椎間盤退變機制研究進展

任香

椎間盤退變機制研究進展

任香

椎間盤退變性疾?。╥ntervertebral disc degeneration，IVDD）是引起下腰痛的主要原因之一，嚴重危害人群健康，研究IVDD的機制是治療IVDD的主要策略。目前IVDD的確切發病機制尚無定論，國內外學者從不同角度，如：生物力學、分子生物學及環境因素等研究椎間盤組織代謝和形態結構的變化，探尋其對椎間盤組織的代謝和形態功能的作用規律，并嘗試用改善椎間盤環境的方法來促進椎間盤的再生修復?，F將研究進展綜述如下。

1 生物力學對椎間盤組織的作用

隨著年齡的增長，不斷發生的細胞凋亡成為椎間盤組織數量減少的主要原因。目前認為椎間盤細胞凋亡最重要的始動因素是椎間盤過度載荷［1?3］。Ariga等［4］把鼠尾椎間盤（intervertebra disc，IVD）離體后行器官培養，隨著載荷增大，凋亡指數（apoptotic index，AI）逐漸增高。Court等［5］發現過度屈曲載荷也可引起椎間盤細胞過度凋亡。Lotz等［6］用鼠尾加壓模型進行動物體內研究。結果顯示，隨著壓力的增長，內層和中層纖維環排列紊亂程度增加，AI增高，聚集蛋白聚糖（aggrecan，AG）表達降低，髓核細胞數量減少；且隨著加壓時間的延長，IVD出現明顯退變。停止加壓1月后，IVD結構組織沒有完全恢復。

Kasra等［7］利用鼠尾加壓模型研究不同頻率的動態加壓對IVD形態結構和組織成分的影響。結果顯示，靜態加載組IVD高度降低明顯大于其他組，而1.5 Hz頻率加載組的高度降低最小。Nei?dlinger等［8］研究不同強度動態水壓對椎間盤細胞基因表達的影響。結果顯示，較低壓力增加了人椎間盤細胞Ⅰ型膠原和AG的表達，對基質金屬蛋白酶（MMP）沒有影響；較高壓力降低所有合成蛋白基因表達，其中AG降低明顯，并且增加人椎間盤細胞MMP?1表達。

Kroeber等［9］對退變 IVD進行動態牽拉28 d后，椎間盤MRI信號得到明顯恢復，并且基質中Ⅰ、Ⅱ型膠原基因表達上調，核心蛋白多糖（decorin）、二聚糖（biglycan）表達增加。研究者認為軸向動態牽拉可以促進退變不太嚴重的IVD再生修復。但是，該研究的加壓和牽拉是在一定時間段進行的，而是否在長時間受壓導致嚴重退變的IVD中仍然能促進其退變逆轉有待進一步研究。

2 IVDD的分子生物學機制

在IVDD的研究中，有一系列細胞因子來調節控制其新陳代謝（包括合成代謝和分解代謝）。在合成代謝中，轉化生長因子?β（transforming growth factor beta，TGF?β）、骨形態發生蛋白（bone morpho?genetic protein，BMP）、Sox9等被證實具有促進蛋白多糖（proteoglycan，PG）和Ⅱ型膠原合成的作用；在分解代謝中，白細胞介素（interleukin，IL）、MMPs等可促進PG和Ⅱ型膠原的降解。

TGF?β是最早發現的椎間盤成形素分子，由一系列多肽物質組成，可調控IVD膠原及PG等細胞基質成分的合成，影響IVDD。研究者應用原位雜交技術發現［10］，TGF?β可正向調節退變椎間盤Ⅱ型膠原mRNA及其產物的表達，參與退變椎間盤修復過程。后來，Nishida等［11］證明了攜帶TGF?β基因的腺病毒載體可以直接注入具有免疫力的兔子椎間盤，促進其表達TGF?β，進而增加蛋白多糖合成率。人退變椎間盤細胞的體外實驗也證明了TGF?β能夠增加PG和膠原的合成率。雖然TGF?β具有這種功效，但它在人活體椎間盤中的作用仍未被證實。

BMPs是另一個原型軟骨細胞成形素，是TGF?β超家族成員之一，與IVDD相關的有BMP?2和BMP?7，能促進PG的合成，增加Ⅱ型膠原的表達。體外實驗證實在IVD修復的過程中，rhBMP?2可以促進細胞增殖，增加Ⅱ型膠原、PG、Sox9的基因表達，保持軟骨細胞表型［12］。進一步研究證實BMP?2可以上調BMP?7的基因表達，而BMP?7也能夠促進椎間盤細胞表達PG和Ⅱ型膠原。由此提出，可以利用BMPs開辟防止或延緩椎間盤退變的新途徑。

Sox9基因是Ⅱ型膠原合成過程中一個重要的轉錄因子，其在軟骨發育、成熟過程中是Ⅱ型膠原基因（Col2al）表達增強和促使Ⅱ型膠原合成增加的增強子，是IVDD再生修復的一個希望因子。Paul等［13］向退變的人椎間盤細胞中轉染腺病毒介導的Sox9基因，證實其可以使椎間盤細胞增殖，Ⅱ型膠原及PG合成增加。Liu等［14］將重組的桿狀病毒?細胞巨化病毒?Sox9基因導入退變的椎間盤細胞中，結果顯示外源性Sox9基因可成功地在椎間盤細胞中表達，表明Sox9有可能作為有效的目的基因，來對IVDD進行調節和修復。

MMPs是一類蛋白水解酶，參與細胞外基質的代謝，主要起作用的是MMP?1和MMP?3。MMP?1是膠原酶亞家族中一員，主要降解Ⅲ型膠原。MMP?3是基質降解酶亞家族中一員，作用底物主要是PG和糖蛋白，在椎間盤細胞外基質（ex?tracellularmatrix，ECM）降解過程中起關鍵性作用。Liu等［15］發現，隨著 IVD老化或退變，髓核中的MMP?3活性升高，使糖蛋白及連接蛋白裂解成為高度異質性分子。Kanemoto等［16］通過免疫組化方法研究表明，IVD中MMP?3陽性細胞比率與磁共振證實的IVDD程度呈正相關。在異常力學環境下，椎間盤細胞能夠特異性產生MMPs和一氧化氮等細胞因子，抑制PG或促進PG降解。

IL是單核細胞釋放的一種蛋白質，在IVDD過程中的作用是多環節的。Elfervig等［17］發現摘除的突出IVD組織中含有IL?1免疫反應細胞，且細胞數量與IVDD突出的程度有一定的相關性，而IL?1是刺激組織產生與分泌MMPs的調質。Kang等［18］用IL?1刺激正常、非突出椎間盤培養細胞，發現MMPs在上清液中含量顯著增加，且分泌呈劑量依賴性增加，進而導致PG的凈損失影響退變本身。

3 水選擇性通道（aquaporins，AQPs）與IVDD

IVD是一個富含水分的器官，其中髓核的含水量在幼年時高達80％以上，老年時則為70％。而IVDD的一個特征性表現為含水量的下降。臨床工作中經?？梢钥吹窖吹幕颊咂銲VD MRI信號的異常，主要為T2加權相IVD低信號，說明水的代謝對IVD的功能非常重要。

AQPs［19］是一組細胞膜轉運蛋白，廣泛存在于原核和真核生物細胞膜，介導不同類型細胞的跨膜水轉運。Richardson等［20］采用免疫組化方法研究AQP?1，2，3在椎間盤的表達，結果表明，髓核和內纖維環表達AQP1和AQP3；外纖維環低表達AQP3，缺乏AQP1表達；3種組織均未見AQP2表達。既往研究已經證明，無血管的椎間盤營養主要通過軟骨終板中心部位擴散，提示水通道蛋白參與了椎間盤內水的代謝過程，對維持IVD的正常生理功能起著關鍵作用［21］。

此外，不同的外環境對于細胞表達AQPs的影響不同。在正常IVD內髓核細胞處于一種低氧、高滲透壓、持續的高應力作用下的特殊外環境。當 IVDD時，這些外環境因素發生顯著變化，其中氧分壓進一步降低，滲透壓也隨著PG和水分的丟失而下降。當氧分壓降低、細胞外滲透壓下降時，細胞發生膨脹變形，甚至脹溶。Jinseok等［22］研究發現AQP?1敲除小鼠調節性體積下降明顯降低。當AQP?1被抑制后，細胞快速體積變化降低。因此，髓核細胞在氧分壓降低和滲透壓降低時，可能通過降低AQP?1表達來調控水在細胞內外分布來減少細胞體積增加，進而維持主要功能和活性。

總之，IVDD是由多因素、多機制參與和誘發所產生的疾病，其發病是一個連續的過程。其中椎間盤細胞及其外在基質特殊生物材料成分、比例及功能結構的病理生理發病和轉歸的生物學機制變化對維持脊柱穩定、充分發揮順應性、緩沖劑吸振、防止脆性等方面起著重要的作用。深入了解椎間盤細胞及外基質生物學機制變化的過程和相互關系，對于IVDD預防、診斷和治療方面的研究有著重要的意義。

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10.3969/j.issn.1003?9198.2013.12.023

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