基于外泌體的作用機制探討從腎論治腰椎間盤突出癥的研究進展

陳祖鵬,朱智濤,袁 寧 綜述,陳 鋒審校

(1.廣西中醫藥大學,廣西 南寧 530001;2.廣西中醫藥大學附屬瑞康醫院,廣西 南寧 530000)

由于腰椎間盤退行性改變引起椎間盤正常生理功能的喪失,導致腰椎管狹窄、腰椎間盤突出等疾病發生,引起的下腰痛癥狀使人們的生活質量受到了嚴重影響[1-2]。椎間盤退變是椎間盤細胞與細胞外基質衰老、損傷相關的病理改變,椎間盤退變引起的疾病主要病因是腰椎間盤的突出壓迫相應節段的脊髓和椎間神經根,內部的髓核和外圍的纖維環組成了椎間盤的主要結構,其主要功能是作為脊柱的承重及緩沖部分縱向壓力[3]。由于長期的炎性激活,細胞外基質減少,或細胞衰老造成了椎間盤退化,從而無法支持脊柱的生物力學完整性和正常生理功能[4]。21世紀以來,分子生物學、組織工程技術等技術的發展為退變的椎間盤組織再生、修復和延緩退化提供了可能。髓核細胞外基質的分解與髓核細胞凋亡為腰椎間盤退行性改變的主要病理改變,外泌體為細胞分泌的主要信息作用介質,是具有生物學活性的微小囊泡,可調節細胞增殖、分化、凋亡,可使受損椎間盤髓核細胞及其細胞外基質修復和延緩其椎間盤的退變[5-6]。椎間盤退變引起的疾病主要根據其癥狀對應與祖國醫學中的腰痛病。大量臨床資料顯示,“腰痛病”的中醫發病因素主要是與“腎精虧虛”密切相關。NF-κB信號通路的激活對腎虛椎間盤的退變起至關重要的作用,而用補益腎精等理論指導中醫藥對腰椎間盤突出癥的防治,起到了較好的臨床療效。由于外泌體對NF-κB信號通路具有調控作用,對退行性病變的椎間盤來逆轉其退變,外泌體的生物學特性與“從腎論治”椎間盤突出癥的證候學理論物質特征相似。因此,本文將通過外泌體作用機制來對中醫學中從腎論治腰椎間盤突出癥予以重點探討和闡述,以此豐富中醫理論的內涵,也為其指導腰椎間盤突出癥的防治提供新的研究方向。

1 從腎論治腰椎間盤突出癥中西醫理論探析

腰椎間盤突出癥屬中醫學“腰痹證”“腰痛病”等范疇,《內經》里說“腰者,腎之府,轉搖不能,腎將憊矣”(《素問·脈要精微論》)。這句話表明了腎與腰的密切關系——腎的強弱狀況,先、后天之精藏于腎,腎精氣充足,機體才能正常運作,只有腎氣和腎精充足,腰部才能靈活有度具有正常生理功能,因為腰部主要依靠腎氣的固攝作用與腎精的濡養作用。《素問·上古天真論》:“七八,肝氣衰,筋不能動……腎臟衰,形體皆極”。肝為罷極之本,主筋脈,肝氣充足則筋脈得養,肢體活動功能正常。年老后出現肝腎俱虛,可導致筋骨肌肉失去濡養,腎中精氣不足,易受風寒濕邪侵襲,痹阻經絡,出現腰背部疼痛不適,活動嚴重受限。

相關的動物實驗也證明了腎虛與腰椎間盤退行性改變的密切相關性。間斷的軸向力學負載加劇了腎虛小鼠椎間盤內軟骨細胞退變和基質分解酶的表達,從而誘導腰椎間盤退變的發生和發展,能造成更為嚴重的椎間盤退變[7]。研究發現通過改善中醫腎的功能狀態,可以下調Wnt/β-catenin信號傳導通路,并在一定程度上調節HPA軸,對腰椎退行性有一定的治療作用[8]。中醫中的腎是指人體先天發育、生殖和臟腑化生等生理機能,中醫所謂的腎在現代醫學認識之中,已從物質實體到功能狀態的轉變[9]。通過觀察實驗大鼠在去除卵巢和前肢,使其直立跳躍后出現了椎體骨質改變與骨質疏松,并出現了診察腎虛的“骨象”指標與腎虛型動物的行為學改變和雌激素水平下降,去除卵巢后雌激素水平下降導致椎體松質骨-軟骨板-髓核之間的液流、物質交換紊亂甚至障礙的根本原因,從而出現腰椎間盤Ⅱ型膠原在軟骨板和纖維環中的陽性表達減少,Ⅹ膠原蛋白基因mRNA表達顯著等腰椎間盤退變變現[10]。研究發現腎虛證候小鼠的NF-κB信號通路被高度激活且伴隨著腎虛狀態的加重,相應指標的變化更加明顯[11]。中醫認為的腎虛證候與NF-κB信號通路的相關性可進一步闡釋腎虛與腰椎間盤退變關系密切。NF-κB是一種常見的細胞信號通路,在椎間盤退變過程中炎癥和基質降解與NF-κB信號通路的激活有著重要聯系,NF-κB信號通路的激活在椎間盤退變中起到重要作用[12]。中醫對治療腰椎間盤突出具有顯著的優勢和良好的療效,治療中注重強腰補腎,現代分子生物學研究也證實了腰為腎之府的理論優勢。研究發現,益腎活血通絡方能抑制髓核細胞NF-κB p65信號通路,下調CHOP、MMP-13,增加SOX9的表達來減少過載靜壓下髓核細胞的凋亡,其機制具有延緩髓核細胞退變的作用[13]。譚旭儀等[14]研究發現,檢測灌胃補肝健腰方大鼠的椎間盤發現了NF-κB mRNA、IKK-β mRNA及TNF-α表達顯著減少,得出了該方具有抑制NF-κB信號通路的作用,這可能是其治療腰椎間盤突出癥的作用機制。周文明等[15]研究發現,受到了補腎壯督方干預的腰椎間盤退變大鼠模型,三磷酸腺苷酶(ATP)的活性明顯升高,并且顯著降低大鼠退變腰椎間盤組織中 TNF-α水平,抑制了炎癥因子的釋放,穩定椎間盤活性,減緩了腰椎間盤退化。骨碎補總黃酮能通過下調細胞內基質金屬蛋白酶3和 TNF-α等炎癥因子的抑制表達,抑制退變椎間盤中NF-κB信號通路激活,保護間軟骨細胞,延緩椎間盤退化[16]。這些研究表明,補腎中藥、溫養腎精類方劑可以下調炎癥通道,從而減少髓核細胞凋亡,減輕椎間盤退化以治療腰椎間盤突出癥[17]。通過對這些信號通路的研究,從現代分子生物學角度對腎虛型腰椎間盤突出癥有了進一步的證實,使運用補腎法防治腰的相關疾病更具科學性。

2 椎間盤與外泌體

2.1外泌體的研究現狀 1981年TRAMS 等在透射電鏡下發現“外泌體”,JOHNSTONE 等在1981年命名為“exosomes”[18];外泌體是細胞外小囊泡的一種亞組,包膜內包含了大量的外泌體在膜上攜帶大量功能性蛋白質、RNA 和mRNA及豐富的膽固醇、神經酰胺、鞘磷脂和脂筏,作為細胞間通信的載體[19]。它們在細胞之間參與了通信、調控等大量生物途徑,可以產生多種生物活性營養因子,刺激鄰近細胞分泌因子來修復組織[20]。外泌體具有脂質雙層膜結構,滲透性和穩定性良好。其特殊的膜特性容易與細胞外膜融合,將外泌體膜內生物活性物質注入細胞膜內,完成細胞間通信,其膜內物質特別是mRNA、信使RNA進入靶細胞內內涵的基因通過表達完成了對靶細胞的調控,改變其靶細胞的生命歷程,還可以通過跨膜蛋白直接與靶細胞信號受體結合從而發揮相應的生理作用[21]。最近的大量研究表明,外泌體通過調節細胞凋亡、增殖或分化過程,對促進與疾病相關的組織損傷具有顯著作用。故外泌體或可以成為多種疾病治療的重要介質。外泌體為細胞分泌的主要信息作用介質,是具有生物學活性的微小囊泡[5]。

2.2外泌體對椎間盤的影響 近年來對外泌體的研究發現,外泌體具有良好的融合性,其內存在豐富的生物學信息,正在得到越來越多的科學家重視。外泌體在人體內分布廣泛,且幾乎能進入人體的所有體液完成體液循環,其特殊特征使其成為細胞間信號傳遞和信息交流的重要途徑,與機體生理、病理過程的發生十分密切[22]。HO-1的活性直接影響到抗氧化損傷能力的變化。而椎間盤的退化過程中無不包含著髓核細胞凋亡,纖維環氧化退變過程,HO-1降解血紅素產生的產物對細胞產生保護作用[23]。有相關研究表示,間充質干細胞外泌體通過有效抑制BACH1的表達,促進HO-1表達,減緩了椎間盤退行性改變;并證實外泌體促進椎間盤退變中髓核細胞外基質合成的作用是通過mRNA等轉錄后調控因子來實現[24]。龔東亮等[25]研究發現,通過間充質干細胞外泌體與靶細胞融合能夠提高其 Mir-21 表達,抑制BACH1 來促進HO-1機制修復椎間盤退變的能力。LIAO等[26]對晚期糖基化終產物誘導的髓核細胞使用干細胞外泌體干預,結果顯示,經外泌體干預后髓核細胞中caspase-12和caspase-3的水平均出現降低,而且外泌體的抗凋亡作用呈現明顯的劑量正相關趨勢。CHENG 等[27]通過細胞實驗和動物實驗發現,通過源自人骨髓間質干細胞和成纖維細胞的外泌體干預髓核細胞凋亡率明顯低于其他組,動物模型中注射外泌體組Pfirrmann評分、組織學評分等均明顯低于未注射組。綜合上述文獻顯示,腰椎間盤退變與外泌體有著緊密的關系,目前手術治療椎間盤病變多不能恢復椎間盤原有功能,若能對髓核細胞通過外泌體行細胞治療延長椎間盤使用壽命,對于提升患者生活質量前景巨大。但外泌體所含的成分復雜,由于目前報道較少,其發揮作用的具體機制仍未完全明了,還需要科研工作者進一步地深入考究與挖掘。

2.3外泌體對NF-κB 信號通路的影響 在椎間盤發生退變時,椎間盤退行性改變的過程中NF-κB 信號通路可能起到調節樞紐作用,在椎間盤退變疾病中NF-κB 信號通路可能是潛在的治療靶點[28]。近年來許多研究證實,外泌體蛋白或RNA在改變受體的活動或功能中起著至關重要的作用,間充質干細胞的外泌體可以在體外降低髓核細胞的凋亡率,促進椎間盤細胞外基質重新合成[29]。肖權等[30]發現經過外泌體干預的受損髓核細胞,不僅髓核細胞的凋亡率下降,且通過Western blot檢測發現NF-κB信號通路的激活,認為外泌體的抗髓核細胞凋亡作用可能與信號通路的NF-κB調控相關。近期研究證實,干細胞來源外泌體可以抑制炎癥介質激活,減少髓核細胞凋亡,通過抑制NF-κB信號通路的激活,進而抑制炎癥因子活力和侵襲,抑制內毒素導致的髓核細胞凋亡[31]。由此可見,外泌體可以通過其內涵豐富的信息因子調控NF-κB 信號通路表達。

3 從外泌體作用機制探討運用補腎理論防治腰椎間盤突出癥

中醫藥防治腰部疾病在長期實踐中已取得顯著的療效,特別是“腰為腎之府”為理論指導對腰椎間盤突出癥治療取得了較好的臨床效果。結合現代分子生物學可以具體、量化該理論的科學內涵,為臨床提供更多的科學依據。外泌體的生物學特點及功能與中醫學基礎理論中對臟腑之間的聯系具有契合之處,外泌體有望成為中醫學理論的基礎物質為,中醫學理論作用機制的闡釋提供客觀、量化、整體性的實驗依據[32]。筆者認為中醫學的科學內涵,在一定程度上可以通過對相應外泌體的研究來從微觀的角度理解。

中醫的腎與西醫說的腎臟不同,它代表的是中醫學中的一個系統,也不是簡單的現代醫學各個器官的結合體,是具有多種生理效應的功能集合體[33]。中醫所說的腎是對腰部功能活動起著統領作用,影響著包括脊柱在內的腰部肌肉、韌帶、關節的生理病理。祖國醫學認為,腎的生理功能主要通過元氣在機體的循環來實現,腎中所藏的精氣即先天之精生化為元氣。腎中所藏的精氣與腎的基因組整體密切相關,腎的基因組轉譯為具有功能的蛋白質組整體,故元氣的功能狀態就是腎的蛋白質組整體的功能[34]。而外泌體包裹著蛋白質組整體跨在人體內轉運,在細胞間的轉運、識別、表達等發揮著重要的作用。LV等[35]通過實驗證實了,慢性腎病患者與健康人相比尿液中的外泌體有顯著差異,前者尿液外泌體中miR-200、miR-29水平比后者下降十分明顯。周榮耀等[36]研究中觀察到通過人尿源干細胞外泌體對髓核細胞的干預,促進了髓核細胞增殖、分化,且能夠減少細胞外基質的降解,對于維持椎間盤內環境結構完整和生物力學穩定起著重要作用。在尿液中腎臟分泌的細胞因子可以通過某種途徑到達靶向組織結構發揮作用。現代分子生物學已證實,腎臟影響其他臟器組織的生理、病理改變是通過“自分泌、旁分泌、內分泌”等方式實現[37]。外泌體或許代表了中醫理論之中腎精的一部分生理作用,其有效溝通了腎臟與腰的關系,腎精足則濡養腰背部則靈活有度,而外泌體能夠通過靶向作用于髓核細胞、椎間盤間質,發揮著具有特定的生物作用,恢復椎間盤的生理,修復或減緩了腰椎的退行性改變。

現代研究中,NF-κB信號通路的功能受到眾多因子的調控,其中外泌體是一大影響因子。且外泌體對椎間盤退變的影響可以通過調控NF-κB信號通路的抑制或激活狀態來釋放影響髓核細胞凋亡的炎癥因子,并影響纖維環退變進程。外泌體與既往研究中作為“腰為腎之府”理論物質基礎的相關因子類似,可以通過細胞間的信息傳遞來調節細胞的生理機能。由于外泌體揭示細胞間網絡交流促進疾病產生的機制與物質基礎,可以將證候研究中引入外泌體來詮釋。在“腰為腎之府”理論指導下運用補腎藥物及方劑治療椎間盤突出取得了較好的臨床療效,補腎藥物及方劑通過調控NF-κB信號通路減緩椎間盤退變其具體的作用機制也有相關研究。外泌體對NF-κB信號通路的影響來促進退變椎間盤修復已有較為明確的研究證實,從腎論治椎間盤突出癥與外泌體逆轉椎間盤退變存在一定相似性,都通過調控NF-κB信號通路來實現。有研究表明,不同細胞外泌體功能的廣泛性與中醫“腎”對機體的調控多靶點是一致的[38]。也有研究表明,腎細胞外泌體能促進骨細胞增殖,外泌體是中醫“腎”臟腑理論的基礎物質之一[39]。因此,外泌體的靶向研究可反過來佐證中醫“腎”的構成,補充了從腎論治腰椎間盤突出癥的理論認識,為運用補腎法防治腰痛病開拓新的現代理論研究思路,更好地被當代醫學所理解和認可。

4 結 語

外泌體特殊的生物學功能,引起眾多科研工作者的探索,外泌體對改善椎間盤退行性改變生物學機制已經有了大量的研究,祖國醫學的獨特優勢在治療下腰痛的臨床實踐過程中得到了證實,關于補腎強腰等相關中腰干預腰椎間盤髓核退變的研究也得到了證實。其中醫臟腑功能理論或許可以通過外泌體的作用機制來詮釋,為臨床防治腰椎間盤退變提供更多的思路和方向。通過外泌體研究中醫理論科學內涵增加了循證醫學的嚴謹性。使用微觀生物學技術來研究中醫學經典理論使得其更加具體化、形象化,而中醫理論內涵十分豐富,單一的現代科學技術是不能完全解釋的。需要科研工作者探索更多的前沿技術,讓中醫藥得到更好的傳承和發展。