細胞凋亡與腰椎間盤退變的關系

岳創，楊民

(皖南醫學院弋磯山醫院創傷骨科，蕪湖241000)

腰椎間盤退行性病變是導致的腰腿痛主要原因之一。在多種因素作用下可導致椎間盤突出、椎管狹窄、退行性脊柱側彎、脊柱失穩等。而髓核細胞的數量和功能又與椎間盤退變密切相關［1-2］。以往認為椎間盤退變是一種形態學的改變，表現為局部生物力學失穩現象，近年來研究表明，髓核內細胞數量的丟失可引起椎間盤退變。研究發現細胞凋亡是退變椎間盤組織細胞數量下降的重要原因［3］。為此將細胞凋亡在腰椎退變中扮演著重要的角色作一綜述。

1 腰椎間盤退變的機制

腰椎間盤退變是一個多因素參與的綜合疾病，又是多種機制協同作用的結果。椎間盤內細胞數量和細胞外基質的減少是退變性椎間盤的主要因素，椎間盤退變過程中營養供應減少、基質蛋白酶活性改變、一氧化氮與細胞因子、細胞凋亡失衡、生物力學、自身免疫反應等因素和機制協同作用。有研究表明人類椎間盤組織在20歲后逐漸退變，而衰老、遺傳、心理、肥胖、脊柱過度軸向負荷等多種因素都可以加快椎間盤退變［4］。椎間盤退變的主要組織形態改變表現為髓核細胞壞死、變性，細胞外基質的合成減少［5］，逐漸引起椎間盤基質蛋白多糖及水分的丟失和膠原構成的改變。增生的纖維結締組織把髓核組織所取代，纖維環韌性的改變、破裂，軟骨終板鈣化。Haefeli等［6］發現，認為在退變開始階段為髓核組織纖維化，逐漸形成纖維環裂縫，椎間盤退變始于髓核。腰椎間盤退變的病理表現為髓核和纖維環界線模糊，可見細胞叢的聚集［7］和死亡;軟骨終板的解體裂縫、變薄、軟骨下骨微骨折和骨鈣化;纖維環破裂的數量和程度增加，肉芽組織和神經血管從纖維環外層向內侵入［8］。有研究表明細胞簇的形成是椎間盤退變的標志，細胞簇是由增殖和凋亡的細胞組成［9］。

2 椎間盤細胞凋亡途徑

細胞凋亡是由指維持內環境的穩定，由基因控制的細胞自主有序的死亡。越來越多的研究表明細胞凋亡在椎間盤的退變中起重要作用。至今為止，有關凋亡的途徑，目前研究較多的是死亡受體途徑、線粒體途徑、內質網信號途徑。Wang等［10］報道，椎間盤退變的不同階段，細胞凋亡的途徑也有所不同。內質網信號途徑在椎間盤輕度退變階段較重要，死亡受體途徑在中度退變階段較重要，線粒體途徑在中、重度退變階段較重要。目前發現細胞表面死亡受體途徑是椎間盤細胞凋亡的主要途徑之一。FasL是Fas在體內的天然配體，Fas/FasL是一對凋亡因子，能夠誘導多種細胞凋亡。Fas/FasL系統是椎間盤細胞凋亡的主要途徑目前已經得到證實［11-12］，在退變椎間盤中Fas/FasL、TNF-a/TNFR1介導的細胞凋亡途徑的研究較多，而對于 TRAIL及其受體TRAIL-R的研究多集中在腫瘤領域，對椎間盤方面的研究比較少。椎間盤細胞凋亡在超負荷機壓力作用下可引起間盤退變中細胞可通過線粒體途徑凋亡［13］，Rannou 等［14］報道應用 1.3Mpa 拉伸力誘導兔髓核細胞凋亡，發現細胞中的caspase-9活性明顯增高，但加入caspase-9抑制劑后可以降低細胞凋亡效應，椎間盤細胞凋亡是通過線粒體途經介導的。但在Li等［15］的研究中認為死亡受體途徑和線粒體途徑都參與了髓核凋亡、而且可以相互交叉。可以認為同樣一種細胞存在多種細胞凋亡途徑參與，細胞結構功能的改變會影響到凋亡信號傳導途徑不同。

3 細胞調亡與腰椎間盤退變的聯系

椎間盤細胞的大量凋亡直接影響細胞密度降低，細胞數量的減少，從而使基質的生成量減少。打破了椎間盤基質破壞與合成的動態平衡，最后導致椎間盤的退變。推斷椎間盤細胞的過度凋亡可能是椎間盤退變的重要機制之一。

3.1 椎間盤細胞凋亡的始動因素 近年研究認為，椎間盤承受的異常機械負荷是椎間盤細胞凋亡的重要的始動因素。椎間盤的正常的生物力學功能是維持椎間隙高度，對抗相鄰兩椎體的扭轉力與壓縮力活動限制在一個無痛的范圍。生物力學性能保持脊柱的靈活性和機械穩定性［16］。而異常的機械應力會直接造成椎間盤的結構和功能的破壞。在過度的機械負荷下可影響到椎間盤細胞代謝，及細胞凋亡率的增加，最終促使椎間盤退變。Sauerland等［17］認為椎間盤的代謝依賴于間斷性的應力負荷，而且與應力負荷的強度和頻率相關。Cornelis［18］以成年公山羊腰椎間盤組織體外培養3周，分別在無負荷、低負荷、生理負荷力學條件下分組觀察，結果顯示，無負荷及低負荷條件下培養的椎間盤組織細胞在細胞活性、細胞密度、細胞基因表達上出現退化。

3.2 椎間盤細胞凋亡誘導因素 椎間盤細胞凋亡是由許多復雜和相互依賴的因素，其中誘導因素包括機體的老化，椎間盤微環境的變化，高血糖［19］，尼古丁［20］，炎性細胞因子［21］等。

3.2.1 老齡化因素 腰椎間盤是由纖維環、軟骨終板、髓核組成。隨著年齡的增加，纖維環逐漸透明變性，最后導致破裂;軟骨終板的毛細血管漸漸萎縮，軟骨終板變薄滲透性增加，營養供應減少，最終導致椎間盤退變;髓核組織的水分逐漸減少，基質的合成減少，膠原含量的增加，Ⅱ型膠原向Ⅰ型膠原的轉化，逐漸干燥，成顆粒樣改變，最后轉變成纖維軟骨變性［22］。隨著年齡的增加，在椎間盤中脊索細胞減少或消失，有研究表明脊索細胞是成熟髓核細胞的前體細胞，脊索細胞可以促進軟骨樣細胞基質合成［23］，維持椎間盤的穩態及抑制軟骨樣細胞的凋亡［24］。由此可見，年齡的增加是腰椎間盤的進行性退變的關鍵因素之一。

3.2.2 營養代謝因素 椎間盤是人體中無血管組織，而椎間盤的退變與營養的供應有著密切的聯系。其主要的營養通路為終板途徑和纖維環途徑。軟骨終板與纖維環形成了一個屏障，髓核細胞營養物質的吸收是通過軟骨終板的滲透［25］。腰椎退變可引起軟骨終板血管的分布減少，管腔變窄，引起椎間盤內營養的減少及代謝產物的淤積，使椎間盤內的氧分壓、pH值、滲透壓等因子變異常［26］。在微環境中營養的減少可誘發軟骨終板細胞凋亡增加，加速腰椎間盤的退變［27］。Magnier等［28］報道椎間盤營養供應減少是導致椎間盤退變的始動因素。軟骨終板是椎間盤的組成部分，在髓核組織的營養供應和應力的緩沖起著重要的作用，軟骨終板鈣化造成椎間盤血液供給減少，細胞代謝從有氧變成無氧代謝，可引起代謝產物滯留，細胞凋亡增加，細胞數量逐漸減少，演化成一系列的病理生理改變，最終導致椎間盤退變。近年來，越來越多的研究證實，軟骨終板細胞凋亡在椎間盤退變中起到重要的作用。

3.2.3 分子生物學因素 近年來隨著科學的進步，分子生物學的發展，為進一步研究椎間盤的退變提供了很好的條件。經研究發現有加速椎間盤退變的細胞因子如腫瘤壞死因子(TNF-α)、白細胞介素-1、白細胞介素-6、基質金屬蛋白酶(MMPs)等。Roberts等［29］通過研究報道有多種細胞因子在椎間盤退變中起著重要的作用。有促進細胞合成，抑制細胞凋亡的細胞因子如轉化生長因子(TGF-β);缺氧誘導因子(HIFs)和血管內皮生長因子(VEGF);胰島素樣生長因子(IGF);骨形態發生蛋白(BMP)等。在椎間盤細胞凋亡啟動后，各種生長因子和細胞因子在椎間盤細胞凋亡過程中也發揮著重要作用［30］。有害的細胞因子通過炎性的應答，增加基質金屬蛋白酶的合成，加速基質降解，誘導髓核細胞的凋亡。在椎間盤退變中髓核細胞白介素-1的表達增高，通過基質金屬蛋白酶途徑，造成椎間盤基質的降解［31］。腫瘤壞死因子可以增加基質金屬蛋白酶的活性度，能刺激激活炎性細胞因子，降解基質中的糖蛋白和膠原［32］。Wei［33］報道 TNF-α 可以明顯誘導髓核細胞的凋亡，證明與椎間盤退變有著密切的關聯。基質金屬蛋白酶主要作用是對椎間盤的外基質的降解作用，造成髓核的水分的丟失，導致椎間盤功能的喪失，加速椎間盤的退變。有實驗報道MMP-11與軟骨細胞凋亡呈正相關，提示MMP-11可以促使椎間盤細胞密度降低，誘導細胞凋亡［34］。目前研究表明基質金屬蛋白酶的表達與調節收到多種因素的影響。

3.2.4 一氧化氮 NO是一種炎性介質，是由一氧化氮合成酶(NOS)催化左旋精氨酸氧化產生。具有增加血管擴張，制細胞的增殖，誘導細胞凋亡。NO在軟骨終板中可以減少軟骨終板的合成，在炎性因子的參與下，誘導軟骨終板的凋亡［35］。NO能夠抑制椎間盤外基質的合成，造成椎間盤內細胞數目的減少，加速椎間盤的退變。Denda等［36］發現NO在頸椎與腰椎退行性病變中起到重要的作用。

此外，已經報道脊椎外傷椎體骨折，軟骨終板的破裂可誘導的髓核細胞凋亡［37］。但是目前影響椎間盤細胞凋亡的機制，仍不完全清楚。

4 細胞凋亡的抑制

人們通過細胞凋亡的干預，影響細胞凋亡的過程，可以減緩腰椎間盤的退變［38］。Caspase家族在細胞凋亡起到重要的作用，Park等［39］研究Caspase抑制劑來抑制椎間盤細胞凋亡。近年來隨著生物治療發展，在動物體內做了大量的實驗，研究發現在動物的椎間盤中內打入各種生長因子可以減緩椎間盤的退變［40］，Zeng 等［41］發現在動物實驗中，缺氧誘導因子可能具有抑制髓核細胞凋亡的作用。利用組織工程的方法和干細胞來延緩椎間盤退變［42］。

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