腰椎間盤退變相關血清炎性因子及其信號通路的研究進展

廖星棟，陳鋒，周先明，劉萬祥，閆乾，黃知見，吳海桓

(1廣西中醫藥大學，南寧530001；2廣西中醫藥大學附屬瑞康醫院)

椎間盤是脊柱中兩個椎體間的果凍樣彈性組織，由纖維環、髓核、軟骨終板構成，主要作用是承受并緩沖椎體間的各種壓力、應力。隨著年齡增長及腰椎系統退變、穩定性降低，椎間盤的負荷不斷增大并發生退變，最終其負荷可能超過承受極限而導致纖維環破裂、髓核突出，引起腰腿痛或神經功能障礙等。研究證實，白細胞介素1β(IL-1β)、TNF-α以及基質金屬蛋白酶(MMPs)等血清炎性因子可介導并加快腰椎間盤的退變過程，其表達受到一系列信號通道如絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路、NF-κB通路、Wnt/β-catenin通路的調控。本研究對腰椎間盤退變相關血清炎性因子及其信號通路作一綜述。

1 與腰椎間盤退變相關的血清炎性因子

1.1 IL-1β 白細胞介素是由多種細胞產生的一類細胞因子, 在傳遞生物信息、激活與調節免疫細胞、介導B/T淋巴細胞活化增殖與分化及炎癥反應等過程中均具有重要作用。白細胞介素有許多家族成員，其中IL-1β介導腰椎間盤退變的作用報道較多。Wang等[1]研究發現，IL-1β參與了腰椎間盤髓核細胞的凋亡過程，并通過NF-κB p65通道上調髓核細胞中asporin蛋白表達，從而促進腰椎間盤退變，但其潛在的分子機制尚不清楚；Shen等[2]報道，IL-1β可降低髓核細胞Bcl-2/Bax，并促使細胞色素C從線粒體釋放至細胞質從而損傷線粒體，提示IL-1β可通過線粒體途徑誘導髓核細胞凋亡。Si等[3]報道，IL-1β可刺激髓核細胞IL-7、IL-8及MMP-3、MMP-13等基因及蛋白表達而加重神經刺激，其認為此可能是椎間盤源性腰背痛的病理機制之一。研究發現，IL-1β和TNF-α可上調血管內皮生長因子(VEGF)、神經營養因子、神經生長因子(NGF)和腦源性神經營養因子(BDNF)表達，從而促進椎間盤血管生成及神經支配，最終引起炎癥反應及疼痛癥狀的加重[4]；抑制IL-1β活性有助于髓核細胞分泌細胞外基質(ECM)，并干預椎間盤的退變及老化[5]。上述已經證實IL-1β在腰椎間盤退變的炎癥反應過程中具有非常重要的作用，其主要機制可概括為激活炎性反應并誘導基質降解酶降解細胞外基質表達。

1.2 TNF-α TNF-α是由巨噬細胞分泌的一種小分子蛋白，不僅對多種腫瘤細胞具有細胞毒作用，還與炎癥反應、關節炎、敗血癥及血管多發性硬化等疾病的發生密切相關。研究發現，TNF-α參與細胞炎癥反應，且可啟動髓核細胞Wnt信號通路，而后者又可上調TNF-α表達，二者構成一個正反饋回路，從而刺激并調控髓核細胞的退變過程[6]。一項關于TNF-α影響髓核細胞過早衰老的分子機制實驗表明，TNF-α可以激活PI3K/Akt通路并降低線粒體活性，從而抑制細胞增殖，盡管TNF-α已經被滅活，但髓核細胞已經出現了不可逆損傷，亦未發現組織修復跡象[7]。TNF-α還可導致細胞內源活性氧(ROS)水平大幅升高，促使p38 MAPK信號通路快速磷酸化和依賴ROS的JNK通路激活；TNF-α還可通過上調MMP-3表達對髓核細胞發揮促炎作用[8]。Liu等[9]收集了2 000例份人腰椎間盤纖維環破裂或完好的標本，通過PCR及免疫組化檢測發現椎間盤纖維環破裂標本中的TNF-α mRNA及蛋白表達均明顯高于腰椎間盤纖維環完好標本，其認為TNF-α可能與IL-17協同促進腰椎間盤退變。但有學者首次發現，在有足夠營養水平及氧飽和度的情況下，人髓核細胞在暴露于TNF-α的最初時期反而會有增殖活性升高的現象，隨著增殖活性的過度升高才出現缺氧及凋亡等；然而在實際人體內腰椎間盤退變過程中，細胞營養素和氧供應往往不足也不均衡，因此TNF-α對細胞增殖的影響多表現為抑制[10]。目前學界的共識是TNF-α與椎間盤退變互為因果、相互促進，故研究TNF-α表達改變對評估腰椎間盤退變情況具有重要意義。

1.3 MMPs MMPs是一個大家族，因其需要Ca2+、Zn2+等金屬離子作為輔助因子而得名，其成員具有相似的結構，即一般由疏水信號肽序列、前肽區、催化活性區、富含脯氨酸的鉸鏈區、羧基末端區5個功能不同的結構域組成。一種MMP可降解多種細胞外基質成分，一種細胞外基質成分又可被多種MMPs降解，且不同蛋白酶的降解效率不同。Wu等[11]研究發現，腰椎間盤突出癥患者髓核組織MMPs表達明顯高于椎體爆裂骨折患者。有研究對大鼠尾椎間盤施加1.3 MPa的靜態壓力并持續56天，制作出嚙齒類動物靜態壓縮負荷引起椎間盤退變的模型，發現從第7天開始椎間盤退變組織MMP-3表達顯著升高，說明MMP-3可作為腰椎間盤退變程度的評估因子[12]。以上研究一定程度上說明MMPs參與了人腰椎間盤的退變過程。而MMPs的基因轉錄也受到其他細胞因子影響。研究發現，IL-17可通過NF-κB信號通路上調MMPs表達，從而導致髓核組織中Ⅱ型膠原表達減少[13]。腰椎間盤退變的一個重要特點是細胞外基質降解，有研究發現，在髓核組織退變過程中MMP-7、MMP-13表達明顯升高，并與髓核退變程度呈正相關，并且其可以分解Ⅱ型膠原、蛋白聚糖等多種基質[14]。但有學者向體外的牛尾骨椎間盤標本單獨注入濃度為10 μg/mL的MMP-3，發現椎間盤總膠原含量相較鹽水對照組降低，但既未誘導可見的細胞外基質降解，也未引起細胞內相關基因表達變化，提示可能單獨的MMP并不能誘發腰椎間盤退變，需要多個家族成員共同作用[15]。可見，MMPs家族成員在腰椎間盤細胞外基質的降解過程中發揮重要作用，MMPs能使椎間盤退變速度加快，且連同IL、TNF-α構成一個相互影響、相互調控的有機系統。

2 與腰椎間盤退變相關的信號通道

腰椎間盤突出的發病機制尚不完全清楚，大致可歸結為蛋白多糖含量減少、髓核水分丟失、細胞外基質分解、上下軟骨終板鈣化及通透性降低等。但如果從分子生物學的角度來闡述，在腰椎間盤退變的過程中存在著多種信號通路并共同調控上述炎性因子的表達，主要包括MAPK通路、NF-κB通路、Wnt/β-catenin通路等。

2.1 MAPK通路 MAPK通路參與許多細胞的電生理活動，可直接調節細胞的生存、增殖、分化及凋亡，是真核生物中將細胞外刺激信號轉換成廣泛細胞內反應的一類絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。MAPK通路的信號轉導功能主要通過細胞外信號調節激酶(ERK)、c-Jun N末端激酶(JNK/SARK)、p38 MAPK三條通路實現。研究發現，p38 MAPK可誘導大鼠背部椎間盤髓核細胞凋亡并加快對壞死椎間盤組織的吸收[16]；p38家族有四種亞型，即p38α、p38β、p38γ及p38δ，在大鼠背部退變椎間盤髓核組織中p38α、p38β、p38δ均被激活并起主導作用，采用慢病毒轉染技術抑制p38α、p38β表達可以降低IL-1β誘導的MMP-13表達水平，而抑制p38δ則具有相反效果[17]；IL-1可激活JNK信號通路，向大鼠纖維環組織添加SP600125(一種JNK抑制劑)可顯著抑制IL-1引起的誘導性IL-6、和MMP-3、13表達上調，并逆轉Ⅰ型膠原和胰島素樣生長因子1(IGF-1)的基因表達下調[18]。Park等[19]在人退變纖維環、髓核組織標本中分別添加SB202190(p38 α/β抑制劑)、SP600125和PD98059(ERK 1/2抑制劑)，發現兩種標本中的IL-6、IL-8及TNF-α表達都不同程度低于無添加的標本組。c-fos基因是新發現的介導髓核細胞退變過程的相關基因。有研究在髓核標本中加入上述三種MAPK抑制劑后發現，PD98059可完全抑制c-fos啟動子(另外兩種僅能部分抑制)，進而減輕c-fos對聚集蛋白聚糖和Ⅱ型膠原啟動子活性的抑制，首次發現MAPK通路對髓核細胞c-fos的調節具有相反作用[20]。CCAAT/增強子結合蛋白β(C/EBPβ)作為TNF-α的轉錄因子之一通過ERK1/2和P38通路誘導TNF-α的表達增強，PD98059及SB202190可起到明顯抑制作用[21]。因此，選擇性阻斷上述三種MAPK通路或將成為防治腰椎間盤退變的新方向。

2.2 NF-κB通路 NF-κB是一個轉錄因子蛋白家族，在靜息細胞中大多呈二聚體并與κB抑制因子(ikB)結合，使得其RHD亞單位C末端的核定位區域(NLS)被掩蓋而不具有生物活性。當受到細胞外信號刺激后，ikB被其激酶ikK磷酸化，并暴露出NLS，NF-κB向細胞核移位、結合并誘導相關基因轉錄[22]。因此，NF-κB通路不需要新翻譯出的蛋白即可被激活，并在第一時間內迅速對細胞刺激作出反應。已有研究證實，TNF-α、IL-1是NF-κB通路的調控轉錄產物，并與NF-κB表達水平存在同步變化趨勢，即在炎癥初期NF-κB異常活化使炎性因子大量釋放，而炎癥后期又可表達抗炎反應基因[23]。研究發現，退變的腰椎間盤組織中NF-κB p65蛋白多定位于細胞核，而正常的腰椎間盤組織則多位于細胞質，這與相應的通路機制是相符的；該研究隨后在腰椎間盤組織中加入BAY11-7082阻斷劑抑制NF-κB信號通路，結果發現可顯著下調聚集蛋白聚糖酶、MMPs表達，并上調聚集蛋白多糖、Ⅱ型膠原表達，且隨著抑制劑濃度的增加，其調節作用也逐漸增強[24]。有研究發現，8K-NBD肽可以抑制NF-κB通路，并增加椎間盤蛋白多糖合成[25]；過度表達的Sirtuin 6(Sirtuin家族成員之一，化學成分為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸依賴性脫乙酰基酶)可與NF-κB p65產生物理相互作用，進而抑制其轉錄活性[26]；最近又發現血紅素氧合酶-1 (HO-1)也可以抑制NF-kB p65及IL-1β的表達[27]。由此可見，NF-κB通路在腰椎間盤退變過程中對炎性因子具有介導作用。

2.3 Wnt/β-catenin通路 Wnt/β-catenin通路是Wnt通路家族中的經典通路，β-catenin是啟動、調節該通路的重要開關。退變髓核、軟骨終板細胞中的Wnt信號通路相關因子呈陽性表達，而正常細胞中則呈弱陽性或陰性，異常激活該通路可導致髓核蛋白多糖含量降低、纖維環片層結構紊亂[28]。葉樹楠等[29]將TNF-α注入兔腰椎間盤，經蛋白印跡檢測發現β-catenin蛋白表達明顯增加，說明Wnt/β-catenin通路可被TNF-α激活；該研究對退變椎間盤組織采用Dickkopf(DKK)-1轉染的腺病毒阻斷Wnt通路，結果顯示組織MMP-13表達明顯降低，髓核細胞形態排列退變程度較無干預組織明顯減輕。研究顯示，干擾Wnt表達可顯著抑制大鼠腰椎間盤組織TNF-α表達，且DKK抑制劑DDK-3、DDK-4可用于阻斷Wnt通路，而DDK-1、DDK-2則不能阻斷Wnt通路[30]。另有研究發現，TNF-α可誘導環氧合酶2和前列腺素E2刺激Wnt通路傳導，并激活其靶基因；通過拮抗E-前列腺素受體EP3可以調控Wnt通路活性[31]。此外,Wnt-3a或β-catenin也可以促使髓核細胞中MMP-9、MMP-10表達升高[32]。

綜上所述，腰椎間盤退變相關血清炎性因子與信號通路之間相互聯系、相互交叉，存在著十分復雜的網絡系統。炎性因子IL-1β、TNF-α及MMPs(包括各自家族的其他成員)可以直接或間接激活MAPK、NF-κB或Wnt/β-catenin 信號通路，信號通路則會調控增強炎性因子表達，構成血清炎性因子與信號通路之間的正反饋回路；若一方受到抑制，另一方也將受到干擾，血清炎性因子之間、信號通道之間也存在相互影響的關系。血清炎性因子與相關信號通路是兩個龐大的家族，擁有眾多成員及亞型，目前對其中的作用關系仍缺乏更細致具體的認識，需更深入的研究探索。