李文舉 李亦梅

（新疆醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院疼痛科，烏魯木齊 830054）

椎間盤退變機制研究現(xiàn)狀及生物治療展望

李文舉 李亦梅*

（新疆醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院疼痛科，烏魯木齊 830054）

?綜述?

椎間盤退變性疾病的發(fā)病率與復發(fā)率較高，嚴重影響患者的工作及日常生活。目前的治療方法主要是緩解疼痛癥狀或神經受壓癥狀，卻無法阻止退變進程，這也是導致高復發(fā)的主要原因之一。目前的研究認為，椎間盤退變是一個與細胞外基質數(shù)量減少、細胞老化凋亡、炎性介質刺激和血管增生等相關的復雜程序。大量實驗研究提示，椎間盤再生活性物質、干細胞移植、自體軟骨細胞移植、基因治療等方法可以不同程度地增加椎間盤細胞和基質數(shù)量，促進椎間盤再生或修復，從而逆轉退變進程。日益進展的分子生物學、細胞生物學和組織工程技術為椎間盤退變的治療提供了新的契機，而上述方法大多處于動物實驗或體外實驗階段，臨床應用尚存諸多挑戰(zhàn)。本文旨在討論椎間盤退變細胞生物學變化的研究現(xiàn)狀，以展望未來生物治療椎間盤退變的前景。

1 椎間盤結構功能特點

椎間盤相當于一個微動關節(jié)，由纖維環(huán)、髓核、上下軟骨終板三個獨立部分構成。纖維環(huán)由膠原纖維束的纖維軟骨構成，位于髓核的四周，由環(huán)狀、薄片狀富含膠原纖維密集排列，主要為Ⅰ型膠原纖維。外層纖維環(huán)主要由高濃度的Ⅰ型膠原纖維構成，Ⅱ型膠原纖維含量隨著靠近內層而逐漸增加。纖維環(huán)的纖維束相互斜行交叉重疊，使纖維環(huán)成為堅實的組織，外層纖維環(huán)的主要功能是抵抗拉應力（包括橫向、縱向、扭力），髓核主要功能是抵抗壓應力，而內層纖維環(huán)的功能兼而有之。髓核是一種彈性膠狀物質，由隨機排列的膠原纖維、放射排列的彈性纖維和高含水蛋白多糖組成[1]。髓核內的高含水蛋白多糖是維護椎間盤滲透壓的必要組成成分，對椎間盤的承重性能有重要影響。位于椎體上下兩端的軟骨終板由透明軟骨和軟骨細胞密集構成，擔負著為椎間盤提供營養(yǎng)、清除轉運廢物的通道作用[2]。椎間盤為脊柱活動提供一定的彈性空間和減震效果，椎間盤三部分結構完好無損是保證其正常功能的前提。

2 椎間盤退變細胞生物學變化

椎間盤退變主要表現(xiàn)為細胞外基質的減少，髓核內軟骨樣細胞減少、水合反應降低、結構完整性破壞，承載負荷能力下降，血管增生。但迄今為止對其發(fā)病機理認知仍然有限，目前研究較多和廣為接受的主要有以下幾方面：

2.1 椎間盤基質降解——基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinases,MMPs）

因椎間盤細胞外基質破壞導致的椎間盤基質結構混亂是椎間盤退變的主要標志。針對椎間盤基質的主要成分，椎間盤細胞分泌了多種酶來溶解破壞，其中最主要的酶就是MMPs。大量實驗證明，MMPs在退變椎間盤中表達增高。MMPs是一個蛋白水解酶家族，參與水解退變椎間盤基質所有主要組成部分，包括糖蛋白、蛋白多糖，尤其是膠原蛋白。在正常生理條件下，MMPs的效能受自身活化機理以及內生金屬蛋白酶抑制劑（tissue inhibitor of matrix metalloproteinases,TIMPs）控制；然而在各種病理條件下，MMPs與 TIMPs 之 間 的 失 平 衡 產 生 病 理 性 水 解 作 用[3]。Bachmeier等[3]對 37 個突出或退變的椎間盤與正常椎間盤的MMPs-1，-2，-3，-7，-8，-9，-13，以及 TIMPs-1和 TIMP-2 的 mRNA 表達水平進行一個定量分子分析，發(fā)現(xiàn) MMP-3 mRNA 的表達水平顯示出一貫和大幅上調的趨勢，同樣的趨勢在MMP-8也得到顯示，只是幅度略??；另一方面，TIMP-1 與 TIMP-2 的 mRNA表達水平及上調幅度與前者幾乎并行，只是后者表達 水 平 略 低[4]。 由 于 此 類 定 量 分 析 的 實 驗 研 究 報 道較少，MMP-3 與 MMP-8 是否在水解破壞椎間盤基質的過程中扮演主要角色還有待進一步驗證。除MMPs外，有一種被稱為金屬蛋白酶域蛋白（ADAMTS）的蛋白酶類也在退變椎間盤組織中廣泛獲得，被證明與退變相關[5]。

2.2 椎間盤細胞衰老和細胞凋亡

退變椎間盤外觀形態(tài)的改變間接反映細胞水平的變化。導致椎間盤功能細胞數(shù)量減少及細胞活性改變的主要包括細胞衰老和細胞凋亡兩個進程。Gruber等[6]研究發(fā)現(xiàn)，與衰老密切相關的半乳糖苷酶（senescence-associated β-galactosidase,SA-β-gal）在人類 退變或突出的椎間盤中染色加深，并以此推測細胞衰老可能是椎間盤退變的病理機制之一。細胞衰老在椎間盤退變中可能是不斷發(fā)生發(fā)展的[7]，衰老的髓核軟骨細胞在髓核中的積聚隨著年齡增長而增加，且會推進退變進程[8]。

經典的細胞凋亡通路主要包括死亡受體途徑、線粒體途徑和內質網途徑。目前已有證據(jù)表明，椎間盤的細胞凋亡與以上三種途徑均有關聯(lián)，且椎間盤的細胞凋亡通過三種途徑共同完成。只是內質網途徑在輕度退變階段比在中度和重度階段扮演更重要的角色，死亡受體途徑在輕度和中度階段更活躍，而線粒體途徑在中度和重度階段發(fā)揮更重要的作用，且細胞凋亡在椎間盤突出形成后可能會加速[9]。Wei等[10]的體外研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor,TNF）和過氧化氫（H2O2）可以誘導椎間盤細胞凋亡，導致細胞外基質數(shù)量減少；同時還發(fā)現(xiàn)，骨形態(tài)發(fā)生蛋白-7（bone morphogenetic protein-7, BMP-7）可以有效抑制該誘導過程，使細胞外基質的生產即使處于細胞凋亡的環(huán)境仍能持續(xù)進行，也許BMP-7可以成為未來治療策略的新角色。隨著椎間盤的老化和退化，其細胞結構、分子、機械性能以及纖維環(huán)與髓核之間的界限都會發(fā)生改變。膠原成分的變化和蛋白多糖含量的下降可導致椎間盤結構完整性的破壞、水分減少和承載負荷的能力降低[11]。

2.3 髓核炎性介質的釋放

髓核組織是一個能夠響應環(huán)境而產生炎性介質的活躍組織。椎間盤源性下腰痛患者的椎間盤內有高水平的炎性介質，提示由髓核產生的炎性介質可能是引起下腰痛的主要原因。Moroney 等[12]研究發(fā)現(xiàn) ，白 細 胞介 素-6（interleukin-6,IL-6）和 IL-8 可以 引發(fā)炎性級聯(lián)反應，導致中性粒細胞和巨噬細胞的趨化作用；因 IL-8 自身可以誘發(fā)痛覺過敏，這可能是導致疼痛加重的原因之一；而酸中毒和炎性條件可刺激多種細胞因子釋放，對炎癥反應推波助瀾[12]。尤其值得注意的是，TNF-α和 IL-1β可通過調控共結合蛋白 多糖-4（Syndecan-4,SDC-4）的表達，提 高解聚 ADAMTS-5 的活性，從而促進蛋白多糖的降解，從而加重椎間盤退變進程[13]。目前為止，已有研究涉及多種炎性介質：IL-1α，IL-1β，IL-6，TNF-α，粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子（Granulocyte macrophage colony factor,GM-CSF），IL-8，趨化因子（regulated upon activation normal T cell expressed and secreted,RANTES）和IL-10。除此之外，炎性介質還有白三烯 B4（leukotriene B4,LTB4），血栓素 B2（Thromboxane B2,TXB2）和 前 列 腺 素 E2（prostaglandin E2,PGE2）等 。 炎 性 介質的研究較多，但針對某具體因子的作用，不同研究的結果尚存矛盾，但大家廣泛認知其為引起下腰痛的重要原因之一。

2.4 血管增生

除最外層纖維環(huán)有小毛細血管，健康成年人的椎間盤無血管組織。而在胎兒早期，內層纖維環(huán)及軟骨終板均有血供，直到約2歲時血供逐漸減少、消失[14]。早已有研究表明，退變、突出的椎間盤普遍存在血管增生的現(xiàn)象。且不同的生長因子，如成纖維細胞生長因子（basic fibroblast growth factor,bFGF），血 管 內 皮 生 長 因 子（vascular endothelial growth factor,VEGF），轉 化 生 長 因 子 -β（transforming growth factor-β,TGF-β）等已被確認對血管增生有積極調節(jié)作用。有證據(jù)表明，促進血管形成的一系列因子、VEGF參與了椎間盤血管化的過程，血管增生會影響椎間盤退行性變患者術前與術后的生活質量，可能是預后的重要影響因素；患者可以通過避免血管生成相關因素（控制體重、注意休息、控制吸煙等）來預防椎間盤血管增生[15]。值得注意的是，血管增生對椎間盤退變的影響至今尚存爭議：一方面，這可能是椎間盤自我修復的表現(xiàn)，代表椎間盤具有一定的自我修復能力；另一方面，血管的增生對椎間盤組織的組成成分及結構功能可能產生消極影響，是引起椎間盤進一步退變的因素，這可能是下一步研究的重點之一。

3 未來治療的新策略——生物治療

目前認為，椎間盤退變所造成的椎間盤突出癥經保守治療6周失敗的患者，可依據(jù)影像學改變來選擇實施手術治療或繼續(xù)長期保守治療[16]。但不論保守治療或手術治療，均無法阻擋椎間盤退變的進程。并且，目前作為手術金標準的椎體融合術有明顯的缺點：融合的椎體之間失去靈活性，會增加鄰近椎間盤的應力，促進其退變[17]。隨著椎間盤退變機理研究的深入，生物治療的研究逐漸進入大家的視野。

生物治療旨在針對椎間盤退變級聯(lián)反應的某一環(huán)節(jié)進行干預，預防和管理椎間盤退變，增加合成代謝，改善受損髓核和纖維環(huán)細胞的功能，阻止或扭轉退變進程。目前，文獻報道了以下幾種生物治療策略，主要是針對椎間盤細胞衰老或凋亡，以及細胞外基質的減少，大多處于動物試驗或體外試驗階段：① 椎間盤內注入活性因子（生長因子、細胞因子、合成代謝酶等），是目前研究最廣、應用潛力較大的新方法[10,18-29]（表 1），但由 于各因 子 在體 內 活性存 在時間較短，很難持續(xù)發(fā)揮作用，尚需進一步研究臨床應用 的 方 法 ；② 干細胞移植，Doniel等[30]總結 了 18 篇干細胞治療椎間盤退變的文獻報道，雖然效果喜憂參半，但仍預示出不可忽視的潛力；③ 自體軟骨細胞移植[31]，技術上可行，效果也可觀；④ 構建椎間盤復合體[32]，運用組織工程方法，以殼聚糖、蠶絲、膠原蛋白、藻朊酸鹽或纖維蛋白為支架，種植軟骨細胞或干細胞，構建出完整或部分椎間盤復合體，植入體內，修復椎間盤結構及生物力學的完整性，但支架的選擇尚存爭議，且操作難度大，目前還處于初級研究階段；⑤基因治療，以病毒等為載體，針對椎間盤退變級聯(lián)反應的某一環(huán)節(jié)，引進外源目的基因到宿主細胞，如增長/分 化 因 子 -5 基 因（adenovirus growth and differentiation factor-5,Ad-GDF-5）治療[33]、GDF-5 cDNA 治療[34]等?；蛑委熤敝赴l(fā)病機理的根本所在，從長遠來看前景。

表1 椎間盤再生相關活性因子的文獻報道

生物治療是未來椎間盤退變治療的新策略之一，但應用于臨床尚存諸多問題，如技術要求高、價格昂貴、活性因子持續(xù)時間較短、植入體內方法的確立、臨床療效評價方法等。而目前治療方法的諸多局限性，使新方法的探索蘊含巨大潛力。

綜上所述，隨著一系列基礎研究成果的陸續(xù)報道，人們對椎間盤退變發(fā)病機制及細胞生物學變化的認識正在逐步加深。目前，一些針對其發(fā)病機制之基質減少和細胞老化或凋亡的方法已經許多動物實驗或體外實驗證明有效，但在進入臨床試驗及臨床應用前應做好充分評估。針對退變椎間盤諸多炎性介質釋放等造成的疼痛癥狀，可以應用一些緩解疼痛的方法，在急性期進行輔助治療，以減輕患者的痛苦。但要從根本上治療疾病，生物治療的深入研究勢在必行。

[1]Yu J,Winlove PC,Roberts S,et al.Elastic fibre organization in the intervertebral discs of the bovine tail.J Anat, 2002,201(6):465-475.

[2]Zhao CQ,Wang LM,Jiang LS,et al.The cell biology of intervertebral disc aging and degeneration.Ageing Res Rev, 2007,6(3):247-261.

[3]Bachmeier BE,Iancu CM,Jochum M,et al.Matrix metalloproteinases in cancer:comparison of known and novel aspects of their inhibition as a therapeutic approach.Expert Rev Anticancer Ther,2005,5(1):149-163.

[4]Bachmeier BE,Nerlich A,Mittermaier N,et al.Matrix metalloproteinase expression levels suggest distinct enzyme roles during lumbar disc herniation and degeneration.Eur Spine J,2009,18(11):1573-1586.

[5]Le Maitre CL,Freemont AJ,Hoyland JA.Localization of degradative enzymes and their inhibitors in the degenerate human intervertebral disc.J Pathol,2004,204(1):47-54.

[6]Gruber HE,Ingram JA,Norton HJ,et al.Senescence in cells of the aging and degenerating intervertebral disc:immunolocalization of senescence-associated beta-galactosidase in human and sand rat discs.Spine(Phila Pa 1976),2007,32 (3):321-327.

[7]Le Maitre CL,Freemont AJ,Hoyland JA,et al.Accelerated cellular senescence in degenerate intervertebral discs:a possible role in the pathogenesis of intervertebral disc degeneration.Arthritis Res Ther,2007,9(3):R45.

[8]Kim KW,Chung HN,Ha KY,et al.Senescence mechanisms of nucleus pulposus chondrocytes in human intervertebral discs.Spine J,2009,9(8):658-666.

[9]Wang H,Liu H,Zheng ZM,et al.Role of death receptor,mitochondrial and endoplasmic reticulum pathways in different stages of degenerative human lumbar disc.Apoptosis, 2011,16(10):990-1003.

[10]Wei A,Brisby H,Chung SA,et al.Bone morphogenetic protein-7 protects human intervertebral disc cells in vitro from apoptosis.Spine J,2008,8(3):466-474.

[11]Roughley PJ.Biology of intervertebral disc aging and degeneration:involvement of the extracellular matrix.Spine (Phila Pa 1976),2004,29(23):2691-2699.

[12]Moroney PJ,Watson RWG,Burke J,et al.The role of inflammation,and hypoxia and acidosis in experimental intervertebral disc degeneration.J Bone Joint Surg Br Proceedings,2003,85-B:165.

[13]Wang J,Markova D,Anderson DG,et al.TNF-α and IL-1β Promote a Disintegrin-like and Metalloprotease with Thrombospondin Type I Motif-5-mediated Aggrecan Degradation through Syndecan-4 in IntervertebralDisc.J Biol Chem,2011,286(46):39738-39749.

[14]Nerlich AG,Schaaf R,W?lchli B,et al.Temporo-spatial distribution of blood vessels in human lumbar intervertebral discs.Eur Spine J,2007,16(4):547-555.

[15]David G,Ciurea AV,Iencean SM,et al.Angiogenesis in the degeneration of the lumbar intervertebral disc.J Med Life, 2010,3(2):154-161.

[16]Schoenfeld AJ,Weiner BK.Treatment of lumbar disc herniation:Evidence-based practice.Int J Gen Med,2010,3: 209-214.

[17]Gillet P.The fate of the adjacent motion segments after lumbar fusion.J Spinal Disord Tech,2003,16(4):338-345.

[18]Jin H,Shen J,Wang B,et al.TGF-β signaling plays an essential role in the growth and maintenance of intervertebral disc tissue.FEBS Lett,2011,585(8):1209-1215.

[19]Zhang R,Ruan D,Zhang C.Effects of TGF-β1 and IGF-1 on proliferation of human nucleus pulposus cells in medium with different serum concentrations.J Orthop Surg, 2006,1:9.

[20]Pratsinis H,Kletsas D.PDGF,bFGF and IGF-I stimulate the proliferation of intervertebral disc cells in vitro via the activation of the ERK and Akt signaling pathways.Eur Spine J,2007,16(11):1858-1866.

[21]Tsai TT,Guttapalli A,Oguz E,et al.Fibroblast growth factor-2 maintains the differentiation potential of nucleus pulposus cells in vitro:implications for cell-based transplantation therapy.Spine(Phila Pa 1976),2007,32(5):495-502.

[22]Blaney Davidson EN,Vitters EL,van Lent PL,et al.Elevated extracellular matrix production and degradation upon bone morphogenetic protein-2(BMP-2)stimulation point toward a role for BMP-2 in cartilage repair and remodeling. Arthritis Res Ther,2007,9(5):R102.

[23]Haschtmann D,Ferguson SJ,Stoyanov JV.BMP-2and TGF-β3 do not prevent spontaneous degeneration in rabbit disc explants but induce ossification of the annulus fibrosus.Eur Spine J,2012,21(9):1724-1733.

[24]Wang C,Ruan DK,Zhang C,et al.Effects of adeno-associated virus-2-mediated human BMP-7 gene transfection on the phenotype of nucleus pulposus cells.J Orthop Res, 2011,29(6):838-845.

[25]Lin Z,Liu H,Wang W.Study progress of growth differentiation factor 5 or osteogenic protein 1 injection into a degenerated disc.Zhongguo Xiu Fu Chong Jian Wai Ke Za Zhi. 2008,22(4):435-438.

[26]Le Maitre CL,Freemont AJ,Hoyland JA.Expression of cartilage-derived morphogenetic protein in human intervertebral discs and its effect on matrix synthesis in degenerate human nucleus pulposus cells.Arthritis Res Ther,2009,11(5): R137.

[27]Kim JS,Ellman MB,An HS,et al.Lactoferricin mediates anabolic and anti-catabolic effects in the intervertebral disc. J Cell Physiol,2012,227(4):1512-1520.

[28]Mwale F,Masuda K,Pichika R,et al.The efficacy of Link N as a mediator of repair in a rabbit model of intervertebral disc degeneration.Arthritis Res Ther,2011,13(4):R120.

[29]Li X,Phillips FM,An HS,et al.The action of resveratrol,a phytoestrogen found in grapes,on the intervertebral disc. Spine(Phila Pa 1976),2008,33(24):2586-2895.

[30]DrazinD,RosnerJ,AvalosP,etal.StemCellTherapyforDegenerativeDiscDisease.AdvOrthop,2012,2012:961052.

[31]Hohaus C,Ganey TM,Minkus Y,et al.Cell transplantation in lumbar spine disc degeneration disease.Eur Spine J. 2008,17(Suppl 4):492-503.

[32]Bowles RD,Williams RM,Zipfel WR,et al.Self-assembly of aligned tissue-engineered annulus fibrosus and intervertebral disc composite via collagen gel contraction.Tissue Eng Part A,2010,16(4):1339-1348.

[33]Liang H,Ma SY,Feng G,et al.Therapeutic effects of adenovirus-mediated growth and differentiation factor-5 in a mice disc degeneration model induced by annulus needle puncture.Spine J,2010,10(1):32-41.

[34]Cui M,Wan Y,Anderson DG,et al.Mouse growth and differentiation factor-5 protein and DNA therapy potentiates intervertebral disc cell aggregation and chondrogenic gene expression.Spine J,2008,8(2):287-295.

1674-1439（2013）10-0 066-04

10.3969/j.issn.1674-1439.2013.10-016

*通信作者：李亦梅，E-mail:hanyuner1969@163.com