椎间盘：被忽视的免疫赦免器官

徐 喆，罗卓荆，孙 振（空军军医大学：基础医学院学员一大队，西京医院骨科，陕西 西安 7003）

椎间盘退变是导致脊柱退行性疾病的最常见病理基础之一，可导致各种急/慢性疼痛、劳动力丧失和心理问题，从而造成巨大的社会和经济负担[1]。目前，椎间盘退变的治疗策略主要包括保守治疗和手术治疗。近来，各种新型生物学方法，如生物材料、干细胞和生物因子等应用于临床，这为椎间盘退变治疗带来了希望。然而，椎间盘退变的具体机制仍未被完全阐明。

作为人体最大的无血管器官，椎间盘位于脊柱椎体之间，对维持脊柱的稳定和脊柱活动起重要作用，椎间盘的存在可维持脊柱耐久度和柔韧度[2]。从解剖学上讲，椎间盘是一个结构复杂的组织，主要包括位于中央富含Ⅱ型胶原和蛋白多糖的髓核、位于外周由环形纤维排列构成的纤维环和上下两个临近的软骨终板三个部分构成。髓核呈凝胶状，包括细胞外基质和散在其中的髓核细胞。髓核自形成以来就被封闭于纤维环和软骨终板之中，这种独特的结构将髓核与机体的免疫系统隔离开来。研究发现，将髓核内的各类成分暴露于机体免疫系统会引起自体免疫反应。因此，椎间盘被认为是一个免疫赦免器官。实际上，椎间盘免疫赦免的概念已被提出多年。然而到目前为止，人们对椎间盘免疫赦免机制及相关临床意义的认识仍不明确。因此，本文将回顾椎间盘免疫赦免的相关研究，探讨其在椎间盘退变治疗的应用，以期引发学者对椎间盘免疫赦免的重视和思考。

1 椎间盘的起源与发育

椎间盘起源于胚胎结构中位于椎骨之间的、被称为“生骨结”和“脊索”的部分。随着椎骨的形成，生骨结在脊索周围聚集，形成椎骨和未来的纤维环。同时，脊索从椎骨收缩，并扩展到未来椎间盘所在的区域。所以，脊索逐渐被压缩并被包裹在由生骨结衍生的结缔组织环中。而被压缩的脊索部分在胚胎早期发展为髓核组织，并在胚胎发育早期和晚期迅速生长。另一方面，来源于生骨结周围的结缔组织发展为纤维环，其细胞外基质部分包含了大量的胶原蛋白和糖蛋白。同时，椎体骨形态发生蛋白表达升高导致软骨细胞的分化和软骨内骨的形成[3]。而在椎骨形成的同时，其邻近的透明软骨一直存在，并在终板处发展为软骨终板。在人类生命的早期，椎间盘由形态较大、含有大量囊泡的脊索细胞和形态较小、无囊泡的软骨样细胞组成。然而，自青春期后，髓核中的脊索细胞逐渐减少，髓核从脊索结构过渡到含有小软骨样细胞的组织。研究推测，早期椎间盘退变是随着脊索细胞的消失而发生的。同时值得注意的是，自椎间盘产生以来其髓核组织就与免疫系统隔离了。

2 血-髓核屏障（blood-nucleus pulposus barrier，BNB）这一新概念的提出

目前公认的免疫赦免器官包括眼睛和大脑，以及睾丸和怀孕的子宫。在这些器官中，存在内部环境与机体免疫系统之间的隔离屏障，如血脑屏障和血眼屏障等。在椎间盘中，也存在类似的限制免疫细胞和免疫介质进入椎间盘的屏障。在这里，我们首次将这种屏障定义为BNB。从解剖学角度看，BNB是将椎间盘组织与机体免疫系统隔离的区域，它通常由纤维环和软骨终板组成。纤维环由15～25个同心层组成，各同心层由交替排列的斜行胶原纤维和蛋白聚糖散布而成。软骨终板是一层厚度约0.5～1 mm的软骨，它包含着由蛋白多糖和胶原蛋白组成的细胞外基质和嵌入其中的软骨细胞[4]。软骨终板不仅充当椎间盘与椎骨密质骨之间的界面，而且还是防止免疫细胞和免疫因子进入椎间盘的物理屏障。因此，纤维环和软骨终板构成了将椎间盘组织与机体免疫系统隔离开的牢固物理屏障。

另一方面，研究表明椎间盘髓核组织中存在Fas配体[5]。Fas配体是一种凋亡诱导因子，在其他免疫赦免器官中具有广泛表达。在前期研究中，我们发现Fas配体可以诱导血管内皮细胞和免疫细胞（包括巨噬细胞和CD8+T细胞）凋亡[6-7]。这表明Fas配体可能通过抑制血管和免疫细胞浸润从而发挥分子屏障的功能。另外，许多研究报道了脊索细胞在椎间盘中的保护作用及其对炎症的抑制作用[8-9]。然而，目前研究仍未完全阐明椎间盘中免疫抑制分子的作用机制。这些机制可能涉及外泌体和miRNA等多种因素，需要更多的研究来阐明。综上所述，纤维环、软骨终板和某些生物因子（例如Fas配体）共同组成了维持椎间盘免疫赦免的独特结构，即BNB。

3 自体免疫反应在椎间盘退变中普遍存在

BNB破坏是导致退变椎间盘发生自体免疫反应的重要因素。在退变的椎间盘标本中，BNB的损伤极其常见，如纤维环和软骨终板的裂痕[10]。研究表明，纤维环的破裂在机械因素和化学因素上都可导致血管的向内生长。实际上，早在20世纪60年代，有研究就报道了退变的椎间盘在患者和动物中发生自体免疫反应的现象[11]，并指出腰椎间盘突出症的根性疼痛主要是由椎间盘髓核暴露所产生的化学物质及相关的自体免疫反应引起的[12]。Satoh等[13]研究了8名腰椎间盘突出症患者，发现抗原-抗体复合物在突出的椎间盘组织中普遍存在。为了探究免疫细胞类型，Geiss等[14]将动物髓核组织包埋于动物皮下，发现自体髓核可激活T细胞和B细胞浸润。近期，Lee等[15]在对穿刺小鼠椎间盘模型进行的长期组织学分析中发现，退变椎间盘中含有浸润的巨噬细胞。而在犬类脱出的椎间盘中，Monchaux等[16]发现脱出的髓核组织中存在单核细胞和巨噬细胞。以上这些发现都表明，不同的免疫细胞在不同阶段参与了椎间盘的自体免疫反应，而巨噬细胞可能在此病理过程中起重要作用。这些发现表明，随着BNB的破坏，暴露的椎间盘组织可以诱导自体免疫反应，从而刺激免疫细胞激活和炎症因子浸润。

同时，免疫细胞的募集可能通过细胞间的生物通讯导致椎间盘退变的恶化。研究表明椎间盘细胞的表型和功能在各种自体免疫反应中发生了改变。Ni等[17]发现M1极化的巨噬细胞可以增加控制基质分解代谢基因的表达，来减少基质合成，同时上调炎症相关基因的转录来促进髓核细胞的退化。另外，在共培养系统中，Yang等[18]研究表明，暴露于巨噬细胞的纤维环细胞和髓核细胞上调促炎性介质的表达。至于细胞外基质，研究发现免疫细胞可能干扰椎间盘中细胞外基质的重塑并下调蛋白多糖和II型胶原的表达：在具有自体免疫反应的椎间盘中，基质金属蛋白酶和带有血小板反应蛋白基序的整合素和金属蛋白酶的表达增加，导致细胞外基质降解[19]。综上所述，椎间盘的自体免疫反应可以刺激免疫细胞和炎性细胞因子的浸润，而这些因素可能反过来对椎间盘产生有害影响。

4 椎间盘免疫赦免在临床治疗中具有重要的潜在意义

在椎间盘退变的早期，BNB的破坏可能通过其介导的自体免疫反应和下游级联反应加速病理进展。在早期椎间盘退变的磁共振成像中可以看到BNB的损伤和椎间盘暴露的迹象。此前已有研究表明，Schmorl结节的出现预示着退变椎间盘处于自体免疫反应的早期阶段[20]。同样，在椎间盘退变早期广泛观察到的I型Modic改变也被认为是软骨终板损伤导致的自体免疫反应的结果[21]。因此这些影像学特征是观察椎间盘退变预后和早期治疗效果的重要依据。此外，研究发现椎间盘脱出患者血清中的炎症因子增多[22]。因此，椎间盘自体免疫反应的深入研究对于早期椎间盘退变的诊断和治疗具有重要意义。

在椎间盘退变病的后期，与BNB损伤和椎间盘暴露相关的病理变化更加普遍，这些现象包括纤维环中断、椎间盘脱出和坐骨神经痛等[23]。除了物理的压迫外，椎间盘的自体免疫反应是椎间盘脱出中神经根性疼痛的关键因素。研究表明，在退变椎间盘的神经根区域聚集了各种类型的活化免疫细胞和炎症因子[24]。已被发现的免疫细胞包括巨噬细胞、T细胞、B细胞、NK细胞和肥大细胞，同时还有炎症因子，例如磷脂酶A2、白三烯、成纤维细胞生长因子、IL家族、肿瘤坏死因子、基质金属蛋白酶、一氧化氮、P物质、单核细胞趋化蛋白1，以及血管内皮生长因子和神经生长因子。这些细胞和因子构成了一个复杂的区域，促进了神经根的免疫应激反应。另外，该区域的血管化导致免疫细胞浸润并且促进神经敏化，也加重了这种情况[25]。

5 椎间盘自体免疫反应：Yes or No？

迄今为止，关于椎间盘自体免疫反应的结果，仍然是一个有争议的话题。尽管大多数研究表明，椎间盘突出症中的自体免疫反应可能是诱发神经根痛的关键因素，但一些研究同样显示自体免疫反应与髓核的自我吸收及其导致的神经痛缓解有着密切的关系。Komori等[26]发现，脱出髓核组织的自我吸收现象常见于其暴露于血管供应区域的时候。Ikeda等[27]通过观察脱出髓核组织的组织学特征，发现脱出髓核组织可被巨噬细胞吞噬，进而被组织吸收。以上这些研究表明，在髓核组织的自体吸收现象中，自体免疫反应反倒可能是有益的。我们回顾了脱出髓核自发吸收现象的研究，发现腰椎间盘突出症自发吸收的发生率高达60%以上[28]。此外Cunha等[29]认为，在明确椎间盘突出的分子和细胞机制的基础上，可以将炎症反应的出现作为衡量脱出髓核组织自发吸收的良好预后指标。这些研究表明，在使用手术根治椎间盘脱出之前，椎间盘的自体免疫反应影响着术前保守治疗的效果。在前期研究中，我们发现髓核细胞表达的Fas配体可以诱导血管内皮细胞和免疫细胞凋亡[6-7]，提示Fas配体可能通过抑制血管和免疫细胞浸润从而在椎间盘免疫赦免中发挥重要作用。在此基础上，我们对椎间盘免疫赦免进行了深入的文献回顾与总结[30]，并提出了针对椎间盘突出压迫的神经根区域进行免疫调节的治疗策略[31]。

此外，在治疗椎间盘退变的策略中，如干细胞移植和生物材料的应用，也不能忽略椎间盘的免疫赦免特性：干细胞可能在退变椎间盘免疫赦免重建中发挥重要作用；而由于椎间盘再生应用的生物材料通常模仿椎间盘成分，并且与体外异物一起使用，所以在生物材料的选择上更应注意避免自体免疫反应的发生。

6 结语

椎间盘作为人体的重要免疫赦免器官之一，其相关的维持机制和退变后的自体免疫反应很早就被发现。然而，椎间盘免疫赦免的基础研究和临床应用仍未得到广泛重视。因此，我们在这里详细论述了椎间盘免疫赦免的相关研究，并首次提出BNB的概念。BNB是由纤维环、软骨终板及分子因素共同组成的复杂结构，它将正常椎间盘髓核组织隔离于机体免疫系统之外，通过被动和主动的形式抑制免疫细胞及免疫因子的浸润。BNB的破坏可导致椎间盘自体免疫反应和下游相关级联反应的发生。这些作用在椎间盘的退变和预后过程中发挥着重要作用。迄今为止，对椎间盘免疫赦免的研究仍然很有限，仍需更多的研究去探索其产生、维持和失效的潜在机制。