椎間盤退行性變的信號轉導機制研究進展

李俊杰，梁舒涵， 彭奇，林斌,饒耀劍

(1湖南中醫藥大學，長沙410007；2河南省洛陽正骨醫院 河南省骨科醫院)

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椎間盤退行性變的信號轉導機制研究進展

李俊杰1，梁舒涵1， 彭奇1，林斌1,饒耀劍2

(1湖南中醫藥大學，長沙410007；2河南省洛陽正骨醫院 河南省骨科醫院)

摘要：椎間盤退行性變的發生是一個復雜的生理病理改變過程，受到很多因素調控。細胞信號轉導途徑是一個巨大且復雜的網絡系統，每個信號通路之間相互聯系、相互作用、相互交叉，共同協調細胞的生存、增殖、分化及凋亡。近年來研究表明，椎間盤退行性變與Wnt/β-catenin、NF-κB、促分裂素原活化蛋白激酶、脂酰肌醇-3激酶/絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶、轉化生長因子β/Smads等多種信號轉導機制有關，對上述機制進行深入研究，可能會為臨床干預椎間盤退行性變及其保守治療提供新的思路。

關鍵詞：椎間盤退行性變；信號通路

椎間盤退行性變(簡稱椎間盤退變)是骨科常見病、多發病，是引起頸椎病、椎間盤突出癥、慢性下腰痛、神經痛等癥狀的重要病理基礎，其發病是一個復雜的慢性過程，發生機制至今尚未完全闡明。細胞信號轉導途徑是一個巨大且復雜的網絡系統，每個信號通路之間相互聯系、相互作用、相互交叉，共同協調細胞的生存、增殖、分化及凋亡。近年來研究表明，在椎間盤退變的過程中，存在著Wnt/β-catenin、NF-κB、促分裂素原活化蛋白激酶(MAPK)、脂酰肌醇-3激酶(PI3K)/絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶(Akt)、轉化生長因子β(TGF-β)/Smads等多種信號轉導機制的改變，深入研究椎間盤退變過程中信號轉導通路的改變及其機制，可進一步了解該病的發病原因及過程，并為其治療提供新的思路。本研究對上述與椎間盤退變有關的信號轉導機制綜述如下。

1Wnt/β-catenin信號通路

經典的Wnt信號通路由Wnt家族分泌蛋白、糖原合成激酶3、Frizzled家族跨膜受體蛋白Dishevelled、β-catenin等轉錄調節因子等構成。Wnt/β-catenin信號通路激活后，使β-catenin蛋白在細胞質聚集并向細胞核內轉移，抑制其降解，并調控下游一系列靶基因的表達，以維持椎間盤細胞和細胞外基質的穩態，同時促進椎間盤細胞的生長發育、功能形成及老化。

Wnt/β-catenin信號通路在椎間盤退變過程中被激活，且發揮重要的調控作用。與腰椎間盤突出癥患者比較，退變椎間盤組織與相同時間段腰椎創傷患者髓核組織中β-catenin mRNA和蛋白表達均升高。與正常髓核細胞相比，應用外源性TNF-α制備的兔椎間盤髓核細胞退變模型β-catenin和基質金屬蛋白酶-13(MMP-13)mRNA表達均明顯升高，Ⅱ型膠原mRNA和蛋白表達均明顯減少；而應用Wnt/β-catenin信號通路抑制劑 DKK1后上述作用明顯減弱[1]。Munetaka等[2]對不同MRI信號的比格犬的椎間盤進行培養，發現髓核組織MRI信號強度與β-catenin、Runx2 mRNA表達具有相關性，說明退變椎間盤組織中Wnt/β-catenin 信號通路的激活能增加Runx2表達，從而導致腰椎間盤鈣化。 Wnt/β-catenin信號通路的激活可增加下游靶基因的表達，從而加速椎間盤的退變。

2NF-κB信號通路

NF-κB蛋白是由Sen等[3]在1986年于淋巴細胞抽提物中發現的，是一種能與免疫球蛋白輕鏈基因的增強子κB序列(GGGACTTTCC)特異性結合的核蛋白因子。NF-κB經典激活是由IkB激酶(IKK)介導完成的，IKK包括兩個催化亞基(IKKα、IKKβ)和一個調節亞基(IKKγ)[4]。

研究表明，NF-κB在動物椎間盤退變髓核中的髓核細胞和軟骨終板中的軟骨細胞均呈陽性表達，而在其自身對照的椎間盤細胞中均呈弱陽性或陰性表達[4]。胡志軍等[5]建立兔的椎間盤退變模型，并采用免疫組化染色觀察不同時間點椎間盤NF-κB的表達，發現其在椎間盤退變早期表達明顯，說明NF-κB對椎間盤退變的早期病變起促進作用。吳慶能等[6]在人退變椎間盤組織中也發現了 NF-κB的高表達，并認為其可能在椎間盤退變中起重要作用。Sun等[7]研究發現，與正常椎間盤組織比較，退變椎間盤組織中 NF-κB、MMP-13蛋白表達均升高，而給予NF-κB抑制劑BAY11-7082后這些蛋白表達均降低。Nasto等[8]研究證明，激活椎間盤細胞的NF-κB信號通路后其靶基因表達水平提高，部分基質降解酶和炎性因子合成增多，細胞外基質的降解增加，最終導致椎間盤退變。研究表明，與正常椎間盤相比，老化退變的椎間盤組織NF-κB活性增強；敲除NF-κB亞基p65等位基因后，正常與老化退變的椎間盤細胞內及細胞外蛋白多糖水平均升高，加入IKK抑制劑8K-NBD后其水平均發生了逆轉變化，提示IKK/NF-κB信號通路在椎間盤退變的過程中起重要作用[8]。因此，NF-κB信號通路的激活與椎間盤退變的發生有關。

3MAPK信號通路

MAPK是一類能將細胞外刺激信號轉換成廣泛的細胞內反應的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，主要有細胞外信號調節激酶(ERK)、c-Jun氨基末端激酶(JNK)、p38MAPK和ERK5等4個主要亞族，在許多生理過程中發揮著重要的細胞信號轉導作用[9]。目前研究較多的是ERK1/2、JNK1/2/3和p38MAPK信號通路[10~12]。

3.1ERK1/2信號通路Risbud等[13]研究證明，當鼠髓核細胞處于低氧環境中時，細胞內ERK1/2及p38信號通路均發生磷酸化，給予ERK1/2信號通路抑制劑PD98059后，鼠髓核細胞中α2整合素mRNA表達減少，從而進一步影響髓核細胞在低氧環境下的生存，而p38信號通路無明顯抑制作用。劉瑞龍等[14]采用不同的滲透壓梯度以及ERK1/2特異性抑制劑PD98059處理髓核細胞，發現突然的高滲透壓(600 mOsm) 可以使兔髓核細胞凋亡明顯增加，同時激活ERK1/2信號轉導通路，但該信號通路在一定程度上具有抗髓核細胞凋亡作用。以上均說明ERK1/2信號通路對抑制椎間盤退變有一定作用。

3.2JNK1/2/3信號通路JNK于1990年被發現，是促MAPK超家族成員之一，有3個亞型，即JNK1、JNK2和JNK3[15]。研究表明，JNK信號通路在細胞的凋亡中發揮著重要作用[16]。董振輝等[17]在應用TNF-α誘導髓核細胞凋亡的實驗中發現了磷酸化JNK/SAPK及磷酸化p38MAPK表達均升高，而應用JNK信號通路阻斷劑SP600125及p38MAPK阻斷劑SB203580后，無明顯磷酸化JNK/SAPK及磷酸化p38MAPK表達，證實了外源性TNF-α可通過激活p38MAPK和JNK/SAPK信號通路而促進髓核細胞凋亡。

3.3p38MAPK信號通路p38MAPK由Brewster等[18]于1993年發現，存在p38α1/α2、p38β1/β2、p38γ和p38δ等6種異構形式，不同異構體的分布具有組織特異性。p38MAPK信號通路可被機械應力、滲透壓變化、氧化、GPCR、IL-1和TNF-α等因素激活，并參與維持細胞的正常功能和介導炎癥反應過程。研究發現，在人退變頸椎間盤的髓核細胞核和纖維環中均存在p38MAPK的異常表達，而且其表達水平與髓核細胞退變的嚴重程度呈正相關[19，20]。Studer等[21]在人髓核細胞中應用了p38MAPK信號通路抑制劑后發現，前列腺素E2合成明顯減少，而MMP組織抑制因子1與MMP-3的比值明顯升高，提示p38MAPK信號通路可能通過調節前列腺素E2、MMP的合成而參與椎間盤髓核細胞退變的病理生理過程。

4PI3K/Akt信號通路

受體酪氨酸激酶和G蛋白耦聯受體的主要下游效應器為PI3K，受體酪氨酸激酶與PI3K復合物下游關鍵的近節點是Akt，PI3K/Akt信號通路能具有促進細胞增殖、抗細胞凋亡、調節葡萄糖和蛋白質的合成等作用。Sox9基因是與椎間盤退變密切相關的因子，具有促進合成Ⅱ型膠原和蛋白聚糖的作用[22]。Park等[23]研究發現，人椎間盤退變組織中Sox9和Ⅱ型膠原的表達均明顯減少。Cheng等[24]研究發現，PI3K/Akt信號通路能調控髓核細胞中Sox9的表達，并提高其活性；而抑制PI3K/Akt信號通路后，Sox9啟動子的活性和轉錄活性均明顯降低，其表達也明顯減少。Zhang等[25]研究發現，大鼠軟骨終板細胞中類胰島素生長因子可通過激活PI3K/Akt通路而上調Ⅱ型膠原的表達。因此，PI3K/Akt信號通路與椎間盤退變的發生有關。

5TGF-β/Smads信號通路

TGF-β超家族由分泌型多肽分子TGF-β、活化素、抑制素、骨發生蛋白等構成，具有廣泛的生物學活性,已有研究證實其參與早期胚胎發育、軟骨和骨的形成、細胞外基質的合成、炎癥、間質纖維化、免疫和內分泌功能的調節、腫瘤的形成和發展等病理生理活動。Smads是細胞內重要的TGF-β信號轉導和調節分子，可以將TGF-β信號直接由細胞膜轉導入細胞核內。

Shoji等[26]研究發現，增加轉基因小鼠的軟骨間層蛋白表達，可抑制其體內的TGF-β/Smads信號通路，最終導致小鼠腰椎間盤形態及影像學表現發生改變，即導致腰椎間盤退變。朱兆華等[27]研究發現，與正常髓核組織比較，腰椎滑脫椎間盤髓核組織TGF-β1和Smad3表達均升高并呈顯著正相關，且隨著病程的延長和滑脫度數的增加，說明TGF-β/Smad信號通路參與了退變性腰椎滑脫的發病過程。但是關于該信號通路在椎間盤退變方面的研究尚處于初期階段，其對椎間盤退變的具體作用及機制還有待進一步的研究。

綜上所述，椎間盤退變與Wnt/β-catenin、NF-κB、MAPK、PI3K/Akt、TGF-β/Smads等信號通路有關。近年來，椎間盤退變信號通路的研究受到了國內外學者的重視，與椎間盤退變有關的各種信號通路不斷被發現。從信號轉導機制入手進行深入研究，可能會為臨床干預椎間盤退變及其保守治療提供新的思路。但目前國內外學者對于椎間盤退變信號通路的研究相對簡單，仍需要對其進行更加深入的研究和探索。

參考文獻：

[1] 孫敬波,馬信龍,王濤,等.Wnt/β-catenin及NF-кB信號通路與椎間盤退變的研究進展[J].中國修復重建外科雜志,2013,27(12):1523-1528.

[2] Munetaka I, Takeshi A, Takaharu H, et al. Enhancement of runx2 expression is potentially linked to β-catenin accumulation in canine intervertebral disc degeneration[J]. J Cell Physiol, 2015,230(1):180-190.

[3] Sen R, Baltimore D. Multiple nuclear factors interact with the immunoglobulin enhancer sequences[J]. Cell, 1986,46(5):705-716.

[4] Lee JI, Burckart GJ. Nuclear foctor kappa B important transcription factor and therapeutic target[J]. J Clin Pharmacol, 1998,38(11):981-993.

[5] 胡志軍,舒鈞,浦波.核轉錄因子kappa B 在兔椎間盤退變中表達的相關研究[J].中國醫學工程,2013,21(12):24-25.

[6] 吳慶能,雷剛剛,鐘青山,等.退變椎間盤中NF-κB的表達及意義[J].實用臨床醫學,2009,10(2):5-7.

[7] Sun Z, Yin Z, Liu C, et al. The Changes in the Expression of NF-KB in a Degenerative Human Intervertebral Disc model[J].Cell Biochem Biophys, 2014,21(7):115-122.

[8] Nasto LA, Seo HY, Robinson AR, et al. Issls prize winner: Inhibition of NF-κB activity ameliorates age-associated disc degeneration in a mouse model of accelerated aging[J]. Spine, 2012,37(21):1819-1825.

[9] 陳建勇,王聰,王娟,等.MAPK信號通路研究進展[J].中國醫藥科學,2011,1(8):32-34.

[10] Chen Z, Gibson TB, Robinson F, et al. MAP kinases[J]. Chen Rev, 2001,101(8):2449-2476.

[11] 李鵬飛,馬信龍,王濤,等.腰椎損傷疝出型椎間盤組織JNK信號通路激活情況的研究[J].天津醫科大學學報,2015,21(1):35-38.

[12] 朱宇,姜宏.p38 MAPK信號轉導通路在椎間盤退變中的作用[J].中國中醫骨傷科雜志,2015,23(6):75-78.

[13] Risbud MV, Guttapalli A, Albert TJ, et al. Hypoxia activates MAPK activity in rat nucleas pulposus cells: regulation of integrin expression and cell survival[J]. Spine, 2005,30(22):2503-2509.

[14] 劉瑞龍,薛少青,紀學尚,等.高滲應激下ERK信號轉導通路在兔髓核細胞凋亡中的作用[J].中國矯形外科雜志,2012,20(9):838-842.

[15] Derijard B, Hibi M, Wu IH, et al. JNK1: a protein kinase stimulated by UV light and Ha-Ras that binds and phosphorylates the c-Junac-tivation domain[J]. Cell, 1994,76(6):1025-1037.

[16] 侯炳旭,馮麗英.JNK信號通路介導的凋亡在疾病中的作用[J].世界華人消化雜志,2011,19(17):1819-1825.

[17] 董振輝,王德春.腫瘤壞死因子α誘導人髓核細胞凋亡的作用途徑[J].中國組織工程研究與臨床康復,2010,14(50):9321-9324.

[18] Brewster JL, Valoir T, Dwyer ND, et al. An osmosensing signal transduction pathway in yeast[J]. Science, 1993,259(5102):1760-1763.

[19] Yang Y, Kim SC, Yu T, et al. Functional roles of p38 mitogen-activated protein kinase in macrophage-mediated inflammatory responses[J]. Mediators Inflamm, 2014,(2014):352371.

[20] 王慶來,呂存閑,周江濤,等.退變兔腰椎間盤纖維環中絲裂原活化蛋白激酶的表達及意義[J].浙江中醫藥大學學報,2012,36(11):1214-1217.

[21] Studer RK, Aboka AM, Gilbertson LG, et al. p38 MAPK inhibition in nucleus pulposus cells: a potential target for treating intervertebral disc degeneration[J]. Spine, 2007,32(25):2827-2833.

[22] Helen E, James N, Jane A, et al. The Sox9 transcription factor in the human disc: decreased immunolocalization with age and disc degeneration[J]. Spine, 2005,30(6):625-630.

[23] Park JY, Kuh SU, Park HS, et al. Comparative expression of matrix-associated genes and inflammatory cytokines-associated genes according to disc degeneration: analysis of living human nucleus pulposus[J]. J Spinal Disord Tech, 2011,24(6):352-357.

[24] Cheng CC, Uchiyama Y, Hiyama A, et al. PI3K/Akt regulates aggrecan gene expression by modulating Sox9 expression and activity in nuleus pulposus cells of the intervertebral disc[J]. J Cell Physiol, 2009,221(3):668-676.

[25] Zhang M, Zhou Q, Liang QQ, et al. Effects of IGF-1 regulation of type Ⅱ collagen and MMP-13 expression in rat endplate chondrocytes via distinct signaling pathways[J]. Osteoarthritis Cartilage, 2009,17(1):100-106.

[26] Shoji S, Noriyuki T. Cartilage intermediate layer protein promotes lumbar disc degeneration[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2014,446(4):876-881.

[27] 朱兆華,申才良,張建湘,等.TGF-β1和Smad3在退變性腰椎滑脫癥患者椎間盤中的表達及其相關因素分析[J].安微醫藥,2013,17(2):219-221.

·綜述·

收稿日期：(2015-05-06)

中圖分類號：R681.5

文獻標志碼：A

文章編號：1002-266X(2015)48-0090-03

doi:10.3969/j.issn.1002-266X.2015.48.035

通信作者：饒耀劍，E-mail: 108689775@qq.com