腫瘤壞死因子-α在椎間盤細胞凋亡中的作用

·綜述·

腫瘤壞死因子-α在椎間盤細胞凋亡中的作用

王海瑩， 丁文元

作者單位：050051石家莊, 河北醫科大學第三醫院，河北省骨科生物力學重點實驗室

通信作者：丁文元dingwenyuanls@Sina.cn

【關鍵詞】椎間盤； 腫瘤壞死因子α； 細胞凋亡

作者簡介：王海瑩(1988— )，碩士，醫師

【中圖分類號】R681.53【文獻標志碼】 A

DOI【】

Doi[24]Kohyama K, Saura R, lta M, el al. Intervertebral disc cell apoptosis by nitric oxide: biological understanding of intervertebral disc degeneration [J].Kobe J Med Sci, 2000, 46(6):283-295.

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收稿日期：(2014-01-08)

椎間盤退變是引起慢性下腰痛的重要原因[1]，引起椎間盤退變的具體原因目前還不清楚，但椎間盤細胞，特別是髓核細胞，對維持正常的椎間盤結構與功能具有重要作用[2]。髓核細胞增殖與凋亡平衡的破壞對椎間盤的退變起到了重要作用[3]。近年來，炎性細胞因子在椎間盤退變中作用備受關注[4]。Peng[5]研究發現，由炎癥反應所產生的細胞因子對加速椎間盤退變起到了重要作用。但目前導致椎間盤細胞凋亡的原因和機制并不十分明確，腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor, TNF)超家族在椎間盤細胞凋亡中發揮了重要作用。其中，TNF-α是發現最早、研究較多的一種強有力的炎癥因子。本文就TNF-α與椎間盤細胞，特別是髓核細胞凋亡的關系以及作用機制作一綜述。

1TNF-α的來源及作用

1.1TNF-α的來源

1975年，Carswell等[6]在小鼠血清中發現了一種對腫瘤細胞具有殺傷作用并且能夠導致腫瘤組織壞死的物質，稱為TNF。TNF有2個亞型，分別為TNF-α和TNF-β。其中，TNF-α又稱惡質素，是一種單核因子，它主要由活化的單核細胞和巨噬細胞產生，正常情況下，血漿中的TNF-α水平較低。Nerlich等[7]研究發現，退變的髓核和纖維環細胞發生了變化，并且具有了巨噬細胞的特點。秦海江等[8]發現體外培養的椎間盤細胞與巨噬細胞相比，細胞中的TNF-α水平接近，認為TNF-α首先是巨噬細胞產生。Burke等[9]及侯曉東等[10]發現軟骨細胞能夠產生TNF-α。王靖等[11]通過針刺兔的椎間盤，發現與未發生退變的椎間盤相比，退變椎間盤纖維環的某些區域產生了TNF-α。Onozawa等[12]利用蛋白質印跡法檢測出在鼠髓核細胞中存在相對分子質量為17 000的TNF-α表達，并認為髓核細胞能分泌TNF-α。Shamji等[13]發現，TNF-α可使椎間盤細胞產生代謝性應激，導致代謝產物含量增加。對鼠背根神經元細胞凋亡的研究發現，髓核細胞分泌TNF-α是誘導自身凋亡的重要途徑[14]。Yoshida等[15]通過針刺兔髓核法制作椎間盤退變模型時發現，在針刺髓核第1天時，髓核細胞就產生了TNF-α。通過以上學者的研究發現，椎間盤中的TNF-α主要由退變的髓核細胞和纖維軟骨細胞分泌，而且這些細胞已經具有了類似單核細胞和巨噬細胞的功能。

1.2TNF-α的作用

正常情況下，血液中TNF-α水平很低，但對于維持機體內環境穩態、新陳代謝及免疫系統等方面具有重要作用。首先，TNF-α能借助機體免疫功能，對同一腫瘤產生直接和間接雙重活性的抗癌效應；TNF-α能誘導產生多種免疫介質參與B細胞及T細胞免疫過程。其次，TNF-α參與整個炎癥反應過程，增強中性粒細胞對血管內皮的黏附性；增進凝血因子及組織因子的活性。TNF-α還可與其他炎癥因子組成龐大復雜的網絡，它們之間相互作用、相互影響。

TNF-α的主要作用包括[16]：①上調基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases, MMPs)活性并促其基因表達；②促進其他細胞因子的表達，如白細胞介素-2(interleukin-2, IL-2)、環氧化酶-2(cycloxyenase-2, COX-2)和前列腺素-E2(prostaglandin E2, PGE2)等；③刺激細胞遷移以及改善內皮細胞通透性；④抑制膠原和蛋白多糖的合成；⑤引起炎癥反應。

2TNF-α與其他炎癥因子的關系

TNF-α對椎間盤的破壞作用不僅限于TNF-α自身對椎間盤細胞凋亡的誘導作用，各種炎癥因子之間也存在相互協調、相互誘導的作用。TNF-α自身還可以表現出“正反饋”的效應[17]。有研究表明，TNF-α合成可顯著促進其他炎癥因子的表達，因此TNF-α又被稱為“前炎癥因子”、“始動因子”[18]。丁文元等[19]在早期退變的椎間盤組織中檢測到包括TNF-α在內的前炎癥因子。Moon等[20]應用TNF-α刺激人纖維環時，發現TNF-α具有上調腫瘤生長因子(tumor growth factor-β1, TGF-β1)、胰島素樣生長因子 (insulin-like growth factor-1, IGF-1)、IL-8、IL-6的作用。Ohba等[21]研究發現，TNF-α可誘導血管內皮細胞生長因子合成，進而誘導IL-6、IL-8等炎癥因子產生，促進MMPs、纖溶酶、尿激酶等的合成，加速蛋白聚糖、Ⅱ型膠原的降解；而且對其自身的表達也有促進作用，形成類似“正反饋”機制的循環。Fujita等[22]發現，在髓核細胞中，TNF-α可以通過NF-κB途徑增強脯氨酰羥化酶3的表達，當脯氨酰羥化酶3表達增多時，髓核細胞中的MMP-13、多配體蛋白聚糖4、COX-2、血小板反應蛋白解整合素金屬肽酶5表達增多。Wang等[23]發現，TNF-α可以通過上調多配體蛋白聚糖4的表達，增強髓核細胞血小板反應蛋白解整合素金屬肽酶5的活性，進而使蛋白聚糖降解增加，并且當加入TNF-α抑制劑后變得減弱。

IL-6、PGE2、一氧化氮屬于“下游”炎癥因子，TNF-α、IL-1β等炎癥因子的增加可間接刺激其含量的增加。正常椎間盤具有一定抑制 IL-6、PGE2、一氧化氮等分泌的功能，過多的TNF-α、IL-1β可打破這一平衡，使IL-6、PGE2、一氧化氮等大量產生。IL-6可顯著促進MMP的表達，破壞椎間盤中蛋白聚糖、Ⅱ型膠原的正常比例，使椎間盤髓核水分丟失，失去具有良好緩沖性能的“膠凍樣”形態。雖然PGE2、NO含量對TNF-α、IL-1β的直接作用影響不大，但可通過炎癥反應改變椎間盤環境(pH值、電解質、氧飽和度等)，鞏固已有的退變[17]。

3TNF-α與椎間盤細胞凋亡

3.1TNF-α引起椎間盤細胞凋亡的信號轉導通路

細胞凋亡是由基因控制的細胞自主性死亡過程。椎間盤細胞過度凋亡可能是導致椎間盤基質大分子改變的主要原因，也是造成椎間盤細胞減少的直接原因。研究表明，在退變椎間盤中，髓核細胞凋亡率可高達(61.3±24.5)%，而正常僅為(15.5±6.5)%[24]。在凋亡眾多的誘發因素中,炎癥因子有著重要地位[25-26]。TNF-α在炎癥反應中是激活細胞因子級聯反應中的主要介質，它在循環中較早出現并迅速達到高峰。

絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases，MAPKs)是細胞內的一類絲/蘇氨酸蛋白激酶。研究證實，MAPKs轉導通路存在于大多數細胞內，并對細胞生物學反應(如細胞增殖、分化、轉化和凋亡等)的過程具有至關重要的作用[27]。MAPKs信號轉導途徑是細胞內多條信號通路的交匯點。目前已經發現有多條并行的MAPKs信號通路。應激刺激、生長因子、炎癥因子和某些G蛋白耦聯受體可激活p38MAPK和JNK/SAPK 2條轉導途徑，這2條途徑通過連續的蛋白質磷酸化誘發瀑布式級聯反應，從而通過p38MAPK和JNK/SAPK途徑誘發細胞凋亡[28-30]。

在退變椎間盤中，存在著高于正常含量的TNF-α，有著p38MAPK和JNK/SAPK信號轉導途徑的激活條件。董振輝等[31]研究發現，髓核細胞中既有p38MAPK的表達又有JNK/SAPK的表達。它們的活化形式即P-p38MAPK和P-JNK/SAPK的表達，進一步試驗證實TNF-α組中存在著P-p38MAPK和P-JNK/SAPK的表達，而其阻斷組中未檢測出P-p38MAPK和P-JNK/SAPK的表達，證明2條途徑均可被外源性炎性因子所激活。在流式細胞儀檢測凋亡和TUNEL法檢測凋亡的結果中發現，在P-p38MAPK和P-JNK/SAPK高表達的TNF-α組中，細胞凋亡率亦高于阻斷組及對照組(P<0.01)。可見，TNF-α可以通過p38MAPK和JNK/SAPK信號轉導途徑誘導髓核細胞的凋亡。

3.2TNF-α引起椎間盤細胞凋亡相關基因的表達

抗凋亡基因Bcl-2家族是一種重要的控制細胞凋亡的基因家族，具有調控細胞存活期的生物學效應，但并不影響細胞增殖周期。有研究發現細胞中Bax/Bcl-2似乎可以調控凋亡的發生[32]。

Tschoeke等[33]研究發現，TNF-α可能通過細胞內的某些機制使Bcl-2表達降低，從而開啟加速椎間盤細胞凋亡的“開關”。由此推測TNF-α可能在引起椎間盤退變進而導致椎間盤突出的過程中起非常重要的作用。Takada等[34]在正常大鼠和人突出椎間盤中均發現有Fas受體及其配體的存在，而線粒體途徑主要涉及Bax和Bcl-2表達程度的變化。TNF-α加速髓核細胞凋亡的機制可能是使Bax表達增強、Bcl-2表達降低，從而使Bcl-2/Bax比例降低，進而加速髓核細胞的凋亡。

上皮膜蛋白-1(epithelial membrane protein-1,EMP-1)基因首先在腦腫瘤中發現，認為其可能與腫瘤的形成有關,所以EMP-1又被稱為腫瘤相關性膜蛋白。有研究發現EMP-1在另一些組織和細胞中有抑制細胞增殖和促進凋亡的作用。胡明等[35-36]研究表明，在EMP-1高表達的情況下,椎間盤細胞發生了超常的細胞凋亡。在介導凋亡的過程中，Caspase家族發揮了重要作用,其中Caspase-3是關鍵的執行分子,它在細胞內以及細胞間凋亡信號轉導過程中起關鍵作用。

史紅偉等[37]在利用TNF-α誘導大鼠髓核細胞凋亡的實驗中發現，與對照組相比，誘導組EMP-1基因以及Caspase-3基因表達量明顯增高,并且與TNF-α有濃度及時間依賴性。因此認為TNF-α具有誘導大鼠髓核細胞凋亡的作用，并且明顯誘導EMP-1、Caspase-3促凋亡基因的高表達。

4針對TNF-α治療的展望

目前，TNF-α的生物性拮抗劑主要有Abalimumab、Etanercept、Infliximab、Onercept等。Onda等[38]發現TNF-α抗體可部分緩解由于髓核突出所致的根性疼痛。Olmarker等[39]在動物實驗中發現Iinfliximab具有減輕突出髓核所致的疼痛。Sasaki等[40]由大鼠實驗得出TNF-α抗體能夠緩解坐骨神經痛，且緩解效果明顯。Karppinen等[41]首次通過臨床試驗得出，Infliximab具有減輕腰腿痛的作用。Shamji等[42]發現可溶性TNF受體Ⅱ能夠顯著抑制 TNF-α對椎間盤的影響。Olmarker[43]在椎間盤源性腰痛實驗中發現，聯合應用TNF-α與IL-1β 2種細胞因子抑制劑對神經傳導速度的影響效果更明顯。Studer等[44]發現p38MAPK 通路是 IL-1β、TNF-α等細胞因子介導產生IL-6、PGE2的重要途徑，椎間盤中IL-6、PGE2含量在通過抑制p38MARK通路后明顯減少。Caspase-3途徑是IL-1β、TNF-α細胞因子介導椎間盤細胞凋亡的重要通路之一，煙酚胺可降低其表達，保留椎間盤中正常比例的Ⅱ型膠原、水分、蛋白多糖等[45]。

綜上，雖然目前關于TNF-α的生物性拮抗劑研究很多，但大多只是研究其對于減輕疼痛、緩解癥狀的作用。對于TNF-α的生物性拮抗劑是否能減緩TNF-α引起的椎間盤細胞凋亡，目前鮮有報道。TNF-α的生物性拮抗劑的臨床應用及作用機制還需大量的論證。

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(本文編輯張建芬)