張存鑫，王倩，呂超亮，王德春

（1.青島市市立醫(yī)院脊柱外科，山東青島 266071；2.濟寧市第一人民醫(yī)院脊柱外科，山東濟寧 272011）

腰背痛是常見的脊柱退行性疾病，據統(tǒng)計其點患病率為30%～50%，終生患病率高達80%～85%，給患者家庭和社會帶來了沉重的經濟和社會負擔。研究表明，椎間盤退變（intervertebral disc degeneration,IDD）是導致腰背痛的重要原因，抑制IDD 是防治腰背痛的重要靶點［1］。雖然IDD 的影響因素眾多，包括老齡、遺傳、機械負荷、營養(yǎng)缺乏等，多項研究報道了機械應力（mechanical stress,MS）對IDD 產生的重要影響［2］，目前MS 誘導IDD 的分子機制尚未完全闡明，本文擬對MS 誘導IDD 的不同分子機制進行綜述，為臨床防治LBP 提供理論參考。

1 MS 誘導椎間盤（intervertebral disc, IVD）直接損傷

IVD 功能的維持依賴于完整的組織結構。MS 可導致IVD 結構直接損傷，如纖維環(huán)（annulus fibrosus, AF）破裂、軟骨終板（cartilage endplate, CEP）骨折、髓核組織（nucleus pulposus tissue,NPT）突出等。由于IVD 無血液供給，自身修復能力有限，這些物理損傷為IDD 的發(fā)生奠定了結構基礎。

雖然CEP 結構強度較低，更容易受到MS 的損傷，但McMorran 等［3］研究發(fā)現，當IVD 承受MS 導致CEP 發(fā)生微骨折時，AF 在微觀上也產生了裂隙或斷裂，這些損傷破壞了IVD 的相對密閉性，是誘發(fā)或加速IDD 的關鍵因素。為進一步明確密閉性破壞對IDD 的影響，Su 等［4］在大鼠尾椎CEP 上鉆微孔以破壞IVD 的相對密閉性，發(fā)現CEP 鉆孔后IDD 顯著增加。在臨床中也有類似發(fā)現，伴有CEP 骨折的患者，其脊柱鄰近節(jié)段IDD 的發(fā)生率顯著增加［5］。因此，保持IVD 組織結構的完整和相對密閉性，對預防MS 誘導的IDD 具有重要意義。

2 MS 誘導IVD 繼發(fā)損傷

MS 誘導IDD 涉及多種病理過程，包括氧化應激、炎性損傷、凋亡、焦亡、自噬、衰老、基質降解等，而且這些病理過程又相互交叉、互為因果，構成了MS 誘導IDD 的分子網絡。

2.1 凋亡

凋亡廣泛存在于退變的IVD 中，MS 可以激活多種凋亡途徑誘導IDD，包括死亡受體途徑、線粒體途徑和內質網應激途徑等。

半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶（cysteinyl aspartate specific proteinase, Caspase）家族是一類重要的細胞凋亡執(zhí)行蛋白，包括Caspase-3、Caspase-8、Caspase-9 等，其中Caspase-3 是最重要的執(zhí)行蛋白，能夠引發(fā)細胞核DNA 的斷裂和染色體的碎片化等。Caspase-9 是線粒體凋亡途徑激活的標志蛋白，當線粒體凋亡程序被激活時，線粒體膜受損，細胞色素C被釋放至細胞質中與凋亡酶激活因子1 結合形成凋亡復合體，并招募Caspase-9 前體進行剪切、活化?；罨腃aspase-9 可進一步加工其他胱天蛋白酶成員，以啟動胱天蛋白酶級聯(lián)反應，導致細胞凋亡［6］。而Caspase-8 則與死亡受體凋亡途徑密切相關。內質網應激可以通過多種途徑引發(fā)細胞凋亡，如導致線粒體功能受損，誘導線粒體膜電位下降、ATP 合成減少和活性氧自由基（reactive oxygen species,ROS）產生增加；激活半胱氨酸蛋白酶類家族等［7］。

多項研究表明，MS 可以通過調控死亡受體途徑、線粒體途徑和內質網應激途徑等多種凋亡途徑誘導髓核細胞（nucleus pulposus cell, NPC）凋亡［8，9］。而在AF 和CEP 中，則更多的報道了MS 通過影響AF和CEP 能量代謝的方式誘導細胞凋亡［10，11］。因此，抑制MS 誘導的細胞凋亡，是防治IDD 的重要靶點。

2.2 焦亡

焦亡是細胞程序性死亡的另一種形式，由炎癥反應所引起。由于Caspase 能切割底物Gasdermin D（GSDMD）導致焦亡，因此焦亡又被稱為GSDMD 介導的細胞程序性死亡?；罨腉SDMD-N 端蛋白能夠鑲嵌在細胞膜上并形成分子通道，導致細胞內脂質體的外流而水分子內流，細胞漲大并裂解，最終引起焦亡的發(fā)生。研究表明，炎癥小體相關蛋白在退變的IVD 中表達上調，其表達與IDD 程度呈正相關，其機制可能與MS 激活Wnt/β 信號通路、內質網應激等相關［12］。

2.3 鐵死亡

鐵死亡是由細胞內游離鐵的增加、鐵依賴性氧化應激的發(fā)展和脂質過氧化物的過度積累介導的，其特點是鐵依賴性。細胞中的脂質過氧化和鐵過載是誘導鐵死亡的兩個關鍵信號。其中，脂質過氧化是鐵死亡的核心驅動機制。Wang 等［13］研究發(fā)現MS 可以開放壓電離子通道4（Piezo4 ion channels,Piezo4）促進鈣內流，誘導軟骨細胞中谷胱甘肽過氧化物酶1 蓄積，從而調節(jié)軟骨細胞鐵死亡。Wang 等［14］在鐵超載小鼠模型中觀察到鐵超載以劑量依賴性方式促進IDD。鐵螯合劑、抗氧化劑和鐵死亡抑制劑均可有效抑制鐵超載誘導的IDD［15］。因此抑制鐵死亡可能是防治IDD 的有效治療策略。

2.4 細胞衰老

細胞衰老是細胞周期中的正常生理過程。Dai 等認為IDD 不是一種被動的磨損過程，而是一種異常的、細胞介導的對老化和其他環(huán)境因素（如異常MS）引起的進行性結構破壞的反應［16］。簡而言之，IDD 一方面是由于細胞衰老、分裂耗竭，新生細胞數量顯著減少，無法彌補衰老細胞的空缺；另一方面衰老的細胞大量分泌基質降解蛋白酶、細胞因子、趨化因子等，加速了IVD 微環(huán)境的破壞。MS 可以通過激活壓電離子通道1（Piezo1 ion channels,Piezo1）的表達，促進細胞外鈣離子的內流，激活核因子κB（nuclear factor-kappa B,NF-κB）信號通路；調控細胞骨架重塑，促進肌動蛋白相關轉錄因子A 核易位；增強DNA 損傷并激活p53-p21-Rb 信號途徑等促進NPC 衰老［17～19］。在AF 中同樣觀察到細胞早衰的現象，MS 可以顯著降低AF 細胞增殖活性和端粒酶活性，導致細胞衰老［20］。此外，MS 可以通過下調YAP1 的表達，促進CEP 組織的衰老［21］。雖然抗衰老研究在細胞實驗中效果顯著，但在人體研究中尚未有重大突破。因此，通過抗衰老的機制抑制MS 誘導的IDD 可能效果并不理想。

2.5 自噬

自噬可以消化細胞內的“垃圾”。因此，在一定范圍內，自噬具有細胞保護作用，但當刺激因素持續(xù)存在時，過度的自噬也可以誘導細胞死亡，稱為細胞自噬性死亡。

自噬廣泛參與了MS 誘導IDD 的過程。研究表明，MS 可以通過降低自噬水平，加速IDD 的過程，當提升自噬水平后，IDD 可得到有效緩解［22］，其原因可能與自噬增加有助于維持脊索細胞數量、抑制細胞鈣化等相關。因此，促進IVD 細胞自噬通量的增加，可能是抑制IDD 的重要措施。然而，Huang 等［23］發(fā)現，持續(xù)的MS 顯著增強了PTEN 誘導的激酶1/帕金森蛋白介導的線粒體自噬并導致NPC 衰老，當抑制線粒體自噬后，NPC 衰老卻得到強烈挽救。作者認為上述兩種觀點并不矛盾。MS 誘導的自噬在一定程度上可以清除細胞內的代謝廢物，發(fā)揮細胞保護作用。當MS 持續(xù)存在時，過度的自噬可以消化分解正常的細胞器，導致細胞自噬性死亡。因此，細胞自噬在MS誘導的IDD 過程中起到了“雙刃劍”的作用。

2.6 氧化應激

ROS 是真核生物線粒體能量代謝的副產物，在體內維持較低水平。前期研究認為，ROS 會誘發(fā)多種疾病。然而，近期研究認為，ROS 是細胞內的重要信號傳遞分子，在調節(jié)細胞增殖、代謝、衰老、程序性死亡等方面發(fā)揮重要作用［24］。

研究表明，MS 誘導的ROS 蓄積可能是導致IDD的關鍵，而ROS 蓄積與線粒體功能障礙密切相關［25，26］。MS 對線粒體功能的影響一方面來源于MS對細胞的各種應力損傷，包括壓力、拉力、擠壓、摩擦等，這些物理損傷可能來自于細胞內部的結構變化，也可能來自于細胞外部的物理形變。另一方面，MS 可以調節(jié)細胞膜上的機械敏感離子通道蛋白，引起細胞內外離子平衡紊亂，如：Piezo1 通道開放后鈣離子大量內流，降低線粒體膜電位，阻礙電子傳遞，導致ROS 蓄積。這些蓄積的ROS 可以直接損傷DNA、蛋白質、脂質、細胞器膜等結構，還可以對細胞內信號傳導進行調節(jié)，如調控凋亡、焦亡、自噬、衰老、炎癥及內質網應激等。其最終結果為引起IVD 氧化應激損傷，導致IDD［27，28］。但是，氧化應激反應也是細胞的一種自我保護機制，對維持細胞內環(huán)境的穩(wěn)態(tài)至關重要。ROS 的產生伴隨細胞的整個生命周期，ROS 不僅是細胞代謝產物，也是細胞內的重要信號分子。作者認為，應該從維持IVD 內氧化代謝平衡的角度來思考如何抑制IDD。

2.7 內質網應激

內質網是細胞蛋白質折疊和分泌的核心細胞器，也是細胞內鈣離子儲存和控制脂質穩(wěn)態(tài)的主要部位。當蛋白質折疊或降解過程出現問題時便會導致未折疊蛋白質的累積，此時內質網會激活未折疊蛋白反應以降解這些未折疊或者折疊錯誤的蛋白質。但當應激條件持續(xù)存在，就會導致內質網應激，通過誘導DNA損傷、激活Caspase-12 等途徑導致細胞死亡［29］。

研究表明，采用循環(huán)拉伸MS 處理人AF 細胞，MS 在導致AF 細胞內質網應激的同時，還可以引起炎性損傷。炎癥反應和內質網應激之間又相互促進，進一步加速了AF 細胞的死亡［30］。Wang 等［31］研究發(fā)現，1.0 MPa 靜態(tài)壓足以誘導NPC 發(fā)生內質網應激，導致NPC 凋亡，當采用?；撬崛パ跄懰岣深A內質網應激后，可顯著改善MS 誘導的IDD。因此，抑制IVD 內的內質網應激可能是防治IDD 的重要靶點之一。

2.8 炎癥反應

炎癥反應在IDD 過程中扮演重要角色。多項研究表明，炎癥反應促進了IDD 的發(fā)生和發(fā)展［32，33］。Chen［34］研究發(fā)現，異常MS 會顯著下調腎上腺素能受體相關蛋白2 從而激活NOD 樣受體蛋白3（NODlike receptor protein 3, NLRP3）炎癥小體并刺激NPC中白細胞介素-1β 的表達，導致IVD 內炎癥反應和IDD。Cambria 等［35］也發(fā)現，動態(tài)MS 可以顯著促進IVD 中環(huán)氧合酶2/ 前列腺素E2 信號通路的激活，導致IDD。然而Zhang 等［36］研究發(fā)現，中等強度的MS（AF 細胞5%的形變率）可以通過抑制細胞質膜微囊蛋白-1 和整合素β1 介導的促炎作用抑制IDD，而高強度的MS（AF 細胞12%的形變率）則顯著激活細胞質膜微囊蛋白-1 和整合素β1 介導的促炎作用，導致IDD。MS 誘導產生的炎癥因子，一方面可以募集周圍炎性細胞的聚集和浸潤，進一步促進炎癥因子的釋放；另一方面可以直接啟動細胞凋亡、焦亡、炎性壞死等細胞死亡程序。而這些死亡、裂解的細胞又成為新的應激源，再次誘導IVD 內的炎癥反應，進入炎癥反應惡性循環(huán)。因此，打破IVD 內的炎癥反應惡性循環(huán)是防治IDD 的關鍵。

2.9 ECM 降解

ECM 對維持IVD 的功能狀態(tài)至關重要。在IDD過程中，ECM 的分解代謝逐漸增加，而合成代謝逐漸減少［37］。Li 等［37］認為，異常或過載的MS 可以誘導ECM 向纖維化發(fā)展，導致ECM 功能喪失，進而導致IDD，其機制與MS 激活小分子鳥苷酸蛋白A/核轉錄因子A 信號通路密切相關。在MS 的影響下，脊索細胞逐漸從IVD 內消失，并向NPC 轉變，具備產生和維持ECM 的能力。雖然一定MS 可以促進NPC的分裂及增殖，但過度的MS 也可以引起NPC 凋亡，最終，導致NPT 纖維化，從半透明凝膠變?yōu)楦鼒怨痰能浌墙M織而失去正常功能［38］。事實上，MS 對于IVD 的發(fā)育和成熟發(fā)揮“雙刃劍”的作用。人從出生開始，MS 的變化就在影響IVD 細胞的功能和行為，包括分化、代謝、增殖和存活等［39］。Liu 等［40］也認為，周期性的MS 可以顯著降低ECM 中基質金屬蛋白酶的含量，并有效提升II 型膠原蛋白和聚集蛋白聚糖的含量，維持ECM 的功能。

3 總結與展望

MS 誘導IDD 的分子機制復雜多變，包括調控凋亡、焦亡、鐵死亡、衰老、自噬、氧化應激、內質網應激、炎性反應和ECM 降解等。而且這些病理過程并不單獨存在，比如，MS 可以誘導IVD 相關細胞氧化應激損傷，導致IVD 內脂質過氧化和ROS 蓄積，當脂質過氧化和ROS 蓄積超過細胞自噬能力后，可誘導細胞鐵死亡、自噬性死亡和線粒體損傷。線粒體損傷后會釋放細胞色素C 進入細胞質進而活化Capase-9 引起細胞凋亡。此外，MS 還可以激活Piezo1離子通道，導致IVD 相關細胞內陽離子內流，引起內質網應激，通過誘導DNA 損傷、激活Caspase-12等途徑導致細胞死亡。細胞死亡后可作為應激源導致細胞炎性損傷，進而激活NLRP3 導致細胞焦亡。而上述病理過程不存在明確的先后順序，往往相互串擾，形成信號傳導網絡共同/協(xié)同發(fā)揮作用。因此，未來的研究需要從MS 誘導IVD 細胞損傷分子調控網絡的視角進行探索，從多節(jié)點、多機制的方向探索IDD 的治療靶點。