椎间盘退变机制研究进展

任香

椎间盘退变机制研究进展

任香

椎间盘退变性疾病（intervertebral disc degeneration，IVDD）是引起下腰痛的主要原因之一，严重危害人群健康，研究IVDD的机制是治疗IVDD的主要策略。目前IVDD的确切发病机制尚无定论，国内外学者从不同角度，如：生物力学、分子生物学及环境因素等研究椎间盘组织代谢和形态结构的变化，探寻其对椎间盘组织的代谢和形态功能的作用规律，并尝试用改善椎间盘环境的方法来促进椎间盘的再生修复。现将研究进展综述如下。

1 生物力学对椎间盘组织的作用

随着年龄的增长，不断发生的细胞凋亡成为椎间盘组织数量减少的主要原因。目前认为椎间盘细胞凋亡最重要的始动因素是椎间盘过度载荷［1⁃3］。Ariga等［4］把鼠尾椎间盘（intervertebra disc，IVD）离体后行器官培养，随着载荷增大，凋亡指数（apoptotic index，AI）逐渐增高。Court等［5］发现过度屈曲载荷也可引起椎间盘细胞过度凋亡。Lotz等［6］用鼠尾加压模型进行动物体内研究。结果显示，随着压力的增长，内层和中层纤维环排列紊乱程度增加，AI增高，聚集蛋白聚糖（aggrecan，AG）表达降低，髓核细胞数量减少；且随着加压时间的延长，IVD出现明显退变。停止加压1月后，IVD结构组织没有完全恢复。

Kasra等［7］利用鼠尾加压模型研究不同频率的动态加压对IVD形态结构和组织成分的影响。结果显示，静态加载组IVD高度降低明显大于其他组，而1.5 Hz频率加载组的高度降低最小。Nei⁃dlinger等［8］研究不同强度动态水压对椎间盘细胞基因表达的影响。结果显示，较低压力增加了人椎间盘细胞Ⅰ型胶原和AG的表达，对基质金属蛋白酶（MMP）没有影响；较高压力降低所有合成蛋白基因表达，其中AG降低明显，并且增加人椎间盘细胞MMP⁃1表达。

Kroeber等［9］对退变 IVD进行动态牵拉28 d后，椎间盘MRI信号得到明显恢复，并且基质中Ⅰ、Ⅱ型胶原基因表达上调，核心蛋白多糖（decorin）、二聚糖（biglycan）表达增加。研究者认为轴向动态牵拉可以促进退变不太严重的IVD再生修复。但是，该研究的加压和牵拉是在一定时间段进行的，而是否在长时间受压导致严重退变的IVD中仍然能促进其退变逆转有待进一步研究。

2 IVDD的分子生物学机制

在IVDD的研究中，有一系列细胞因子来调节控制其新陈代谢（包括合成代谢和分解代谢）。在合成代谢中，转化生长因子⁃β（transforming growth factor beta，TGF⁃β）、骨形态发生蛋白（bone morpho⁃genetic protein，BMP）、Sox9等被证实具有促进蛋白多糖（proteoglycan，PG）和Ⅱ型胶原合成的作用；在分解代谢中，白细胞介素（interleukin，IL）、MMPs等可促进PG和Ⅱ型胶原的降解。

TGF⁃β是最早发现的椎间盘成形素分子，由一系列多肽物质组成，可调控IVD胶原及PG等细胞基质成分的合成，影响IVDD。研究者应用原位杂交技术发现［10］，TGF⁃β可正向调节退变椎间盘Ⅱ型胶原mRNA及其产物的表达，参与退变椎间盘修复过程。后来，Nishida等［11］证明了携带TGF⁃β基因的腺病毒载体可以直接注入具有免疫力的兔子椎间盘，促进其表达TGF⁃β，进而增加蛋白多糖合成率。人退变椎间盘细胞的体外实验也证明了TGF⁃β能够增加PG和胶原的合成率。虽然TGF⁃β具有这种功效，但它在人活体椎间盘中的作用仍未被证实。

BMPs是另一个原型软骨细胞成形素，是TGF⁃β超家族成员之一，与IVDD相关的有BMP⁃2和BMP⁃7，能促进PG的合成，增加Ⅱ型胶原的表达。体外实验证实在IVD修复的过程中，rhBMP⁃2可以促进细胞增殖，增加Ⅱ型胶原、PG、Sox9的基因表达，保持软骨细胞表型［12］。进一步研究证实BMP⁃2可以上调BMP⁃7的基因表达，而BMP⁃7也能够促进椎间盘细胞表达PG和Ⅱ型胶原。由此提出，可以利用BMPs开辟防止或延缓椎间盘退变的新途径。

Sox9基因是Ⅱ型胶原合成过程中一个重要的转录因子，其在软骨发育、成熟过程中是Ⅱ型胶原基因（Col2al）表达增强和促使Ⅱ型胶原合成增加的增强子，是IVDD再生修复的一个希望因子。Paul等［13］向退变的人椎间盘细胞中转染腺病毒介导的Sox9基因，证实其可以使椎间盘细胞增殖，Ⅱ型胶原及PG合成增加。Liu等［14］将重组的杆状病毒⁃细胞巨化病毒⁃Sox9基因导入退变的椎间盘细胞中，结果显示外源性Sox9基因可成功地在椎间盘细胞中表达，表明Sox9有可能作为有效的目的基因，来对IVDD进行调节和修复。

MMPs是一类蛋白水解酶，参与细胞外基质的代谢，主要起作用的是MMP⁃1和MMP⁃3。MMP⁃1是胶原酶亚家族中一员，主要降解Ⅲ型胶原。MMP⁃3是基质降解酶亚家族中一员，作用底物主要是PG和糖蛋白，在椎间盘细胞外基质（ex⁃tracellularmatrix，ECM）降解过程中起关键性作用。Liu等［15］发现，随着 IVD老化或退变，髓核中的MMP⁃3活性升高，使糖蛋白及连接蛋白裂解成为高度异质性分子。Kanemoto等［16］通过免疫组化方法研究表明，IVD中MMP⁃3阳性细胞比率与磁共振证实的IVDD程度呈正相关。在异常力学环境下，椎间盘细胞能够特异性产生MMPs和一氧化氮等细胞因子，抑制PG或促进PG降解。

IL是单核细胞释放的一种蛋白质，在IVDD过程中的作用是多环节的。Elfervig等［17］发现摘除的突出IVD组织中含有IL⁃1免疫反应细胞，且细胞数量与IVDD突出的程度有一定的相关性，而IL⁃1是刺激组织产生与分泌MMPs的调质。Kang等［18］用IL⁃1刺激正常、非突出椎间盘培养细胞，发现MMPs在上清液中含量显著增加，且分泌呈剂量依赖性增加，进而导致PG的净损失影响退变本身。

3 水选择性通道（aquaporins，AQPs）与IVDD

IVD是一个富含水分的器官，其中髓核的含水量在幼年时高达80％以上，老年时则为70％。而IVDD的一个特征性表现为含水量的下降。临床工作中经常可以看到腰痛的患者其IVD MRI信号的异常，主要为T2加权相IVD低信号，说明水的代谢对IVD的功能非常重要。

AQPs［19］是一组细胞膜转运蛋白，广泛存在于原核和真核生物细胞膜，介导不同类型细胞的跨膜水转运。Richardson等［20］采用免疫组化方法研究AQP⁃1，2，3在椎间盘的表达，结果表明，髓核和内纤维环表达AQP1和AQP3；外纤维环低表达AQP3，缺乏AQP1表达；3种组织均未见AQP2表达。既往研究已经证明，无血管的椎间盘营养主要通过软骨终板中心部位扩散，提示水通道蛋白参与了椎间盘内水的代谢过程，对维持IVD的正常生理功能起着关键作用［21］。

此外，不同的外环境对于细胞表达AQPs的影响不同。在正常IVD内髓核细胞处于一种低氧、高渗透压、持续的高应力作用下的特殊外环境。当 IVDD时，这些外环境因素发生显著变化，其中氧分压进一步降低，渗透压也随着PG和水分的丢失而下降。当氧分压降低、细胞外渗透压下降时，细胞发生膨胀变形，甚至胀溶。Jinseok等［22］研究发现AQP⁃1敲除小鼠调节性体积下降明显降低。当AQP⁃1被抑制后，细胞快速体积变化降低。因此，髓核细胞在氧分压降低和渗透压降低时，可能通过降低AQP⁃1表达来调控水在细胞内外分布来减少细胞体积增加，进而维持主要功能和活性。

总之，IVDD是由多因素、多机制参与和诱发所产生的疾病，其发病是一个连续的过程。其中椎间盘细胞及其外在基质特殊生物材料成分、比例及功能结构的病理生理发病和转归的生物学机制变化对维持脊柱稳定、充分发挥顺应性、缓冲剂吸振、防止脆性等方面起着重要的作用。深入了解椎间盘细胞及外基质生物学机制变化的过程和相互关系，对于IVDD预防、诊断和治疗方面的研究有着重要的意义。

［1］ Walter BA，Korecki CL，Purmessur D，et al.Complex loading affects in⁃tervertebral disc mechanics and biol⁃ogy［J］.Osteoarthritis Cartilage，2011，19（8）：1011⁃1018.

［2］ Zhang YH，Zhao CQ，Jiang LS，et al.Lentiviral shRNA silencing of CHOP inhibits apoptosis induced by cyclic stretch in rat annular cells and atte⁃nuates disc degeneration in the rats［J］.Apoptosis，2011，16（6）：594⁃605.

［3］ Smith LJ，Nerurkar NL，Choi KS，et al.Degeneration and regeneration of the intervertebral disc：lesson from development［J］.Dis Model Mech，2011，41（1）：31⁃41.

［4］ Ariga K，Yonenobu K，Nakase T，et al.Mechanical stress induced apopto⁃sis of endplate chondrocytes in organ cultured mouse intervertebral discs：an ex vivo study［J］.Spine，2003，28（14）：1528⁃1533.

［5］ Court C，Colliou OK，Chin JR，et al.The effectof static in vivo bending on the murine intervertebral disc［J］.Spine J，2001，1（4）：239⁃245.

［6］ Lotz JC，Chin JR.Intervertebral disc cell death is dependenton themagni⁃tude and duration of spinal loading［J］.Spine，2000，25（12）：1477⁃1483.

［7］ Kasra M，Merryman WD，Loveless KN，et al.Frequency response of pigintervertebral disc cells subjected to dynamic hydrostatic pressure［J］.J Orthop Res，2006，24 （10）：1967⁃1973.

［8］ Neidlinger⁃Wilke C，Wurtz K，Urban JP，et al.Regulation of gene expres⁃sion in intervertebral disc cells by low and high hydrostatic pressure［J］.Eur Spine J，2006，15（Suppl 3）：S372⁃S378.

［9］ Kroeber M，Unglaub F，Guehring T，et al.Effects of controlled dynamic disc of distraction on degenerated in⁃tervertebral discs：an in vivo study on the rabbit lumbar spine model［J］.Spine，2005，30（2）：181⁃187.

［10］陈岩，胡有谷，吕振华.转化生长因子β对椎间盘细胞Ⅱ型胶原基因表达的调节作用［J］.中华外科杂志，2000，38（9）：703⁃706.

［11］Nishida K，Suzuki T，Kakutani K，et al.Gene therapy approach for disc degeneration and association spinal discorders［J］.Eur Spine J，2008，17（4）：459⁃466.

［12］Kim H，Lee JU，Moon SH，et al.Zonal responsiveness of the human intervertebral disc to bonemorphoge⁃ netic protein⁃2［J］.Spine，2009，34（17）：1834⁃1838.

［13］Paul R，Haydon RC，Cheng HW，et al.Potential use of Sox9 gene therapy for intervertebral degeneration disc disease［J］.Spine，2003，28（8）：755⁃763.

［14］Liu XY，Yang SH，Liang CY，et al.Construction of recombinant beculo⁃virus AC⁃CMV⁃hSox9 for gene thera⁃py of intervertebral disc degeneration［J］.Chin J Traumatol，2007，10（2）：94⁃100.

［15］Liu J，Roughly PT，Mort JS.Identifi⁃cation of human intervertebral disc stromelysin and its involvement in matrix degeneration［J］.J Orthop Res，1991，9（4）：568⁃575.

［16］Kanemeto M，Hukuda S，Komiya Y，et al.Immunohistochemical study of matrix metalloproteinase⁃3 and tissue inhibitor of metalloproteinase⁃1 in human intervertebral discs［J］.Spine，1996，21（1）：1⁃8.

［17］Elfervig MK，Minchew JT，Francke E，et al.IL⁃1 beta sensitizes interver⁃tebral disc annulus cells to fluid⁃in⁃duced shear stress［J］.Cell Bio⁃ chem，2001，82（2）：290⁃298.

［18］Kang JD，Georgescu HI，McIntyre⁃Larkin L，et al.Herniated lumbar in⁃tervertebral discs spontaneously pro⁃duce matrix metalloproteinases nitric oxide，interleukin⁃6 and prostaglandin E2［J］.Spine，1996，21（3）：221⁃227.

［19］Bondy C，Chin E，Smith BL，et al.Developmental gene expression and tissue distribution of the CHIP28 wa⁃ter⁃channel protein［J］.Proc Natl Acad Sci USA，1993，90（10）：4500⁃4504.

［20］Richardson SM，Knowles R，Marples D，et al.Aquaporin expression in the human intervertebral disc［J］.JMol Histol，2008，39（3）：303⁃309.

［21］Richadson SM，Knowles R，Marples D，et al.Aquaporin expression in the human interverbral disc［J］.J Mal Histol，2008，39（3）：303⁃309.

［22］Heo J，Meng F，Hua SZ，et al.Con⁃tribution of aquaporins to cellularwa⁃ter transport observed by a microflu⁃idic cell volume sensor［J］.Anal Chem，2008，80（18）：6974⁃6980.

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10.3969/j.issn.1003⁃9198.2013.12.023

2013⁃04⁃24）

330001 江西省南昌市，新建县人民医院放射科