范宇棟,吳小濤

(1.東南大學(xué)醫(yī)學(xué)院,江蘇 南京 210009; 2.東南大學(xué)附屬中大醫(yī)院 骨科,江蘇 南京 210009)

下腰痛及坐骨神經(jīng)痛是骨科最常見(jiàn)的臨床癥狀之一,Cassidy等[1]調(diào)查發(fā)現(xiàn),美國(guó)成年群體年累計(jì)發(fā)病率為18.6%;每年有40萬(wàn)人因下腰痛而不能正常工作。據(jù)統(tǒng)計(jì)[2]美國(guó)每年花費(fèi)在治療腰痛的費(fèi)用在1 000億美元左右。對(duì)此病的臨床治療主要分為以鎮(zhèn)痛、理療為主的保守治療及以切除病變椎間盤(pán)為主要術(shù)式的手術(shù)治療,這些治療策略雖可緩解癥狀卻對(duì)社會(huì)造成較重負(fù)擔(dān)且難以扭轉(zhuǎn)退變,尚有小部分患者治療效果不確切。

目前對(duì)椎間盤(pán)退變機(jī)制的研究,形成了以椎間盤(pán)細(xì)胞老化凋亡異常、酶及細(xì)胞活性物質(zhì)異常為主流的養(yǎng)分枯竭機(jī)制、生物力學(xué)機(jī)制、自身免疫反應(yīng)機(jī)制等多種學(xué)說(shuō)。無(wú)論椎間盤(pán)細(xì)胞老化或是凋亡,都引起可增殖細(xì)胞數(shù)目的減少而發(fā)生椎間盤(pán)退變;但與細(xì)胞程序性凋亡不同,老化細(xì)胞仍具有代謝活力,卻形成老化細(xì)胞特有的分泌表型,導(dǎo)致鄰近細(xì)胞的生存微環(huán)境惡化,其中眾多炎癥因子及營(yíng)養(yǎng)因子的失平衡對(duì)周圍微環(huán)境的惡化作用顯著,本文將對(duì)其中4種細(xì)胞因子的分泌改變及其影響做一綜述。

1 白細(xì)胞介素(IL)

IL是體內(nèi)廣泛存在的在傳遞信息、調(diào)控免疫細(xì)胞及炎癥反應(yīng)過(guò)程中起重要作用一類細(xì)胞因子,分子結(jié)構(gòu)繁多且具有統(tǒng)一命名,椎間盤(pán)退變研究中常見(jiàn)的有IL- 1、IL- 2、IL- 6等。

Le Maitre等[3]與Kalb等[4]實(shí)驗(yàn)均獨(dú)立證實(shí)老化椎間盤(pán)細(xì)胞IL- 1、IL- 6的表達(dá)明顯升高,正常椎間盤(pán)組織內(nèi)檢測(cè)不到IL- 1、IL- 6及其受體的表達(dá)?；|(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)是椎間盤(pán)內(nèi)調(diào)節(jié)基質(zhì)代謝的酶系統(tǒng)之一,它與其他降解酶系統(tǒng)(例如膠原酶、基質(zhì)溶解酶等)的活性升高會(huì)對(duì)相應(yīng)的底物產(chǎn)生分解和破壞作用,介導(dǎo)及加劇椎間盤(pán)的退變。研究發(fā)現(xiàn),IL- l及腫瘤壞死因子-α(TNF-α)可刺激MMPs高表達(dá)。Liu等[5]用外源的IL- 1β刺激體外培養(yǎng)的人椎間盤(pán),發(fā)現(xiàn)MMPs在其髓核組織中的生成明顯增加。還有研究證實(shí)IL- 1可以刺激軟骨素酶ABC的產(chǎn)生,而軟骨素酶ABC又可以激活膠原酶。IL- 1可以抑制組織金屬蛋白酶抑制劑(TIMPs)的合成[6]。IL- 6同樣是重要的炎癥介質(zhì),Burke等[7]在體外培養(yǎng)退變椎間盤(pán)細(xì)胞中測(cè)得IL- 6等炎癥因子表達(dá);Specchia等[8]通過(guò)椎間盤(pán)組織免疫組織化學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)退變椎間盤(pán)內(nèi)IL- 6及其受體IL- 6R的表達(dá),而二者在健康椎間盤(pán)內(nèi)并無(wú)表達(dá)。近期研究[9]發(fā)現(xiàn),IL- 6與IL- 6可溶性受體處理體外培養(yǎng)的人體椎間盤(pán)細(xì)胞可以下調(diào)膠原及蛋白多糖的轉(zhuǎn)錄及合成。

細(xì)胞的老化凋亡、基質(zhì)降解退變等過(guò)程,使椎間盤(pán)內(nèi)可增殖細(xì)胞數(shù)量減少、椎間盤(pán)細(xì)胞生物學(xué)行為及基質(zhì)成分改變,最終體現(xiàn)為椎間盤(pán)結(jié)構(gòu)功能的退變。另有報(bào)道指出,椎間盤(pán)內(nèi)另一種表達(dá)增多的炎癥因子——TNF-α,既可以刺激培養(yǎng)的椎間盤(pán)細(xì)胞上調(diào)表達(dá)IL- 1β,反過(guò)來(lái),TNF-α及Ⅱ型TNF受體也可以受IL- 1β刺激而表達(dá)上調(diào)[10],兩者在椎間盤(pán)細(xì)胞的老化凋亡及基質(zhì)降解作用過(guò)程中有著相似的作用,兩者相互級(jí)聯(lián)形成“惡性循環(huán)”,可能為椎間盤(pán)退變進(jìn)展的重要機(jī)制。

2 TNF- α

TNF-α是一種炎癥早期產(chǎn)生的細(xì)胞因子,其生物學(xué)活性主要為殺傷某些細(xì)胞、抗病毒感染等;在炎癥反應(yīng)中是激活細(xì)胞因子級(jí)聯(lián)反應(yīng)的主要介質(zhì)。TNF-α在椎間盤(pán)的退變中發(fā)揮著重要作用。TNF-α誘導(dǎo)椎間盤(pán)細(xì)胞產(chǎn)生MMPs,降解基質(zhì)中的蛋白多糖、糖蛋白(例如纖維粘連蛋白、明膠和層粘連蛋白)、彈性蛋白以及膠原。Purmessur等[11]研究發(fā)現(xiàn),TNF- α處理牛椎間盤(pán)模擬出了類似人椎間盤(pán)退變的蛋白多糖降解代謝及致炎因子合成活躍的表現(xiàn),該效應(yīng)不可逆。Seguin等[12]的研究結(jié)果指出在類似生理水平的TNF-α作用下,蛋白多糖及Ⅱ型膠原的基因表達(dá)即明顯抑制,積累總量明顯下降;而諸如基質(zhì)金屬蛋白酶- 1,3,13(MMP- 1,MMP- 3, MMP- 13)及聚蛋白多糖酶ADAMTS4、ADAMTS5的表達(dá)及活性上調(diào)[23]。Millward- Sadler等[10]指出,雖然TNF-α誘導(dǎo)椎間盤(pán)細(xì)胞產(chǎn)生MMPs的作用不及IL- 1β,但是TNF-α可以誘導(dǎo)IL-1β、IL- 1Ra、TNF-α及TNF- R2的表達(dá)。

Weiler等[13]認(rèn)為T(mén)NF-α的表達(dá)與椎間盤(pán)退變程度及年齡增長(zhǎng)密切相關(guān),退變椎間盤(pán)組織中TNF-α確實(shí)存在。但是在這個(gè)研究中,TNF-α同樣在嬰幼兒椎間盤(pán)尸檢樣本中發(fā)現(xiàn),這可能與嬰幼兒生長(zhǎng)過(guò)程的血供減少引起椎間盤(pán)微環(huán)境變化有關(guān)。TNF-α在椎間盤(pán)退變中可能更多扮演著推波助瀾的作用,此觀點(diǎn)有待實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。另有實(shí)驗(yàn)[14]表明,隨著椎間盤(pán)退變程度加重及年齡增長(zhǎng),椎間盤(pán)細(xì)胞的TNF-α的特異性受體及TNF-α活化酶表達(dá)增多,這意味TNF-α作用通路的各個(gè)環(huán)節(jié)均受到強(qiáng)化。

TNF-α及其受體表達(dá)的增多及功能的亢進(jìn),一方面抑制椎間盤(pán)基質(zhì)表達(dá),促進(jìn)降解酶的合成,破壞了基質(zhì)總量平衡;另一方面,通過(guò)刺激分泌其他炎癥因子發(fā)揮協(xié)調(diào)作用,產(chǎn)生更加復(fù)雜的生物學(xué)效應(yīng),加重了椎間盤(pán)退變。

3 胰島素樣生長(zhǎng)因子- 1(IGF- 1)

IGF- 1具有維持體外培養(yǎng)細(xì)胞表型、促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)合成、抑制細(xì)胞凋亡和促進(jìn)細(xì)胞增殖等作用。Okuda等[15]研究表明，IGF- 1發(fā)揮作用主要由IGF- 1R特異性介導(dǎo)。Osada等[16]證實(shí)了小牛髓核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄與表達(dá)IGF- 1及其受體,且小牛髓核細(xì)胞表面分布明顯多于成牛;對(duì)髓核細(xì)胞蛋白聚糖的合成及積累刺激作用呈劑量依賴性。謝洋等[17]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),退變?nèi)梭w椎間盤(pán)組織中IGF- 1、IGF- 1R的表達(dá)明顯低于正常椎間盤(pán),退變椎間盤(pán)細(xì)胞的細(xì)胞增殖指數(shù)較低、細(xì)胞凋亡指數(shù)較高,與正常組有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,推測(cè)IGF- 1、IGF- 1R表達(dá)下調(diào)與椎間盤(pán)退變密切相關(guān)。王磊等[18]發(fā)現(xiàn),在人退變椎間盤(pán)細(xì)胞培養(yǎng)液中加入IGF- 1能使其合成Ⅱ型膠原的能力顯著提高。IGF- 1和TGF-β可通過(guò)降低MMP- 2的活性影響細(xì)胞外基質(zhì)總量的積累[19]。Gruber等[21- 22]報(bào)道適當(dāng)濃度的IGF- 1能有效抑制體外培養(yǎng)纖維環(huán)細(xì)胞的衰老和凋亡,說(shuō)明IGF- 1具有保持可增殖細(xì)胞數(shù)量的作用。Zhang等[22]報(bào)道IGF- 1具有抑制IL- 1β介導(dǎo)的髓核細(xì)胞凋亡的作用,在保護(hù)細(xì)胞方面起重要作用。

IGF- l通過(guò)自分泌和旁分泌機(jī)制抑制椎間盤(pán)軟骨樣細(xì)胞衰老及凋亡,促進(jìn)其分泌細(xì)胞外基質(zhì),同時(shí)抑制MMPs的活性及IL- 1β的致退變作用,在抗椎間盤(pán)退變機(jī)制中發(fā)揮著重要作用。它們?cè)谕俗冏甸g盤(pán)組織中含量減少,意味著椎間盤(pán)內(nèi)修復(fù)與更新能力下降及破壞與退變過(guò)程的加劇。

4 轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子- β(TGF- β)

TGF-β在細(xì)胞外基質(zhì)的產(chǎn)生及凋控方面起重要作用。在椎間盤(pán)退變方面研究較多的是TGF-βl、TGF-β2、TGF-β3 3種。Matsunaga等[23]報(bào)道在小鼠椎間盤(pán)研究中有TGF-β與其特異性受體的存在;而Tolonen等[24]與Burke等[7]分別在人未退變椎間盤(pán)組織檢測(cè)到TGF-β1,在退變椎間盤(pán)組織中TGF-β的表達(dá)明顯下降。

關(guān)于TGF-β在椎間盤(pán)組織中意義的研究,Walsh等[25]通過(guò)椎間盤(pán)間注射TGF-β等生長(zhǎng)因子促進(jìn)椎間盤(pán)髓核細(xì)胞合成蛋白多糖、Ⅱ型膠原,提升了細(xì)胞增殖率,延緩甚至逆轉(zhuǎn)椎間盤(pán)的退變;Jin等[26]指出,他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中阻斷TGF-βⅡ型受體途徑后,解除了對(duì)MMP- 13基因表達(dá)的抑制,提示TGF-β對(duì)維持椎間盤(pán)細(xì)胞正常特性必不可少。其作用的另一方面顯示對(duì)椎間盤(pán)不利的一面。Peng等[27]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)破裂纖維環(huán)肉芽組織區(qū)TGF-β等生長(zhǎng)因子及其受體含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非肉芽組織區(qū)及正常椎間盤(pán)組織,認(rèn)為T(mén)GF-β的表達(dá)可能在椎間盤(pán)破裂的修復(fù)及后續(xù)繼發(fā)的椎間盤(pán)退變過(guò)程中發(fā)揮作用;Tolonen推測(cè),包括TGF-β1在內(nèi)的各種生長(zhǎng)因子相對(duì)于在正常椎間盤(pán)內(nèi)的表達(dá)模式的差異可能與椎間盤(pán)內(nèi)級(jí)聯(lián)退變反應(yīng)密切相關(guān)[28]。而Nerlich等[29]認(rèn)為,鑒于TGF-β1與纖維連接蛋白表達(dá)的相關(guān)性,以及椎間盤(pán)內(nèi)發(fā)生的基質(zhì)異常重構(gòu)現(xiàn)象,TGF-β1在促進(jìn)基質(zhì)合成的同時(shí),擾亂了基質(zhì)的均衡,同樣引起對(duì)椎間盤(pán)的不利影響。

TGF-β2與TGF-β1有相同的活化形式和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng),同源性較高。TGF-β2可以促進(jìn)軟骨蛋白聚糖和Ⅱ型膠原的合成,抑制細(xì)胞外基質(zhì)降解?？滦碌萚30]在兔纖維環(huán)損傷致椎間盤(pán)退變的模型中發(fā)現(xiàn)TGF-β2隨著椎間盤(pán)退變程度的加重而下降,推測(cè)TGF-β2下降可能是椎問(wèn)盤(pán)退變的機(jī)制之一。Risbud等[31]在培養(yǎng)基中分別加入TGF-β1、TGF-β3培養(yǎng)椎間盤(pán)后,發(fā)現(xiàn)均能有效維持細(xì)胞表型、促進(jìn)基質(zhì)及TGF-β受體合成,但TGF-β3更能提高關(guān)鍵性基質(zhì)的合成,保持轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子受體表達(dá),降低膠原轉(zhuǎn)型等。Haberstroh等[32]研究表明TGF-β3尚能誘導(dǎo)細(xì)胞分化,上調(diào)基質(zhì)分子及Ⅹ型膠原的表達(dá) 。

5 椎間盤(pán)細(xì)胞分泌表型的改變及其影響

長(zhǎng)期以來(lái),人們對(duì)老化細(xì)胞的認(rèn)識(shí)不只停留在其增殖障礙以及繼發(fā)的細(xì)胞數(shù)量減少,而且更加關(guān)注細(xì)胞老化后所表現(xiàn)的特殊生物學(xué)行為。椎間盤(pán)退變區(qū)域不僅細(xì)胞外基質(zhì)成分和TGF-β、IGF- 1等營(yíng)養(yǎng)因子及TIMPs等基質(zhì)降解酶抑制劑合成緩慢、分泌不足,MMPs、聚蛋白多糖酶ADAMTs等基質(zhì)降解酶表達(dá)活躍、活性升高;而且傾向于表達(dá)更多的TNF-α，IL- 1、6、8等致炎因子及其受體,直接抑制促合成及抗降解機(jī)制,促進(jìn)基質(zhì)降解過(guò)程,并有可能通過(guò)自分泌/旁分泌途徑及相互間協(xié)同作用,形成級(jí)聯(lián)效應(yīng)、交織成網(wǎng)[33],最終惡化臨近組織的微環(huán)境。對(duì)于老化過(guò)程中椎間盤(pán)細(xì)胞分泌表型的改變及其意義的研究,將有助于對(duì)于椎間盤(pán)退變過(guò)程與機(jī)制的全面理解,這使得利用生物學(xué)手段來(lái)修復(fù)退變椎間盤(pán)成為可能,盡管椎間盤(pán)退變的生物學(xué)療法在實(shí)驗(yàn)中已取得一定效果,但是實(shí)際臨床應(yīng)用仍面臨很多問(wèn)題,具體作用環(huán)節(jié)、干預(yù)時(shí)機(jī)、治療方案的選擇,以及如何阻斷病理生理的級(jí)聯(lián)效應(yīng)將是擺在我們面前的一項(xiàng)重大課題。

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