整合素在腰椎間盤突出癥發病機制中的研究進展

付陽陽，王奕嫻，李國娜，蒯仂，戴大城，龔利

(1.上海中醫藥大學附屬岳陽中西醫結合醫院推拿科，上海 200437； 2.上海市中醫藥大學，上海 201203)

腰椎間盤突出癥(lumbar disc herniation，LDH)是椎間盤發生退行性變、纖維環破裂、髓核突出，刺激壓迫神經根及馬尾神經，引發腰腿疼痛的臨床常見病、多發病,多發作于L4/L5，L5/S1椎間盤[1-2]。我國青中年人群的LDH發病率較高，流行病學調查顯示，25～40歲人群的LDH檢出率達13.93%，其發病率居椎管疾病首位，在重體力勞動者、汽車駕駛工作者中最易出現[3]。椎間盤突出癥的病理尚未完全闡明，治療方法大體分為非手術治療、手術治療與微創治療三大類，但分別存在治療周期長、患者痛苦大、療效不確切等問題[4]。

整合素是由α、β亞單位組成的異質二聚體黏附糖蛋白受體，可以調節細胞與膠原、纖維連接蛋白、層粘連蛋白等細胞外基質(extracellular matrix，ECM)的結合，并且在細胞生長、分化、遷移和基質合成等過程中起關鍵作用。多種整合素在正常椎間盤細胞中表達，參與信號傳遞、細胞與ECM連接等過程，整合素的高表達與椎間盤突出癥的發生發展密切相關[5]。現就近年來整合素家族在LDH中的調節作用予以綜述，闡述整合素水平的LDH病理生理變化，以尋求新的治療切入點。

1 LDH發病機制

椎間盤是一種由周圍纖維環、上下軟骨終板以及中央髓核組成的特殊結構，在緩沖及轉移脊柱負荷、負擔脊柱所受壓力和保證脊柱活動性及穩定性等方面起到重要作用[6]。LDH的發病機制尚不明確，其發生發展與髓核細胞凋亡、椎間盤的基質重塑等有關[7]。椎間盤組織功能主要由間質成分決定。椎間盤細胞通過分泌、調節間質成分來維持微環境穩定，其中蛋白聚糖成分、含量改變，膠原重塑，彈性蛋白的損傷與改變都是LDH發病的重要機制[8]。髓核軟骨樣細胞是成人椎間盤中央髓核的主要活性細胞，其凋亡和鈣化促使中央髓核形態改變，對環境適應性下降。整合素存在于細胞表面，是多種ECM蛋白的受體，已經鑒定出的椎間盤特異性整合素受體包括纖維連接蛋白結合的整合素受體α5β1、整合素受體αvβ3和膠原結合整合素受體α1β1、整合素受體α2β1和整合素受體αvβ1[9-11]。在椎間盤突出癥發病過程中，整合素水平的改變介導了椎間盤細胞代謝、遷移、凋亡以及細胞與ECM的連接，影響了椎間盤突出癥發病過程。

2 整合素信號轉導通路

整合素有α和β兩條支鏈，目前已知α支鏈18個、β支鏈8個，它們通過共價鍵結合可組成24種整合素[12]。在不同類型細胞中，整合素起到轉導細胞信號、調節細胞黏附等作用[13]。在胞間信號傳導中，α亞基與β亞基的功能存在一定差異，α亞基主要參與受體的識別，β亞基參與細胞與間質、細胞與細胞間信號的傳遞。研究發現，整合素的表達主要依賴兩種酪氨酸依賴性通道——局部黏著斑激酶(focal adhesion kinase，FAK)信號轉導通路和非受體酪氨酸激酶信號通路的激活[14-15]。而FAK通道可以激活FAK-Ras-促分裂原活化的蛋白激酶通路、FAK-磷脂酰肌醇-3-激酶通路和FAK-信號轉導及轉錄激活因子1通路；少部分整合素可以激活酪氨酸激酶信號轉導通路。

3 整合素表達及對LDH中生物學行為的影響

3.1整合素在腰椎間盤組織中的表達 整合素在腰椎間盤組織中表達。Dana等[5]測定人與豬椎間盤組織中整合素亞基蛋白水平，結果顯示，人正常椎間盤細胞可表達整合素α1、α5、αv、β1、β2、β3、β4、β5、β6亞基，其中整合素α5、αv、β1、β3、β5、β6亞基的表達水平較高。椎間盤組織中，髓核組織與纖維環組織在細胞質基質成分及排布、對環境刺激反應等方面存在較大差異[16]。髓核組織含有較多隨機取向的Ⅱ型膠原與較高濃度的蛋白多糖，纖維環組織則含有較多高度定向的Ⅰ型和Ⅱ型膠原，并形成細長凸起。面對壓縮與滲透壓改變時，髓核細胞與椎間盤細胞反應方式不同。研究發現，椎間盤中髓核細胞與纖維環細胞表面整合素表達水平存在差異，豬髓核組織表達的整合素α6、β1和β4亞基蛋白水平高于纖維環組織[17]。整合素的表達水平可能影響腰椎間盤ECM的分布，整合素亞基與膠原蛋白、纖維連接蛋白等細胞質基質的連接過程以及該過程在環境改變下椎間盤細胞反應中的作用仍需進一步研究。

在突出椎間盤中，部分整合素亞基高表達。Xia和Zhu[18]通過測定30例LDH患者突出腰椎間盤標本和10名健康人腰椎間盤標本的整合素α1、α2、α5、αv、β1亞基水平發現，與健康人椎間盤標本相比，LDH患者突出椎間盤組織中整合素α5、β1信使RNA(messenger RNA，mRNA)和蛋白水平明顯升高，但兩者整合素α1、α2、αv亞基mRNA和蛋白水平比較差異無統計學意義。進一步測定突出椎間盤與正常椎間盤纖維連接蛋白的表達水平發現，突出椎間盤組織中纖維連接蛋白水平升高[19]。整合素α5β1是特異性纖維連接蛋白受體，突出椎間盤中整合素α5β1可上調纖維連接蛋白水平，實現纖維連接蛋白與椎間盤細胞的連接，延緩椎間盤突出癥進展。在LDH發病過程中，部分整合素亞基mRNA和蛋白水平升高，通過上調與膠原蛋白、纖維連接蛋白等多種細胞質基質的連接，代償性減緩LDH發病，影響細胞代謝、遷移、凋亡，目前尚缺乏具體機制的研究。

3.2整合素對椎間盤細胞凋亡的影響 整合素在軟骨組織內可傳導機械性刺激及軟骨細胞內信號，進而調節軟骨細胞的功能，延緩細胞凋亡。Dana等[5]研究發現，人椎間盤與關節軟骨的整合素表達具有高度相似性，整合素在骨關節炎發病過程中的作用對研究LDH有重要的參考價值。整合素α5β1可以識別纖維連接蛋白中精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸序列(Arg-Gly-Asp，RGD)。FAK作為一種胞質酪氨酸激酶，可分N2端區、激酶區和C2端區3個結構域。整合素與纖維粘連蛋白結合促進黏著斑的形成，整合素β1亞基的胞質端與FAK的N2端區結合，引起FAK構象改變，使激酶結構域處于活化狀態，同時FAK的可磷酸化酪氨酸位點Tyr397自身磷酸化，進而激活FAK-Ras-促分裂原活化的蛋白激酶通路、FAK-磷脂酰肌醇-3-激酶通路和FAK-信號轉導及轉錄激活因子1通路，影響細胞內基因表達的活性以及細胞的黏附力，這一通路適用于解釋LDH的整合素傳導通路，整合素可以調節椎間盤細胞與ECM連接能力，影響髓核細胞的黏附能力，減少細胞凋亡，保持椎間盤的穩定性，降低LDH的發生率。

整合素通過調節信號傳導蛋白影響髓核細胞與ECM的連接和間充質干細胞的分化，為椎間盤突出癥的治療提供適當的移植材料。Risbud等[20]以低氧條件下培養的間充質干細胞為對象，觀察到整合素α3、β2亞基mRNA上調，磷酸化胞外信號調節激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)水平高于常氧狀態，葡萄糖轉運蛋白-3、基質金屬蛋白酶2、Ⅱ型膠原、Ⅺ型膠原、蛋白聚糖mRNA及蛋白表達上調，間充質干細胞表型與髓核細胞表型趨于一致，提示低氧狀態可以誘導整合素α3、β2亞基mRNA水平及磷酸化ERK水平上調，誘導間質干細胞向髓核細胞分化。Risbud等[21]對低氧環境下培養的大鼠髓核細胞的研究發現，抑制信號傳導蛋白ERK活性后，整合素α2mRNA的表達被抑制，且細胞存活率下降。研究亦表明，ERK活性升高后，細胞與Ⅱ型膠原連接能力增強，即ERK可上調整合素α2mRNA的表達水平，增強細胞與Ⅱ型膠原黏附，避免細胞凋亡導致的椎間盤病變。整合素參與外界刺激引起的椎間盤反應，拮抗磷酸化ERK誘導下的椎間盤細胞凋亡，并誘導間質干細胞向椎間盤細胞分化，這一研究結果可為椎間盤突出癥的手術治療提供適宜移植材料。

調節細胞整合素水平可以抑制椎間盤細胞凋亡，拮抗藥物毒副作用。Yang等[22]研究發現，17β-雌二醇可拮抗左氧氟沙星誘導的髓核細胞凋亡，其機制在于上調整合素α2β1mRNA和蛋白水平，增強髓核細胞與Ⅱ型膠原的結合能力，抗細胞凋亡，防止藥物引起的椎間盤突出癥發生。Zhao等[23]研究發現，17β-雌二醇可拮抗白細胞介素-1β誘導的纖維環細胞凋亡，可拮抗白細胞介素-1β作用，上調整合素α1亞基的蛋白水平，增強纖維環細胞與Ⅱ型膠原的連接能力，抗細胞凋亡。炎癥因子白細胞介素-1、腫瘤壞死因子-α等被認為與LDH的發生發展密切相關，炎癥因子作用于腰椎間盤細胞引發細胞凋亡，加重腰椎間盤突出的程度，進一步釋放炎癥因子刺激神經根引發下腰部疼痛[24]。17β-雌二醇上調整合素α2β1后，可增強椎間盤纖維環細胞與膠原蛋白的連接能力，拮抗炎癥因子誘導的細胞凋亡，延緩椎間盤突出癥的發展，減輕LDH患者的痛苦。

3.3整合素對ECM影響 整合素在椎間盤細胞與纖維連接蛋白、膠原等ECM的連接中起重要作用。Gilchrist等[25]研究顯示，阻斷整合素α6亞基功能后，僅有較小細胞能與纖維連接蛋白連接；阻斷整合素α2亞基功能后，髓核細胞與Ⅰ型、Ⅱ型膠原的黏附被分別抑制了40%、60%；阻斷整合素β1、α5β1功能可以完全阻斷椎間盤細胞與Ⅰ型膠原、纖維連接蛋白的黏附，提示整合素在椎間盤細胞與纖維連接蛋白、膠原的連接過程中不可或缺，整合素蛋白水平的改變直接影響椎間盤細胞的代謝、遷移等過程。通過測定豬成熟與幼稚椎間盤細胞以及髓核細胞與纖維環細胞之間整合素亞基蛋白與ECM的表達水平發現，與相鄰纖維環區相比，豬幼稚髓核細胞中表達更多層粘連蛋白γ1鏈，這與層粘連蛋白受體整合素α6亞基蛋白的表達模式平行[26-27]。在幼稚椎間盤細胞中，不同整合素表達模式影響細胞ECM的成分與分布，造成椎間盤不同區域細胞外環境的差別，進而影響幼稚椎間盤組織的生長與發育。通過調節幼稚椎間盤組織整合素水平表達，可以影響椎間盤組織對外界環境改變的反應，進而提供有效的青少年椎間盤突出癥治療手段。

周期性應力可影響髓核細胞中的整合素水平，并可影響ECM的表達與髓核細胞的代謝遷移。對周期性靜水壓下培養的大鼠髓核細胞的研究發現，加壓組大鼠髓核細胞整合素α1亞基mRNA、Ⅱ型膠原與蛋白多糖的基因水平顯著升高，磷脂酶C-γ1蛋白磷酸化水平升高[28-29]。已有研究證實，磷脂酶C-γ1蛋白磷酸化可以擴大軟骨面積、促進髓核細胞遷移，提示整合素可轉導力學信號，調節磷脂酶C-γ1的水平以及細胞與ECM連接能力，延緩椎間盤突出癥的發展[30-31]。小干擾RNA抑制整合素α1表達后，ECM中蛋白多糖基因水平下調，髓核細胞遷移受到抑制。整合素α1可以調控髓核ECM中膠原與蛋白多糖的表達，促進髓核細胞的遷移與軟骨面積的擴大，這一過程有利于維持椎間盤的穩定性。整合素水平的改變受外界刺激影響，以適應外界物理、化學因素的改變。

整合素α5β1不僅參與了纖維連接蛋白的結合，還與一些小分子物質的作用有關。Xia和Zhu[32]在纖維粘連蛋白碎片(fibronectin fragments，Fn-f)誘導兔椎間盤病變模型中觀察到，髓核細胞整合素α5和β1亞基mRNA的表達明顯增加，ERK上調，Ⅱ型膠原蛋白表達下降，基質金屬蛋白酶9和基質金屬蛋白酶13的表達增加，提示Fn-f可能通過上調整合素α5和β1mRNA表達水平改變椎間盤組織微環境，誘導細胞凋亡，表明整合素在小分子物質參與的誘導椎間盤突出癥發病過程中發揮了信號轉導作用，誘導細胞凋亡，加速椎間盤病變過程。抑制整合素α5和β1mRNA表達后，Fn-f不能誘導椎間盤細胞凋亡，初步證實整合素參與了Fn-f誘導的兔椎間盤病變過程。此外，應注意整合素在LDH疾病過程中的多種作用。多項研究結果表明，整合素具有抑制椎間盤相關疾病惡化的作用[33-36]。

4 小 結

近年來，隨著對整合素認識的深入，整合素在各種癌癥、骨關節炎中的表達和作用逐漸被揭示[37-39]。整合素對細胞與ECM連接的影響作用已經得到國內外多項研究的證實。在LDH發病過程中，α1、α2、α5、αv、β1等多種整合素亞基基因與蛋白水平均發生了變化，整合素亞基還參與抗椎間盤細胞凋亡、調節ECM組成與分布等過程，延緩LDH的進展。此外，整合素α5β1參與Fn-f誘導的椎間盤組織微環境惡化、椎間盤細胞凋亡過程，在LDH發病過程中具有重要作用。然而，多種整合素α、β亞基在LDH中的結合方式尚未明確，仍需進一步研究的確定。