转化生长因子β超家族对椎间盘退变影响的研究进展

崔佳瞿，吴小涛

(1.东南大学医学院，江苏 南京 210009；2.东南大学附属中大医院 骨科，江苏 南京 210009)

·综 述·

转化生长因子β超家族对椎间盘退变影响的研究进展

崔佳瞿1，吴小涛2

(1.东南大学医学院，江苏 南京 210009；2.东南大学附属中大医院 骨科，江苏 南京 210009)

椎间盘退变在临床上较为常见，是导致腰腿痛等病症的主要原因。椎间盘的退变源于椎间盘细胞数量减少以及细胞外基质的降解。目前尚无可以从根本上逆转椎间盘退变的方法。随着椎间盘退变分子机制研究的深入及分子生物学的发展，生长因子在椎间盘退变中所起的作用逐渐被发现，为椎间盘退变的治疗提供了新的视野和希望。近年来的研究证实转化生长因子β(TGF-β)与椎间盘退变密切相关，它可以通过促进椎间盘细胞增殖、增加细胞外基质合成、抑制基质降解酶等方面影响椎间盘退变。作者就TGF-β超家族对椎间盘退变的影响作一综述。

椎间盘退变；转化生长因子β；文献综述

1 椎间盘退变的概况

椎间盘退变在临床上较为常见，可导致椎间盘突出、椎管狭窄、椎体不稳等脊柱退行性病变，是导致腰腿痛等病症的主要原因，其确切的发病机制尚未明确，目前认为椎间盘退变是多种因素参与的，对椎间盘成分、结构、功能渐进性破坏的慢性过程[1]。有学者[2]将正常和退变椎间盘细胞功能的影响因素归纳为细胞基质中营养和氧的弥散、细胞因子、遗传、细胞老化、机械压力5个方面。

椎间盘位于两个相邻椎体之间，具有流体力学特性。正常椎间盘组织由髓核、纤维环及软骨终板组成。髓核位于椎间盘组织中央，由纤维环包绕。软骨终板分为上下两部分，与椎体骨组织相连。其中髓核主要由Ⅱ型胶原、蛋白多糖、髓核细胞及水分组成。正常椎间盘髓核细胞外基质中胶原纤维、蛋白多糖和糖胺多糖的含量稳定。随着椎间盘的退变，髓核细胞的数量减少、功能降低，细胞外基质逐渐降解，最终导致椎间盘分散脊柱压缩力和维持椎间隙高度等生物力学功能丧失[3]。研究[4]表明，在退变椎间盘细胞中，白细胞介素1、6(IL-l、IL-6)、肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factorα，TNF-α)等炎症因子分泌增多，同时也上调一些基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)、血小板结合蛋白基序的解聚蛋白样金属蛋白酶(a disintegrin-like and metalloprotease with thrombospondin motifs，ADAMTS)的表达。

目前对椎间盘退变性疾病的治疗主要包括保守治疗(如非甾体类抗炎镇痛药物、激素注射、理疗等)以及手术治疗(如椎间盘摘除、椎间融合等)，以上方法主要改善疼痛等临床症状，均无法恢复椎间盘结构的完整性，故难以取得令人满意的疗效。随着椎间盘退变机制研究的深入及分子生物学的发展，使得利用生长因子或其基因对椎间盘退变进行治疗，从而延缓或逆转椎间盘退变成为可能，国内外众多学者[5]对此进行了大量实验研究。

2 TGF-β超家族的发现及其传导通路

在正常和退变椎间盘组织中均发现了一些有功能的生长因子及其受体，提示椎间盘细胞可以产生及表达生长因子，这些生长因子包括胰岛素样生长因子(insulin-like growth factor-1，IGF-1)[6-8]、成纤维细胞生长因子(basic fibroblast growth factorb，FGF)[9]、血小板源性生长因子(platelet-derived growth factor，PDGF)[10-11]等。这些生长因子可能通过某些机制作用于椎间盘细胞或与其他细胞因子相互作用从而维持椎间盘的内环境稳态和生物学功能。有文献报道称，外源性及自分泌产生的生长因子可以通过MEK/ERK及PI-3K/Akt通路调控椎间盘细胞的增殖从而影响椎间盘的退变[12-13]。

TGF-β是近年来被研究证实与椎间盘退变密切相关、在脊柱和椎间盘组织的发育、生长和维护方面扮演着重要角色[14]的细胞因子。TGF-β超家族是在癌细胞中寻找可以促进转化的自分泌因子过程中发现的，目前在人体内发现了30种以上的该家族成员。TGF-β超家族属于信号分子，调节多项细胞生理功能，在细胞增殖、分化、胚胎发育、胞外基质形式、骨的形成和重建等方面起着重要作用。TGF-β超家族中包括TGF-βs(TGF-β1、2、3等)、活化素(activins)和抑制素(inhibins)、生长分化因子(growth differentiation factors，GDFs)以及骨形成蛋白(bone morphogenetic proteins，BMPs)、Nodal等。TGF-β超家族成员是通过两种跨膜的丝氨酸/苏氨酸激酶受体(Ⅰ型受体和Ⅱ型受体)进行信号传导。尽管TGF-β超家族成员很多，但受体谱有限：只有5种Ⅱ型受体及7种Ⅰ型受体。TGF-β先识别并结合Ⅱ型受体，Ⅱ型受体可以自行磷酸化，磷酸化后的Ⅱ型受体可以与Ⅰ型受体结合，使Ⅰ型受体中的富含甘氨酸-丝氨酸的结构域(a glycine-serine-rich region，GS region)磷酸化，从而通过Smad通路启动信号传导，其中Samd2、Samd3是TGF-β/Activin的细胞内信号传导分子，Samd1、Samd5、Samd8是BMP的细胞内信号传导分子。此外，TGF-β还可以通过非Smad依赖信号通路进行信号传导，如ERK、JNK等[15]。

3 TGF-β对椎间盘退变的保护作用

研究表明，TGF-β超家族中多个成员与椎间盘退变密切相关，如TGF-β1[16-17]、TGF-β3[18-19]、BMP-2[20]、BMP-7[21-22]、GDF-5[23]等，它们参与了维持椎间盘的内环境稳态。TGF-β可以通过促进椎间盘细胞增殖、增加细胞外基质合成、抑制基质降解酶等方面影响椎间盘退变。

3.1 TGF-β刺激椎间盘细胞增殖，维持细胞活力

生长因子具有促进机体多种细胞增殖的作用，对于椎间盘细胞也同样如此。在椎间盘内部，椎间盘细胞的数量及活性对于椎间盘正常生物力学功能的维持意义重大。在椎间盘退变早期，表现为细胞增殖及细胞丛簇形成，可能是椎间盘组织自我修复的过程[12]，而在退变程度较重的椎间盘中，细胞数量会大大减少[24]。TGF-β1对于体外培养的人髓核细胞的促增殖作用在一定范围内呈剂量和时间依赖性[25]，Wang等[26]验证了这一结论：在TGF-β1浓度为0.1ng·ml-1时对髓核细胞的增殖无显著影响，在更高浓度时(1和10 ng·ml-1)可以显著提高细胞增殖水平。关于TGF-β1促进细胞增殖和细胞周期进程的作用机制，Sakai等[27]研究发现，在这一过程中原癌基因(c-Myc)及磷酸化的ERK1/2起着重要作用。Illien-Junger等[19]认为，椎间盘切除术可以诱导正常椎间盘内的细胞凋亡，使分解代谢增加及NO释放；椎间盘切除术后的退变可能与细胞凋亡及基质降解有关，而注射TGF-β3可以通过维持细胞活力等方面来保护椎间盘组织。

3.2 TGF-β提高细胞外基质的合成

椎间盘由细胞和细胞外基质组成， 细胞外基质由椎间盘细胞产生，并构成椎间盘细胞生存的微环境，对细胞起着保护与机械支持作用。细胞外基质中的蛋白聚糖可以维持椎间盘正常结构、代谢及生理功能；糖胺聚糖则含有大量水分，使髓核细胞有足够弹性从而承受压力。在正常椎间盘细胞中，由于合成及分解代谢相关的细胞因子之间复杂的调控，细胞外基质的合成和降解处于平衡状态。合成因子与分解因子之间的不平衡会导致细胞外基质的降解，从而加速椎间盘的退变。研究表明，在体外培养的髓核细胞体系中加入生长因子可以使Ⅱ型胶原和蛋白多糖等细胞外基质的合成代谢上调；而早在90年代初，国外就有学者提出TGF-β可以促进椎间盘细胞，尤其是髓核细胞合成蛋白多糖[28]。随着TGF-β在椎间盘领域研究的深入我们发现，该家族多个成员具有促进细胞外基质合成的能力。TGF-β1可以通过提高Sox9 mRNA及其蛋白的表达，增加硫酸糖胺聚糖及其他蛋白聚糖的表达[29]。Song等[30]则利用腺病毒构建Ad-TGF-β3系统，然后转染体外培养的兔髓核细胞，发现髓核细胞活力得到显著提高，增加了Ⅱ型胶原的合成。此外将Ad-TGF-β3转染的髓核细胞注入到退变的兔椎间盘中可以减轻退变程度，同时上调了Ⅱ型胶原及蛋白聚糖mRNA的表达。BMPs也具有强烈的刺激椎间盘细胞合成细胞外基质作用，Li等[31]体外培养了兔的纤维环和移行区细胞，并加入终浓度为200 ng·ml-1的BMP-2，结果显示与对照组相比，BMP-2可分别增加蛋白聚糖及Ⅱ型胶原的mRNA的表达8.30和4.61倍，降低多功能聚蛋白多糖mRNA的表达54%。Ⅰ型胶原的产量及mRNA的表达无显著变化。同时BMP-2还可以分别上调TGF-β1和BMP-7 mRNA的表达。有些学者也发现，联合使用生长因子(如联合使用小剂量的TGF-β1及BMP-2)对于提高细胞外基质的合成具有协同作用[32]。

3.3 TGF-β降低基质降解酶的表达和分泌，增加基质降解酶抑制剂的表达和分泌

细胞外基质存在与基质代谢相关的蛋白酶，主要包括MMPs和蛋白聚糖酶及其特异性抑制剂：金属蛋白酶组织抑制剂(tissue inhibitor of metalloproteinase，TIMP1、TIMP2、TIMP3、TIMP4)。蛋白聚糖酶属于ADAMTS家族，具有降解蛋白聚糖的作用。已有研究表明，蛋白聚糖酶谱家族中的多个成员参与了细胞外基质的降解，蛋白聚糖酶可能涉及到椎间盘退变的开始及过程中[33]。ADAMTS-4和ADAMTS-5在退变椎间盘的细胞外基质的降解中起关键作用[34]。MMPs可以水解蛋白聚糖、胶原以及纤维连接蛋白。当蛋白聚糖含量减少时，胶原纤维就容易遭受胶原酶的攻击(如MMP-1和MMP-13)，从而导致胶原的降解。TIMP的表达增多可以抑制蛋白水解酶的活性，从而延缓椎间盘的退变，TIMP-3 作为上述两种降解酶及一些其他基质降解酶的抑制剂，被证实在退变髓核和纤维环中表达减少[6]。TGF-β可以通过影响MMPs、ADAMTS及TIMP的表达从而影响椎间盘的退变。有学者在体外培养人髓核细胞的实验中发现，TGF-β1和IL-1β参与细胞外基质的合成与降解，TGF-β1在浓度为1ng·ml-1时可以降低ADAMTS-4、5的表达，增加TIMP-3的表达。与此相反的是， IL-1β处理后可以显著增加ADAMTS-4、5的表达，而对TIMP-3的表达无明显影响[26]。在退变椎间盘细胞中，TNF-α表达增多，继而活化NF-kB， 导致ADAMTS-4、5表达增多，BMP-7可以阻断这一过程从而延缓椎间盘的退变[22]。

4 TGF-β对椎间盘退变潜在的负面作用

许多学者在研究TGF-β对椎间盘退变的影响作用时发现，在某些情况下TGF-β可加速椎间盘的退变。椎间盘是一个无血管组织，它的营养供应主要来自于软骨终板扩散，随着年龄的增长，软骨终板中血管逐渐减少，终板逐渐发生钙化，使得椎间盘的营养供应减少。同时随着椎间盘退变的加重，生长因子对髓核细胞活性的刺激会增加对营养的需求，最终引起不利的影响。随着椎间盘退变的发展，椎间盘细胞对于各种生长因子的反应性也呈下降趋势。已有文献报道称，退变较为严重的髓核细胞已经破坏了基因表达模式、增殖能力以及合成代谢的速度，因此在涉及到细胞对于合成代谢相关刺激因子反应性的问题时，椎间盘的退变等级是其中一个关键因素，不考虑由细胞外基质及营养供给改变所引起细胞所处微环境的变化，退变程度严重的髓核细胞对TGF-β反应性减弱[35]。此外，有实验研究发现，较高浓度的TGF-β1可增加ADAMTS等蛋白水解酶的表达，从而加速椎间盘的退变，表明过量的TGF-β1会产生相反的作用[26]。

5 总结与展望

人的椎间盘是脊柱中重要组成部分，椎间盘退变会引起下腰痛，严重影响患者的生活质量。椎间盘退变是一个多因素共同作用、不断发展的慢性过程，目前对于椎间盘退变性疾病的治疗主要局限于保守治疗和手术治疗，它们主要目标均为缓解临床症状，无法逆转椎间盘退变和恢复椎间盘的完整性。包括TGF-β在内的生长因子对椎间盘退变的治疗在体内及体外实验中均取得了令人鼓舞的成果，TGF-β用来治疗椎间盘退变显示出良好的应用前景。尽管目前已经取得了比较满意的实验成果，但仍面临着许多阻碍，真正应用于临床还有许多问题需要解决：首先要进一步阐明椎间盘退变的机制；此外，目前研究主要尚处于体外或动物实验阶段，还需要在更高级的动物及人体内进行更多、更全面的实验研究，进一步明确TGF-β对椎间盘细胞的具体作用机制；对于治疗时机的选择、TGF-β的传递形式、治疗剂量的控制、治疗安全性及生长因子在刺激椎间盘细胞增殖、上调合成代谢时所遇到的营养供应等问题，还需要更深入的探索。相信不久的将来TGF-β治疗椎间盘退变会成为一种新的、安全、有效的治疗方式。

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2014-12-02

2014-12-22

国家自然科学基金资助项目(81272035/81071493)

崔佳瞿(1989-)，男，江苏南通人，在读硕士研究生。E-mail:cuijiaqu@126.com.

吴小涛 E-mail:wuxiaotao@medmail.com.cn

崔佳瞿，吴小涛.转化生长因子β超家族对椎间盘退变影响的研究进展[J].东南大学学报:医学版，2015，34(3)：439-443.

R681.53

A

1671-6264(2015)03-0439-05

10.3969/j.issn.1671-6264.2015.03.027