其在體內外增殖分化以及與椎間盤退變相關的機制將為椎間盤退變的治療提供新的方向。

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