TNF-α與椎間盤退變關系的研究進展

孫灰灰，吳小濤

(1.東南大學 醫學院，江蘇 南京 210009；2.東南大學附屬中大醫院 骨科，江蘇 南京 210009)

·綜 述·

TNF-α與椎間盤退變關系的研究進展

孫灰灰1，吳小濤2

(1.東南大學 醫學院，江蘇 南京 210009；2.東南大學附屬中大醫院 骨科，江蘇 南京 210009)

腰痛是骨科最常見癥狀之一，終板異常和椎間盤退變可能是椎間盤源性腰痛的病因。研究認為，退變腰椎終板與腫瘤壞死因子(TNF)-α的表達相關，TNF-α的高表達是產生疼痛的重要因素。作為能加速椎間盤退變的炎性因子，TNF-α在椎間盤退變過程中與其他基因產物有復雜的相互作用關系，目前已成為研究熱點。作者就近幾年國內外關于TNF-α與椎間盤退變關系的研究作一綜述，進一步闡明TNF-α在椎間盤退變中的作用。

TNF-α；椎間盤退變；信號通路；炎性反應；文獻綜述

終板異常和椎間盤退變可能是椎間盤源性腰痛的病因[1]。廖家新等[2]研究認為，退變腰椎終板的MRI改變與TNF-α的表達相關，終板中TNF-α的高表達可能是下腰痛的原因之一。Weiler等[3]提出，TNF-α的表達量與椎間盤源性下腰痛有關，并提出TNF-α的高表達是產生疼痛的重要因素。作為能加速椎間盤退變的炎性因子[4]，TNF-α在椎間盤退變中的作用越來越受到重視，其在椎間盤退變過程中與其他炎性因子、基質降解酶、生長因子、細胞外基質等各種基因產物相互作用。作者對TNF-α在椎間盤退變中的作用作一綜述。

1 TNF-α及其與椎間盤退變的相關性

1975年，有學者對接種卡介菌的小鼠注射脂多糖后發現，其血清中含有一種能殺傷腫瘤細胞并使腫瘤組織發生壞死的因子，并稱之為腫瘤壞死因子(TNF)，包括TNF-α和TNF-β兩個亞型[5]。TNF-α又稱惡質素，是一種單核因子，主要由活化的單核細胞和巨噬細胞產生，其不僅具有選擇性殺傷腫瘤細胞的能力，還有多種免疫調節作用，是一種強有力的炎性細胞因子。TNF-α有兩個細胞表面受體，分別為p55(TNFRⅠ)和p75(TNFRⅡ)。研究表明，TNF-α被腰椎間盤組織受體上的轉化酶激活而發揮生物學活性。盡管TNF-α對兩種受體均有較高的敏感性，但TNFRⅠ表達更為普遍。通常認為，TNF-α主要通過TNFRⅠ發揮其生物學功能，而TNFRⅡ的主要功能是加強TNFRⅠ的效應[6]。

Weiler等[3]通過免疫組織化學技術對不同年齡、不同突出程度的人椎間盤進行研究發現： TNF-α在各年齡段人群中均有不同程度的表達；椎間盤突出者TNF-α表達較未突出者明顯增高；在老年人中表達較青年人明顯增高；TNF-α的表達水平與纖維環及髓核的退變程度呈顯著性正相關。Holm 等[7-9]均通過各自實驗證實，TNF-α的表達與椎間盤退變程度呈正相關。盡管如此，研究發現TNFRⅠ在退變的椎間盤中表達無明顯增高，甚至較正常椎間盤有所降低，暗示了退變和突出的椎間盤降低了其對TNF-α的反應性，導致TNF-α的生物學活性有所降低[6, 8]。

Hiyama等[6]通過單分子層培養鼠椎間盤細胞發現，Wnt信號通路的激活上調了TNF-α的表達，表明Wnt信號通路激活了椎間盤退變進程。該研究組還發現，Wnt信號通路和TNF-α形成了局部正反饋效應。You等[10]研究發現，TNF-α處理的大型動物椎間盤不僅結構發生了變化，而且上調了疼痛相關基因的表達，使退變椎間盤特有的分解代謝及合成等基因表達發生變化并引起退化的膠原蛋白積聚。該研究組認為，TNF-α誘發的椎間盤退變是不易逆轉的。

2 TNF-α在椎間盤退變中的信號通路及其作用

Kato等[11]研究炎性細胞因子及基質金屬降解酶MMPs的作用機制后認為，TNF-α是炎癥反應的始作俑者。為了探究TNF-α誘發的髓核細胞老化信號通路，Mavrogonatou等[12]通過實驗研究關于壓力誘導下椎間盤內蛋白的磷酸化，發現P38絲裂原激活的蛋白激酶/MAP激酶(P38 MAPK)和Jun核激酶(Juns)在經TNF-α處理后15 min發生磷酸化，這兩種激酶的磷酸化在持續刺激1 h后即恢復到正常水平，通過MTT實驗和細胞計數實驗，并未發現細胞外信號調節激酶(ERKs)和蘇氨酸激酶(Akt)的磷酸化水平與正常有所差異，由此可見TNF-α并不直接影響髓核細胞活性和增殖能力，而是通過其他因子和信號通路介導。

2.1 TNF-α上調基質降解酶的表達

Haro等[13-14]通過研究由椎間盤細胞、MMPs及炎性因子釋放等構成的精細調控網絡發現，在巨噬細胞和椎間盤組織的共培養系統中，TNF-α大量增殖，進而導致MMP-3、MMP-7及血管內皮生長因子(VEGF)等的高表達；但巨噬細胞產生TNF-α需要依賴于MMP-7的介導。早有學者研究發現，椎間盤細胞長期受壓后發生表型改變，進而MMPs大量增殖，亦可導致TNF-α等炎性介質的過度表達，導致炎性痛覺過敏的發生[9]，這說明TNF-α與MMP-7相互促進、相互影響，形成一個局部正反饋效應。TNF-α可以增加神經根的敏感性，在退變椎間盤組織中對局部神經根產生毒副作用，進而導致腰痛發生[15-16]。Wang等[17]研究發現，MMP-3是受TNF-α及IL-1β調控的，后兩者通過促進降解酶的表達從而使基質降解。此外，當髓核細胞被SDC4-shRNA轉導或用surfen處理后，TNF-α對MMP-3啟動子的誘導效應及NF-kB信號通路活性沒有發生變化，說明SDC4-shRNA不參與調控NF-kB和 MAPK 信號通路。在髓核細胞內TNF-αMAPK信號通路是受TNF-α及IL-1β調控而發揮作用的，該通路已被證實可調節NF-kB信號。p38、 JNK和 ERK的特定抑制劑可以顯著降低TNF-α及IL-1β介導的MMP-3的表達，這說明MMP-3的轉化特點比我們既往的認知要復雜得多。抑制p65 和 IKKβ信號后，TNF-α介導的MMP-3表達也受到抑制，突顯了NF-kB通路對MMP-3調控的重要性。Mavrogonatou等[12]通過實驗也證實，TNF-α處理牛髓核細胞24 h后其MMP-3的表達水平明顯升高，TNF-α介導的P38MAPK信號通路的MMP-3表達上調與其他學者用人椎間盤細胞進行實驗取得的結果[18]一致。Seguin等[19-20]報道，TNF-α抑制了基質金屬的合成，上調了MMP-1、MMP-3、MMP -13 和ADAM-TS4 及 ADAM-TS5等的表達，椎間盤細胞對TNF-α反應表現為細胞外基質丟失、74%蛋白聚糖降解進而老化加速。Chen等[21]研究發現，TNF-α可能通過NF-kB信號通路促使ADAMTS-5的表達上調，TNF-α在軟骨終板表達較高，其表達水平與ADAMTS-5的表達有必然聯系，但與ADAMTS-4無明顯關聯。這提示TNF-α扮演了可以選擇性上調ADAMTS-5的角色，進一步說明TNF-α通過上調ADAMTS-5的表達水平介導軟骨終板的基質降解。以上結果均表明，TNF-α可通過上調基質降解酶的表達，使細胞外基質發生降解，促進椎間盤髓核細胞老化，誘導椎間盤退變。

2.2 TNF-α影響生長因子的表達

Liu等[22]發現，在類風濕性關節炎患者的軟骨和成纖維樣滑膜細胞中，IL-1β和TNF-α均可降低生長分化因子的表達。Bramlage等[23]通過實驗研究骨關節炎患者滑液中的纖維母細胞發現，強的松龍和TNF-α可以顯著減低GDF-5的表達。Gruber等[24]把椎間盤細胞暴露于富含TNF-α的環境中，發現GDF-5的表達顯著下調。Ohba等[25]等研究發現，TNF-α通過NF-kB通路誘導血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)的產生，進而導致椎間盤組織產生血管。在巨噬細胞和椎間盤組織共培養條件下，TNF-α和VEGF表達明顯增高；而加入TNF-α拮抗劑后VEGF即無明顯增高，提示VEGF表達增高依賴于TNF-α的某種通路[26]。Ohba等[27]研究發現，TNF-α可以通過時間依賴性或劑量依賴性的方式使VEGF增高，而且其作用明顯強于IL-1β、 IFN-γ和 LPS等炎性因子。VEGF誘導的椎間盤內血管生成的作用依賴于TNF-RI 和NF-kB信號通路。上述實驗說明TNF-α可通過抑制GDF-5的表達、上調VEGF的表達，達到促使椎間盤退變的間接作用。

2.3 TNF-α促進白細胞介素等其他炎性因子表達

Gabr等[28]將髓核細胞和纖維環置于不同的細胞因子環境下，結果顯示，與未使用細胞因子處理的髓核細胞及纖維環比較，NOx表達均明顯增高；在TNF-α持續存在的條件下，IL-17誘導的NOx表達比單純TNF-α或者IL-17處理有明顯升高，差異有統計學意義。經TNF-α處理后，髓核細胞及纖維環細胞的IL-6及細胞黏附分子-1(integrated computer aided manufacturing-1，ICAM-1)表達增高。IL-1與TNF-α是在全身及局部炎癥反應早期起重要作用的炎癥細胞因子，是機體炎癥反應早期的標志物[29]。Kim等[30]也通過實驗證實，IL-1和TNF-α共同作用可誘導髓核細胞發生老化性改變，降低Ⅱ型膠原、蛋白聚糖等基質合成基因的表達，增加COX-2和MMP-3等退化基因的表達。Mavrogonatou等[12]研究發現，TNF-α處理的髓核細胞可產生氧自由基ROS，在處理后的前30 min，ROS含量比正常升高了2.5倍。這些炎癥因子的高表達，均可不同程度導致椎間盤細胞老化，加速椎間盤退變。

3 TNF-α與椎間盤退變的分子生物學治療

椎間盤退變的防治不僅可以減輕患者身心負擔，也可以節省醫療開支。目前針對該病的治療方案主要為脫水消腫、活血止痛等藥物治療及手術治療。Brandt等[31]對患未分化脊柱關節病者使用單克隆抗TNF-α抗體(英利昔單抗)，認為抗TNF-α療法對未分化脊柱關節病患者有短期療效，且無明顯副作用。但對于已明確診斷的椎間盤退變性疾病，目前尚無確切有效的分子生物學療法。Mavrogonatou等[12]認為，硫酸氨基葡萄糖可減弱TNF-α誘發的椎間盤內炎性反應，但其作用具有P38 MAPK依賴性，這說明硫酸氨基葡萄糖對TNF-α誘導的髓核細胞老化發揮保護作用的信號通路需要進一步實驗研究。Hiyama等[6]研究發現，Wnt 信號通路和TNF-α構成的局部正反饋回路可誘導髓核細胞老化，該研究組認為，阻斷該回路可以阻止髓核細胞老化。Fujita等[32]認為，腰椎退變的炎性反應隨年齡增大而出現減弱趨勢，TNF-α是MMPs強有力的誘導劑，TNF-α誘導的MCP-1及MMP-3等因子表達也隨年齡的增大不斷減弱；針對MMP-3有望在將來產生椎間盤退變的生物學治療策略。Le Maitre等[8, 33]研究認為，在退變的椎間盤組織中，IL-1RⅠ表達較TNFRⅠ明顯增高，認為IL-1阻止了椎間盤退變可能的靶點。Studer等[34]研究認為，抑制IL-6的分泌可以減弱IL-1和TNF-α的誘導衰老作用，從而阻止椎間盤退變。Kim等[35]研究發現，混有膠原蛋白基質的富血小板血漿能明顯抑制髓核內細胞因子誘導的炎性介質及降解酶，它能激活基質合成相關基因的表達，使細胞分化趨于穩定，進而緩解椎間盤退變。

4 小結及展望

椎間盤退行性變過程非常復雜，目前國內外學者仍在分子和基因水平對其退變機制進行探索[36]。盡管炎癥細胞因子在椎間盤退變過程中發揮的作用已得到初步實驗驗證，其與生長因子、基質降解酶、細胞外基質等退變基因產物之間的相互作用及作用通路也已有了初步研究成果，但由于老化細胞內基因產物的多樣性及其相互作用的復雜性以及老化相關通路的隱蔽性，椎間盤退變的分子機制仍需進一步闡明，各細胞因子間的作用仍需進一步明確。少量實驗研究證實，TNF-α拮抗劑可延緩椎間盤退變，但其確切療效、給藥方式及劑量，仍需大量實驗研究探索。

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2014-11-13

2014-12-21

國家自然科學基金資助項目(81272035)

孫灰灰(1989-)，男，江蘇東海人，在讀碩士研究生。E-mail:766005795@qq.com

吳小濤 E-mail:wuxiaotao@medmail.com.cn

孫灰灰，吳小濤.TNF-α與椎間盤退變關系的研究進展[J].東南大學學報:醫學版，2015，34(3)：448-452.

R329.28

A

1671-6264(2015)03-0448-05

10.3969/j.issn.1671-6264.2015.03.029