椎間盤退變的分子機制研究現狀

張威林，王海強，陳宇飛，劉志恒，張泳照，萬中元，孫 振，羅卓荊

腰痛為骨科的常見病、多發病，脊柱領域的權威雜志《Spine》在1996 將腰痛列為關系人類健康的世紀難題——80%的人一生中至少經歷1 次腰痛［1］。據保守估計，美國每年用于腰痛的醫療支出約900億美元。腰痛因其巨額的醫療支出引發經濟壓力而成為重要的科學問題、臨床問題，乃至社會問題。腰痛的主要原因為椎間盤退變，這是一系列脊柱退行性疾病的病理基礎。椎間盤退變為體內外多種因素綜合作用的結果，但是其確切的機制尚未明確。本文將對椎間盤退變的分子機制研究進展作一綜述。

1 正常椎間盤

1.1 正常椎間盤的結構

椎間盤由位于中心的髓核、外周的纖維環以及上下的軟骨終板構成，髓核呈膠凍樣，位于中心，纖維環主要由15～25 層定向排列的膠原纖維片層按同心圓的方式排列組成。同一層的膠原纖維互相平行，每層膠原纖維與椎體縱軸成60°角，且任意相鄰片層的膠原纖維排列方向都是相反的。軟骨終板位于椎間盤與椎體的銜接處，厚度通常＜1 mm，在維持椎體正常形態及椎間盤的營養供應方面發揮著重要作用。椎間盤的核心結構為髓核，對于其整體結構和力學傳導功能至關重要，因而，椎間盤退變的研究大多集中于對髓核的研究。髓核內細胞數約為4 000 /mm3，纖維環內約為9 000 /mm3，整個椎間盤的細胞數僅占總體積的1%［2］。纖維環與髓核的主要分成如下：髓核主要由髓核細胞及細胞外基質構成，髓核細胞主要由小而圓的類軟骨細胞及大而不規則的脊索細胞構成。細胞外基質主要包括水、Ⅱ型膠原、蛋白多糖，以及少量的細胞外基質成分，包括纖粘連蛋白、纖調蛋白和基膜聚糖等［2］; 由髓核到纖維環，從內向外逐漸由Ⅱ型膠原向Ⅰ型膠原轉變，其細胞也由類軟骨細胞向類成纖維細胞轉化。正因為髓核細胞數量少，而且需要維持大量的細胞外基質，所以椎間盤容易發生退變。

1.2 椎間盤的營養供應

椎間盤的退變與其營養供應的缺乏是密不可分的。椎間盤是人體最大的無血管組織，成人椎間盤髓核幾乎無血管，僅在邊緣1～2 mm 有小毛細血管。研究發現椎間盤也需要消耗能量，主要是通過糖酵解來供能，椎間盤細胞消耗固定量的氧氣、產生少量的CO2，無氧條件下椎間盤細胞也可以存活至少14 d，表明椎間盤組織處于缺血缺氧的狀態［3］。椎間盤內pH 值一般為6.9～7.2，在退變的情況下，可以達到6.1［3］。Grunhagen 等［4］發現椎間盤的血液供應主要來自終板的擴散，極少量來自周圍的小血管。所以大部分脊柱側凸的患者由于終板的鈣化引起的椎間盤血供受阻，進而導致退化，更加有力的證明了這一觀點［5］。

1.3 脊索細胞

成人髓核中以小而圓的類軟骨細胞為主(一般所講的髓核細胞即指這類細胞)，而在幼兒及某些其他物種中以大而不規則的脊索細胞為主［6］。脊索細胞在胎兒出生之后有維護和保持胎兒脊柱功能的作用［7］。脊索細胞在10 歲左右消失，并由軟骨樣細胞所取代［8］，這與椎間盤剛開始發生退變的時間比較接近。但是，目前有大量的證據可以表明脊索細胞的功能在成人狀態依然保存［9］。目前基本可以確定脊索細胞能減少炎癥介質在纖維環中的表達［10］，抑制髓核細胞的凋亡［11］，促使細胞外基質增加，起到維持椎間盤正常形態的作用。髓核細胞由于表達FasL 而具有一定的免疫功能［12］，這項發現對于椎間盤的退變和功能的恢復研究具有一定的意義。

2 椎間盤退變的病理變化

2.1 細胞簇的形成

在椎間盤退變過程中髓核細胞的病理改變是目前研究的重點，髓核細胞在退變中的主要特征為標志性的細胞簇形成［13］，其形成的確切機制及轉歸不明。但目前有很多關于細胞簇形成的假說。有學者通過瘦素在體外刺激大鼠的髓核細胞使髓核細胞大量增殖并形成細胞簇，而且還使用瘦素導致纖維軟骨的增生［14］，進而得出瘦素是產生細胞簇的主要原因;還有學者認為細胞簇的形成與一些病理學相關的細胞應激蛋白表達有關，例如應激蛋白HSF-1，Hsp27 和Hsp72［15］。他們認為細胞簇的形成是髓核細胞對于外界刺激的應激反應表現。Jones 等［16］研究發現，髓核是具有吞噬功能的細胞，而且Wang等［17］捕捉到了正在吞噬微粒的髓核細胞的圖像，證明髓核細胞具有吞噬作用，所以細胞簇的形成也可能是髓核細胞聚集成簇吞噬壞死凋亡細胞而形成。有研究發現細胞簇主要由衰老、增殖及凋亡的細胞組成［18］。細胞簇的形成是椎間盤退變的標志，所以有關于細胞簇的形成機制值得深入地研究和驗證。

對于髓核細胞進行單層培養是研究其生物功能的主要手段之一，而對于單層培養條件下髓核細胞細胞簇的轉歸問題，文獻［17］顯示，單層培養的人椎間盤退變的髓核細胞，其細胞簇在培養48 h 后逐漸趨于消失，對探討細胞簇的成因提供了積極的思路。

2.2 細胞外基質的變化

2.2.1 膠原蛋白的變化

膠原蛋白是構成椎間盤的主要成分，所以在椎間盤退化過程中膠原蛋白的變化不可忽視。構成椎間盤的膠原蛋白主要是Ⅰ型和Ⅱ型膠原，如前所述，正常椎間盤中從內向外逐漸由Ⅱ型膠原向Ⅰ型膠原轉變，但是在退變的椎間盤中原本在髓核占主要的Ⅱ型膠原變性，而原本在外層纖維環占主導的Ⅰ型膠原在髓核的表達增加［19］。由于椎間盤中膠原的這種變化會導致椎間盤變硬，傳導力的作用降低，使纖維環容易破裂，導致髓核突出壓迫神經，出現相應癥狀。

2.2.2 蛋白多糖的改變

蛋白多糖是一種由多肽為主鏈、以氨基多糖為側鏈組成的大分子。蛋白多糖的改變要比膠原的變化明顯，其改變也是椎間盤退化的早期表現之一。在椎間盤退變的過程中，呈聚集狀的蛋白多糖含量明顯下降，而非聚集的蛋白多糖含量增加，聚集狀蛋白多糖的丟失直接導致髓核細胞外基質滲透壓下降，從而導致髓核含水量下降，這是引起椎間盤退變并導致其結構和力學性能改變的主要原因［20］。

2.2.3 纖粘連蛋白

纖粘連蛋白可影響細胞的伸展、移動、吞噬、分化及增殖和血液凝固。Anderson 等［21］運用PCR、蛋白印跡和光密度法對正常人和椎間盤退變患者之間纖粘連蛋白的表達進行比較，得出退變椎間盤中纖維連接蛋白基因明顯高表達。隨著椎間盤退變，纖粘連蛋白含量增加并主要以片段形式存在，可刺激椎間盤細胞產生金屬蛋白酶(matrix metal proteinase，MMPs) 和細胞因子，下調蛋白聚糖的含量，增加細胞基質的降解［22］。

2.2.4 MMPs

MMPs 是參與降解全身各種組織的細胞外基質的蛋白酶家族，目前已經發現24 種MMPs，在人類中存在23 種［23］。在胎兒的形成過程中這種酶也起到了十分重要的作用［24］。目前有很多關于MMPs與椎間盤退變之間關系的研究，這些研究主要集中在MMP-1、2、3、7、9、13。有學者在髓核細胞和纖維內環上的觀察到MMPs 的表達，而在外環和正常的組織上不表達，在退變的椎間盤髓核細胞中MMPs的表達要高于正常的椎間盤組織［25］。MMPs 組織抑制因子(tissue inhibitors of metalloproteinases，TIMPs) 通過與MMPs 形成穩定復合體及直接抑制MMPs 活化這2 種方式抑制MMPs 以維持其表達穩定［26-27］。一旦失去平衡MMPs 可以使椎間盤喪失原有功能，導致腰疼痛［28］。文獻［29］顯示，壓力負荷可以導致解整鏈蛋白MMPs 增加，并促進TIMPs-3介導的椎間盤退變的產生。

3 椎間盤退變的分子機制

3.1 FasL-Fas 凋亡途徑與椎間盤退變

Fas 是腫瘤壞死因子受體家族成員，FasL 是Fas在體內的天然配體。FasL-Fas 為經典的凋亡傳統通路，FasL 在細胞外與細胞膜表面的Fas 結合后，Fas交聯成三聚體或多聚體。Fas 分子N-端死亡效應結構域將死亡信號向下傳遞，活化半胱氨酸天門冬氨酸蛋白酶，降解DNA，導致細胞凋亡［30］。目前有很多關于FasL-Fas 凋亡途徑與椎間盤退變的研究。研究表明椎間盤的退變與椎間盤自身的免疫赦免狀態的改變有關，組織器官的免疫赦免不僅僅是靠被動的血液生理屏障來維持的，還有FasL 所介導的主動免疫的參與［31］。椎間盤髓核表達FasL，從而可誘導入侵的細胞毒性T 淋巴細胞產生凋亡，而且FasL的表達可以維持T 淋巴細胞和B 淋巴細胞的平衡［32］。在椎間盤形成的早期也有FasL 的表達［33］，從而證明了其對椎間盤免疫穩定性的重要性。所以FasL 的表達對于椎間盤的退變也具有極其重要的意義。研究椎間盤退變狀態下FasL 表達的改變，以及髓核細胞和免疫細胞通過FasL-Fas 相互作用機制，對于深入理解椎間盤退變的分子機制有著重要的意義。

3.2 microRNA(miRNA)

3.2.1 miRNA 概述

Lee 等［34］在1993 年第1 次發現了miRNA 為非編碼小RNA，長度19～25 nt，廣泛存在于真核生物中。它通過與mRNA 的3’非翻譯區靶向結合，沉默靶基因或抑制靶基因的表達。在不同物種間具有高度的保守性、時序性和組織特異性。miRNA 與細胞凋亡、細胞癌變、細胞分化、腫瘤轉移、病毒感染、細胞增殖等息息相關，近年來關于miRNA 的研究比較熱門，2002 年miRbase 收錄的miRNA 只有218 條，在2010 年時已經達到15 172 條，目前最新的miRbase18.0 更是增加到了21 643 條。這么眾多的miRNA 通過基因調控廣泛參與人體的各項生命活動，其在椎間盤退變中發揮什么樣的作用值得深入探討。研究顯示椎間盤退變髓核中miRNA 表達譜與相對正常的相比，有29 個miRNA 差異表達，其中上調的6 個，下調的23 個。

3.2.2 miRNA 與椎間盤退變

細胞凋亡主要通過內外2 條通路來激活，內源性通路主要是由線粒體中細胞色素C 等介導，而外源性通路是由死亡受體與其相應的配體結合介導的，其中FasL-Fas 就是這樣的外源性通路［35］。研究表明，椎間盤退變中2 種凋亡通路都存在，且與FasL-Fas 介導的細胞凋亡有關。Fas 相關死亡結構域蛋白(Fas-associated protein with death domain，FADD) 及caspase-3 為FasL-Fas 凋亡途徑中的關鍵蛋白，對椎間盤退變時凋亡增多的確切分子機制進行的研究發現miR-155 在退變椎間盤髓核中下調明顯［36］，生物信息學分析和報告基因也證實了FADD及CASP3 為miR-155 的靶基因。在體外，上調miR-155 的表達引起FADD 和caspase-3 表達降低，而下調miR-155 的表達則引起FADD 和caspase-3 的增加，進而引起Fas 介導的凋亡增加。從而提出差異表達的miR-155 為椎間盤退變時凋亡增加及椎間盤退變的病因之一。這一發現對于椎間盤退變的分子機制研究具有重要意義。

3.3 炎性介質

大量的研究表明退變的腰椎椎間盤組織中能產生炎性介質，炎性成分已被認為是導致椎間盤退變的主要因素之一。白細胞介素-1(interleukin-1，IL-1) 、腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF) 等都已經被證實在椎間盤退變過程中顯著增高。IL-1使椎間盤纖維環細胞產生的前列腺素E 和磷脂酶A增加，且分泌呈劑量依賴性，同時能誘導酪蛋白酶mRNA產生，減少纖維環中總的蛋白多糖含量，促進椎間盤退變［37］。TNF 使蛋白聚糖和Ⅱ型膠原基因表達明顯下降，誘導椎間盤退變的發生［38］。某些炎性介質在椎間盤的退變過程中也是減少的，例如轉化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β) ，Pattison 等［39］發現TGF-β1 能夠促進髓核細胞分泌蛋白多糖，并可顯著降低MMP-2 的活性，TGF-β1 的減少可以引起椎間盤的退變。

4 展 望

綜上所述，椎間盤的退變機制錯綜復雜，對于其退變的機制應該兼顧微觀與宏觀，而且對于椎間盤退變機制的研究任重而道遠，依然存在很多急需解決的問題。對椎間盤退變分子機制的研究，不僅為椎間盤退變的病因提供依據，更為重要的是能夠為椎間盤退變的分子治療提供潛在的新的靶點。例如miR-155 下調為凋亡增加的因素，那么通過病毒介導的pre-miR-155，有可能抑制凋亡而延緩椎間盤的退變，起到治療作用。椎間盤退變的分子機制尚存很多問題有待進一步研究，希望本綜述能給同道帶來一些啟發，為解決這一困擾人類許久的醫學難題指引新的方向。

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