SDF-1/CXCR4在椎間盤退變中的作用研究進展

郝海靜，王浩輝，閆新星，李世文，徐璐，劉曉奇*

1哈爾濱醫科大學附屬第二醫院骨科，哈爾濱 150001；2哈爾濱醫科大學附屬第二醫院神經內科，哈爾濱 150001

全球約有6.37億人受到下腰痛的影響[1]，下腰痛在增加患者身心痛苦的同時，也給社會帶來巨大的醫療和經濟負擔[2]。椎間盤退變(intervertebral disc degeneration，IDD)被認為是導致腰痛的最主要原因，已成為全球性的公共健康問題[3]，臨床主要表現為纖維組織變性、椎間盤高度降低、纖維環破裂、軟骨終板缺失、環狀纖維黏液性變、小關節突骨贅形成及椎間盤鈣化等[4-5]。多種細胞活動如炎癥反應、細胞凋亡和基質新陳代謝失衡等參與了IDD的發生[6-7]。趨化因子是一類分子質量為7~15 ku的可溶性小細胞因子，在一定的生理和病理條件下，具有引導免疫細胞在指定位置趨化的能力[8]。依據趨化因子N末端2個半胱氨酸的位置狀態不同，趨化因子可分為4個亞類，即CXC類(插入1個氨基酸殘基)、CC類(不插入氨基酸殘基)、C類(N端只有1個氨基酸)和C3XC類(插入3個氨基酸殘基)，而基質細胞源性因子-1(stromal cell-derived factor-1，SDF-1)屬于CXC類趨化因子，其基因編碼序列位于10q11.1，開放讀碼框為270 bp，由68個氨基酸構成[9]。CXC亞家族的趨化因子參與中性粒細胞的趨化，是廣為人且和研究最廣泛的趨化因子[10]。SDF-1最早從骨髓間充質干細胞中提取出來，可與G蛋白偶聯受體C-X-C序列的趨化因子受體4(C-X-C motif chemokine receptor-4，CXCR4)結合而激活不同類型的細胞，并影響血管生成和白細胞運輸[11-12]。SDF-1/CXCR4軸參與多種病理過程，包括腫瘤、自身免疫疾病和炎癥性疾病等[13-14]。近年來大量研究證實，SDF-1/CXCR4在IDD中發揮重要作用，有望成為早期診斷IDD的敏感生物標志物和延緩甚至逆轉IDD的有效靶點。本文就SDF-1/CXCR4在IDD中的作用研究進展進行綜述，旨在為深入研究IDD提供新的思路。

1 IDD概述

1.1 椎間盤的結構及功能 椎間盤是一個適度活動的關節，其將脊柱的椎骨分開，主要為脊柱提供靈活性，并允許大范圍的運動和機械負荷的傳遞[15]。椎間盤主要由軟骨終板、纖維環和髓核組成[16]，其中軟骨終板位于椎間盤上部和下部與椎體交界處，可將椎間盤固定在椎體之上；纖維環的結構厚而致密，可分為外環和內環，外環由緊密排列的同心片層狀膠原組織構成，主要由產生Ⅰ型膠原(collagen-Ⅰ，COL-Ⅰ)的成纖維細胞組成；內環多為包含COL-Ⅰ和Ⅱ型膠原(collagen-Ⅱ，COL-Ⅱ)的纖維軟骨；髓核被包圍在纖維環中，在生理情況下為凝膠狀，主要由蛋白多糖和COL-Ⅱ形成的疏松網狀結構組成[17]。由此可見，椎間盤主要由細胞外基質(extracellular matrix，ECM)如COL、蛋白多糖和其他基質蛋白組成，這些分子被局部現有的蛋白酶持續合成和降解，以維持椎間盤的穩態[18]。

1.2 IDD的病理機制 椎間盤長期處在低氧、低pH、高滲透壓和應力波動的惡劣環境中[19]。隨著椎間盤內細胞營養的減少、細胞廢物的積累及ECM分子的降解，椎間盤內環境穩態失衡，形成一種酸性越來越強的環境，細胞活力被損害，進而引發炎癥反應、細胞凋亡、ECM代謝失衡等病理過程，最終導致IDD[20]。與此同時，椎間盤的獨特結構可將髓核從宿主免疫系統中分離出來，椎間盤中表達的免疫抑制分子對免疫細胞和細胞因子的浸潤有抑制作用。因此，椎間盤被認為是免疫豁免器官，免疫豁免狀態的穩定是維持椎間盤免疫系統穩態的基礎，纖維環、軟骨終板及免疫抑制分子共同組成了血液-髓核屏障，當該屏障受損時，髓核的自身免疫反應可激活各種下游級聯反應，從而介導IDD的發生[21]。

2 SDF-1/CXCR4在IDD中的作用

2.1 SDF-1/CXCR4在退變椎間盤中的表達情況已經證實，SDF-1/CXCR4在椎間盤中表達且在退變的椎間盤中高表達。Zhang等[22]發現，SDF-1在椎體-軟骨終板連接區域的骨髓來源細胞(bone marrow-derived cells，BMCs)和纖維環外層成纖維細胞中高表達，CXCR4在軟骨終板細胞和髓核細胞中高表達。SDF-1結合CXCR4是一種互補蛋白表達模式，這種模式提示了一種旁分泌調節機制，即BMCs和成纖維細胞產生SDF-1，可在軟骨終板細胞和髓核細胞附近發出信號CXCR4，從而介導趨化、造血、血管生成，以及腫瘤的擴散和轉移等[23]。Er等[24]對比145例IDD患者和130名健康人的血清SDF-1水平發現，IDD患者血清SDF-1水平明顯升高，且與Pfirrmann分級和多裂肌退行性變程度呈正相關，提示SDF-1可作為IDD早中期的生物標志物。總之，SDF-1/CXCR4在IDD中高表達，但在其他脊柱退變相關疾病如后縱韌帶骨化、椎管狹窄等中的表達情況尚需進一步研究；值得注意的是，Modic改變作為評價軟骨終板退變的常用指標，其與SDF-1/CXCR4表達的關系有待闡明。

2.2 SDF-1/CXCR4促進IDD的血管形成 作為全身最大的無血管器官，椎間盤新生血管長入被認為是IDD的重要標志之一[25]。在椎間盤發生退變的過程中，椎間盤內部成分改變引起其力學性質的變化，當超過椎間盤承受負荷能力時，纖維環裂隙形成，隨后肉芽組織和新血管在裂縫中生長。血管內皮細胞生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)的表達與椎間盤突出后血管形成密切相關[26]。作為一種內皮特異性有絲分裂原，VEGF通過動員骨髓來源的內皮祖細胞(endothelial progenitor cells，EPCs)和刺激血管內皮細胞(vascular endothelial cells，VECs)的增殖而在新生血管形成中發揮重要作用[27]。SDF-1與VEGF的相互調節可促進毛細血管的形成[28]。Jia等[29]的研究發現，SDF-1與VEGF在各型突出椎間盤的軟骨終板中均呈高表達，尤其是“突出型”和“脫出型”，且二者的表達水平呈高度正相關，提示SDF-1與VEGF可能在軟骨終板細胞的募集和椎間盤突出組織的血管化過程中發揮重要作用；Zhang等[30]研究發現，隨著髓核細胞中SDF-1表達的增加，VECs的增殖遷移能力、管狀結構形成能力增強，表明椎間盤血管化程度與IDD的嚴重程度呈正相關；Zhang等[31]進一步研究發現，IDD形成過程中髓核細胞可通過SDF-1/CXCR4軸來誘導VECs的成血管活動，并且這一活動在VECs內可能被PI3K/AKT通路調控。此外，有研究發現，突出的椎間盤可因新生血管的長入而被重吸收，進而使壓迫癥狀減輕，但IDD中血管形成為炎性細胞因子和代謝相關蛋白酶提供了血管途徑[32]，可改變椎間盤正常營養供應及結構的完整性，且可能與IDD晚期的椎間盤鈣化有關[33]。此外，神經生長因子誘導的痛覺纖維也可隨新生血管長入椎間盤內部，同時攜帶炎性細胞因子，從而引發腰痛[34]?？傊?，椎間盤血管化既是IDD的始動因素，也貫穿IDD的全過程。SDF-1/CXCR4在IDD血管形成中發揮重要作用，有效靶向抑制SDF-1/CXCR4可能為治療IDD提供新的方向，值得深入研究。然而，目前SDF-1/CXCR4介導椎間盤突出鈣化及痛覺纖維長入的機制研究較少，值得進一步探索與闡明。

2.3 SDF-1/CXCR4及炎癥相關通路在IDD中的作用炎癥反應與IDD關系密切[18]。核因子-κB(nuclear factor-κB，NF-κB)和絲裂原活化蛋白激酶(mitogenactivated protein kinases，MAPKs)通路蛋白被認為是骨骼肌肉系統疾病中炎癥反應及分解代謝的主要調節因子，多項研究支持炎癥反應介導了NF-κB或MAPKs通路在IDD中的作用[35]。近年來，SDF-1/CXCR4與NF-κB或MAPKs通路在IDD中的作用逐漸受到了關注。

NF-κB通路是各類細胞應對損傷、應激反應和炎癥反應的共同通路[36]。NF-κB蛋白屬于一個結構相關的快速作用轉錄因子家族，該家族成員都擁有一個共同的高度保守的300個氨基酸區域，即Rel同源結構域(Rel homology domain，RHD)。NF-κB家族有5個成員，分別為RelA(p65)、c-Rel、RelB、p50和p52，在哺乳動物中廣泛表達[37]。有研究發現，NF-κB信號在人退變的椎間盤特別是髓核組織中被激活[38]。劉宗超等[39]通過小干擾RNA(small interfering RNA，siRNA)敲除CXCR4(CXCR4-siRNA)，并利用NF-κB抑制劑吡咯烷二硫氨基甲酸酯(pyrrolidine dithiocarbamate，PDTC)研究SDF-1與NF-κB信號通路的關系，發現上調SDF-1的表達可增高髓核細胞的凋亡水平，但CXCR4敲除后髓核細胞凋亡水平降低；激活SDF-1可增高磷酸化NF-κB亞基p65的水平，而CXCR4敲除和PDTC處理后p65水平下調，提示SDF-1/CXCR4可能通過NF-κB通路促進髓核細胞凋亡而加重IDD。此外，獨活寄生湯作為傳統中醫經典方劑，被證實可靶向下調SDF-1/CXCR4/NF-κB通路中多種蛋白的表達，從而抑制IDD中炎性介質的釋放及椎間盤中EMC的降解，達到延緩甚至治療IDD的目的[40]。MAPKs是一個高度保守的信號傳導通路家族，能夠促進體內激素、生長因子、炎性細胞因子等的激活[41]。MAPKs有3個主要亞家族：細胞外信號調節激酶(extracellular signal-regulated kinases，ERK)、c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinases，JNKs)和p38亞型(p38MAPKs)[42]。大量研究證實，MAPKs在IDD中發揮著重要作用[43]，但SDF-1是否介導MAPKs參與IDD有待進一步驗證。Xiang等[44]發現，過表達CXCR4可激活MAPKs信號通路，而上調miR-142-5p可明顯降低CXCR4的表達，進而抑制骨關節炎(osteoarthritis，OA)軟骨細胞的凋亡、炎癥反應和基質分解代謝，并使MAPKs信號通路失活。由于OA與IDD在形態及發病過程中存在許多相似之處，SDF-1與MAPKs在IDD中的作用值得進一步深入研究。此外，Zhang等[45]發現，SDF-1可以劑量依賴的方式上調基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)1、2、3、9、13的表達，參與軟骨終板中EMC的降解而導致軟骨終板破裂，進而加重IDD，這一過程是否通過MAPKs相關通路介導有待進一步研究。

總之，SDF-1/CXCR4可能通過介導NF-κB和MAPKs通路參與IDD的發生和發展，然而，NF-κB與MAPKs是否存在共同通路介導IDD有待進一步研究，筆者推測NF-κB和MAPKs可能分別介導IDD的不同時期，且可能受SDF-1/CXCR4在不同時期表達量的影響；SDF-1/CXCR4與NF-κB家族的5種亞型、MAPKs的3種亞型之間的作用機制有待深入闡明；SDF-1/CXCR4與IDD相關細胞信號通路如刺猬蛋白、Wnt/β-catenin、Notch及PI3K/Akt等的調控關系研究較少，今后可將其作為探尋IDD分子機制及延緩IDD高效靶點的新的研究方向。

3 SDF-1/CXCR4在椎間盤再生中的作用

目前，IDD的治療方法主要包括手術治療和非手術治療，但效果均不理想。新的方法如基因治療、生長因子注射、干細胞治療等組織工程方法正在開發中，以期促進椎間盤的再生[46]。SDF-1是一種具有造血干細胞功能的趨化因子，在組織受損時，干細胞從骨髓中被SDF-1招募，參與組織修復[47]。近年來，SDF-1/CXCR4在調控以干細胞為基礎的各種椎間盤再生策略中發揮了重要作用。

3.1 SDF-1/CXCR4作為椎間盤干細胞再生的“催化劑” Wei等[48]通過慢病毒轉染產生過表達CXCR4的間充質干細胞(CXCR4-MSCs)，用SPIO標記并移植入經環形穿刺誘導的兔變性椎間盤中，結果顯示，CXCR4-MSCs能夠促使MSCs向SDF-1遷移，致使Aggrecan、COL-Ⅱ mRNA表達增加，且移植后的椎間盤中SPIO陽性細胞增多，提示CXCR4過表達促進了MSCs在椎間盤中的滯留，從而減緩了椎間盤的高度喪失；Liu等[49]發現，將MSCs與髓核干細胞(nucleus pulposus-derived stem cells，NPSCs)共培養可導致髓核細胞的機械模量(彈性模量、松弛模量和瞬時模量)明顯降低，生物活性(基質基因的增殖和表達)明顯增加，而使用AMD3100抑制SDF-1或敲除NPSCs中的CXCR4可消除此作用；Ying等[50]發現，SDF-1的表達水平在體外培養的促炎細胞因子(如IL-1β和TNF-α)誘導間盤細胞模擬IDD的環境中明顯上調，并以劑量依賴的方式增強NPSCs的遷移能力；同時SDF-1可增加CXCR4的表達，并刺激CXCR4從細胞質向細胞膜移位及細胞骨架重排。軟骨終板干細胞(cartilage endplate stem cells，CESCs)也具備誘導髓核細胞再生的潛力，He等[51]發現，SDF-1在CESCs中高表達，而CXCR4則在NPSCs中高表達，將CESCs與NPSCs共培養(1:1)可有效促進NPCs的增殖。值得注意的是，這一過程可能是由SDF-1/CXCR4介導ERK1/2信號通路以旁分泌途徑完成的，提示ERK1/2信號通路可能是IDD的保護通路，這與既往觀念相反，因此深入研究SDF-1/CXCR4與ERK1/2通路在IDD中的作用，有望為椎間盤再生提供有效策略。此外，Zhang等[52]發現，將SDF-1注入椎間盤可能導致軟骨終板退變，但SDF-1可使髓核中的EMC發生重構，從而保留更多的蛋白多糖基質密集區，促進髓核再生，表明SDF-1可能是促進CESCs向髓核歸巢的有利因素。

3.2 負載SDF-1在椎間盤再生中的作用 IDD的特征之一是椎間盤細胞分解/合成代謝不平衡或椎間盤細胞死亡，從而導致ECM成分降解和水分流失。利用新細胞重新填充椎間盤可能有助于恢復組織穩態并延緩IDD進展。Pereira等[53]設計了一種負載耐熱多聚透明質酸-N-異丙基丙烯酰胺(hyaluronan-poly N-isopropylacrylamide，HAP)的水凝膠并作為趨化劑釋藥系統，研究其在IDD中招募MSCs的潛力，結果顯示，與僅用HAP處理的椎間盤相比，含SDF-1的HAP水凝膠顯著增加了遷移到髓核切除椎間盤組織中MSCs的數量。該研究為開發基于內源性細胞遷移的IDD再生療法提供了新的思路。Pereira等[54]將含有SDF-1(5 ng/ml)的透明質酸(HA)傳遞系統(HAPSDF5)注入髓核切除的牛椎間盤中，并將人MSCs接種于對側軟骨終板，結果顯示，HAPSDF5增強了熒光標記的MSCs從軟骨終板向椎間盤的遷移能力，此外，COL-Ⅱ的表達在較早的時間點即被檢測到，表明HAPSDF5可通過增加COL-Ⅱ的產生而加速髓核中ECM的重塑。將SDF-1封裝到納米顆粒(nanoparticles，NPS)中是一種前景廣闊的方法，Zhang等[52]以白蛋白/肝素NPS復合物(albumin/heparin complex nanoparticles，BHNPs)作為SDF-1的注射載體，發現BHNPs負載SDF-1可誘導MSCs遷移，且呈劑量依賴性，同時可增高Sox-9、Aggrecan及COL-Ⅱ mRNA和蛋白的表達水平，有效誘導纖維環及髓核再生。

總之，SDF-1/CXCR4通過發揮趨化和歸巢作用介導MSCs、NPCs、CEPCs向椎間盤遷移及分化，促進椎間盤中EMC蛋白、髓核、纖維環的再生，進而改善椎間盤內環境，促進椎間盤再生。然而，SDF-1/CXCR4在此過程中是否存在誘發IDD的作用、SDF-1/CXCR4誘導椎間盤再生的最佳濃度及其毒性、SDF-1/CXCR4在椎間盤再生中的下游敏感通路等仍需深入研究。

4 總結與展望

IDD是一種成因及表現復雜，涉及各類椎間盤細胞、結構及功能改變的病理過程，了解IDD的分子機制和高效治療靶點具有重要意義。SDF-1在IDD中同時扮演“敵”和“友”的角色，這可能與IDD的嚴重程度密切相關。在IDD早中期，一方面SDF-1協同VEGF促進椎間盤血管再生而調節椎間盤營養通路及新陳代謝的平衡，甚至使突出的椎間盤自發重吸收；另一方面，SDF-1還可動員和趨化MSCs、NPCc及EPCs，從而提高椎間盤再生效率。在IDD晚期，隨著椎間盤血管化及炎癥反應加重，椎間盤內環境嚴重失衡，SDF-1趨化退變相關蛋白信號通路等高表達，進一步加劇IDD，形成椎間盤內環境的惡性循環。然而，介導SDF-1在IDD中雙重作用的具體分子機制仍未闡明，這可能與現有的研究方法缺乏晚期IDD動物模型等有關。依據IDD嚴重程度，在早中期靶向上調或在晚期下調SDF-1的表達可能是更為有效的IDD治療策略，值得深入研究。