他汀类药物治疗椎间盘退变的作用机制

李宇鹏 综述 吕超亮 审校

(1济宁医学院临床医学院,济宁 272013;2济宁市第一人民医院脊柱外科,济宁 272011)

腰椎间盘突出症是一种全球流行且治疗代价高昂的慢性疾病,给家庭及公共卫生带来了巨大的经济和精神负担,其发生机制与椎间盘退变(intervertebral disk degeneration,IDD)相关[1]。腰椎间盘突出症的治疗方式包括手术和保守治疗,手术治疗虽然能在一定程度上缓解症状,但存在损伤周围神经、破坏椎间盘完整性等并发症。因此,保守治疗成为治疗腰椎间盘突出症的首选治疗方式[2]。虽然药物保守治疗可以有效缓解症状,但少有药物可以抑制IDD的进展。他汀类药物是常见的3-羟基3-甲基戊二酰辅酶A还原酶竞争抑制剂之一,主要被应用于治疗高血脂所引起的心脑血管疾病[3]。他汀类药物在治疗IDD时也具有一定的功效,但考虑到其副作用如肌痛和横纹肌溶解,他汀类药物的安全性受到质疑,未被广泛应用于临床治疗IDD[4]。

1 IDD

椎间盘是体内的最大的无血管组织,其主要由纤维环、髓核组织以及上下软骨终板组成,髓核被纤维环包绕位于椎间盘的中央区域,髓核主要由包含Ⅱ型胶原蛋白、弹性蛋白和蛋白多糖的细胞外基质组成,在对抗纵向压力和维持浓度梯度中发挥着重要的作用[5];髓核细胞的异常是IDD的重要因素,当髓核发生变性时,主要表现为聚集蛋白聚糖和Ⅱ型胶原减少,而金属蛋白酶表达增加,导致合成和分解之间的平衡失调,细胞外基质被破坏,髓核细胞死亡[6]。纤维环主要由交替的Ⅰ型胶原纤维组成,主要功能是包绕髓核并维持其渗透压,抵抗拉伸应力;当机械因素等使纤维环遭到破坏时,髓核突出纤维环,对椎间盘的稳定性产生影响。上下软骨终板为中间偏薄,周围略厚的透明软骨组织,是髓核和椎骨之间的机械屏障,同时在维持椎间盘营养供应方面发挥重要作用,当软骨终板发生钙化或发生节段分离时,营养供应下降,引起髓核细胞变性,最终诱导退变的发生[7]。

因此,IDD是一个复杂过程,涉及众多病理改变,主要包括炎症反应、细胞的过度凋亡、细胞外基质的合成分解紊乱等[8-9];这些病理改变相互影响,共同促进IDD的发生。因此,应从多方面考虑及时调整用药策略来抑制IDD的进展。

2 他汀类药物治疗IDD的作用和机制

2.1 抑制氧化应激的发生

活性氧(reactive oxygen species,ROS)是一类高反应性且不稳定的分子,并不可避免地在细胞的耗氧代谢过程产生。与正常的椎间盘相比,在退变的椎间盘中发现氧化应激相关蛋白表达升高,转录因子表达活跃[10]。ROS是IDD关键中介,它们调节基质代谢、促炎表型、细胞凋亡、焦亡和细胞外基质的降解,从而促进IDD的发生[11]。核红系衍生的核转录相关因子2(the transcription factor nuclear erythroid 2-related factor,Nrf2)是抑制氧化应激的重要蛋白质一,他汀类药物可以减少H2O2造成的ROS累积,并通过上调Nrf2,促进其下游抗氧化反应元件的激活,上调抗氧化酶的活性,保护细胞免受氧化应激损伤[12]。阿托伐他汀可以缓解血浆胆固醇水平升高所触发线粒体氧化应激,并减少软骨细胞的炎症和钙化[13]。他汀类药物有望通过抑制髓核细胞的氧化应激和软骨终板的钙化而抑制IDD的发生,并且Nrf2有望成为他汀类药物抑制椎间盘退变的靶点之一。

2.2 对髓核细胞凋亡的影响

细胞凋亡是一种常见的细胞程序性死亡方式。组织病理学主要表现为:细胞膜收缩、质膜起泡、细胞核凝结和凋亡小体的生成并被吞噬[14],并不引发炎症反应。引起细胞凋亡的途径主要包括死亡受体途径、线粒体途径和内质网途径。细胞凋亡是导致髓核细胞丢失和细胞外基质降解的因素之一。IL-1β可降低Bcl-2/Bax比率,使细胞色素C从线粒体释放,随后激活下游 caspase-9 和caspase-3,最终诱导凋亡的发生[15-16]。他汀类药物可以通过抑制NF-κB的表达从而减轻IL-1β诱导的髓核细胞的凋亡[17]。真核细胞中的内质网具有许多重要的作用,包括蛋白质合成、蛋白质折叠、维持细胞应激和Ca2+水平。内质网应激在IDD的各个阶段起到重要作用,细胞可以通过自噬清除受损的内质网维持细胞稳态,适度的自噬有助于提高细胞活力,他汀类药物可以促进自噬的发生[18],从而抑制内质网应激诱导的细胞凋亡[19],因此,自噬相关因子可能作为他汀类药物抗凋亡的潜在靶点。但考虑到他汀类药物的副作用,如诱发横纹肌溶解,他汀类药物已被证明可以损害线粒体呼吸链,并诱导线粒体膜通透性的改变,引起细胞色素c的释放,从而促进凋亡[20]。但亲水性他汀类相反,如瑞舒伐他汀或普伐他汀可以抑制细胞的凋亡[21]。因此,髓核细胞的凋亡是椎间盘退变的重要原因,这些结果表明他汀类药物可能通过调节凋亡来影响髓核细胞的数量和活性,然而这一领域的研究还处于初期阶段,应用的药物浓度和种类需要进一步的研究,来证明其有效性和安全性。

2.3 抑制炎症对髓核造成损害

炎症因子在IDD中发挥重要作用,退变的髓核细胞分泌的炎症细胞因子如TNF-α、IL-1β和IL-6增多,被认为是IDD的显著特征。同时炎症也是引起下腰痛的主要原因之一,因此,抑制炎症的发展可以有效缓解IDD的发生。他汀类药物是一种有效的抗炎药,已在心血管相关疾病治疗中得到了证实[22]。在正常人群中,口服他汀类药物也有助于降低血清c反应蛋白和IL-6的浓度[23]。Chen等[18]研究发现,阿托伐他汀可以抑制TNF-α诱导的细胞死亡,与对照组相比,TNF-α增加了髓核炎症因子的释放,采用阿托伐他汀干预之后,通过抑制NF-κB通路逆转了这一过程,这表明阿托伐他汀具有有效的抗炎作用。 Yahia等[24]研究发现将载有富血小板血浆和辛伐他汀混合水凝胶可有效抑制炎症并抑制IDD。因此,他汀类药物可以减弱炎性因子的释放,从而抑制炎症的发展,为延缓IDD的进行提供新的治疗方案。

2.4 抑制髓核细胞焦亡

除了被广泛认可的细胞凋亡之外,其他形式的细胞死亡也可导致髓核细胞的减少。细胞焦亡是另一种受调控的细胞死亡形式,其特征是产生由Gasdermin (GSDM) 蛋白家族介导的膜孔,因此,GSDM是细胞焦亡的真正执行者[25]。 GSDM主要通过以下两种途径激活。一是经典途径,即典型的NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3(NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3,NLRP3)炎性小体途径。当髓核细胞发生应激时,NLRP3被激活,并通过ASC招募 pro-caspase-1 结合形成NLRP3炎性小体;继而,NLRP3炎症小体主导pro-caspase-1 的切割产生有活性的 caspase-1,导致pro-IL-1β被水解为 IL-1β,然后造成炎性介质的释放,导致级联反应引起细胞焦亡。另一条途径是非经典炎性小体途径,主要依赖于caspase-11和caspase- 4/5直接作为模式识别受体,识别细菌脂多糖类脂A组装的炎性小体,最终导致细胞焦亡[26]。NLRP3/caspase-1/IL-1轴的转录和翻译在IDD的患者中显著上调,并与腰椎间盘退变的严重程度成正比[27]。阿托伐他汀可以通过Nrf2通路抑制高糖诱导焦亡相关蛋白的表达,并抑制细胞的焦亡。在椎间盘注射阿托伐他汀可以通过抑制NF-κB信号通路促进自噬并且抑制NLRP3炎性小体的生成,抑制IDD的发生[18]。目前,细胞焦亡是导致IDD的重要原因之一,但以上实验都没有涉及动物模型和临床病例,可以补充体内实验加以验证。他汀类药物在抑制髓核细胞焦亡已经展现出巨大的潜力,并有可能成为抑制IDD的有效靶点之一。

2.5 抑制细胞外基质的降解

细胞外基质在维持椎间盘稳态中发挥着重要的作用,髓核细胞产生Ⅰ型和Ⅱ型胶原网络保护椎间盘。在正常的椎间盘中,细胞外基质的合成和分解处于一种动态平衡的状态,然而当细胞外基质的分解大于合成时,往往会促进IDD的发生。在病变的初期,Ⅱ型胶原会出现一定的增高,但随着病变的加深,Ⅱ型胶原和聚集蛋白聚糖会出现显著的下降[28]。基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMP)是一类结构中含有Ca2+和Zn2+的蛋白水解酶,在切割胶原纤维和水解蛋白多糖方面发挥重要的作用。在正常的椎间盘组织中,MMP往往低表达或者不表达,但当椎间盘发生退变时,MMP表达上升,其中以MMP3、MMP9和MMP13较为显著,并且MMP3的表达程度和IDD的进展呈正相关。细胞外基质的降解往往会产生许多严重的后果如软骨终板的钙化、纤维环紊乱、承压能力下降等。辛伐他汀可以以剂量依赖的方式抑制MMP的生成和释放,缓解了白细胞介素 1β诱导的外基质降解[29]。洛伐他汀可以通过骨形态发生蛋白2促进Ⅱ型胶原和聚集蛋白聚糖的表达,并抑制Ⅰ型胶原的表达,延缓IDD的进展,并强调只有在椎间盘注射高浓度药物时(5～10μmol)才会发挥作用[30]。因此,他汀类药物可以促进了髓核细胞的代谢活性,提高了胶原蛋白和蛋白多糖的合成,并降低了金属蛋白酶的生成,保护髓核细胞抑制IDD的发生,为IDD的治疗提供新的思路。

2.6 促进突出髓核再吸收

促进突出髓核的重吸收这一机制在临床上得到了越来越多的应用,并且取得了一定的效果[31]。尽管重吸收的生物学机制尚未阐明,但已有的研究给出了3种假设,分别为突出物的回缩、突出髓核的脱水和吸收以及突出物进入硬膜外腔引起新生血管的生成[32]。正常的椎间盘中几乎没有血管存在。然而,新生血管形成已经在突出组织的边缘观察到,并被认为是腰椎间盘突出自发性吸收的重要原因[33]。具有促进骨代谢和血管生成的作用,并且有剂量依赖性低剂量的药物可以通过激活蛋白激酶B促进血管生成,而高浓度则发挥抗血管生成作用,其机制可能与他汀类药物抑制环氧化酶2和MMP9有关[34]。突出髓核的再吸收是临床上较为常见的现象,他汀类药物可能通过促进血管再生引起突出髓核的重吸收,并为治疗IDD提供很有前途的治疗方法。

3 小结与展望

IDD一个复杂的过程。在机制上,IDD与氧化应激、炎症介质的参与、细胞凋亡和焦亡的激活、IDD中基质金属蛋白酶的增加和细胞外基质的降解有关,因此,对IDD的治疗需要进行多方面考虑。经组织学和影像学评估证实,使用他汀类药物可以缓解由穿刺、氧化应激或者炎症引起的IDD,并促进细胞外基质的合成。尽管越来越多研究表明他汀类药物可以抑制IDD,但其浓度的选择仍存在争议,仍需人体试验和大规模随机对照实验来确定最佳给药剂量,因此他汀类药物在治疗IDD中还有待研究和考证。

利益冲突:所有作者均申明不存在利益冲突。