三種亞型MAPK信號通路在椎間盤退變發生發展中的作用研究進展

施錦濤，張曉勃，張凱，王克平,2，周海宇,2

1 蘭州大學第二醫院，甘肅蘭州730030；2 蘭州市西固區人民醫院

椎間盤退變性疾病是臨床上脊柱外科最常見的疾病，椎間盤退變(IDD)為其首要原因。IDD可發生于頸椎、胸椎、腰椎的各個節段，其特征為椎間盤高度塌陷、蛋白聚糖丟失、髓核脫水以及軟骨終板鈣化，從而產生脊柱不穩、纖維環破裂、髓核突出，進而導致椎間盤突出、椎管狹窄、椎體滑脫等病理現象。IDD病因復雜，多種因素如遺傳、吸煙、肥胖等均參與了其發生發展，據報道約五分之四的成年人在一生中受此病的影響，治療花費負擔重，且發病率有逐年上升趨勢[1-2]。IDD的常規治療手段比如保守治療、手術治療，不能從根本上解決問題，因此尋找IDD致病機制以尋求更有效的預防和治療方式尤為重要。絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)表達于所有真核細胞中，其通路組成是一種保守的三級激酶模式，包括MAPK激酶激酶(MKKK)、MAPK激酶(MKK)和MAPK，即MAP3K-MAP2K-MAPK鏈,三種激酶能依次被激活，通過依次磷酸化將上游信號傳遞至下游應答分子，進而參與對環境的應激適應、炎癥反應等多種重要的細胞生理病理過程。作為MAPK的亞型，細胞外調節蛋白激酶(ERK1/2)、p38蛋白激酶(p38 MAPK)、應激活化蛋白激酶(JNK)信號通路能通過介導細胞氧化應激反應、炎癥反應、細胞外基質代謝等反應，調節椎間盤細胞的增殖、凋亡等細胞生理活動，進而調控IDD的發生發展，現綜述如下。

1 ERK1/2信號通路在IDD發生發展中的作用

ERK1/2屬于MAPK經典信號通路之一，相對分子量分別為44 kD和42 kD,它們有90%的相似性，為脯氨酸導向的絲氨酸/蘇氨酸激酶,可以使脯氨酸相鄰的絲氨酸/蘇氨酸磷酸化，其通路的激活涉及椎間盤低氧和氧化應激、炎癥反應以及細胞外基質合成代謝方面，IDD的發生與ERK1/2信號通路聯系頗為密切。

1.1 參與低氧和氧化應激反應 椎間盤是由纖維環、髓核、軟骨終板構成的生理性腔隙，其血供極差，因此低氧環境成為常態。另外，隨著年齡增加，髓核細胞逐漸衰老，氧自由基增加，致使低氧和氧化應激相互作用，是導致IDD發生的重要因素之一。Wang等[3]研究發現，低氧可促使ERK1/2在椎間盤高表達，激活ERK1/2信號通路促進椎間盤酸敏感離子通道3(ASIC3)的上調，阻止G1期細胞周期，促進細胞凋亡，同時也能上調髓核細胞中缺氧誘導因子1α(HIF-1α)表達，參與調節IDD。氧化應激是氧自由基在體內產生的一種負面作用，并被認為是導致衰老和疾病的一個重要因素。研究[4-5]表明，活性氧物質(ROS)如NO推動了IDD，而作為ERK1/2的抑制劑U0126卻能逆轉氧化應激導致的髓核凋亡標記物如caspase-3和p53的水平。由此可見，抑制ERK1/2信號通路可顯著應對低氧和氧化應激帶來的IDD，該信號通路有潛力作為研究治療低氧和氧化應激導致IDD的潛在作用靶點。

1.2 參與炎癥反應 IDD是個復雜的病變過程，炎癥反應也是參與IDD進程的重要因素之一。腫瘤壞死因子(TNF-α)、白細胞介素1β(IL-1β)和白細胞介素6(IL-6)等炎癥介質參與了椎間盤炎癥反應，并通過ERK1/2信號通路促進IDD發生。研究[6-7]表明，卵泡抑素樣蛋白1(FSTL1)作為一種炎癥介質在IDD組織中高表達，巨噬細胞作為炎癥反應細胞也被發現存在于IDD組織中，它們可通過激活ERK1/2信號通路促進TNF-α、IL-1β和IL-6等炎癥介質的表達進而導致椎間盤炎癥，而ERK1/2信號通路抑制劑PD98059能扭轉此現象。研究[8]顯示，巨噬細胞抑制因子(MIF)可激活ERK1/2通路，并促進炎性細胞因子的表達，進而參與軟骨終板細胞的合成與代謝，但其依賴CD74細胞因子的調節。TNF-α對椎間盤具有分解代謝作用，其可以增加椎間盤基質金屬蛋白酶(MMPs)的表達，促進細胞外基質的降解，加速IDD，而轉化生長因子-β(TGF-β)可參與IDD的細胞外基質(ECM)合成和髓核細胞增殖，并通過ERK1/2通路抵抗TNF-α對椎間盤的分解代謝作用[9-10]。另外研究[11]表明，TGF-β激活ERK1/2通路可抑制重組人趨化因子3、4(CCL3、CCL4)表達，進而抑制大鼠IDD炎癥相關性疼痛。綜上，ERK1/2信號通路參與了IDD的發生，抑制ERK1/2通路或許能減輕椎間盤炎癥反應，另外TGF-β可能成為治療IDD的新靶點藥物。

1.3 參與細胞外基質代謝 椎間盤組織中富含聚蛋白多糖和膠原蛋白，當發生IDD時，椎間盤成分發生相應改變，主要體現在Ⅰ型膠原蛋白增加、Ⅱ型膠原蛋白減少，同時聚集蛋白多糖的含量也隨之下降，而Ⅱ型膠原蛋白和聚集蛋白聚糖是髓核細胞合成細胞外基質的兩個主要成分。研究[12]表明，蛋白酶連接素1(PN-1)是一種絲氨酸蛋白酶抑制劑，其表達水平與IDD嚴重程度相關，其可通過激活ERK1/2/NF-κB信號通路降低IL-1β誘導的髓核細胞MMPs和聚蛋白多糖酶(ADAMTS)的產生，降低聚集蛋白聚糖和Ⅱ型膠原蛋白的丟失。microRNAs(miRNAs)可與靶mRNA的3′-非翻譯區(3′UTR)結合，在轉錄后水平上抑制基因表達。研究[13]表明，miR-155通過直接靶向ERK1/2通路來調節Ⅱ型膠原蛋白和聚蛋白多糖在椎間盤的表達，進而調控髓核細胞變性。分子水平上類似于mRNA的長鏈非編碼RNA(lncRNA)被定義為至少200個核苷酸長的RNA，能獨立轉錄。新的研究[14-15]證明，lncRNAs可以促進人類髓核細胞的增殖以及椎間盤組織ECM的合成，并能抑制軟骨蛋白聚糖的產生而抑制IDD，lncRNA NEAT1在IDD中高表達，其可激活ERK1/2通路，從而有助于椎間盤變性髓核細胞的降解[16]。干細胞被認為是治療IDD最有潛力的細胞。最新研究[17]表明，重組人生長分化因子6(rhGDF6)可刺激脂肪來源的多能干細胞，可激活下游ERK1/2信號通路，促進聚集蛋白聚糖和Ⅱ型膠原蛋白的產生，使脂肪源性多能干細胞中骨形態發生蛋白受體2(BMPR2)的表達升高，因此干細胞治療IDD或許會成為下一個研究方向，同時也為IDD的再生治療選擇提供了新的治療信息。

2 p38 MAPK信號通路在IDD發生發展中的作用

p38 MAPK是1993年由Brewster等發現，它有5個異構體，分別為p38α(p38)、p38β1、p38β2、p38γ、p38δ，其分布具有組織特異性。p38 MAPK信號通路可介導IL-1β、TNF-α等炎癥介質的產生，參與維持椎間盤細胞功能，進而調控IDD的發生發展。研究[18]發現，在人退變的頸椎間盤髓核和纖維環中存在p38 MAPK異常表達，其表達水平與頸椎間盤細胞變性的嚴重程度呈正相關。在大鼠髓核細胞中應用p38 MAPK抑制劑后發現椎間盤組織中前列腺素E2(PGE2)表達下降，并能降低MMPs的表達，因此，激活p38 MAPK信號通路可能通過調節PGE2與MMPs來參與大鼠IDD的病理生理過程。作為Ras蛋白超家族中的一類小G蛋白，Rab7蛋白具有介導晚期細胞內體與溶酶體的膜融合，并參與晚期蛋白轉運至溶酶體的特定生物學功能。近年來的研究[19-20]表明，Rabs蛋白不僅參與調節囊泡運輸，也廣泛參與信號轉導，其可抑制p38 MAPK信號通路，進而提升椎間盤組織聚集蛋白聚糖和Ⅱ型膠原蛋白表達，因此p38 MAPK信號通路激活可加速椎間盤細胞外基質的代謝而導致IDD[21]。另外相關研究[22-23]也揭示，miRNAs可抑制p38MAPK信號通路激活，進而抑制炎癥介質如IL-1β、TNF-α等在椎間盤的表達，延緩IDD進程。綜上，抑制p38 MAPK信號途徑或許是有效減緩IDD發展的潛力信號途徑，因此，基于該信號通路的Rab蛋白和miRNAs或許是以后治療IDD的潛在靶標。

3 JNK信號通路在IDD發生發展中的作用

JNK信號通路是MAPK信號通路的一個重要分支，它在細胞周期、凋亡和細胞應激等多種生理和病理過程中起重要作用，其可通過調節炎癥反應、細胞外基質代謝的方式參與調控IDD。

3.1 調節炎癥反應 炎癥反應為正常病理過程，其可誘發椎間盤組織損壞。椎間盤突出是椎間盤退變性疾病中最常見癥狀之一，其特征是纖維環破裂、髓核突入椎管壓迫脊髓甚至神經根，而致患者產生腰背部疼痛等一系列臨床癥狀，髓核突出引起周圍的炎癥被認為是造成疼痛的重要原因。髓核突出周圍IL-1β、TNFα浸潤增加，而抗炎因子IL-10減少，同時也增加了磷酸化JNK的增加，而作為脂氧蛋白一類獨特脂質介體的代表，脂蛋白A4具有抗炎和促分解作用，鞘內注射脂蛋白A4能抑制JNK的磷酸化，降低促炎因子的表達[24]。另外在退變的椎間盤中檢測到了巨噬細胞，其可通過JNK信號通路促進椎間盤炎癥的產生，而JNK信號通路抑制劑SP600125卻能明顯抑制巨噬細胞樣細胞誘導產生TNFα、IL-6、IL-8、趨化因子CCL2和CCL3等炎癥介質[7,25]。另外，其他炎癥介質如卵泡抑素樣蛋白1(FSTL1)、IL-17也可通過激活JNK信號通路導致IDD[6,26]。自噬是細胞器和細胞質大分子的液泡溶酶體降解途徑，參與細胞凋亡的調控，自噬在退行性病變如骨關節炎中啟到關鍵作用[27-28]。研究[29]表明，抑制JNK信號通路可以誘導大鼠髓核細胞自噬，進而降低IL-1β、TNFα等炎癥介質對椎間盤的分解代謝，從而延緩IDD。因此，基于JNK信號通路的自噬研究或許為以后尋找治療IDD提供了新的研究方向。

3.2 調節細胞外基質代謝 IDD很大程度上會促使椎間盤組織細胞外基質合成與代謝失衡，從而導致其相應椎間盤組織成分發生變化，最主要是聚集蛋白多糖、Ⅱ型膠原蛋白降低。有研究[30]表明，JNK磷酸化可促進軟骨終板細胞自然變性，減少髓核Ⅱ型膠原蛋白和聚集蛋白聚糖的合成，而抑制JNK磷酸化能顯著逆轉此過程，并能加速軟骨終板細胞的增殖，表明JNK信號通路的激活與IDD密切相關。由于椎間盤幾乎無血供，其攝取營養和進行物質代謝主要依靠相鄰的骨椎終板擴散和對流傳輸進行，因此這種極低血液灌注導致了椎間盤損傷修復的難度。研究[31]表明，低血清培養的椎間盤細胞以時間依賴的方式降低了聚集蛋白聚糖和Ⅱ型膠原的合成，而這種作用是由JNK1/2信號通路介導的。另外，由于椎間盤是由兩個相連椎體構成的特有解剖結構，椎間盤長期處于負重狀態，加之彎腰、扭轉等因素加重了椎間盤應力負擔，可導致椎間盤出現氧化應激。研究[32]表明，這種氧化應激可導致椎間盤ROS產生，并可激活IRE1/JNK信號通路引起內質網應激和自噬，從而導致椎間盤髓核細胞凋亡。多配體蛋白聚糖-4是一種新發現的多肽,廣泛存在于多種組織中,調控著多種生物學效應。最近研究表明，多配體蛋白聚糖-4過表達可經JNK/p53途徑導致椎間盤組織聚集蛋白聚糖和Ⅱ型膠原下降，推動IDD發展，而TGF-β1可拮抗此作用[33,34]。

綜上所述，IDD是個復雜的病理生理過程，目前臨床上，盡管采用保守治療如口服鎮痛藥、臥床、佩戴腰圍等方式，或者通過手術的方式如椎間盤髓核摘除減壓、椎板切除等進行治療，IDD患者的癥狀能獲得一定緩解，但是并未從根本上解決IDD病理問題，而作為MAPK通路的亞型，ERK1/2、p38MAPK、JNK信號通路可通過調節炎癥反應、細胞外基質代謝等方式介導IDD的發生發展，因此ERK1/2、p38MAPK、JNK信號通路的研究或許給臨床醫護及科研人員提供了治療IDD新思路，隨著自噬與干細胞基于MAPK通路在IDD中的研究，或許將來基于上述通路治療IDD的藥物研發或許能為椎間盤退變性疾病患者帶來福音，但由于MAPK幾乎存在所有真核生物細胞中，因此相對選擇特異性差，因此進一步的深入研究MAPK信號通路在IDD發生發展中的作用機制仍具有長遠價值。