椎間盤生物學及細胞表型的研究進展

胡義立，吳小濤，王鋒

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

椎間盤生物學及細胞表型的研究進展

胡義立1，吳小濤2，王鋒2

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

椎間盤退變是腰背痛的主要原因，研究椎間盤發育、退變，結構功能以及椎間盤中各種細胞的特異性標志物有助于椎間盤疾病的治療。近年來的研究發現，椎間盤起源于脊索，椎間盤退變始于髓核細胞類型和數量的改變，同時也伴隨著纖維環細胞和終板軟骨細胞的改變。髓核細胞有相對系統的標志物，而纖維環細胞和終板軟骨細胞尚無明確的標志物。作者就椎間盤的生物學特征以及椎間盤內各種細胞標志物的研究進展作一綜述。

椎間盤； 脊索； 髓核細胞； 纖維環細胞； 終板軟骨細胞； 細胞表型； 文獻綜述

據美國健康統計中心報道，85%的人在一生中曾經受到腰背痛的困擾。腰背痛是目前45歲以下人群活動受限的最常見原因。隨著生活、工作壓力的增大，腰背痛已經越來越影響著更多的人，不僅是個人的生活受限，在很大程度上也造成了經濟損失。

近年的研究發現，椎間盤退變是腰背痛的主要原因。目前臨床上治療椎間盤疾病包括保守治療及手術治療，但它們通常只解決臨床癥狀，不能從根本上治療和修復椎間盤退變的病理基礎。而外科手術甚至會加速手術椎間盤或者臨近椎間盤的退變。所以，希望通過對椎間盤的生物學特征及細胞表型的研究，找到生物學治療的方法來修復椎間盤的退變。

作者對椎間盤的生物學特征以及椎間盤內各種細胞標志物的研究進展作一綜述。

1 椎間盤的生物學

1.1 椎間盤起源

椎間盤發育過程中涉及多種物理和化學反應，其中脊索起到重要的作用。脊索是脊柱胚胎發育的中心[1]，它不僅作為信號中心調節細胞的活動，同時還是髓核的生發結構。早期脊索來源于中胚層，是一種軸向桿狀結構，其誘導中胚層腹側細胞衍生物向生骨節細胞分化，且使分化后的成對生骨節細胞向脊索遷移，形成連續未分節的脊索鞘[2]。脊索內的細胞合成蛋白聚糖，使細胞液泡內的滲透壓逐漸升高，導致脊索快速空泡化、脊索內部的壓力升高、脊索被拉長拉直，形成脊柱的基礎。脊索繼續調節脊索鞘逐漸分節，形成椎體和纖維環，而椎體兩側形成一層軟骨終板，在纖維環形成的同時，脊索和椎體原基相接觸并在椎體間區逐漸膨脹形成髓核[3]。

1.2 椎間盤結構

椎間盤是由特殊的結締組織構成，連接脊柱兩個相鄰的椎體，并且在軸向壓力下維持脊柱的各種活動和穩定。椎間盤是一種軟骨關節，由纖維環(AF)、髓核(NP)和軟骨終板(CEP)3個結構獨特、相互依賴的組織組成。椎間盤的功能源于不同細胞群體組成的特定微觀結構。椎間盤內平衡和結構完整性的維持取決于多種因素，包括細胞對機械負荷的反應。纖維環是一種復雜的纖維軟骨組織[4]，包繞在椎間盤的外圍。外層纖維環是由平行的Ⅰ型膠原纖維束構成的同心圓結構。每層纖維環形成一定的角度來適應各種應力。內層纖維環是外層纖維環和髓核之間的過渡，與外層纖維環相比，內層纖維環的基質內具有更多的Ⅱ型膠原和蛋白聚糖，其獨特的構成能夠抵抗壓力[5]。髓核是由蛋白聚糖和水組成的凝膠狀組織，其通過Ⅱ型膠原和彈性蛋白纖維的不規則網狀結構松散地結合在一起。滲透壓使水流向髓核，水分子通過Ⅱ型膠原的不規則網狀結構保存在基質中，承受了髓核保持高度和抗壓的負荷[6]。軟骨終板將椎間盤固定到鄰近的椎體上，并且為椎間盤提供營養[7]。與關節軟骨細胞類似，終板內的細胞富含Ⅱ型膠原蛋白和蛋白多糖。

1.3 椎間盤的受力及功能

脊椎動物椎間盤受到壓縮、拉伸、扭轉、剪切以及流體流動等復雜的力學刺激[8]。髓核的主要功能是在承受壓力的情況下使脊椎均勻地負荷。髓核因其特殊的成分及結構具有可塑性，在壓力下改變形狀，使壓力向各個方向傳遞。在椎體活動中，髓核又起到支點作用，其形態可隨脊柱作各種運動時的重心不同而改變，起著類似軸承一樣滾動支撐椎體的作用。例如脊柱前屈時，髓核的大部分移向椎間盤的后部；脊柱背伸時，髓核的大部分移向椎間盤的前部；脊柱作旋轉動作時，髓核的大部分位于中央[9]。

1.4 椎間盤退變

椎間盤的退變是腰背痛的常見原因，但是病因學研究尚未有準確的定論，因此沒有具體的標準來區分正常與退變、老化與適應性重塑。Adams等[10]定義，椎間盤退變是一種對椎間盤結構進行性損壞的、細胞介導的異常反應。椎間盤退變過程被認為起源髓核，而髓核最重要的病理學改變體現在細胞數量和活力丟失。Boos等[11]研究表明，早前椎間盤中發生明顯的細胞凋亡，隨后出現廣泛的細胞增殖，凋亡的細胞不會被吞噬細胞吞噬，而是與增殖的細胞共存，使細胞密度上升。細胞密度的上升并不意味著存活的細胞數量上升。自從嬰兒出生起，椎間盤的微環境、營養結構以及機械壓力的改變促使著椎間盤細胞類型發生改變[12]。椎間盤中脊索細胞數量減少使細胞內及細胞基質的蛋白聚糖數量減少，而纖維成分逐漸增加，椎間盤中纖維網狀結構也在發生著變化[13]。髓核和纖維環含水量減少可能是其中蛋白多糖的含量及相關固定電荷密度減少的結果，反之又影響了組織的力學、化學及電學特性。隨著退變的發生，軟骨終板的厚度變得不規則并出現局灶性缺損，隨之發生鈣化[14]。膠原成分雖然看起來不受中度或早期椎間盤退變的影響，但Ⅰ型和Ⅱ型膠原的分布卻發生了變化。發生退變時，內層纖維環的Ⅱ型膠原相對含量減少。隨著退變的進展，水分進一步丟失，組織密度進一步增加，纖維環受力增加。隨之造成微結構的重建及微結構的破壞增加，進一步加劇退變。

2 椎間盤內不同細胞的表型鑒定

2.1 髓核細胞的表型

2.2 纖維環細胞的表型

2.3 軟骨終板的表型

雖然軟骨終板對于維持椎間盤的健康是至關重要的，但是其分子特征不夠明顯。目前沒有關于軟骨終板的轉錄圖譜，這可能是由于軟骨終板比髓核、纖維環小，使得它難以分離。軟骨終板的胞外基質含量類似于透明軟骨，因此軟骨終板中的軟骨細胞被認為類似于關節軟骨細胞。然而，軟骨終板內的軟骨細胞不顯示關節軟骨的獨有特征，在這些軟骨組織內的細胞表型的直接比較可以提供不同研究思路。

3 小 結

在過去10年中，遺傳和生物信息學方法已經使椎間盤生物學研究取得了巨大的突破。在對椎間盤的發育和退變過程的研究中發現，椎間盤發源于脊索，脊索細胞及其分泌的細胞基質在早期髓核發育過程中發揮重要的作用，細胞和細胞基質、分子信號的改變影響著椎間盤的退變。同時，許多特異性表達的基因和蛋白質被用來分析調節椎間盤退變的分子途徑，也有助于定義促進臨床診斷和靶向治療椎間盤退變的標志物。盡管本文描述的表型特征能夠區分椎間盤內最主要的組織髓核、纖維環和軟骨終板細胞類型，但是椎間盤組織中的異質性尚未得到解決。具體來說，更好地理解胚胎和成人椎間盤中脊索細胞表型的差異、衰老和退變期間髓核細胞發生的變化，或內層和外層纖維環細胞之間的表型差異，將有助于發現常見椎間盤病變的治療靶點。

[17] MCCANN M R,PATEL P,FRIMPONG A,et al.Proteomic signature of the murine intervertebral disc [J] .PLoS One,2015,10(2):e0117807.

[22] DAHIA C L,MAHONEY E,WYLIE C.Shh signaling from the nucleus pulposus is required for the postnatal growth and differentiation of the mouse intervertebral disc[J].PLoS One,2012,7(4):e35944.

[25] MINOGUE B M,RICHARDSON S M,ZEEF L A,et al.Transcriptional profiling of bovine intervertebral disc cells: implications for identification of normal and degenerate human intervertebral disc cell phenotypes[J].Arthritis Res Ther,2010,12(1):R22.

[29] van DEN AKKER G G,SURTEL D A,CREMERS A,et al.Novel immortal cell lines support cellular heterogeneity in the human annulus fibrosus[J].PLoS One,2016,11(1):e0144497.

國家自然科學基金資助項目(81572170)

R681.53

A

顏煥敏)