高糖調控椎間盤退變作用機制的研究進展

李想 孔令俊 鄧葉龍 陳杰 張金磊 韓升龍 孟漢杰 王植帥

【摘 要】 椎間盤退變是臨床上常見的脊柱關節慢性退行性改變，亦是多種脊柱疾病發生的病理基礎。近年來研究發現，高糖生態位是椎間盤退變發生的重要危險因素。闡述高糖對椎間盤中髓核、纖維環、軟骨終板的影響及抑制高糖藥物對椎間盤退變的的保護作用，旨在為今后進一步開展臨床研究提供參考。

【關鍵詞】 椎間盤退變；糖尿病；高糖；作用機制；研究進展；綜述

椎間盤退變（intervertebral disc degeneration，

IDD）是一種廣泛的肌肉骨骼疾病，也是腰痛發生的主要原因，全球多達80%的人會受到與IDD相關腰背部疼痛的影響，僅在美國，每年治療花費超過1000億美元，造成嚴重的社會經濟負擔［1］。

椎間盤主要由中央髓核（NP）、外周纖維環（AF）和上下軟骨終板（CEP）共同組成［2］。糖尿?。╠iabetes mellitus，DM）可分為1型糖尿?。═1DM）和2型糖尿病（T2DM）。研究發現，IDD的發生、發展與DM密切相關，T1DM是IDD發生的危險因素，并與IDD的嚴重程度呈正相關［3］。T2DM病程越長，風險越大，病程 < 10年和血糖控制較好的T2DM患者與單純IDD患者無明顯差異，病程 > 10年且血糖控制不佳是IDD的危險因素［4］，但目前對其確切機制尚不明確。隨著對兩者研究的不斷深入，發現DM患者的高糖生態位可分別通過影響椎間盤中NP、AF和CEP等組織促進IDD進程。本文主要圍繞高糖調控IDD的作用機制及抑制高糖藥物對椎間盤保護作用展開綜述，以期為后續治療和研究提供參考。

1 高糖對NP的影響

1.1 高糖對NP細胞的影響 高糖可加速椎間盤組織中NP細胞自噬、衰老和凋亡，而自噬本質上是一個重要的細胞內降解過程，它可以清除受損的細胞器、錯誤折疊的蛋白質和細胞內病原體，并為細胞所需的能量和功能回收降解成分［5］。同時，自噬在IDD中發揮著重要作用，它既能通過促進NP細胞代謝延緩IDD，也能加速NP細胞的凋亡，進而推動IDD進程［6］。KONG等［7］研究發現，高糖以濃度和時間依賴的方式顯著上調成年大鼠NP細胞中Beclin-1、LC3-Ⅱ、Atg3、Atg5、Atg7和Atg12等相關自噬標志物的表達，引起NP自噬水平升高，導致NP細胞自噬死亡。KONG等［8］發現，高糖處理過的成年大鼠NP細胞與對照組相比，SA-β-gal（細胞衰老的重要標志物）陽性染色率更高和p16-pRB（應激性衰老相關蛋白）的表達上調，高糖誘導的成年NP細胞加速衰老可能是DM患者IDD發生的危險因素。FENG等［9］發現，高糖可導致葡萄糖轉運蛋白GLUT1和GLUT4在大鼠NP中顯著積累，它們的過表達增加了葡萄糖的細胞內運輸，導致ChREBP轉錄因子的激活；而ChREBP結合p300與BAX和Puma的啟動子結合，激活這兩個促凋亡基因的表達，從而誘導NP細胞凋亡，促進IDD進程。

1.2 高糖對脊索細胞的影響 脊索細胞在人類發育早期對椎間盤發揮重要調控作用，可出現在早期NP中，自青春期開始減少，主要通過Fas介導的細胞凋亡逐漸消失，同時被類軟骨樣細胞（NP細胞）所代替，脊索細胞從NP中消失被認為是IDD發生的起點［10］。WON等［11］研究發現，DM大鼠NP組織中Fas表達程度較對照組大鼠明顯升高，表明Fas介導的脊索細胞凋亡在DM大鼠NP中比正常大鼠NP中發生得更早，從而加速了脊索NP向纖維軟骨NP的轉變。PARK等［12］研究發現，高糖可引起大鼠脊索細胞線粒體損傷（表現為線粒體跨膜電位的破壞增強）誘導其凋亡，并通過釋放過多的活性氧（ROS）引起Beclin-Ⅰ、LC3-Ⅱ、Agt3、Agt5、Agt7和Agt12等自噬相關基因的表達上調，最終導致脊索細胞過度自噬。PARK等［13］發現，高糖釋放過多的ROS還可引起大鼠脊索細胞中SA-β-gal、p16-pRB的表達增加，加速脊索細胞衰老，促進IDD進程。因此，高糖可通過提前脊索細胞向NP細胞的轉變、上調脊索細胞自噬和加速脊索細胞衰老促進IDD進程。

1.3 高糖對間充質干細胞的影響 間充質干細胞主要來源于骨髓、脂肪組織和臍帶血等，可用于治療多種退行性疾?。?4］。間充質干細胞可直接分化為NP細胞，用以補充IDD引起的NP細胞過度凋亡；同時，當間充質干細胞被周圍微環境刺激時，可以通過分泌外泌體、細胞因子和細胞外囊泡等改善周圍微環境，促進內源性細胞增殖，抑制細胞外基質降解和剩余NP細胞凋亡［15］。LIAO等［16］研究發現，高糖濃度處理過的間充質干細胞增殖和遷移能力減弱，Caspase-3表達增加、SA-β-gal細胞陽性率升高，SIRT1（促進細胞自噬從而減少其凋亡）、SIRT6（防止細胞凋亡和應激誘導的過早衰老）、缺氧誘導因子-1α（通過抗炎、調控細胞外基質代謝平衡、組織修復等過程保護椎間盤）和GLUT-1（延緩IDD）的mRNA和蛋白表達量顯著降低，抑制間充質干細胞功能，促進IDD進程。

2 高糖對AF的影響

AF是椎間盤重要的組成部分之一，可參與到完整的IDD進程之中。當AF組織發生退變時，突出的NP可壓迫相關神經組織［17］，這與腰痛的發生關系密切。PANG等［18］研究發現，高糖培養可顯著提升大鼠AF細胞凋亡率和Caspase-3/9活性，上調Bax、Caspase-3/cleaved Caspase-3的mRNA/蛋白表達，下調Bcl-2的mRNA/蛋白表達，同時高糖還可顯著增加CHOP、ATF-6和GRP78的表達，表明高糖可誘導AF細胞內質網應激；當抑制內質網應激時，CHOP、ATF-6和GRP78的表達降低，AF細胞凋亡也相應減弱，表明高糖主要通過誘導內質網應激促進AF細胞凋亡。SHAN等［19］研究發現，MAPK通路在細胞增殖、衰老等多種生物活動中發揮著重要作用；而高糖可通過激活大鼠AF細胞中JNK和p38 MAPK信號通路促進AF細胞凋亡，進一步加速IDD進程。

3 高糖對CEP的影響

CEP上的毛細血管是IVD中營養物質交換的主要通道。CEP組織變性可導致IVD營養物質供應不足，是IDD發生的重要因素［20］；而CEP細胞異常凋亡、血管侵犯和炎癥被認為是CEP變性的重要標志。QUAN等［21］研究發現，DM組小鼠與對照組相比CEP鈣化范圍更為廣泛，CD31（一種血管內皮標記物）表達明顯上調，白細胞介素（IL）-1β和腫瘤壞死因子-α（TNF-α）表達水平升高，單核/巨噬細胞細胞器更活躍，CEP膠原纖維破壞嚴重，線粒體損傷明顯，表明DM主要通過血管侵犯、單核/巨噬細胞浸潤和炎癥促進小鼠CEP變性。JIANG等［22］研究發現，高糖以濃度和時間依賴的方式致大鼠CEP中cleaved Caspase-3、cleaved Caspase-9、Bax表達上調，Bcl-2表達下調，細胞凋亡明顯增加；高糖可誘導大鼠CEP細胞產生過量ROS致CEP細胞線粒體損傷（線粒體膜電位的降低），予以α硫辛酸（線粒體呼吸酶的重要輔助因子）后CEP細胞凋亡率減低。表明高糖誘導產生過量ROS通過線粒體損傷促進大鼠CEP細胞凋亡。

4 抑制高糖藥物對IDD的保護作用

4.1 利拉魯肽與IDD 胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）

是腸內L細胞分泌的一種關鍵腸促胰島素激素，可用于調節葡萄糖和能量穩態，目前被認為是T2DM的有效治療選擇［23］。GLP-1除了對血糖有較好的調控作用外，還被報道在多種組織中發揮調節細胞增殖、分化和凋亡等功能。利拉魯肽是一種長效GLP-1類似物，作用與其相似，在臨床上可廣泛用于治療T2DM［24］。YAO等［25］研究發現，高糖處理組NP細胞中Caspase-3的表達水平、ROS生成顯著高于對照組，經利拉魯肽處理后PI3K/Akt通路活性和ROS生成發生相反變化；此外，siRNA抑制利拉魯肽受體可阻斷PI3K/AKT通路的激活，表明下游信號通路是通過利拉魯肽受體介導的；抑制AKT和利拉魯肽受體沉默都抵消了利拉魯肽對高糖誘導的NP細胞凋亡的保護作用，說明利拉魯肽通過與其受體結合激活PI3K/AKT/Caspase-3信號通路防止NP細胞凋亡，達到保護椎間盤的目的。

4.2 二甲雙胍與IDD 二甲雙胍是臨床治療T2DM的口服降糖藥，研究發現其對IDD有一定的保護作用［26］。LIAO等［27］研究發現，二甲雙胍處理的大鼠間充質干細胞可依賴細胞自身的自噬反應釋放過多的細胞外囊泡（調節椎間盤中髓核、軟骨終板、纖維環功能，維持細胞外基質穩態，減輕炎癥反應）用以減少ROS的過多積累而改善NP細胞衰老，延緩IDD進程。TISHERMAN等［28］

認為，可通過抑制核轉錄因子-κB（NF-κB）抑制椎間盤的炎癥反應和分解代謝因子的產生。RAMANATHAN等［29］研究發現，二甲雙胍可通過抑制大鼠椎間盤細胞中NF-κB信號通路調控環氧合酶-2表達抑制炎癥反應，對椎間盤發揮保護作用。REN等［30］研究發現，IDD過程中NP細胞凋亡相關蛋白P16、P21和P53的表達、SA-β-gal陽性染色率、γ-H2AX（DNA損傷標記物）升高，cGAS-STING信號通路激活，予以二甲雙胍處理后NP細胞自噬升高、γ-H2AX（DNA損傷標記物）的表達得到改善、cGAS-STING信號通路受到抑制，表明二甲雙胍處理后，自噬被激活，降解受損DNA片段，下調γ-H2AX的表達，從而抑制cGAS-STING信號通路的激活和下游促炎反應的發生，炎癥因子釋放的減少抑制衰老相關分泌性，最終抑制髓核細胞衰老，保護椎間盤。

4.3 吡格列酮與IDD 吡格列酮是唯一可用的胰島素增敏劑，廣泛應用于糖尿病的治療，對于胰島β細胞發揮作用具有很大幫助［31］。研究表明，IL-17通過調節促炎基因表達在IDD中發揮核心作用，IL-17與其他細胞因子合作可誘導出強大的協同效應，特別是與TNF-α［32］。LIU等［33］研究發現，IDD患者血液中IL-17水平明顯高于健康患者，而IL-17可通過激活NF-κB、MAPKs和CCAAT/增強子結合蛋白（C/ebp）信號通路上調多種促炎趨化因子和細胞因子水平，進一步促進IDD發生、發展［34］；予以吡格列酮后可抑制IL-17聯合TNF-α誘導的膠原蛋白-2和聚蛋白水平降低，還可通過抑制IL-17或IL-17聯合TNF-α誘導的NF-κB通路的激活，發揮抗炎作用，達到延緩IDD進程的目的。

4.4 槲皮素與IDD 槲皮素是天然黃酮類藥物，具有抗炎、抗氧化應激和抗凋亡等功能，在改善胰島素敏感性、抑制高糖等方面發揮重要作用［35］。ZHANG等［36］研究發現，槲皮素可抑制NP細胞ROS生成過多，進而抑制p38 MAPK和mTOR信號通路的磷酸化水平，上調NP細胞自噬抑制其凋亡和細胞外基質降解。SHAO等［37］體外實驗研究發現，槲皮素主要以劑量依賴的方式降低IL-1β誘導的基質金屬蛋白酶（MMP）-13、MMP-3、IL-6和IL-8等細胞因子水平的升高，并通過激活Nrf2信號通路抑制IL-1β所誘導NF-κB信號通路（促進IDD進程）的活化，發揮保護椎間盤的作用。WANG等［38］研究發現，自噬抑制劑3-甲基ladenine（3-MA）逆轉了槲皮素對大鼠NP細胞凋亡和細胞外基質變性的保護作用；此外，SIRT1酶活性抑制劑EX527抑制了槲皮素誘導的自噬和對NP細胞的保護作用，表明槲皮素通過SIRT1-自噬途徑保護NP細胞，防止細胞外基質退變。

4.5 黃芪甲苷與IDD 黃芪甲苷是從中藥黃芪中分離的化合物，具有抗炎、抗胰島素抵抗、抗腫瘤和神經保護等功能，可對DM患者的高血糖起到一定的抑制作用［39］。研究表明，端粒磨損和端粒酶下調是導致細胞衰老和凋亡的主要原因，而黃芪甲苷是有效的端粒酶激活劑，可抗端?？s短［40］。HONG等［41］研究發現，高糖濃度下NP細胞中端粒酶逆轉錄酶（在NP細胞中過度表達可通過延長其復制能力來防止細胞周期停滯，抑制NP細胞衰老和凋亡）在mRNA和蛋白水平上的表達均顯著降低，端粒長度縮短，提示高血糖可降低TERT蛋白表達，誘導端粒磨損，促進IDD進程。予以黃芪甲苷后NP細胞中TERT表達和端粒長度均增加，表明黃芪甲苷通過增加TERT表達和端粒延長抑制NP細胞衰老及凋亡，從而對IDD起到保護作用。

綜上所述，利拉魯肽、二甲雙胍、吡格列酮、槲皮素和黃芪甲苷等作為常用抑制高糖藥物均可從不同途徑對椎間盤發揮保護作用，有望為治療DM誘導的IDD提供新選擇。

5 小結與展望

DM和IDD均是中老年人群的常見慢性疾病。DM是IDD的重要危險因素，兩者在發生、發展過程中有密切聯系。IDD的發生、發展是多重致病因素共同作用的結果，DM只是其中之一。研究發現，高糖可分別通過影響椎間盤中NP、AF、CEP加速IDD進程，同時在基礎研究中應用相關抑制高糖藥物可從不同角度和途徑發揮保護椎間盤的作用，在一定程度上證明了DM患者高糖生態位與IDD聯系的必然性。然而，高糖和IDD關系復雜，其確切機制尚未闡明，今后還需在兩者共同預防、治療以及作用機制等方面開展更多高質量研究，以期為進一步的臨床應用提供新思路、新方法。

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收稿日期：2023-10-19；修回日期：2023-11-28