剪切力對椎間盤退行性變的影響及其作用機制

謝良玉?曹盛楠?李華忠?師彬?陳元振?王丹丹

【摘要】 椎間盤退行性變（退變）在臨床診療中十分常見。據統計，60歲以上人群椎間盤退變的發生率高達90%以上，嚴重影響患者的生活和工作，給社會帶來了巨大的經濟負擔。影響椎間盤退變的因素包括年齡、遺傳、代謝物質的交換、創傷、生物力學等，其中生物力學因素（壓力、牽張力、剪切力、扭轉力）是重要的原因之一。而不同的作用力以及作用力大小、頻率、作用時間等對椎間盤退變的影響也各不相同。該文主要總結了剪切力與椎間盤退變的相關前沿研究，旨在分析剪切力對椎間盤各個組成部分退變的影響和作用機制，為進一步闡明椎間盤退變的發生機制奠定基礎，為臨床診療和康復保健提供參考。

【關鍵詞】 椎間盤退行性變;剪切力;纖維環;髓核;軟骨終板

The effect of shear stress on intervertebral disc degeneration and its mechanism Xie Liangyu，Cao Shengnan， Li Huazhong， Shi Bin， Chen Yuanzhen，Wang Dandan. Shandong First Medical University & Shandong Academy of Medical Sciences; Bone Biomechanics Engineering Laboratory of Shandong Province; Department of Rrthopedics and Traumatology of Traditional Chinese Medicine， Neck-Shoulder and Lumbocrural Pain Hospital of Shandong First Medical University， Ji′nan 250062， China

Corresponding author， Wang Dandan， E-mail： ddwang@sdfmu.edu.cn

【Abstract】 Intervertebral disc degeneration （IDD） is a common disease in clinical practice. According to statistics， the incidence of IDD exceeds 90% in the population aged > 60 years old， which severely affect the patients normal life and work and bring huge economic burden to the society. Age， genetics， transport of metabolites， trauma and biomechanics are the influencing factors of IDD. Among which， biomechanical factors （pressure， tension， shear force and torsion force） are the important factors affecting IDD. Different force， magnitude and frequency of force and duration of force exert different effects on IDD. In this article， relevant researches on shear force and IDD were briefly summarized， aiming to investigate the effect and mechanism of shear force on the degeneration of intervertebral disc components. The study lays important foundation for further elucidating the pathogenesis of IDD and provides reference for clinical diagnosis and treatment.

【Key words】 Intervertebral disc degeneration; Shear force; Annulus fibrosus; Nucleus pulposus; Cartilage endplate

椎間盤退行性變（退變）是引發下腰痛的重要原因，可導致椎間盤突出、脊柱不穩、神經脊髓病變等[1]。在日常生活中，人體在運動時，椎間盤會持續受到壓力、牽張力、扭轉力等多種組合的循環重復載荷的影響，在扭轉運動時主要受剪切力影響，生物力學因素能通過影響椎間盤細胞的代謝、細胞外基質、相關細胞因子的表達而引發椎間盤退變[2]。其中，不同強度、頻率、不同作用時間的作用力對纖維環、髓核和軟骨終板的外在形態及細胞微環境的改變也各不相同。處于正常狀態下的椎間盤符合沃爾夫定律，適宜的載荷刺激會促進細胞的生長、基質的重構，減輕應激反應，有利于椎間盤發揮其生理功能，而不適宜的載荷刺激會抑制細胞的活性、加劇椎間盤退變。健康和退變髓核的生物力學特性被認為是未來椎間盤修復再生策略的重點。本文主要對剪切力對纖維環、髓核和軟骨終板的影響及分子作用機制等方面進行綜述。

一、剪切力對纖維環和髓核的影響

Michalek等[3]研究了橫向和圓周方向上動態剪切力對纖維環微觀結構的影響，并分析了彈性蛋白在調節纖維環變形時所起的作用，發現纖維環內部的剪切力可以破壞彈性蛋白，使纖維環發生放射狀的斷裂和纖維板層的分離，最終導致髓核疝出，使椎間盤的整體性受到破壞。AE61A4C3-F6B7-446F-BECC-248058CED37E

扭轉過程中纖維環受力過大會使纖維環與軟骨終板的連接部位發生撕裂，改變力的傳導，影響椎間盤的應力分布，從而加速椎間盤退變。Barbir等[4]對組織施加頻率為1 Hz的循環扭轉載

荷，扭轉角度為5°、15°和30°，發現循環載荷刺激不僅能使彈性蛋白mRNA的表達明顯上調，還能使血小板反應蛋白解整合素金屬肽酶4（ADAMTS-4）基因、炎癥因子IL-1β及TNF-α、髓核內聚集蛋白聚糖、組織金屬蛋白酶抑制因子3（TIMP3）表達上調，隨著扭轉角度的增加，相關細胞因子的表達也上調。小幅度的脊柱扭轉能增加椎間盤的高度，減少椎間盤的壓力，促進營養物質的運輸，而大幅度的扭轉會增加椎間盤損傷的風險。Chan等[5]使用伺服液壓試驗機對牛尾進行扭轉（1 h/d，

持續4 d），結果顯示，當扭轉角度為2°時，纖維環細胞的活力增強，髓核細胞代謝程度隨著扭轉幅度的增加而降低，細胞凋亡程度也顯著增強。基質金屬蛋白酶13（MMP-13）、雙糖鏈蛋白多糖（BGN）和核心蛋白聚糖（DCN）基因表達隨著扭轉幅度的增加而不斷上調。扭轉時纖維環和髓核細胞蛋白聚糖（ACAN）、Ⅱ型膠原A1（COL2A1）和胱天蛋白酶8（CASP8）表達也呈上調趨勢。Chou等[6]對人環狀纖維細胞分別施加強度為1 dyn/cm2

和10 dyn/cm2流體剪切力，作用時間4 h，發現Ⅰ型膠原的表達隨著剪切力刺激強度的增加而上調，在強度為10 dyn/cm2時MMP-1的表達比在0或1 dyn/cm2的強度作用下明顯升高，但是其在0與1 dyn/cm2強度作用下的表達無差異，MMP-3和ADAMT-4在3組中也發生類似變化。以上研究表明不同強度剪切力對纖維環細胞基因表達和細胞外基質成分有著不同的影響。

二、剪切力對軟骨終板的影響

垂直載荷作用下椎體與終板之間也會發生與椎體平行的剪切力，使椎體與椎間盤之間發生位移，經研究發現剪切力可以引起軟骨終板鈣化，降低孔隙率，終板滲透率或孔隙率的異常會引發椎間盤退變[7]。有研究者發現當椎間盤受到軸向機械載荷時，軟骨終板的細胞外基質會發生改變，當椎間盤受到異常機械載荷時會刺激MMP基因表達[8-9]。剪切力可引起軟骨終板與椎體分離，加速軟骨終板細胞凋亡，減少椎間盤的營養供給，使細胞外基質結構發生改變。軟骨終板退變導致相鄰節段椎間盤的活性降低，椎間盤的高度降低，纖維環出現塌陷，脊索細胞和軟骨細胞丟失，細胞外基質中的Ⅱ型膠原減少，Ⅰ型膠原增加。由于Ⅱ型膠原是終板軟骨細胞外基質的主要成分之一，其含量下降會使基質合成蛋白多糖的能力減弱，進一步引起其受力與應力傳導的改變。

林勝磊等[10]對兔L4/L5節段的軟骨終板施加50 N的剪切力引起軟骨終板鈣化，椎體周圍形成骨贅，并且出現終板移位的現象。MRI顯示終板的形態發生改變，椎間盤發生脫水退變為黑間盤。軟骨終板細胞數量減少，軟骨細胞異常、膠原纖維之間出現裂隙，排列紊亂，軟骨下骨的骨小梁結構破壞產生了新的骨小梁。軟骨終板細胞可以合成髓核的基質物質，進而影響髓核的涵水能力。軟骨終板硬化、鈣化、增厚會減少椎間盤有氧血液供應，抑制營養物質和代謝產物的轉運，導致乳酸濃度升高，pH值降低，進一步加劇椎間盤退變。

三、剪切力影響椎間盤退變的分子信號傳導機制

不同的剪切力對椎間盤結構、細胞功能和退變的影響不同。近年來，研究者通過體外培養髓核細胞、纖維環細胞、軟骨細胞等，研究了剪切力對細胞增殖、凋亡等生物學功能的影響及其分子信號傳導機制。

較多研究表明剪切力可通過調節整合素、細胞骨架、G蛋白、酪氨酸激酶受體、牽張激活離子通道等，將外界力學信號傳遞到細胞內進而引發細胞內生物學效應[11] 。剪切力可影響內皮細胞、軟骨細胞、成骨細胞等的增殖、分化、遷移、凋亡，活化離子通道和信號通路。其中整合素是生物力學敏感性感受器，可以響應機械力的刺激，激活局部黏著斑激酶（FAK），調節下游的細胞外信號調節激酶（ERK），進一步激活下游的核轉錄因子激活蛋白-1（AP-1），從而在細胞內產生生物學效應。

椎間盤內部受到Ⅱ型膠原、糖胺多糖及糖胺聚糖等相互作用會形成多孔隙體系，將受到的壓縮力轉化為流體剪切力。有研究者通過給髓核細胞加載不同強度和作用時間的剪切力來檢測髓核細胞在不同的剪切力環境下的分子機制變化。Wang等[12]采用流體腔對培養的髓核細胞進行加載，發現在作用時間為1 h、剪切力強度為1 dyn/cm2時，p-ERK1/2的磷酸化水平升高，ERK1/2的蛋白水平下降;當作用時間為4 h時，肌動蛋白的信號強度增強且形成明顯的應力纖維，流體剪切載荷還會使髓核細胞空泡中的細胞角蛋白8顆粒消失。姚依村[13]使用改良的流行平板流動腔室，對體外培養的髓核細胞施加不同強度剪切力（0、6、12、18、24 dyn/cm2），加載不同的作用時間（0、15、30、45、60、90 min），觀察剪切力對髓核細胞骨架的影響。結果顯示剪切力強度為12 dyn/cm2、持續時間為45 min時，髓核細胞凋亡相關因子BAD、Bax以及相關基因表達下調。當剪切載荷 ≥12 dyn/cm2

或者持續時間 ≥45 min時，髓核細胞凋亡相關因子BAD、Bax以及Caspase-3基因表達上調，過度的流體剪切力會使微絲微管發生移位，細胞骨架紊亂，髓核細胞凋亡，椎間盤內細胞減少。細胞受到剪切力作用后，將機械信號轉化為生物化學信號從而產生生物學效應，ERK5信號通路可因剪切力的影響直接活化，也可以由流體剪切力引發的細胞骨架的變化被激活，進而影響細胞的增殖、凋亡、分化、遷移，不同強度的流體剪切力對椎間盤細胞的生物學影響各有不同（表1）。

一定強度和持續時間的剪切力可以提高ERK5信號通路基因轉錄的活性，且ERK5轉錄活性的增高與作用強度和時間并非呈線性關系，而是先增強，再進入平臺期，然后逐漸放緩。有學者證實ERK5信號通路能夠引發椎間盤退變，因為其可以激活髓核細胞c-fos，而c-fos能抑制Ⅱ型膠原和黏多糖表達從而改變細胞外基質成分。Ye等[14]的研究顯示剪切力可以激活FAK-MEK5-ERK5-（c-fos）-（AP-1）信號通路，剪切力作用影響AP-1，使髓核細胞IL-1β、TNF-α、IL-6、IL-8、巨噬細胞炎癥蛋白1、單核細胞趨化蛋白1和一氧化氮等炎癥因子水平升高，Ⅱ型膠原、蛋白多糖、細胞角蛋白8、MAP-1、MAP-2、MAP-4等骨架蛋白水平降低。Chen等[15]使用Streamer 平行板流動室給大鼠髓核細胞加載流體剪切力，發現當強度為12 dyn/cm2、作用時間為2 h時，髓核細胞硫酸鹽黏多糖含量和聚集蛋白聚糖水平顯著升高;當強度為12 dyn/cm2、作用時間為3 h時，髓核細胞MMP-13蛋白水平明顯降低;當剪切力強度為24 dyn/cm2、作用時間為3 h時，硫酸鹽黏多糖含量、COL2A1和聚集蛋白聚糖的蛋白水平明顯降低。繆海雄等[16]研究剪切力對髓核細胞miRNA-222及c-fos的影響，發現在剪切力的作用下，髓核細胞miRNA-222表達被抑制，c-fos表達上調，且FAK-ERK5的活性增強，進而促進了髓核細胞的凋亡。以上研究表明，適度的剪切力會促進椎間盤內部細胞外基質的合成代謝，抑制細胞內的分解代謝，而高強度的剪切力則促進細胞分解代謝進程，促進椎間盤退變。流體剪切力可以通過相關分子信號傳導通路影響椎間盤退變（圖1）。隨著年齡的增長，椎間盤髓核內的脊索細胞逐漸演變為類軟骨細胞，軟骨細胞與髓核細胞從細胞形態與細胞外基質有相似之處，因而在研究剪切力對髓核細胞的影響時，可以參照剪切力的強度與時間對軟骨細胞的影響。AE61A4C3-F6B7-446F-BECC-248058CED37E

四、展 望

在眾多影響椎間盤退變的生物力學作用中，剪切力是其中重要的作用力之一。脊柱在扭轉過程中產生的剪切力不僅對椎間盤各組成部分的形態結構產生影響，纖維環細胞和髓核細胞受到剪切力刺激也將產生一系列生物學效應。相關研究證實，機械載荷可以激活整合素繼而激活下游ERK1/2，整合素α1的亞基也能傳遞力學信號，使非受體酪氨酸激酶（Src）蛋白磷酸化從而促進細胞外基質的分泌，實現力學信號向生物化學信號的轉變，從而影響髓核細胞的增殖、分化、遷移、凋亡以及細胞外基質Ⅱ型膠原和蛋白多糖的合成，產生一系列生物學效應[17]。機械敏感性蛋白壓電式機械敏感離子通道（Piezo）在髓核細胞、軟骨細胞等細胞中均有表達，可以介導剪切力、壓力、牽張力等力學作用向機體生物化學方面轉化[18]。

近些年，各種力學因素對椎間盤的影響方面已經取得了一定的研究進展，相對于其他力學因素，細胞對剪切力這種力學形式更為敏感。本課題組的前期研究顯示，手法治療會引起椎間盤內部流體流動，進而影響椎間盤內部的微環境[19]。流體流動產生的剪切力，會引發細胞骨架的變化，細胞骨架是影響細胞形態和力學生物學效應的主要因素。有研究顯示，機械刺激對細胞病理生理的調節主要通過細胞外基質、細胞膜上的機械敏感性通道以及整合素、細胞骨架及細胞核等之間的相互聯系，細胞外基質可通過細胞膜上跨膜受體與細胞內骨架相連實現，細胞骨架可作用于細胞核，引起基因表達變化，進而調節細胞的生物學功能[1]。

機械力加載的形式、大小、頻率對不同細胞的增殖、分化、凋亡等生物學效應的影響各不相同，組織剪切和流體剪切是人體廣泛的受力形式。闡釋剪切力的的轉錄調控機制，有利于通過調整和矯正來逆轉力學失衡所致的各種疾病。

力學整合的機械模型對于胚胎發育、人體器官組織各部分的形成有積極意義。揭示細胞的機械力學傳導，內部微環境的改變，對維持組織穩態具有重要意義。深入分析剪切力對椎間盤退變的內部分子機制的影響，可為運動和相關手法治療對椎間盤疾病的影響提供研究思路，使椎間盤的組織工程及再生醫學得以發展[20]。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2021-10-15）

（本文編輯：洪悅民）AE61A4C3-F6B7-446F-BECC-248058CED37E