TNF-α与椎间盘退变关系的研究进展

孙灰灰，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·

TNF-α与椎间盘退变关系的研究进展

孙灰灰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)

腰痛是骨科最常见症状之一，终板异常和椎间盘退变可能是椎间盘源性腰痛的病因。研究认为，退变腰椎终板与肿瘤坏死因子(TNF)-α的表达相关，TNF-α的高表达是产生疼痛的重要因素。作为能加速椎间盘退变的炎性因子，TNF-α在椎间盘退变过程中与其他基因产物有复杂的相互作用关系，目前已成为研究热点。作者就近几年国内外关于TNF-α与椎间盘退变关系的研究作一综述，进一步阐明TNF-α在椎间盘退变中的作用。

TNF-α；椎间盘退变；信号通路；炎性反应；文献综述

终板异常和椎间盘退变可能是椎间盘源性腰痛的病因[1]。廖家新等[2]研究认为，退变腰椎终板的MRI改变与TNF-α的表达相关，终板中TNF-α的高表达可能是下腰痛的原因之一。Weiler等[3]提出，TNF-α的表达量与椎间盘源性下腰痛有关，并提出TNF-α的高表达是产生疼痛的重要因素。作为能加速椎间盘退变的炎性因子[4]，TNF-α在椎间盘退变中的作用越来越受到重视，其在椎间盘退变过程中与其他炎性因子、基质降解酶、生长因子、细胞外基质等各种基因产物相互作用。作者对TNF-α在椎间盘退变中的作用作一综述。

1 TNF-α及其与椎间盘退变的相关性

1975年，有学者对接种卡介菌的小鼠注射脂多糖后发现，其血清中含有一种能杀伤肿瘤细胞并使肿瘤组织发生坏死的因子，并称之为肿瘤坏死因子(TNF)，包括TNF-α和TNF-β两个亚型[5]。TNF-α又称恶质素，是一种单核因子，主要由活化的单核细胞和巨噬细胞产生，其不仅具有选择性杀伤肿瘤细胞的能力，还有多种免疫调节作用，是一种强有力的炎性细胞因子。TNF-α有两个细胞表面受体，分别为p55(TNFRⅠ)和p75(TNFRⅡ)。研究表明，TNF-α被腰椎间盘组织受体上的转化酶激活而发挥生物学活性。尽管TNF-α对两种受体均有较高的敏感性，但TNFRⅠ表达更为普遍。通常认为，TNF-α主要通过TNFRⅠ发挥其生物学功能，而TNFRⅡ的主要功能是加强TNFRⅠ的效应[6]。

Weiler等[3]通过免疫组织化学技术对不同年龄、不同突出程度的人椎间盘进行研究发现： TNF-α在各年龄段人群中均有不同程度的表达；椎间盘突出者TNF-α表达较未突出者明显增高；在老年人中表达较青年人明显增高；TNF-α的表达水平与纤维环及髓核的退变程度呈显著性正相关。Holm 等[7-9]均通过各自实验证实，TNF-α的表达与椎间盘退变程度呈正相关。尽管如此，研究发现TNFRⅠ在退变的椎间盘中表达无明显增高，甚至较正常椎间盘有所降低，暗示了退变和突出的椎间盘降低了其对TNF-α的反应性，导致TNF-α的生物学活性有所降低[6, 8]。

Hiyama等[6]通过单分子层培养鼠椎间盘细胞发现，Wnt信号通路的激活上调了TNF-α的表达，表明Wnt信号通路激活了椎间盘退变进程。该研究组还发现，Wnt信号通路和TNF-α形成了局部正反馈效应。You等[10]研究发现，TNF-α处理的大型动物椎间盘不仅结构发生了变化，而且上调了疼痛相关基因的表达，使退变椎间盘特有的分解代谢及合成等基因表达发生变化并引起退化的胶原蛋白积聚。该研究组认为，TNF-α诱发的椎间盘退变是不易逆转的。

2 TNF-α在椎间盘退变中的信号通路及其作用

Kato等[11]研究炎性细胞因子及基质金属降解酶MMPs的作用机制后认为，TNF-α是炎症反应的始作俑者。为了探究TNF-α诱发的髓核细胞老化信号通路，Mavrogonatou等[12]通过实验研究关于压力诱导下椎间盘内蛋白的磷酸化，发现P38丝裂原激活的蛋白激酶/MAP激酶(P38 MAPK)和Jun核激酶(Juns)在经TNF-α处理后15 min发生磷酸化，这两种激酶的磷酸化在持续刺激1 h后即恢复到正常水平，通过MTT实验和细胞计数实验，并未发现细胞外信号调节激酶(ERKs)和苏氨酸激酶(Akt)的磷酸化水平与正常有所差异，由此可见TNF-α并不直接影响髓核细胞活性和增殖能力，而是通过其他因子和信号通路介导。

2.1 TNF-α上调基质降解酶的表达

Haro等[13-14]通过研究由椎间盘细胞、MMPs及炎性因子释放等构成的精细调控网络发现，在巨噬细胞和椎间盘组织的共培养系统中，TNF-α大量增殖，进而导致MMP-3、MMP-7及血管内皮生长因子(VEGF)等的高表达；但巨噬细胞产生TNF-α需要依赖于MMP-7的介导。早有学者研究发现，椎间盘细胞长期受压后发生表型改变，进而MMPs大量增殖，亦可导致TNF-α等炎性介质的过度表达，导致炎性痛觉过敏的发生[9]，这说明TNF-α与MMP-7相互促进、相互影响，形成一个局部正反馈效应。TNF-α可以增加神经根的敏感性，在退变椎间盘组织中对局部神经根产生毒副作用，进而导致腰痛发生[15-16]。Wang等[17]研究发现，MMP-3是受TNF-α及IL-1β调控的，后两者通过促进降解酶的表达从而使基质降解。此外，当髓核细胞被SDC4-shRNA转导或用surfen处理后，TNF-α对MMP-3启动子的诱导效应及NF-kB信号通路活性没有发生变化，说明SDC4-shRNA不参与调控NF-kB和 MAPK 信号通路。在髓核细胞内TNF-αMAPK信号通路是受TNF-α及IL-1β调控而发挥作用的，该通路已被证实可调节NF-kB信号。p38、 JNK和 ERK的特定抑制剂可以显著降低TNF-α及IL-1β介导的MMP-3的表达，这说明MMP-3的转化特点比我们既往的认知要复杂得多。抑制p65 和 IKKβ信号后，TNF-α介导的MMP-3表达也受到抑制，突显了NF-kB通路对MMP-3调控的重要性。Mavrogonatou等[12]通过实验也证实，TNF-α处理牛髓核细胞24 h后其MMP-3的表达水平明显升高，TNF-α介导的P38MAPK信号通路的MMP-3表达上调与其他学者用人椎间盘细胞进行实验取得的结果[18]一致。Seguin等[19-20]报道，TNF-α抑制了基质金属的合成，上调了MMP-1、MMP-3、MMP -13 和ADAM-TS4 及 ADAM-TS5等的表达，椎间盘细胞对TNF-α反应表现为细胞外基质丢失、74%蛋白聚糖降解进而老化加速。Chen等[21]研究发现，TNF-α可能通过NF-kB信号通路促使ADAMTS-5的表达上调，TNF-α在软骨终板表达较高，其表达水平与ADAMTS-5的表达有必然联系，但与ADAMTS-4无明显关联。这提示TNF-α扮演了可以选择性上调ADAMTS-5的角色，进一步说明TNF-α通过上调ADAMTS-5的表达水平介导软骨终板的基质降解。以上结果均表明，TNF-α可通过上调基质降解酶的表达，使细胞外基质发生降解，促进椎间盘髓核细胞老化，诱导椎间盘退变。

2.2 TNF-α影响生长因子的表达

Liu等[22]发现，在类风湿性关节炎患者的软骨和成纤维样滑膜细胞中，IL-1β和TNF-α均可降低生长分化因子的表达。Bramlage等[23]通过实验研究骨关节炎患者滑液中的纤维母细胞发现，强的松龙和TNF-α可以显著减低GDF-5的表达。Gruber等[24]把椎间盘细胞暴露于富含TNF-α的环境中，发现GDF-5的表达显著下调。Ohba等[25]等研究发现，TNF-α通过NF-kB通路诱导血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)的产生，进而导致椎间盘组织产生血管。在巨噬细胞和椎间盘组织共培养条件下，TNF-α和VEGF表达明显增高；而加入TNF-α拮抗剂后VEGF即无明显增高，提示VEGF表达增高依赖于TNF-α的某种通路[26]。Ohba等[27]研究发现，TNF-α可以通过时间依赖性或剂量依赖性的方式使VEGF增高，而且其作用明显强于IL-1β、 IFN-γ和 LPS等炎性因子。VEGF诱导的椎间盘内血管生成的作用依赖于TNF-RI 和NF-kB信号通路。上述实验说明TNF-α可通过抑制GDF-5的表达、上调VEGF的表达，达到促使椎间盘退变的间接作用。

2.3 TNF-α促进白细胞介素等其他炎性因子表达

Gabr等[28]将髓核细胞和纤维环置于不同的细胞因子环境下，结果显示，与未使用细胞因子处理的髓核细胞及纤维环比较，NOx表达均明显增高；在TNF-α持续存在的条件下，IL-17诱导的NOx表达比单纯TNF-α或者IL-17处理有明显升高，差异有统计学意义。经TNF-α处理后，髓核细胞及纤维环细胞的IL-6及细胞黏附分子-1(integrated computer aided manufacturing-1，ICAM-1)表达增高。IL-1与TNF-α是在全身及局部炎症反应早期起重要作用的炎症细胞因子，是机体炎症反应早期的标志物[29]。Kim等[30]也通过实验证实，IL-1和TNF-α共同作用可诱导髓核细胞发生老化性改变，降低Ⅱ型胶原、蛋白聚糖等基质合成基因的表达，增加COX-2和MMP-3等退化基因的表达。Mavrogonatou等[12]研究发现，TNF-α处理的髓核细胞可产生氧自由基ROS，在处理后的前30 min，ROS含量比正常升高了2.5倍。这些炎症因子的高表达，均可不同程度导致椎间盘细胞老化，加速椎间盘退变。

3 TNF-α与椎间盘退变的分子生物学治疗

椎间盘退变的防治不仅可以减轻患者身心负担，也可以节省医疗开支。目前针对该病的治疗方案主要为脱水消肿、活血止痛等药物治疗及手术治疗。Brandt等[31]对患未分化脊柱关节病者使用单克隆抗TNF-α抗体(英利昔单抗)，认为抗TNF-α疗法对未分化脊柱关节病患者有短期疗效，且无明显副作用。但对于已明确诊断的椎间盘退变性疾病，目前尚无确切有效的分子生物学疗法。Mavrogonatou等[12]认为，硫酸氨基葡萄糖可减弱TNF-α诱发的椎间盘内炎性反应，但其作用具有P38 MAPK依赖性，这说明硫酸氨基葡萄糖对TNF-α诱导的髓核细胞老化发挥保护作用的信号通路需要进一步实验研究。Hiyama等[6]研究发现，Wnt 信号通路和TNF-α构成的局部正反馈回路可诱导髓核细胞老化，该研究组认为，阻断该回路可以阻止髓核细胞老化。Fujita等[32]认为，腰椎退变的炎性反应随年龄增大而出现减弱趋势，TNF-α是MMPs强有力的诱导剂，TNF-α诱导的MCP-1及MMP-3等因子表达也随年龄的增大不断减弱；针对MMP-3有望在将来产生椎间盘退变的生物学治疗策略。Le Maitre等[8, 33]研究认为，在退变的椎间盘组织中，IL-1RⅠ表达较TNFRⅠ明显增高，认为IL-1阻止了椎间盘退变可能的靶点。Studer等[34]研究认为，抑制IL-6的分泌可以减弱IL-1和TNF-α的诱导衰老作用，从而阻止椎间盘退变。Kim等[35]研究发现，混有胶原蛋白基质的富血小板血浆能明显抑制髓核内细胞因子诱导的炎性介质及降解酶，它能激活基质合成相关基因的表达，使细胞分化趋于稳定，进而缓解椎间盘退变。

4 小结及展望

椎间盘退行性变过程非常复杂，目前国内外学者仍在分子和基因水平对其退变机制进行探索[36]。尽管炎症细胞因子在椎间盘退变过程中发挥的作用已得到初步实验验证，其与生长因子、基质降解酶、细胞外基质等退变基因产物之间的相互作用及作用通路也已有了初步研究成果，但由于老化细胞内基因产物的多样性及其相互作用的复杂性以及老化相关通路的隐蔽性，椎间盘退变的分子机制仍需进一步阐明，各细胞因子间的作用仍需进一步明确。少量实验研究证实，TNF-α拮抗剂可延缓椎间盘退变，但其确切疗效、给药方式及剂量，仍需大量实验研究探索。

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2014-11-13

2014-12-21

国家自然科学基金资助项目(81272035)

孙灰灰(1989-)，男，江苏东海人，在读硕士研究生。E-mail:766005795@qq.com

吴小涛 E-mail:wuxiaotao@medmail.com.cn

孙灰灰，吴小涛.TNF-α与椎间盘退变关系的研究进展[J].东南大学学报:医学版，2015，34(3)：448-452.

R329.28

A

1671-6264(2015)03-0448-05

10.3969/j.issn.1671-6264.2015.03.029