椎間盤退變機(jī)制研究進(jìn)展

任香

椎間盤退變機(jī)制研究進(jìn)展

任香

椎間盤退變性疾病（intervertebral disc degeneration，IVDD）是引起下腰痛的主要原因之一，嚴(yán)重危害人群健康，研究IVDD的機(jī)制是治療IVDD的主要策略。目前IVDD的確切發(fā)病機(jī)制尚無定論，國內(nèi)外學(xué)者從不同角度，如：生物力學(xué)、分子生物學(xué)及環(huán)境因素等研究椎間盤組織代謝和形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化，探尋其對椎間盤組織的代謝和形態(tài)功能的作用規(guī)律，并嘗試用改善椎間盤環(huán)境的方法來促進(jìn)椎間盤的再生修復(fù)。現(xiàn)將研究進(jìn)展綜述如下。

1 生物力學(xué)對椎間盤組織的作用

隨著年齡的增長，不斷發(fā)生的細(xì)胞凋亡成為椎間盤組織數(shù)量減少的主要原因。目前認(rèn)為椎間盤細(xì)胞凋亡最重要的始動(dòng)因素是椎間盤過度載荷［1?3］。Ariga等［4］把鼠尾椎間盤（intervertebra disc，IVD）離體后行器官培養(yǎng)，隨著載荷增大，凋亡指數(shù)（apoptotic index，AI）逐漸增高。Court等［5］發(fā)現(xiàn)過度屈曲載荷也可引起椎間盤細(xì)胞過度凋亡。Lotz等［6］用鼠尾加壓模型進(jìn)行動(dòng)物體內(nèi)研究。結(jié)果顯示，隨著壓力的增長，內(nèi)層和中層纖維環(huán)排列紊亂程度增加，AI增高，聚集蛋白聚糖（aggrecan，AG）表達(dá)降低，髓核細(xì)胞數(shù)量減少；且隨著加壓時(shí)間的延長，IVD出現(xiàn)明顯退變。停止加壓1月后，IVD結(jié)構(gòu)組織沒有完全恢復(fù)。

Kasra等［7］利用鼠尾加壓模型研究不同頻率的動(dòng)態(tài)加壓對IVD形態(tài)結(jié)構(gòu)和組織成分的影響。結(jié)果顯示，靜態(tài)加載組IVD高度降低明顯大于其他組，而1.5 Hz頻率加載組的高度降低最小。Nei?dlinger等［8］研究不同強(qiáng)度動(dòng)態(tài)水壓對椎間盤細(xì)胞基因表達(dá)的影響。結(jié)果顯示，較低壓力增加了人椎間盤細(xì)胞Ⅰ型膠原和AG的表達(dá)，對基質(zhì)金屬蛋白酶（MMP）沒有影響；較高壓力降低所有合成蛋白基因表達(dá)，其中AG降低明顯，并且增加人椎間盤細(xì)胞MMP?1表達(dá)。

Kroeber等［9］對退變 IVD進(jìn)行動(dòng)態(tài)牽拉28 d后，椎間盤MRI信號得到明顯恢復(fù)，并且基質(zhì)中Ⅰ、Ⅱ型膠原基因表達(dá)上調(diào)，核心蛋白多糖（decorin）、二聚糖（biglycan）表達(dá)增加。研究者認(rèn)為軸向動(dòng)態(tài)牽拉可以促進(jìn)退變不太嚴(yán)重的IVD再生修復(fù)。但是，該研究的加壓和牽拉是在一定時(shí)間段進(jìn)行的，而是否在長時(shí)間受壓導(dǎo)致嚴(yán)重退變的IVD中仍然能促進(jìn)其退變逆轉(zhuǎn)有待進(jìn)一步研究。

2 IVDD的分子生物學(xué)機(jī)制

在IVDD的研究中，有一系列細(xì)胞因子來調(diào)節(jié)控制其新陳代謝（包括合成代謝和分解代謝）。在合成代謝中，轉(zhuǎn)化生長因子?β（transforming growth factor beta，TGF?β）、骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bone morpho?genetic protein，BMP）、Sox9等被證實(shí)具有促進(jìn)蛋白多糖（proteoglycan，PG）和Ⅱ型膠原合成的作用；在分解代謝中，白細(xì)胞介素（interleukin，IL）、MMPs等可促進(jìn)PG和Ⅱ型膠原的降解。

TGF?β是最早發(fā)現(xiàn)的椎間盤成形素分子，由一系列多肽物質(zhì)組成，可調(diào)控IVD膠原及PG等細(xì)胞基質(zhì)成分的合成，影響IVDD。研究者應(yīng)用原位雜交技術(shù)發(fā)現(xiàn)［10］，TGF?β可正向調(diào)節(jié)退變椎間盤Ⅱ型膠原mRNA及其產(chǎn)物的表達(dá)，參與退變椎間盤修復(fù)過程。后來，Nishida等［11］證明了攜帶TGF?β基因的腺病毒載體可以直接注入具有免疫力的兔子椎間盤，促進(jìn)其表達(dá)TGF?β，進(jìn)而增加蛋白多糖合成率。人退變椎間盤細(xì)胞的體外實(shí)驗(yàn)也證明了TGF?β能夠增加PG和膠原的合成率。雖然TGF?β具有這種功效，但它在人活體椎間盤中的作用仍未被證實(shí)。

BMPs是另一個(gè)原型軟骨細(xì)胞成形素，是TGF?β超家族成員之一，與IVDD相關(guān)的有BMP?2和BMP?7，能促進(jìn)PG的合成，增加Ⅱ型膠原的表達(dá)。體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)在IVD修復(fù)的過程中，rhBMP?2可以促進(jìn)細(xì)胞增殖，增加Ⅱ型膠原、PG、Sox9的基因表達(dá)，保持軟骨細(xì)胞表型［12］。進(jìn)一步研究證實(shí)BMP?2可以上調(diào)BMP?7的基因表達(dá)，而BMP?7也能夠促進(jìn)椎間盤細(xì)胞表達(dá)PG和Ⅱ型膠原。由此提出，可以利用BMPs開辟防止或延緩椎間盤退變的新途徑。

Sox9基因是Ⅱ型膠原合成過程中一個(gè)重要的轉(zhuǎn)錄因子，其在軟骨發(fā)育、成熟過程中是Ⅱ型膠原基因（Col2al）表達(dá)增強(qiáng)和促使Ⅱ型膠原合成增加的增強(qiáng)子，是IVDD再生修復(fù)的一個(gè)希望因子。Paul等［13］向退變的人椎間盤細(xì)胞中轉(zhuǎn)染腺病毒介導(dǎo)的Sox9基因，證實(shí)其可以使椎間盤細(xì)胞增殖，Ⅱ型膠原及PG合成增加。Liu等［14］將重組的桿狀病毒?細(xì)胞巨化病毒?Sox9基因?qū)胪俗兊淖甸g盤細(xì)胞中，結(jié)果顯示外源性Sox9基因可成功地在椎間盤細(xì)胞中表達(dá)，表明Sox9有可能作為有效的目的基因，來對IVDD進(jìn)行調(diào)節(jié)和修復(fù)。

MMPs是一類蛋白水解酶，參與細(xì)胞外基質(zhì)的代謝，主要起作用的是MMP?1和MMP?3。MMP?1是膠原酶亞家族中一員，主要降解Ⅲ型膠原。MMP?3是基質(zhì)降解酶亞家族中一員，作用底物主要是PG和糖蛋白，在椎間盤細(xì)胞外基質(zhì)（ex?tracellularmatrix，ECM）降解過程中起關(guān)鍵性作用。Liu等［15］發(fā)現(xiàn)，隨著 IVD老化或退變，髓核中的MMP?3活性升高，使糖蛋白及連接蛋白裂解成為高度異質(zhì)性分子。Kanemoto等［16］通過免疫組化方法研究表明，IVD中MMP?3陽性細(xì)胞比率與磁共振證實(shí)的IVDD程度呈正相關(guān)。在異常力學(xué)環(huán)境下，椎間盤細(xì)胞能夠特異性產(chǎn)生MMPs和一氧化氮等細(xì)胞因子，抑制PG或促進(jìn)PG降解。

IL是單核細(xì)胞釋放的一種蛋白質(zhì)，在IVDD過程中的作用是多環(huán)節(jié)的。Elfervig等［17］發(fā)現(xiàn)摘除的突出IVD組織中含有IL?1免疫反應(yīng)細(xì)胞，且細(xì)胞數(shù)量與IVDD突出的程度有一定的相關(guān)性，而IL?1是刺激組織產(chǎn)生與分泌MMPs的調(diào)質(zhì)。Kang等［18］用IL?1刺激正常、非突出椎間盤培養(yǎng)細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)MMPs在上清液中含量顯著增加，且分泌呈劑量依賴性增加，進(jìn)而導(dǎo)致PG的凈損失影響退變本身。

3 水選擇性通道（aquaporins，AQPs）與IVDD

IVD是一個(gè)富含水分的器官，其中髓核的含水量在幼年時(shí)高達(dá)80％以上，老年時(shí)則為70％。而IVDD的一個(gè)特征性表現(xiàn)為含水量的下降。臨床工作中經(jīng)常可以看到腰痛的患者其IVD MRI信號的異常，主要為T2加權(quán)相IVD低信號，說明水的代謝對IVD的功能非常重要。

AQPs［19］是一組細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，廣泛存在于原核和真核生物細(xì)胞膜，介導(dǎo)不同類型細(xì)胞的跨膜水轉(zhuǎn)運(yùn)。Richardson等［20］采用免疫組化方法研究AQP?1，2，3在椎間盤的表達(dá)，結(jié)果表明，髓核和內(nèi)纖維環(huán)表達(dá)AQP1和AQP3；外纖維環(huán)低表達(dá)AQP3，缺乏AQP1表達(dá)；3種組織均未見AQP2表達(dá)。既往研究已經(jīng)證明，無血管的椎間盤營養(yǎng)主要通過軟骨終板中心部位擴(kuò)散，提示水通道蛋白參與了椎間盤內(nèi)水的代謝過程，對維持IVD的正常生理功能起著關(guān)鍵作用［21］。

此外，不同的外環(huán)境對于細(xì)胞表達(dá)AQPs的影響不同。在正常IVD內(nèi)髓核細(xì)胞處于一種低氧、高滲透壓、持續(xù)的高應(yīng)力作用下的特殊外環(huán)境。當(dāng) IVDD時(shí)，這些外環(huán)境因素發(fā)生顯著變化，其中氧分壓進(jìn)一步降低，滲透壓也隨著PG和水分的丟失而下降。當(dāng)氧分壓降低、細(xì)胞外滲透壓下降時(shí)，細(xì)胞發(fā)生膨脹變形，甚至脹溶。Jinseok等［22］研究發(fā)現(xiàn)AQP?1敲除小鼠調(diào)節(jié)性體積下降明顯降低。當(dāng)AQP?1被抑制后，細(xì)胞快速體積變化降低。因此，髓核細(xì)胞在氧分壓降低和滲透壓降低時(shí)，可能通過降低AQP?1表達(dá)來調(diào)控水在細(xì)胞內(nèi)外分布來減少細(xì)胞體積增加，進(jìn)而維持主要功能和活性。

總之，IVDD是由多因素、多機(jī)制參與和誘發(fā)所產(chǎn)生的疾病，其發(fā)病是一個(gè)連續(xù)的過程。其中椎間盤細(xì)胞及其外在基質(zhì)特殊生物材料成分、比例及功能結(jié)構(gòu)的病理生理發(fā)病和轉(zhuǎn)歸的生物學(xué)機(jī)制變化對維持脊柱穩(wěn)定、充分發(fā)揮順應(yīng)性、緩沖劑吸振、防止脆性等方面起著重要的作用。深入了解椎間盤細(xì)胞及外基質(zhì)生物學(xué)機(jī)制變化的過程和相互關(guān)系，對于IVDD預(yù)防、診斷和治療方面的研究有著重要的意義。

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10.3969/j.issn.1003?9198.2013.12.023

2013?04?24）

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