椎间盘生物学及细胞表型的研究进展

胡义立，吴小涛，王锋

(1.东南大学 医学院，江苏 南京 210009；东南大学附属中大医院 脊柱外科，江苏 南京 210009)

椎间盘生物学及细胞表型的研究进展

胡义立1，吴小涛2，王锋2

(1.东南大学 医学院，江苏 南京 210009；东南大学附属中大医院 脊柱外科，江苏 南京 210009)

椎间盘退变是腰背痛的主要原因，研究椎间盘发育、退变，结构功能以及椎间盘中各种细胞的特异性标志物有助于椎间盘疾病的治疗。近年来的研究发现，椎间盘起源于脊索，椎间盘退变始于髓核细胞类型和数量的改变，同时也伴随着纤维环细胞和终板软骨细胞的改变。髓核细胞有相对系统的标志物，而纤维环细胞和终板软骨细胞尚无明确的标志物。作者就椎间盘的生物学特征以及椎间盘内各种细胞标志物的研究进展作一综述。

椎间盘； 脊索； 髓核细胞； 纤维环细胞； 终板软骨细胞； 细胞表型； 文献综述

据美国健康统计中心报道，85%的人在一生中曾经受到腰背痛的困扰。腰背痛是目前45岁以下人群活动受限的最常见原因。随着生活、工作压力的增大，腰背痛已经越来越影响着更多的人，不仅是个人的生活受限，在很大程度上也造成了经济损失。

近年的研究发现，椎间盘退变是腰背痛的主要原因。目前临床上治疗椎间盘疾病包括保守治疗及手术治疗，但它们通常只解决临床症状，不能从根本上治疗和修复椎间盘退变的病理基础。而外科手术甚至会加速手术椎间盘或者临近椎间盘的退变。所以，希望通过对椎间盘的生物学特征及细胞表型的研究，找到生物学治疗的方法来修复椎间盘的退变。

作者对椎间盘的生物学特征以及椎间盘内各种细胞标志物的研究进展作一综述。

1 椎间盘的生物学

1.1 椎间盘起源

椎间盘发育过程中涉及多种物理和化学反应，其中脊索起到重要的作用。脊索是脊柱胚胎发育的中心[1]，它不仅作为信号中心调节细胞的活动，同时还是髓核的生发结构。早期脊索来源于中胚层，是一种轴向杆状结构，其诱导中胚层腹侧细胞衍生物向生骨节细胞分化，且使分化后的成对生骨节细胞向脊索迁移，形成连续未分节的脊索鞘[2]。脊索内的细胞合成蛋白聚糖，使细胞液泡内的渗透压逐渐升高，导致脊索快速空泡化、脊索内部的压力升高、脊索被拉长拉直，形成脊柱的基础。脊索继续调节脊索鞘逐渐分节，形成椎体和纤维环，而椎体两侧形成一层软骨终板，在纤维环形成的同时，脊索和椎体原基相接触并在椎体间区逐渐膨胀形成髓核[3]。

1.2 椎间盘结构

椎间盘是由特殊的结缔组织构成，连接脊柱两个相邻的椎体，并且在轴向压力下维持脊柱的各种活动和稳定。椎间盘是一种软骨关节，由纤维环(AF)、髓核(NP)和软骨终板(CEP)3个结构独特、相互依赖的组织组成。椎间盘的功能源于不同细胞群体组成的特定微观结构。椎间盘内平衡和结构完整性的维持取决于多种因素，包括细胞对机械负荷的反应。纤维环是一种复杂的纤维软骨组织[4]，包绕在椎间盘的外围。外层纤维环是由平行的Ⅰ型胶原纤维束构成的同心圆结构。每层纤维环形成一定的角度来适应各种应力。内层纤维环是外层纤维环和髓核之间的过渡，与外层纤维环相比，内层纤维环的基质内具有更多的Ⅱ型胶原和蛋白聚糖，其独特的构成能够抵抗压力[5]。髓核是由蛋白聚糖和水组成的凝胶状组织，其通过Ⅱ型胶原和弹性蛋白纤维的不规则网状结构松散地结合在一起。渗透压使水流向髓核，水分子通过Ⅱ型胶原的不规则网状结构保存在基质中，承受了髓核保持高度和抗压的负荷[6]。软骨终板将椎间盘固定到邻近的椎体上，并且为椎间盘提供营养[7]。与关节软骨细胞类似，终板内的细胞富含Ⅱ型胶原蛋白和蛋白多糖。

1.3 椎间盘的受力及功能

脊椎动物椎间盘受到压缩、拉伸、扭转、剪切以及流体流动等复杂的力学刺激[8]。髓核的主要功能是在承受压力的情况下使脊椎均匀地负荷。髓核因其特殊的成分及结构具有可塑性，在压力下改变形状，使压力向各个方向传递。在椎体活动中，髓核又起到支点作用，其形态可随脊柱作各种运动时的重心不同而改变，起着类似轴承一样滚动支撑椎体的作用。例如脊柱前屈时，髓核的大部分移向椎间盘的后部；脊柱背伸时，髓核的大部分移向椎间盘的前部；脊柱作旋转动作时，髓核的大部分位于中央[9]。

1.4 椎间盘退变

椎间盘的退变是腰背痛的常见原因，但是病因学研究尚未有准确的定论，因此没有具体的标准来区分正常与退变、老化与适应性重塑。Adams等[10]定义，椎间盘退变是一种对椎间盘结构进行性损坏的、细胞介导的异常反应。椎间盘退变过程被认为起源髓核，而髓核最重要的病理学改变体现在细胞数量和活力丢失。Boos等[11]研究表明，早前椎间盘中发生明显的细胞凋亡，随后出现广泛的细胞增殖，凋亡的细胞不会被吞噬细胞吞噬，而是与增殖的细胞共存，使细胞密度上升。细胞密度的上升并不意味着存活的细胞数量上升。自从婴儿出生起，椎间盘的微环境、营养结构以及机械压力的改变促使着椎间盘细胞类型发生改变[12]。椎间盘中脊索细胞数量减少使细胞内及细胞基质的蛋白聚糖数量减少，而纤维成分逐渐增加，椎间盘中纤维网状结构也在发生着变化[13]。髓核和纤维环含水量减少可能是其中蛋白多糖的含量及相关固定电荷密度减少的结果，反之又影响了组织的力学、化学及电学特性。随着退变的发生，软骨终板的厚度变得不规则并出现局灶性缺损，随之发生钙化[14]。胶原成分虽然看起来不受中度或早期椎间盘退变的影响，但Ⅰ型和Ⅱ型胶原的分布却发生了变化。发生退变时，内层纤维环的Ⅱ型胶原相对含量减少。随着退变的进展，水分进一步丢失，组织密度进一步增加，纤维环受力增加。随之造成微结构的重建及微结构的破坏增加，进一步加剧退变。

2 椎间盘内不同细胞的表型鉴定

2.1 髓核细胞的表型

2.2 纤维环细胞的表型

2.3 软骨终板的表型

虽然软骨终板对于维持椎间盘的健康是至关重要的，但是其分子特征不够明显。目前没有关于软骨终板的转录图谱，这可能是由于软骨终板比髓核、纤维环小，使得它难以分离。软骨终板的胞外基质含量类似于透明软骨，因此软骨终板中的软骨细胞被认为类似于关节软骨细胞。然而，软骨终板内的软骨细胞不显示关节软骨的独有特征，在这些软骨组织内的细胞表型的直接比较可以提供不同研究思路。

3 小 结

在过去10年中，遗传和生物信息学方法已经使椎间盘生物学研究取得了巨大的突破。在对椎间盘的发育和退变过程的研究中发现，椎间盘发源于脊索，脊索细胞及其分泌的细胞基质在早期髓核发育过程中发挥重要的作用，细胞和细胞基质、分子信号的改变影响着椎间盘的退变。同时，许多特异性表达的基因和蛋白质被用来分析调节椎间盘退变的分子途径，也有助于定义促进临床诊断和靶向治疗椎间盘退变的标志物。尽管本文描述的表型特征能够区分椎间盘内最主要的组织髓核、纤维环和软骨终板细胞类型，但是椎间盘组织中的异质性尚未得到解决。具体来说，更好地理解胚胎和成人椎间盘中脊索细胞表型的差异、衰老和退变期间髓核细胞发生的变化，或内层和外层纤维环细胞之间的表型差异，将有助于发现常见椎间盘病变的治疗靶点。

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国家自然科学基金资助项目(81572170)

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