降钙素在椎间盘退变中的作用及研究进展*

段明宫 王德峰 张喜善

(泰山医学院附属医院骨科，山东 泰安 271000)

近年来，椎间盘的发病率愈来愈高，主要是由于椎间盘的退变引起的。椎间盘退变是一种自然衰老的过程，从20岁开始，退变是一种必然趋势，从而导致的颈，胸椎疾病日益增多，如椎间盘突出、脊柱不稳、脊柱病理性侧弯、骨赘形成、下腰痛等，对人们的健康生活带来不便，严重影响到生活质量。现在的治疗情况多采用卧床休息、牵引治疗、药物治疗、按摩针灸物理治疗、经皮髓核摘除术、椎间盘切除椎间融合术开窗或半椎板切除术、臭氧治疗等方法。但是这些方法只是改善了临床症状，并没有延缓或阻止椎间盘的退变；并且手术治疗虽然能起到较好的短期治疗效果，但是复发率高，并且术后相邻椎间盘的退变就会加速[1]。因此找到一种创伤小，效益高的预防或阻止椎间盘退变的方法尤其重要。近年来的研究表明，降钙素与椎间盘退变的关系非常密切，它能够抑制破骨细胞促进椎间盘细胞的增殖、促进细胞外基质蛋白多糖，降低胶原酶活性，阻止糖胺多糖丢失、外周骨量减少，降低炎症反应、减少滑膜增殖标记物、多糖代谢标记物及骨重吸收标记物[2]，增加透明软骨的厚度、恢复细胞代谢及减少骨赘量，促进椎间盘细胞基质中的Ⅱ型胶原的表达[3]。对Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型胶原的有一定的调控作用。现综述如下。

1 降钙素的结构和功能

降钙素(CT)是一种遗迹性激素，经过几百万年的历程，随着动物进化程度的不断提高，它以一种退化形式存在。1962年Coop等在对甲状腺功能的研究中发现用高钙血有控制地灌注离体狗的甲状腺和甲状旁腺时，狗全身循环中血清钙浓度迅速下降，较之切除甲状腺和甲状旁腺后血钙的下降还要快，。为此他们提出了有一种能降低血钙的激素存在，并命名为"降钙素"。1963年，Hirsch等证实降钙素为甲状腺所分泌，此后又进一步证实由甲状腺滤泡旁细胞或称之为C细胞所分泌。降钙素是一种由32个氨基酸组成的多肽物质，是人体调节骨钙代谢的重要内源性激素。是目前治疗骨质疏松症的常用药物，主要通过抑制破骨细胞的活性，防止骨钙丢失，降低骨钙转换来实现。降钙素的主要靶器官是骨，它对骨的作用是直接抑制骨质吸收，主要是抑制破骨细胞的活性和数量，同时调节成骨细胞的活性而促进骨生成过程。由于降钙素的作用，骨钙的释放减少，又从血浆中摄取钙，使骨的生成增加。降钙素能刺激软骨细胞分化成熟，促进软骨细胞分泌基质。降钙素抑制软骨基质钙和软骨下磷的释放，阻止关节内结晶的形成，通过β-内啡肽调节关节软骨的代谢，抑制软骨下骨的吸收，使其硬度得到保持。降钙素还能协同BMP刺激ALP的活性促进软骨生成，刺激不同时期软骨细胞分泌胶原[4]。降钙素还有较强的止痛作用，通过作用于中枢痛觉感受区的特异性受体影响痛觉的传递[5]、抑制炎性介质前列腺素的合成[6]、升高内源性镇痛物质血浆β-内啡肽的含量[7]、抑制骨吸收阻止溶骨等多重作用发挥效果；且止痛效果不受纳洛酮的破坏。

2 椎间盘退变的原因及生物学改变

椎间盘共有23块，位于人体脊柱两椎体之间，由软骨板、纤维环、髓核组成的一个密封体。组织学构成包括两部分：椎间盘细胞和基质。细胞构成主要是软骨样细胞和成纤维细胞，基质成分主要包括3种：胶原、蛋白多糖和水。椎间盘的营养道路主要有二[8]：(1)是终板途径，椎体内血管的营养物质通过骨髓腔-血窦-软骨终板界面扩散到椎间盘，营养纤维环及髓核内层，属于主要途径[9]。(2)是纤维环途径，即纤维环表面血管营养纤维环外层，属于次要途径。椎间盘内含有大量的胶原，其中Ⅰ、Ⅱ型胶原是最主要的胶原。外层纤维环主要还有Ⅰ型胶原，有利于对抗伸屈或旋转时所承受的压力。髓核内主要为Ⅱ型胶原，胶原纤维中间间隔大量的蛋白多糖和水分，缓解重力的冲击保证椎间盘完整结构。随着年龄的增长，椎间盘开始退变，这是个十分复杂的过程，确切的机制现在尚未研究透彻，但包含以下因素：(1)营养供应减少：软骨终板既有屏障功能又有营养中介作用。随着机体的老化供应椎间盘周围的血管数量减少，软骨终板逐渐钙化，妨碍营养物质的供应及椎间盘代谢废物的排除。(2)细胞因子凋亡失衡：近来研究表明[10]，在退变突出的椎间盘组织中有大量的细胞因子，尤其是肿瘤坏死因子(TNF-α)、白细胞介素-1(IL-1)、白细胞介素-6(IL-6)、白细胞介素-8(IL-8)、BMP、转化生长因子-β(TGF-β)等，它们在椎间盘退变过程中可能发挥重要的调控作用。(3)基质酶活性的改变：在椎间盘基质中存在基质代谢的酶系统, 在中性PH 下降解基质成分。这些降解酶通常不以活性形态存在,与之相拮抗的是降解酶抑制剂。(4)生物力学的改变即机械负荷对椎间盘退变的影响 Willian等[11]研究发现，椎间盘静水压为1MPa时髓核的胶原和蛋白多糖合成被激活，而在纤维环则被抑制，因而认为静水压直接影响间盘细胞胶原和蛋白多糖的合成；戴尅戎等[12]用动物实验证实，异常高应力促使软骨细胞合成蛋白多糖。软骨终板蛋白多糖的增加将阻碍经终板途径的扩散，从而影响髓核蛋白多糖的合成。陈立等[13]的研究中，异常应力下终板血管分布明显减少，使得细胞外环境氧合和葡萄糖等营养物质减少，可能是异常应力导致终板加速退变的重要机制。另Lotz等[14]的动物实验研究发现，异常静止压力下，椎间盘细胞凋亡率与压力和时间呈对数变化，证实脊柱负荷量与椎间盘退变有一定的相关性。

3 降钙素对于椎间盘的生长的调节作用

降钙素能作用于成骨细胞和破骨细胞，对脊柱的发育成型和分化有重要的作用。脊索细胞是胎儿椎间盘髓核内的原始细胞，随着胎龄的增大，其含量逐渐减少代之软骨样细胞，此时的软骨细胞多为体积较大的分化早期软骨细胞。降钙素能够选择性的调节有关因子及其受体的表达，从而调节细胞转轨，对脊柱的发育有重要的作用。降钙素能促进未分化和分化早期的软骨细胞增殖，能够促进Ⅱ型胶原和蛋白多糖的合成，而Ⅱ型胶原为髓核细胞的主要胶原。降钙素能刺激软骨细胞分化成熟，促进软骨细胞分泌基质[15-16]。降钙素不仅能增加Ⅱ型胶原量还能减少促胶原酶活性或增加阻止蛋白酶抑制剂的量[17]。降钙素能促进软骨形成，预防软骨破坏，降低MMP-1蛋白和mRNA的表达[18]，减少MMP-3的含量[19]，减少软骨胶原的丢失。可见降钙素能在椎间盘的发育和分化特别是髓核细胞的分化成熟中具有调节作用，刺激软骨细胞产生髓核细胞的Ⅱ型胶原，促进髓核的成熟。有研究证实[18]降钙素能抑制基质金属蛋白酶(MMPs)的合成来促进基质的合成，包括降低MMP-1,MMP-3的含量，同时还能刺激组织抑制因子(TIMPs)的生成来抑制基质的降解。降钙素在体内软骨中作为一种免疫抑制分子通过刺激蛋白多糖的合成，抑制MMP的产生，来促进关节软骨的修复，保护关节软骨。

4 降钙素与椎间盘退变的关系

椎间盘退变是一种患病率很高，严重影响生活的疾病。研究表明，随和内高浓度的蛋白多糖所产生的膨胀压有助于保持之间盘的高度及其负载能力。髓核内的蛋白多糖合成减少，分解增加，导致髓核脱水，是椎间盘退变的主要原因。Tolonen[20]等及Yasuma[21]等认为椎间盘退变的标志是软骨终板退变后血管侵入椎间盘。Nerlich、Buckwalter[22]等证实椎间盘退变最关键的因素是营养供应减少。Oda[23]等研究人类颈椎间盘发现，软骨终板退变的标志是软骨内钙化，并认为只要软骨终板保持良好，髓核就可再生。可见，终板钙化等引起的椎间盘营养供应减少时导致椎间盘退变的始动因素[24]。椎间盘的退变不仅表现为细胞种类的改变和形态学上的改变，更伴有椎间盘组织学与生化性质的一系列改变，如椎间盘组织中蛋白多糖和水含量的改变，胶原类型的转变，各种降解酶的活性的升高和炎症递质的释放等。椎间盘中最重要的基质降解酶是中性蛋白酶,可分为两大类:基质金属蛋白酶( matrix metallopro teinases , MMPs)和丝氨酸蛋白酶( serine proteinase, SP)[25-26]。Liu等[27]发现椎间盘内存在MMP-3活性可降解PG聚合体及椎间盘内多种基质成分，减少髓核的亲水作用。在退变的椎间盘中MMP-3的比率明显升高[25]，随着椎间盘退变的加剧，椎间盘细胞内的MMP-3染色阳性率增加，椎间盘和血清中的MMP-3的水平均增加。虽然MMP-3可降解各种胶原，但是它最终降解了PG而使椎间盘基质中水含量降低[29]。近几年研究发现[10]，退变的椎间盘组织中有多种细胞因子如肿瘤坏死因子(TNF-α)、白细胞介素-1(IL-1)、白细胞介素-6(IL-6)、白细胞介素-8(IL-8)、BMP、转化生长因子-β(TGF-β)等，它们在椎间盘退变中可能发挥着重要的调控作用。降钙素能促进软骨细胞增殖，刺激胶原Ⅱ型和蛋白多糖的合成，而Ⅱ型胶原为髓核细胞的主要胶原，在保持髓核形态和缓冲压力方面发挥重要的作用。降钙素能刺激软骨细胞分化成熟，促进软骨细胞分泌基质。降钙素早期能抑制Ⅲ型胶原mRNA的表达，防止过度炎症反应。后期促进成骨细胞Ⅰ型胶原mRNA的表达，抑制Ⅱ型胶原mRNA表达，从而促进软骨性骨痂向骨性骨痂转换，促进骨形成[30]。降钙素能降低软骨组织MMP-1蛋白与mRNA水平，降低MMP-3的含量保护软骨[19]。不仅能增加Ⅱ型胶原量还能减少促胶原酶活性或增加阻止蛋白酶抑制剂的量，从而抑制体外培养的软骨细胞胶原酶活性[18]。降钙素抑制软骨基质钙和软骨下磷的释放，阻止关节内结晶的形成，通过β-内啡肽调节关节软骨的代谢，抑制软骨下骨的吸收，使其硬度得到保持。降钙素还能协同BMP刺激ALP的活性促进软骨生成，刺激不同时期软骨细胞分泌胶原[17]。降钙素还有较强的止痛作用，通过作用于中枢痛觉感受区的特异性受体影响痛觉的传递、抑制炎性介质前列腺素的合成、升高内源性镇痛物质血浆β-内啡肽的含量、抑制骨吸收阻止溶骨等多重作用发挥效果；且止痛效果不受纳洛酮的破坏[31]。

5 展 望

椎间盘的退变性过程非常复杂，其所引起的盘源性疼痛及神经根病变至今机制不明。目前在分子领域和基因水平人们在对其退变性机制进行探索，但要明确的阐述各种细胞因子和各种作用机制在退变性过程中的作用及相互关系，确定相关基因及其表达情况。又有细胞因子在退变中的作用影响，基因治疗在理论上有一定的可行性。促合成代谢的细胞因子基因、抑制分解代谢和细胞凋亡的细胞因子基因、细胞移植和组织工程等；但是在实际治疗中，如目的基因的选择，载体靶细胞的选择，转载移植的选择都有一定的难题存在。如效应蛋白直接注射，只起到短期的作用,应用于长期、缓慢发生的椎间盘退变的治疗作用受限。应用生物治疗延缓甚至逆转椎间盘退变是一个令人兴奋的研究领域, 然而, 椎间盘的生物治疗仍然存在着许多需要解决的问题: (1)由于蛋白的融合以及灭活, 直接注射效应蛋白的方法可能起到短期的作用,因此体内应用效应蛋白治疗椎间盘的渐进性退变受到局限; (2)椎间盘退变的基因治疗虽然可以解决椎间盘合成蛋白表达时间短的缺陷, 但椎间盘退变的相关基因仍不明确, 基因转入、表达的有效性及其调控机制仍不完善,椎间盘退变晚期不能根本解决细胞数量的减少,以及如何选择一种更加高效、 安全的表达载体等多个问题仍然存在; (3)组织工程中种子细胞的来源、 细胞支架材料的选择以及同生长因子基因治疗联合应用及移植物的固定等问题, 仍需进一步研究。降钙素现阶段逐渐应用于治疗骨质疏松，关节软骨，腰椎管狭窄症上有很大疗效，期待在治疗椎间盘退变中能发挥很好的作用，这还有很长的路要走。

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