李富東，朱 健，孫凱強，孔凡奇，史建剛

海軍軍醫(yī)大學長征醫(yī)院骨科，上海 200003

腰背痛為常見病，50%～80%的成年人在一生中出現(xiàn)過腰背痛癥狀，嚴重影響患者生活［1］。椎間盤退行性變（IDD）是導致椎間盤源性腰痛的重要原因之一。IDD是指在年齡增長過程中，椎間盤內(nèi)的髓核組織水分逐漸減少，椎間盤失去正常的彈性和張力，在外界因素（如損傷，勞累等）的作用下，纖維環(huán)結(jié)構(gòu)破壞，髓核組織結(jié)構(gòu)發(fā)生異常改變。IDD是一個慢性炎性狀態(tài)，發(fā)生退行性變的椎間盤中炎性因子顯著升高，基質(zhì)降解酶活性增高，血管神經(jīng)長入發(fā)生退行性變的椎間盤［2］。更重要的是椎間盤基質(zhì)中的炎性因子吸引炎性相關細胞進入發(fā)生退行性變的椎間盤，炎性細胞又刺激椎間盤細胞產(chǎn)生更多的促炎細胞因子，加速IDD的發(fā)展。

IDD是一個多因素的脊柱病理過程，同時在退行性變過程中發(fā)生復雜的結(jié)構(gòu)和功能異常改變。細胞是生物體基本的結(jié)構(gòu)和功能單位；椎間盤細胞的種類、數(shù)量、功能等與椎間盤的結(jié)構(gòu)和功能密切相關。因此，在人體生長、發(fā)育和衰老過程中，椎間盤細胞的類型和病理生理變化對判斷椎間盤結(jié)構(gòu)和功能狀態(tài)具有重要意義。本文分析了近年國內(nèi)外關于IDD發(fā)展過程中其內(nèi)部細胞類型變化及相關分子機制的研究，就椎間盤細胞特征及IDD過程中細胞的異常改變進行總結(jié)，包括IDD過程中椎間盤細胞種類、數(shù)量、功能、細胞密度、細胞增殖和衰老死亡等的改變，旨在為未來IDD的預防和治療提供理論依據(jù)。

1 正常椎間盤細胞的組成與功能

1.1 脊索細胞

脊索細胞在胎兒早期是常見細胞，但隨著年齡增長，脊索細胞數(shù)量逐漸減少，衰老死亡的脊索細胞數(shù)量逐漸增多，4～10歲逐漸無法檢測到，髓核內(nèi)脊索細胞的凋亡提示IDD的開始［3］。脊索細胞具有較強的合成蛋白多糖的功能，而蛋白多糖具有與水結(jié)合的能力，所以脊索細胞可能負責維持髓核的凝膠狀態(tài)［4］。Kim等［5］的研究表明，脊索細胞具有抗炎、抗凋亡和神經(jīng)抑制作用。Aguiar等［6］認為，脊索細胞引導鄰近的間充質(zhì)細胞遷移至椎間盤，并分化生成髓核組織，最終形成椎間盤組織。成人髓核組織中脊索細胞的減少和消失可能與IDD的發(fā)生有關。

1.2 髓核細胞

脊索細胞誘導間充質(zhì)細胞向類髓核細胞定向分化，形成髓核細胞［7］。髓核細胞在形態(tài)和功能上與軟骨細胞相似，組織切片上髓核細胞呈圓形或類圓形，位于陷窩中［8］。髓核細胞由中胚層的軸中胚層，即脊索，分化而來，屬于纖維軟骨細胞，而軟骨細胞由中胚層的脊索旁中胚層的生骨節(jié)分化而來，屬于透明軟骨［9］。髓核細胞可以合成并分泌多種活性分子：Ⅱ型膠原蛋白和蛋白多糖等。髓核細胞所合成的基質(zhì)成分極具親水性，使髓核組織富含水分并極具黏彈性，因而能夠有效吸收載荷，并能將載荷均勻分散到纖維環(huán)。

1.3 軟骨細胞

椎間盤的軟骨終板是椎間盤主要的營養(yǎng)滲透途徑之一。軟骨終板主要由透明軟骨細胞和細胞外基質(zhì)構(gòu)成，是維持脊柱生物力學穩(wěn)定的關鍵結(jié)構(gòu)。軟骨終板細胞外基質(zhì)具有保持軟骨水分、維持組織張力和緩沖機械應力的作用［10］。生理范圍內(nèi)的流體靜壓可能是刺激椎間盤細胞合成基質(zhì)的因素之一；過高或者過低的應力都可導致終板軟骨細胞合成基質(zhì)與基質(zhì)降解失衡［11］。在異常應力作用下，終板軟骨細胞發(fā)生損傷、死亡，使得細胞外基質(zhì)平衡破壞，導致軟骨終板營養(yǎng)彌散功能障礙，最終軟骨終板發(fā)生鈣化，被骨組織取代。軟骨終板發(fā)生破裂、鈣化進而引起椎間盤營養(yǎng)彌散通路障礙，直接導致椎間盤因營養(yǎng)供給不足而發(fā)生退行性變、鈣化，甚至使代謝產(chǎn)物積聚于椎間盤內(nèi)，激活椎間盤內(nèi)的分解酶，導致基質(zhì)破壞，細胞代謝障礙、死亡。

1.4 纖維環(huán)細胞

纖維環(huán)是一種高度纖維化且排列有序的結(jié)構(gòu)，可分為內(nèi)層纖維環(huán)和外層纖維環(huán)。內(nèi)層纖維環(huán)主要由圓形的纖維軟骨細胞合成的Ⅱ型膠原組成，外層纖維環(huán)主要由細長的成纖維細胞合成的Ⅰ型膠原組成［12］，這些纖維排列成復雜的結(jié)構(gòu)以抵抗機械應力。有研究［13］報道，纖維環(huán)細胞來自Scx+Sox-9+祖細胞群體，外層細胞主要是細長紡錘樣的成纖維樣細胞；內(nèi)層細胞與軟骨細胞類似，也產(chǎn)生Ⅱ型膠原；層間基質(zhì)有復雜的彈性纖維和橋接結(jié)構(gòu)。纖維環(huán)外層存在一層表達CD146和轉(zhuǎn)膠蛋白（SM22a）的細胞，這些CD146+的細胞可能是常駐干細胞，在傷口愈合和收縮中起重要作用［14］。隨著年齡增長，干細胞的檢測標志物逐漸降低，這可能與成人椎間盤損傷后修復能力降低相關［14］。纖維環(huán)細胞對纖維環(huán)結(jié)構(gòu)的形成和維持具有重要意義。在IDD過程中，纖維環(huán)細胞逐漸衰老死亡，使纖維環(huán)結(jié)構(gòu)破壞，進而加速IDD。

2 發(fā)生退行性變的椎間盤中細胞的組成與功能

2.1 血管內(nèi)皮細胞

正常狀態(tài)下，椎間盤是無血管組織，通過鄰近的椎體終板和周圍纖維環(huán)的微血管擴散來接收營養(yǎng)物質(zhì)和排出廢物。但在IDD過程中，微血管形成并長入纖維環(huán)內(nèi)層，甚至髓核組織。椎間盤營養(yǎng)供應異常被認為是引起IDD的主要原因［15］。髓核細胞的營養(yǎng)物質(zhì)主要通過軟骨終板內(nèi)的微血管彌散至終板及髓核基質(zhì)到達髓核細胞。Rodriguez等［16］的研究表明，終板硬化不是導致IDD的根本因素；通過對終板形態(tài)和終板退行性變之間的定量關系的研究發(fā)現(xiàn)，IDD過程中終板的微孔變得越來越多。Xu等［17］的研究表明，IDD過程中營養(yǎng)減少的原因不是終板鈣化和硬化，而是終板微血管密度的降低。IDD過程中，血管內(nèi)皮細胞逐漸凋亡，進而導致終板微血管密度降低［17］。髓核內(nèi)所含有的蛋白多糖具有抑制血管長入的作用［18］。IDD時，髓核內(nèi)聚蛋白多糖成分減少，促進血管長入的因素增多，導致新生血管長入并深達髓核，引起椎間盤源性腰痛，并且隨著血管化程度增強，IDD程度也逐漸加重（圖1）。

圖1 正常椎間盤與發(fā)生退行性變的椎間盤對比

2.2 神經(jīng)纖維細胞

新生兒腰椎椎間盤終板和纖維環(huán)上有許多致密的神經(jīng)纖維。隨著年齡增長，這些神經(jīng)纖維逐漸退化，僅剩下纖維環(huán)外部部分［19］，正常成人腰椎椎間盤纖維環(huán)內(nèi)側(cè)區(qū)域不再存在神經(jīng)結(jié)構(gòu)［20］（圖1）。Palmgren等［21］發(fā)現(xiàn)，在正常成人腰椎椎間盤外層纖維環(huán)中存在交感神經(jīng)纖維標志物——神經(jīng)肽Y，和感覺神經(jīng)纖維標志物——P物質(zhì)。提示椎間盤外層纖維有交感神經(jīng)和脊神經(jīng)支配。2003年，F(xiàn)agan等［22］通過定量研究發(fā)現(xiàn)，正常椎間盤外層纖維環(huán)和終板間的神經(jīng)密度分布無顯著差異。椎間盤一旦發(fā)生病變，神經(jīng)纖維在纖維環(huán)形成新的分布，病變部位的神經(jīng)纖維分布密度增高［23］。有研究［24］發(fā)現(xiàn)，分布在椎間盤中的神經(jīng)纖維來源于背根神經(jīng)節(jié)的神經(jīng)元。這些神經(jīng)元可以根據(jù)細胞直徑、神經(jīng)遞質(zhì)類型和不同的細胞骨架成分進行分類。支配腰椎椎間盤的背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元主要是小細胞神經(jīng)元，這種小細胞神經(jīng)元發(fā)出支配腰椎椎間盤的纖維［24］。而小細胞來源的神經(jīng)纖維主要是損傷性神經(jīng)纖維，這就構(gòu)成了椎間盤源性腰背痛的解剖學基礎。

IDD過程中神經(jīng)纖維形成并進入纖維環(huán)內(nèi)層和髓核是椎間盤源性腰背痛的主要神經(jīng)機制。神經(jīng)纖維可以沿著發(fā)生退行性變的椎間盤裂隙中的肉芽組織生長，這些神經(jīng)纖維可逐漸深入到纖維環(huán)深部，甚至進入髓核［25］（圖1）。IDD過程中產(chǎn)生的細胞因子是誘導神經(jīng)末梢向發(fā)生退行性變的椎間盤生長的重要因素。例如，正常椎間盤髓核和纖維環(huán)細胞中存在少量神經(jīng)生長因子和腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（BDNF），但椎間盤源性腰背痛患者發(fā)生退行性變的椎間盤中BDNF和神經(jīng)生長因子的表達明顯增加［26］。因此，IDD過程中可能會有神經(jīng)纖維的長入，并且神經(jīng)纖維末梢受到椎間盤內(nèi)物質(zhì)刺激后產(chǎn)生疼痛感覺。

2.3 巨噬細胞

巨噬細胞表現(xiàn)出廣泛的促炎、重塑和抗炎功能的動態(tài)表型譜，這些功能是急、慢性疾病的關鍵因素［27］。在對急性損傷的反應中，巨噬細胞在初期（0～3 d）迅速從促炎狀態(tài)（M1表型）轉(zhuǎn)變?yōu)殡S后（4～18 d）抗炎狀態(tài)（M2表型）［27］。M1表型巨噬細胞對啟動血管生成至關重要［28］。M2表型巨噬細胞進一步細分為M2a和M2c表型，M2c表型具有重塑功能，因為其分泌大量基質(zhì)金屬蛋白酶-7（MMP-7），MMP-8，MMP-9［29］。盡管M2c表型巨噬細胞有助于組織修復［30］，但這些細胞也與一些病理性退行性變疾病有關，如脊柱關節(jié)病、肌腱疾病、慢性靜脈潰瘍等。M2a表型與抗炎、促進愈合功能相關，但也和纖維化疾病相關，如肺纖維化、腎纖維化和腺體纖維化等。M1和M2c表型巨噬細胞隨著IDD程度的加重而增多，在椎間盤的結(jié)構(gòu)紊亂區(qū)域（髓核）尤其明顯［27］（圖1）。M1表型分泌高水平促炎因子，如TNF-α和IL-1β；M2c表型產(chǎn)生較高水平的MMP，而MMP與細胞外基質(zhì)重塑相關；抗炎的M2a表型與組織修復的最后階段相關［28］。在體實驗［31］表明，髓核組織暴露于纖維環(huán)和背根神經(jīng)節(jié)會招募更多的巨噬細胞。椎間盤嚴重退行性變區(qū)域出現(xiàn)大量含有巨噬細胞表型標志物的細胞，表明巨噬細胞在IDD損傷和愈合過程中發(fā)揮重要作用。巨噬細胞在椎間盤損傷修復不同階段中表現(xiàn)出的不同表型有利于維持椎間盤結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定。

2.4 T淋巴細胞

正常成人椎間盤內(nèi)沒有T淋巴細胞，但發(fā)生退行性變的椎間盤中能檢測出T淋巴細胞［32］。胚胎發(fā)育成熟后，外層纖維環(huán)將椎間盤組織與血液循環(huán)隔離，從而形成了椎間盤自身免疫的基礎。纖維環(huán)同心層由交替排列的傾斜膠原纖維和蛋白多糖構(gòu)成，軟骨終板含有蛋白多糖和膠原蛋白，高濃度蛋白多糖結(jié)構(gòu)抑制了血管生長，因此，纖維環(huán)和軟骨終板及免疫調(diào)節(jié)相關分子可視為血液-髓核屏障，該屏障將髓核與人體的免疫系統(tǒng)分隔開來［33］。IDD過程中，纖維環(huán)或終板的破壞使此屏障被打破，導致血管以機械或化學誘導的形式逐漸長入，髓核的免疫反應會引發(fā)各種下游級聯(lián)反應，進而引起髓核脫出、神經(jīng)受壓導致的下肢疼痛等一系列改變。髓核組織接觸循環(huán)系統(tǒng)的內(nèi)皮細胞成分后，髓核內(nèi)T淋巴細胞增加［34］（圖1）。IDD早期，T細胞活化，細胞毒性T細胞改變椎間盤內(nèi)細胞溶酶體膜通透性，進而釋放溶酶體酶，損傷細胞和細胞外基質(zhì)［35］。T細胞在椎間盤的聚集可能與IDD形成惡性循環(huán)，從而加速IDD發(fā)展。

2.5 肥大細胞

正常椎間盤內(nèi)無肥大細胞存在，但長入椎間盤的肉芽組織中可檢測到較多肥大細胞［36］（圖1）。肥大細胞在發(fā)生退行性變的椎間盤中脫顆粒，進而促進炎性反應、血管生成和疼痛；肥大細胞還可激活成纖維細胞并使其增殖，在組織纖維化過程中起作用［37］。肥大細胞可以產(chǎn)生神經(jīng)生長因子誘導神經(jīng)長入椎間盤的內(nèi)層，從而導致椎間盤源性腰痛［38］。肥大細胞通過成纖維細胞刺激膠原酶形成，膠原酶增多可破壞椎間盤細胞外基質(zhì)及膠原組織，使髓核中蛋白多糖減少及纖維中膠原強度降低［39］，最終加速IDD發(fā)展。

3 IDD過程中細胞的變化

3.1 細胞類型

不同類型的細胞分布在椎間盤的不同區(qū)域，軟骨終板細胞主要由圓形軟骨細胞組成，外層纖維環(huán)細胞呈長條形或成纖維細胞樣，纖維環(huán)最內(nèi)層和髓核內(nèi)的細胞則呈球形或軟骨細胞樣。在IDD過程中，軟骨終板和纖維環(huán)的細胞類型基本不發(fā)生變化，髓核內(nèi)細胞類型發(fā)生巨大變化［40-41］。正常椎間盤中，髓核中的細胞類型為脊索細胞、髓核細胞，纖維環(huán)中為纖維環(huán)細胞，軟骨終板中為軟骨細胞；發(fā)生退行性變的椎間盤組織中，同時出現(xiàn)了巨噬細胞、淋巴細胞、肥大細胞等。

3.2 細胞數(shù)量

在IDD過程中，椎間盤內(nèi)活細胞數(shù)量減少、密度降低，椎間盤細胞數(shù)量的變化是波動的而不是線性的。有研究［42］發(fā)現(xiàn)，隨著年齡增長，椎間盤細胞密度顯著降低，并伴有水分減少等早期IDD特征。在經(jīng)過早期的椎間盤細胞數(shù)量短暫減少后，椎間盤細胞密度逐漸增加。Ishii等［43］也發(fā)現(xiàn)，隨著內(nèi)層纖維環(huán)退行性變程度的加重，細胞密度相應增加。Hastreiter等［44］也認為，在內(nèi)層纖維環(huán)和髓核中，Ⅴ級退行性變的椎間盤細胞密度高于退行性變程度更輕的椎間盤。但以上報道未深入研究增加的細胞的活力。由于在光鏡下死細胞與活細胞相似，所以在IDD過程中，髓核和纖維環(huán)中活細胞數(shù)量總體是降低的。

3.3 衰老死亡細胞數(shù)量

髓核和纖維環(huán)內(nèi)層的細胞營養(yǎng)主要依賴軟骨終板的營養(yǎng)彌散。幾乎所有軟骨終板的血管在兒童時期消失，并且終板厚度隨著年齡增長而逐漸變薄，這些改變都會影響椎間盤的營養(yǎng)供應及椎間盤細胞的活力。在動物模型中可以觀察到，異常的應力會導致IDD和椎間盤細胞死亡。IDD進程中，椎間盤內(nèi)衰老死亡細胞數(shù)量呈持續(xù)增長狀態(tài)［45］（圖1）。衰老死亡的細胞釋放出炎性因子，促進椎間盤局部的炎性反應，這可能是加速IDD發(fā)生發(fā)展的因素之一。

3.4 細胞增殖

許多研究表明，IDD過程中軟骨細胞的增殖活性增強。Miyamoto等［46］的研究發(fā)現(xiàn)，小鼠頸椎病模型中，頸椎椎間盤有不同程度的軟骨組織增生。Johnson等［47］發(fā)現(xiàn)，細胞增殖常出現(xiàn)在發(fā)生退行性變的椎間盤中，特別是在細胞簇聚集區(qū)域。在人腰椎IDD過程中，軟骨細胞數(shù)量和大小均增加，所以部分研究者將細胞增殖作為IDD的指標之一。雖然發(fā)生退行性變的椎間盤中總的營養(yǎng)供應是減少的，但由于神經(jīng)和血管的長入，使椎間盤內(nèi)局部營養(yǎng)相對增加，因此，新生血管的長入可能是發(fā)生退行性變的椎間盤中出現(xiàn)局部細胞增殖的原因之一。

3.5 細胞衰老

椎間盤細胞的衰老可能是IDD發(fā)生的原因之一。細胞停止分化后就會開始衰老，主要有2種機制，一種是細胞反復分裂導致細胞染色體端?？s短而引起的細胞衰老［48］，椎間盤細胞分裂次數(shù)越多就越接近衰老狀態(tài)；另一種是應激損傷DNA分子導致的細胞衰老，應激因素包括活性氧、機械負荷、細胞因子等。有研究［49］表明，與衰老相關的β-半乳糖苷酶在突出椎間盤的髓核成簇細胞中，隨著IDD程度的增加，β-半乳糖苷酶表達也逐漸增加。

3.6 細胞表型

細胞表型改變包括形態(tài)、代謝、對環(huán)境的反應、基因表達等方面。衰老的椎間盤細胞通常會發(fā)生細胞表型的改變，其中一部分表型的改變可能是可逆的，如在人發(fā)生退行性變的椎間盤細胞中Ⅱ型和Ⅹ型膠原蛋白基因表達明顯下降，但在三維環(huán)境下重新培養(yǎng)時，這些基因均重新表達；不可逆的表型改變包括細胞壞死、凋亡等。在IDD過程中，椎間盤細胞合成髓核基質(zhì)成分的能力下降，分解代謝增強，生長因子和炎性因子等的分泌發(fā)生改變。在IDD過程中，椎間盤細胞會發(fā)生形態(tài)變化。據(jù)報道，正常情況下椎間盤細胞為梭形，但在IDD過程中，纖維環(huán)細胞逐漸變?yōu)閳A形，形態(tài)類似于軟骨細胞［50］。機械應力負荷是導致椎間盤細胞表型改變的重要因素之一。生理水平的機械應力促進椎間盤細胞中蛋白多糖和金屬蛋白酶組織抑制因子-1（TIMP-1）的產(chǎn)生，然而過高或過低的應力則導致蛋白多糖和TIMP-1合成降低［51］。異常的機械應力也會導致椎間盤細胞產(chǎn)生促炎細胞因子。不平衡的應力加速大鼠IDD，增強IL-1β的產(chǎn)生［52］。纖維環(huán)在正常椎間盤中承受張力呈梭形，而在發(fā)生退行性變的椎間盤中承受更多的壓力呈圓形，這與肌腱中的細胞承受張力呈梭形，關節(jié)軟骨中的細胞承受壓力呈圓形原理一致。

5 結(jié)語與展望

綜上，椎間盤細胞在IDD過程中細胞會發(fā)生類型改變、密度改變、增殖、衰老、死亡和表型改變等多種變化，其中數(shù)量減少和表型改變是最重要的變化。細胞的異常變化常伴隨著異常細胞因子（促炎因子、趨化因子、細胞衰老凋亡相關因子等）的產(chǎn)生，這些異常改變可以作用于鄰近的正常椎間盤細胞并使之衰老、凋亡，進而導致椎間盤結(jié)構(gòu)和功能變化，使椎間盤在一般強度的體內(nèi)、外環(huán)境因素的作用下即發(fā)生損傷，因而形成IDD的惡性循環(huán)。另外，椎間盤中細胞外基質(zhì)合成與降解的平衡對于椎間盤結(jié)構(gòu)與功能的維持至關重要。在IDD過程中，促進細胞外基質(zhì)合成的因素（如轉(zhuǎn)化生長因子）與促進降解的因素（如MMP）失衡，使細胞外基質(zhì)中的膠原和蛋白多糖的降解增加，引起椎間盤內(nèi)部緩沖機械應力的能力降低，導致椎間盤細胞損傷和炎性反應，加速細胞衰老、凋亡，從而使椎間盤更易遭到機械力的破壞。IDD是遺傳因素與環(huán)境因素共同造成的，不同的因素對椎間盤損傷的分子機制也可能有較大差異，深入研究IDD的細胞分子機制對于其預防和治療具有十分重要的意義。