退變頸椎椎間盤纖維環(huán)成纖維細(xì)胞成骨分化與頸椎病

2013-02-19 17:37:40盧旭華

脊柱外科雜志 2013年3期

姚承，盧旭華

頸椎病是一種緩慢進(jìn)展的退行性病變?，F(xiàn)有研究認(rèn)為該病是以頸椎椎間盤退變?yōu)榛A(chǔ)病理進(jìn)而造成椎間隙變窄、關(guān)節(jié)囊松弛以及進(jìn)行性骨贅形成，進(jìn)而分別刺激、壓迫相鄰的頸脊神經(jīng)根、頸脊髓，椎動(dòng)脈、椎旁交感神經(jīng)等神經(jīng)血管組織所致。

前人對(duì)于頸椎椎間盤的退變研究主要集中在髓核，對(duì)于頸椎椎間盤纖維環(huán)退變后的轉(zhuǎn)歸及加速退變誘因、是否參與椎體后緣骨贅形成尚無(wú)定論。以往研究證明，成纖維細(xì)胞在誘導(dǎo)因素下具有成骨能力，并可以轉(zhuǎn)化為成骨細(xì)胞［1］。本文擬對(duì)頸椎椎間盤纖維環(huán)的退變性成骨分化及其與頸椎病關(guān)系的研究做一綜述。

1 牽張力對(duì)頸椎椎間盤纖維環(huán)成纖維細(xì)胞向成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)化的影響研究

一般認(rèn)為在低頭屈曲工作狀態(tài)下頸椎應(yīng)力較大造成退變加速。但高牽張力作用下頸椎椎間盤纖維環(huán)中的成纖維細(xì)胞會(huì)發(fā)生什么樣的轉(zhuǎn)歸化生尚不明確。

目前對(duì)于牽張力作用下成纖維細(xì)胞的轉(zhuǎn)歸有過(guò)多種多樣的研究，王永等［2］實(shí)驗(yàn)表明，一定力值范圍內(nèi)的機(jī)械牽張力能促進(jìn)成纖維細(xì)胞增值，且細(xì)胞增殖與力值呈相反關(guān)系。然而超過(guò)范圍的過(guò)大力值(3 000 με)的牽張力則明顯抑制成纖維細(xì)胞增殖。該結(jié)果得到相關(guān)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的支持。吳漢江等［3］的實(shí)驗(yàn)也表明適當(dāng)?shù)臓繌埩Υ碳び欣诟纳萍?xì)胞功能和活性，但是長(zhǎng)期和較大的牽張力會(huì)引起細(xì)胞損傷，反而阻礙軟骨細(xì)胞的分化增殖抑制細(xì)胞的活力。同一大小的牽張力對(duì)不同年齡的兔鼻軟骨細(xì)胞的增值活性變化的影響不同，牽張力對(duì)于新生兔體外培養(yǎng)的兔鼻軟骨的促增值作用更加明顯?？梢岳斫鉃樾律帽擒浌羌?xì)胞較之6 周齡兔兔鼻軟骨細(xì)胞在牽張力刺激下產(chǎn)生的具有促進(jìn)增值作用的細(xì)胞因子的能力更強(qiáng)，因此對(duì)牽張力的刺激更加明顯。而在駱泉豐等［4］的實(shí)驗(yàn)中未觀察到牽張力直接引起成纖維細(xì)胞向成骨細(xì)胞的轉(zhuǎn)化。在以前的實(shí)驗(yàn)中，曾觀察到牽張力可以刺激成骨細(xì)胞分泌骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(bone morphogenetic protein 2，BMP-2)以及轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1)，這2 種因子在誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞向成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)化過(guò)程中起到非常重要的作用。因此，牽張力對(duì)成纖維細(xì)胞向成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)化可能起到一個(gè)間接的促進(jìn)作用。大量實(shí)驗(yàn)表明適當(dāng)?shù)膽?yīng)力載荷可以促進(jìn)成骨細(xì)胞內(nèi)的力敏感基因表達(dá)［5］。如早期的反應(yīng)基因、堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)和骨鈣素、BMP 及其受體、膠原蛋白、骨橋蛋白(osteopontin，OPN)、TGF-β、堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(basylous fibroblast growth factor，bFGF)、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(fibroblast growth factor，F(xiàn)GF)、胰島素樣生長(zhǎng)因子(insulin-like growth factor，IGF)、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、血小板衍生因子(platelet derived growth factor，PDGF)等，都在牽張成骨新骨生成過(guò)程中都扮演了重要的角色。Knoll 等［6］研究結(jié)果顯示，牽張力數(shù)值過(guò)大或者過(guò)小都難以獲得促進(jìn)細(xì)胞增值的最佳效果。低水平的牽張力不足以維持骨的形成，使骨的吸收大于形成;250～2 500με 的力值可為骨組織的形成提供有效的刺激;但是當(dāng)力值超過(guò)2 500με 雖然可以刺激骨形成，但是骨吸收的速度也大大加快。在以往的研究中，都得出了牽張力對(duì)于成纖維細(xì)胞可能存在間接或直接的作用，促進(jìn)成纖維細(xì)胞增殖以及骨化;而牽張力過(guò)大，可能會(huì)抑制損傷細(xì)胞。但是，針對(duì)頸椎椎間盤纖維環(huán)的成纖維細(xì)胞骨化過(guò)程則缺少比較直接的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以徹底闡明在纖維環(huán)骨化過(guò)程中牽張力所扮演的角色。

2 頸椎椎間盤軟骨細(xì)胞的成骨誘導(dǎo)作用

頸椎椎間盤由上下軟骨板、中間的髓核和周圍纖維環(huán)組成。那么在頸椎病發(fā)病過(guò)程中頸椎椎間盤纖維環(huán)中的軟骨細(xì)胞和成纖維細(xì)胞之間是否存在相互作用、是否存在軟骨細(xì)胞的成骨誘導(dǎo)作用以及這個(gè)交互作用是否對(duì)頸椎病的形成有促進(jìn)?

纖維細(xì)胞由外周血中成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化而成，具有間充質(zhì)干細(xì)胞的特點(diǎn)。近年來(lái)，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)移植治療軟骨缺損成為研究的熱點(diǎn)并在臨床范圍得到應(yīng)用。Wakitani 等［7］將患者自體BMSCs 接種于膠原水凝膠并結(jié)合骨膜瓣覆蓋治療髕骨軟骨缺損，術(shù)后6 個(gè)月發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)功能顯著改善。Wakitani 等［8］報(bào)道采用自體BMSCs 移植治療12 例由骨性關(guān)節(jié)炎引起的股骨髁軟骨損傷，術(shù)后42 周發(fā)現(xiàn)損傷部位由透明軟骨與軟組織填充，組織學(xué)觀察與對(duì)照組無(wú)顯著差異。

因此，軟骨細(xì)胞具有誘導(dǎo)BMSCs 成骨分化的作用，而成纖維細(xì)胞作為具有BMSCs 特點(diǎn)的細(xì)胞，在體內(nèi)會(huì)在軟骨細(xì)胞誘導(dǎo)下產(chǎn)生新的成骨分化。

張偉等［9］認(rèn)為，核心結(jié)合因子α1(core binding factor α1，cbfα1)在成纖維細(xì)胞成骨誘導(dǎo)以及成纖維細(xì)胞、軟骨細(xì)胞的相互作用中起重要地位。成纖維細(xì)胞和成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞均來(lái)源于間充質(zhì)干細(xì)胞，在內(nèi)源基因的表達(dá)上具有很高的相似性，且cbfα1 在成纖維細(xì)胞中并無(wú)表達(dá)。實(shí)驗(yàn)證明cbfα1可能參與了軟骨細(xì)胞的發(fā)育調(diào)控，有可能在體外通過(guò)影響cbfα1 從而影響軟骨細(xì)胞與成纖維細(xì)胞的相互作用。Choi 等［10］認(rèn)為人類組織中的纖維細(xì)胞有分化成成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞的潛能。研究人員把分離的纖維細(xì)胞和成骨祖細(xì)胞體外作對(duì)比，在相同的成骨培養(yǎng)基條件下，2 種細(xì)胞均向成骨細(xì)胞分化并伴隨鈣鹽沉積和成骨基因上調(diào)。相反，研究人員把分離的纖維細(xì)胞和人間充質(zhì)干細(xì)胞在含有TGFβ 的培養(yǎng)基培養(yǎng)，2 種細(xì)胞都向軟骨細(xì)胞分化。

宇麗等［11］通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明堿性成纖維細(xì)胞可以促進(jìn)軟骨等結(jié)締組織細(xì)胞的有絲分裂活動(dòng)，主要是通過(guò)與靶細(xì)胞上的受體結(jié)合發(fā)揮作用。而在不同來(lái)源的軟骨細(xì)胞中，各種堿性成纖維細(xì)胞受體所介導(dǎo)的作用不同。堿性成纖維細(xì)胞在一定濃度范圍內(nèi)，對(duì)軟骨細(xì)胞增值的刺激作用表現(xiàn)出量效關(guān)系。但是，當(dāng)應(yīng)用濃度超過(guò)其最佳濃度時(shí)，其刺激增值效果不再隨劑量提高。有研究證明在單層培養(yǎng)條件下，堿性成纖維細(xì)胞有助于維持軟骨細(xì)胞的再分化能力，能阻止去分化現(xiàn)象的發(fā)生。即使是在單層培養(yǎng)體系中已經(jīng)發(fā)生去分化的軟骨細(xì)胞，在轉(zhuǎn)移到合適的培養(yǎng)體系中仍能發(fā)生再分化。劉霞等［12］在實(shí)驗(yàn)中證明軟骨細(xì)胞與成纖維細(xì)胞在體外共培養(yǎng)12 周后，軟骨細(xì)胞與成纖維細(xì)胞體外共培養(yǎng)能形成軟骨樣組織。陽(yáng)性對(duì)照組以及共培養(yǎng)組均形成成熟的軟骨樣組織，組織學(xué)及免疫組化顯示有成熟的軟骨陷窩樣結(jié)構(gòu)及Ⅱ型膠原表達(dá)。共培養(yǎng)組在培養(yǎng)過(guò)程中稍有縮小，在復(fù)合物的周邊區(qū)域形成了均質(zhì)的軟骨樣組織，但是在近中心區(qū)域存在一定量的纖維性組。

上述文獻(xiàn)提示:軟骨細(xì)胞和成纖維細(xì)胞作為同源細(xì)胞，成纖維細(xì)胞具有成骨潛能;兩者共同培養(yǎng)具有一定的相互作用。

3 頸椎椎間盤成纖維細(xì)胞向成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)化的研究

頸椎椎間盤成纖維細(xì)胞向成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)化的過(guò)程，在國(guó)內(nèi)外都有相關(guān)研究。Nagano 等［13］等認(rèn)為隨著椎間盤的退變，纖維環(huán)中的成纖維細(xì)胞增生化生為軟骨細(xì)胞。其增殖越過(guò)椎間盤邊緣進(jìn)而產(chǎn)生軟骨內(nèi)骨化形成骨贅纖維環(huán)中成纖維細(xì)胞的退變，軟骨化生是椎間盤病變的病理基礎(chǔ)。

盧旭華等［14］利用細(xì)胞體外培養(yǎng)技術(shù)，建立頸椎病患者的頸椎椎間盤纖維環(huán)中成纖維細(xì)胞的培養(yǎng)體系觀察其在細(xì)胞因子重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白(Rh-bone morphogenetic protein 2，rhBMP2)，TNF-α培養(yǎng)液誘導(dǎo)下的成骨表現(xiàn)。證明頸椎椎間盤纖維環(huán)成纖維細(xì)胞存在成骨潛能。rhBMP-2 對(duì)纖維環(huán)成纖維細(xì)胞有明確的體外誘導(dǎo)成骨作用以及纖維環(huán)成纖維細(xì)胞的骨化在頸椎退變的病理過(guò)程中有重要作用。

而在頸椎椎間盤纖維環(huán)成骨潛能研究的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中觀察到:頸椎椎間隙植骨材料中單純植入纖維環(huán)組織后在術(shù)后6 周時(shí)組織切片內(nèi)有纖維軟骨存在，12 周新生軟骨存在?？瞻讓?duì)照組術(shù)后6 周組織學(xué)觀察無(wú)陽(yáng)性染色結(jié)果［15］。因此推測(cè)，頸椎椎間盤纖維環(huán)組織的成骨形式很有可能是成纖維細(xì)胞的軟骨化骨生成。

在李博等［16］的實(shí)驗(yàn)中證明，聯(lián)合使用rhBMP2和bFGF 能夠明顯促進(jìn)椎間盤細(xì)胞增值，提高細(xì)胞內(nèi)堿性磷酸酶的活力、增加Ⅰ型膠原分泌、提高鈣鹽沉積程度、提高骨鈣素的表達(dá)水平。RhBMP2 能夠誘導(dǎo)未分化的間充質(zhì)細(xì)胞不可逆的分化形成骨和軟骨。但是rhBMP2 只是骨生成的啟動(dòng)因子，對(duì)已分化的成骨細(xì)胞沒(méi)有進(jìn)一步的促增值作用。bFGF 能夠促進(jìn)骨細(xì)胞的增值和分化，RhBMP2 啟動(dòng)骨形成過(guò)程后為bFGF 提高大量的靶細(xì)胞。但另一方面bFGF 沒(méi)有異位誘導(dǎo)的成骨活性，rhBMP2 的成骨誘導(dǎo)作用又可彌補(bǔ)bFGF 的不足。從而使二者在生物學(xué)的功能上形成互補(bǔ)，加速骨誘導(dǎo)、骨形成的過(guò)程。Varkey 等［17］在文獻(xiàn)中指出，體內(nèi)體外的差異、培養(yǎng)液的成分以及細(xì)胞供體年齡、細(xì)胞因子的作用時(shí)間都能影響細(xì)胞因子的促成骨效應(yīng)。

4 成纖維細(xì)胞成骨誘導(dǎo)分化的信號(hào)通路調(diào)控作用的研究

目前研究認(rèn)為在成纖維細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化的過(guò)程中，受到多種信號(hào)通路調(diào)控。其中TGF-β/BMPs［18］、Wnt、促分裂素原活化蛋白激酶(mitogenactivated protein kinases，MAPK)信號(hào)通路發(fā)揮了重要作用。而且通過(guò)對(duì)smad1 蛋白酶體的調(diào)節(jié)，Wnt和MAPK 信號(hào)通路可以對(duì)TGF-β/BMPs 通路進(jìn)行調(diào)控，在相關(guān)信號(hào)通路的共同作用下使成纖維細(xì)胞骨化。

Jaiswal 等［19］發(fā)現(xiàn)，誘導(dǎo)成人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化時(shí)有細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases，ERK)通路的激活。ERK 阻斷劑PD98059 能劑量依賴性的阻斷其向骨組織分化，并且出現(xiàn)向脂肪組織分化的傾向。P38MAPK 主要接受生理性應(yīng)激、內(nèi)毒素、滲透性應(yīng)激、紫外線等刺激［20］。Raingeaud 等［21］以小鼠間充質(zhì)干細(xì)胞為樣本誘導(dǎo)向成骨細(xì)胞分化，分別加入ERK 以及P38MAPK 抑制劑，發(fā)現(xiàn)P38MAPK 的抑制劑能明顯減弱小鼠間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞的分化。萬(wàn)曉晨等［22］認(rèn)為，在MAPK 通路中，ERK、Jun激酶(jun kinase，JNK)和P38 可通過(guò)磷酸化Smads控制其體內(nèi)和體外的功能。MAPK 磷酸化Smad1 MH1、MH2 連接區(qū)的保守的積聚以抑制BMP 目的基因的表達(dá)。因此，F(xiàn)GF 或Ras 活化的MAPK 信號(hào)通路，可以間接調(diào)節(jié)BMP 通路的活性。研究表明，MAPK 樣Nemo 激酶可以磷酸化果蠅的Smad，促進(jìn)其出核抑制BMP 通路的活性［23］?？拙S霞等［24］在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)間充質(zhì)干細(xì)胞在成骨分化過(guò)程中MAPK通路所包含的ERK、JNK 和p38 通路均發(fā)生活化;加入PD98059 后，ALP 的表達(dá)在誘導(dǎo)早期顯著提高，而后無(wú)顯著改變。加入JNK 2 后，不影響ALP和鈣的沉積;而加入P38MAPK 抑制劑(SB203580)后，可顯著抑制ALP 的表達(dá)和鈣的沉積。P38 通路在間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cell，MSC)向成骨分化中起正調(diào)控作用，ERK 通路可能早期起負(fù)調(diào)控作用，而JNK 通路在其中未見(jiàn)顯著作用。

成纖維細(xì)胞具有間充質(zhì)干細(xì)胞的特點(diǎn)，上述細(xì)胞通路對(duì)成纖維細(xì)胞的成骨化生可能也存在類似的影響。

5 分析與展望

頸椎病在人群中發(fā)生率高，尤其在當(dāng)今社會(huì)，由于人們生活和勞動(dòng)內(nèi)容的變化，發(fā)病人群趨于年輕化。隨著對(duì)本病的研究不斷深入，其發(fā)病機(jī)理不斷不斷被闡明，也不斷有新的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生。對(duì)于造成脊髓壓迫主要因素椎體后緣骨贅的形成機(jī)制研究會(huì)有助更好的預(yù)防和治療頸椎病。

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