葉嘉杰，姚嘯生，戚曉楠，鄭浩，于紅衛(wèi)，路翀

（1.遼寧中醫(yī)藥大學(xué)研究生學(xué)院，遼寧 沈陽 110079；2.遼寧中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院）

下腰痛（low back pain，LBP）是一種常見疾病，全世界約有6.37 億人受到影響。流行病學(xué)調(diào)查表明，下腰痛已經(jīng)成為嚴(yán)重的醫(yī)療和社會問題，也是導(dǎo)致殘疾最常見的原因之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約80%的人群在一生中的某個時期會經(jīng)歷腰痛，大約18%的人群隨時都可能遭受腰痛困擾［1-2］?，F(xiàn)代研究發(fā)現(xiàn)，椎間盤退行性變（intervertebral disc degeneration，IDD） 是LBP 的主要誘因，同時是其他脊柱疾病，如椎間盤突出、脊椎病和腰椎狹窄的先期改變。IDD 是衰老過程的正常組成部分，其典型的特征是細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）穩(wěn)態(tài)受到干擾，因此基質(zhì)合成代謝減少，分解代謝增加，椎間盤細(xì)胞外基質(zhì)丟失［3］。有研究表明，IDD 與椎間盤組織中促炎細(xì)胞因子水平的升高有關(guān)，如白細(xì)胞介素（IL）和腫瘤壞死因子α（TNF-α）［4］。

近年來，這些介導(dǎo)因子在IDD 中的基因表達(dá)和功能一直是研究的熱點(diǎn)。此外，在骨關(guān)節(jié)炎和類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等領(lǐng)域的廣泛治療研究強(qiáng)調(diào)了識別潛在信號通路的必要性，促使大量IDD 研究人員探索導(dǎo)致IDD 炎癥和分解代謝的分子機(jī)制。核因子κB-（NF-κB）作為一種主要的細(xì)胞內(nèi)通路，它可能在IDD 的發(fā)生和發(fā)展中起重要作用。本文總結(jié)了椎間盤中NF-κB 信號通路不同的激活機(jī)制以及NF-κB 可能的靶基因，對NF-κB 信號通路在IDD中機(jī)制研究進(jìn)行探討。

1 LDD的相關(guān)表現(xiàn)

IDD 的發(fā)展以椎間盤微環(huán)境的細(xì)胞和生化改變?yōu)樘卣?，?dǎo)致進(jìn)行性的功能和結(jié)構(gòu)損害。椎間盤的機(jī)械功能由ECM提供，主要的機(jī)械作用是由膠原纖維和聚集蛋白聚糖（Aggrecan）提供的。膠原纖維主要由I型和II型膠原纖維組成，其主要為椎間盤提供了抗拉強(qiáng)度。Aggrecan 是椎間盤的主要蛋白聚糖，通過其組成成分軟骨素和硫酸角蛋白鏈提供的滲透壓來維持組織水化［5］。

在健康椎間盤中，由于生長因子和分解代謝因子的復(fù)雜調(diào)控，ECM 的合成速率和分解速率是平衡的。當(dāng)ECM分解超過其合成時，通常會發(fā)生IDD［6］。膠原蛋白和蛋白多糖的丟失在IDD的發(fā)展中起著關(guān)鍵作用，而基質(zhì)金屬蛋白酶（MMPs）、新型金屬蛋白酶ADAMTSs 是分解膠原和蛋白聚糖的主要酶［7］。許多MMPs 和ADAMTSs 成員在IDD 組織和細(xì)胞中高表達(dá)，這些酶與ECM 破裂和IDD 進(jìn)展密切相關(guān)［8］。隨著膠原成分的改變，髓核水分丟失，引起纖維環(huán)和終板的損傷，IDD 使促炎介質(zhì)的產(chǎn)生，細(xì)胞衰老和死亡的增加，健康椎間盤細(xì)胞表型的改變，以及活躍細(xì)胞數(shù)量的減少，IDD由此產(chǎn)生。

2 NF-κB的結(jié)構(gòu)和功能

2.1 NF-κB 的成員 在哺乳動物中，NF-κB 轉(zhuǎn)錄因 子 系 列 由NFKB1、NFKB2、RELA、REL和RELB編碼的五個成員P50、P52、P65（Rela）、c-Rel 和Relb 通過一個N 端DNA 結(jié)合/二聚結(jié)構(gòu)域（稱為Rel 同源結(jié)構(gòu)域）相互關(guān)聯(lián)［9］，其中最豐富的是p50：p65 異源二聚體，它控制著大多數(shù)NFκB上調(diào)基因的表達(dá)［10］。

2.2 NF-κB的抑制與激活 DNA結(jié)合NF-κB二聚體的活性被稱為IKB 亞基的附屬蛋白緊密控制。IκB在非刺激細(xì)胞的胞漿中保留NF-κB二聚體，并形成一個小家族，包括經(jīng)典的IκBα、IκBβ、IκBε和非典型的BCL-3（B cell CLL/lymphoma 3），IκBζ，和IκBNS［11］。在大多數(shù)靜息細(xì)胞中，胞質(zhì)抑制分子IκBα、β 和ε 以及前體P100 和P105 抑制活性NF-κB 的釋放，同時IkB 蛋白抑制DNA 結(jié)合并阻止NF-κB復(fù)合物的核轉(zhuǎn)移［12］。

許多不同的刺激可以激活NF-κB 轉(zhuǎn)錄因子來誘導(dǎo)其向細(xì)胞核聚集。大多數(shù)刺激激活的是經(jīng)典的NF-κB 信號通路，主要影響的是p65：p50 和c-Rel：p50異二聚體。該通路圍繞著三聚體IκB激酶（IKK）復(fù)合物的激活。IKK 復(fù)合物包括兩個催化亞基IKKα 和IKKβ 以及一個稱為IKKγ 或NEMO（NF-κB Essential Modator） 的 調(diào) 節(jié) 亞 單 位 組成［11］。在各種刺激下，IKK 激活使IκB 磷酸化并導(dǎo)致其泛素化和隨后被泛素化蛋白酶體降解。IκB的降解使NF-κB 二聚體能夠移位到細(xì)胞核以誘導(dǎo)基因表達(dá)。由于NF-κB 本身還激活I(lǐng)κB 本身的表達(dá)，所以NF-κB 活化通常是瞬時的，持續(xù)大約在30～60 min［13］。

3 IDD中相關(guān)因素與NF-κB的激活

之前的研究已經(jīng)證明了NF-κB 與退行性疾病的密切關(guān)系，如骨關(guān)節(jié)炎或骨質(zhì)疏松癥。研究發(fā)現(xiàn)炎癥因子和氧化應(yīng)激水平升高導(dǎo)致的NF-κB 活化；促炎因子水平升高致使NF-κB 活化導(dǎo)致IDD，而抑制NF-κB可以減緩IDD［14-15］。

3.1 IDD 中的炎癥因子與NF-κB 炎癥反應(yīng)的不斷進(jìn)行致使IDD 是目前的主流觀點(diǎn)之一。目前研究表明，與IDD 相關(guān)的主要致炎介質(zhì)包括IL-1β、TNF-α、IFN-γ、PGE2等，以及一些不同的趨化因子［14］。在這些炎癥反應(yīng)進(jìn)程中，TNF-α和IL-1β的大量表達(dá)被認(rèn)為是IDD 的關(guān)鍵，同時這兩個因子也是NF-κB激活的主要炎癥因子［4，15］。

3.1.1 IL-1β 激活NF-κB 信號通路的途徑 IL-1β的激活需要炎癥小體（NLRP）促進(jìn)caspase-1 激活，然后將前體proIL-1β 裂解成mIL-1β 和IL-1βN端肽［16］。IL-1β通過激活I(lǐng)L-1β受體產(chǎn)生作用。IL-1β 受體是異二聚體復(fù)合物，由IL-1 受體輔助蛋白（IL-1RACP）和IL-1 受體類型I（IL-1RI）組成。在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中，IL-1RI 細(xì)胞外免疫球蛋白結(jié)構(gòu)域與IL-1β 結(jié)合，形成專有的異源二聚體。然后，TIR 結(jié)構(gòu)域招募IL-1RACP 形成IL-1β/IL-1RI/IL-1RACP配合物。該復(fù)合物結(jié)合銜接蛋白、髓樣分化因子88（MYD88），募集IL-1R 相關(guān)激酶4（IRAK4）之后，IRAK1由IRAK4磷酸化，隨后與TRAF6相互作用［17］。TRAF6激活轉(zhuǎn)化生長因子-β-活 化 激 酶1 （TAK1） 和TAK1 結(jié) 合 蛋 白2（TAB2），進(jìn)而影響IKKα 和IKKβ，從而導(dǎo)致NFκB的核轉(zhuǎn)移［18］。

3.1.2 TNF-α激活NF-κB信號通路的途徑 TNF-α主要以跨膜型TNF-α（tmTNF-α）的形式產(chǎn)生。此外還有部分tmTNF-α 由金屬蛋白酶TNF-α 轉(zhuǎn)換酶（TACE）裂解成sTNF-α（可溶性形式）。TNF-α通過兩種不同的受體發(fā)揮作用：腫瘤壞死因子受體1（TNFR1，又稱p55）和腫瘤壞死因子受體2（TNFR2，又稱p75）。TNFR1 可被tmTNF-α 或sTNF-α激活，而TNFR2 主要由tmTNF-α 激活［19］。其中TNFR1 是腫瘤壞死因子-α 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的核心調(diào)節(jié)因子，在大多數(shù)細(xì)胞類型中都有組成型表達(dá)。

在tmTNF-α和sTNF-α刺激下，TNFR1從起抑制作用的SODD（silencer of death domain）蛋白中分離出來，TNFR1 可以結(jié)合TNF 受體相關(guān)死亡結(jié)構(gòu)域（TRADD），并募集其他適配器蛋白質(zhì)，包括TNF 受體相關(guān)因子2（TRAF2），受體相互作用蛋白-1 （RIP-1），細(xì)胞凋亡抑制蛋白1（CIAP1）和CIAP2形成復(fù)合體I［19-21］。隨后復(fù)合體I通過招募MEKK-3 并介導(dǎo)IKK 的激活，促進(jìn)NFκB核轉(zhuǎn)位，導(dǎo)致多個靶基因的轉(zhuǎn)錄。TNFR2胞內(nèi)區(qū)沒有死亡結(jié)構(gòu)域，因此不能與TRADD結(jié)合。但是，它可以直接與TRAF2相互作用以招募TRAF3、TRAF1、cIAP1和cIAP2［22］。因此，TNFR2和TNFR1具有共同的信號效應(yīng)，使NF-κB的激活。

3.2 IDD 中的缺氧適應(yīng)性反應(yīng)與NF-κB 椎間盤細(xì)胞生物學(xué)最重要的一個方面是，髓核細(xì)胞和內(nèi)部纖維環(huán)內(nèi)的細(xì)胞在血液供應(yīng)中被移除。起源于椎體的血管穿過終板的淺表區(qū)域，這些血管均未滲入髓核。因此，髓核細(xì)胞處于無血管、缺氧的組織生態(tài)位［5］。有研究報(bào)道缺氧有助于炎癥的發(fā)展，至少部分是通過激活或增強(qiáng)NF-κB 這種參與先天免疫、炎癥和凋亡的細(xì)胞信號通路［23］。椎間盤髓核細(xì)胞對缺氧的適應(yīng)性反應(yīng)受缺氧誘導(dǎo)因子HIF-1α和HIF-2α調(diào)節(jié)。此外，HIF-1α和HIF-2α的水平主要受氧依賴的蛋白酶體降解控制，并由HIF的脯氨酸4-羥化酶結(jié)構(gòu)域（PHD）家族的蛋白質(zhì)催化［24］。

缺氧是IDD 的微環(huán)境特征之一，可通過多種方式影響炎癥的進(jìn)展。HIF和NF-κB是兩種低氧應(yīng)答轉(zhuǎn)錄因子，它們控制著適應(yīng)基因和炎癥基因的獨(dú)立隊(duì)列，表現(xiàn)出高度的依賴關(guān)系。在慢性炎癥疾病中，組織缺氧導(dǎo)致PHD 活性降低，隨后激活HIF依賴的適應(yīng)性基因表達(dá)。炎癥配體的信號傳導(dǎo)導(dǎo)致NF-κB 活化和隨后的炎癥和抗凋亡基因表達(dá)。兩種通路之間廣泛的交叉作用也存在，包括NF-κB依賴的HIF-1αmRNA表達(dá)上調(diào)，HIF依賴的NF-κB 活性調(diào)控及HIF-羥化酶對NF-κB 信號傳導(dǎo)的調(diào)控［25］。

3.3 IDD 中的氧化應(yīng)激與NF-κB 退變性椎間盤的微環(huán)境以酸性pH、低營養(yǎng)、高滲透壓和炎癥為特征［26］。髓核細(xì)胞處于缺氧但不是完全厭氧的微環(huán)境中。髓核細(xì)胞對低氧微環(huán)境的適應(yīng)能力較好，仍具有一定的氧化代謝水平。然而，伴有新生血管形成的退變性椎間盤的特征是氧張力增加，同時高氧伴隨的是髓核細(xì)胞中線粒體源活性氧（ROS）的產(chǎn)生，導(dǎo)致氧化應(yīng)激和線粒體功能障礙，進(jìn)而導(dǎo)致髓核細(xì)胞過度凋亡、衰老和ECM降解［27］。

根據(jù)目前的研究，退變椎間盤中ROS 的過量產(chǎn)生導(dǎo)致的氧化應(yīng)激與NF-κB 途徑的激活息息相關(guān)。在線粒體ROS 觸發(fā)的分子機(jī)制中，NLRP3 炎癥小體因其在IDD 中的有害作用而被廣泛研究。NLRP3炎癥體的激活可以增加IL-1β的產(chǎn)生，會導(dǎo)致NF-κB 信號通路的激活與線粒體功能障礙，線粒體功能障礙又會加劇線粒體ROS和NLRP3炎性小體的激活［28］。Feng 等［29］通過對大鼠髓核細(xì)胞研究發(fā)現(xiàn)，Nox4，一種ROS 的生成酶，屬于NADPH 氧化酶（Nox）家族，在椎間盤中因高氧而大量表達(dá)，產(chǎn)生大量ROS，并可通過NF-κB 信號通路誘導(dǎo)髓核細(xì)胞的基質(zhì)降解和炎癥的表達(dá)。Yao 等［30］發(fā)現(xiàn)高糖（HG）抑制劑可以抑制HG 誘導(dǎo)的ROS/NF-κB 途徑造成的機(jī)體髓核細(xì)胞損傷和ECM降解。

3.4 IDD 中的衰老與NF-κB 衰老與椎間盤的一系列退行性改變密切相關(guān)，衰老的椎間盤細(xì)胞是不可逆的細(xì)胞周期阻滯，由于細(xì)胞凋亡或壞死，導(dǎo)致功能性和活性椎間盤細(xì)胞數(shù)量的逐漸減少，最終纖維環(huán)破裂和椎間盤高度降低等［3］?；|(zhì)蛋白多糖（PG）的丟失是椎間盤生物力學(xué)功能所必需的主要結(jié)構(gòu)成分，也是椎間盤老化的另一個普遍特征。一項(xiàng)模擬研究發(fā)現(xiàn)，NF-κB 是與哺乳動物衰老最相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子，并證明NF-κB 效應(yīng)器的一個子集的表達(dá)隨著年齡的增長而增加［31］。Nasto 等［32］在老化的椎間盤組織中發(fā)現(xiàn)了相比正常椎間盤升高的NF-κB 活性，敲除了NF-κB 亞基p65 等位基因的小鼠椎間盤細(xì)胞內(nèi)PG 含量較未退變的椎間盤細(xì)胞有所增加，加入IKK 抑制劑8KNBD后發(fā)現(xiàn)作用與基因敲除類似，PG合成量較未處理的顯著增加，提示IKK/NF-κB 信號通路在老化引起IDD中起重要作用。

4 IDD中NF-κB的靶基因

目前已知在人體中有超過150個基因受NF-κB調(diào)控，其中包括幾種炎癥介質(zhì)，如TNF-α、IL-1β、IL-6、（COX-2）、MMPs 和黏附分子等［33］。但在椎間盤中的靶基因還尚未完全可知。

IDD中有癥狀的椎間盤特征是炎癥因子水平升高，這些炎癥因子被認(rèn)為是典型的NF-κB靶基因，例如TNF-α、IL-1β等［34］。同時有些炎癥因子也是NF-κB的活化因素，從而構(gòu)建了一個正反饋回路。

Wang 等［8］總結(jié)了高表達(dá)的MMP 家族可能在促進(jìn)IDD 的進(jìn)展中發(fā)揮重要作用，其中MMP1、MMP2、MMP3、MMP9 和MMP13 已經(jīng)被鑒定為IDD 過程中的NF-κB 靶基因。ADAMTS 是一種新發(fā)現(xiàn)的金屬蛋白酶家族，ADAMTS-1、ADAMTS-4、ADAMTS- 5、 ADAMTS- 7、 ADAMTS- 12 和ADAMTS-15 在IDD 組織中的表達(dá)明顯高于非退行性組織［35］。ADAMTS-4和ADAMTS-5因其高效裂解蛋白聚糖而被普遍認(rèn)為是IDD 的主要侵襲性酶，并且認(rèn)為其依賴于NF-κB 通路［36］。椎間盤中的iNOS/NO 和COX-2/PGE2 系統(tǒng)激活的信號通路被證明是ROS依賴的NF-κB通路，NO和PGE2均能抑制髓核細(xì)胞中aggrecan的合成，從而導(dǎo)致IDD中ECM的破壞［37］。

除了對ECM 相關(guān)蛋白酶的調(diào)控，NF-κB 還靶向一些細(xì)胞因子發(fā)揮調(diào)控作用。單核細(xì)胞趨化蛋白-1（MCP-1），一種巨噬細(xì)胞的趨化因子，在小鼠IDD 細(xì)胞中的表達(dá)受到NF-κB 途徑的調(diào)節(jié)［38］。Gu 等［39］對椎間盤髓核細(xì)胞的體外研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)毒素引起的NF-κB 核轉(zhuǎn)移，誘導(dǎo)促炎細(xì)胞因子釋放，從而促進(jìn)細(xì)胞因子TGF-β 的活化。此外，抵抗素通過NF-κB信號通路與TLR4結(jié)合，上調(diào)趨化因子配體4（CCl4）在髓核細(xì)胞中的表達(dá)，導(dǎo)致巨噬細(xì)胞浸潤［40］。

在IDD 中活化NF-κB 還可能促進(jìn)多種凋亡調(diào)節(jié)因子的表達(dá)，如凋亡調(diào)節(jié)因子P53 和其下游BH3-Only Bcl-2 家族成員凋亡調(diào)節(jié)因子（PUMA）都與NF-κB密切相關(guān)［41-42］。

5 小結(jié)與展望

隨著人口老齡化的加劇，IDD 必將成為現(xiàn)在乃至將來的熱點(diǎn)問題。IDD 一直是骨科重點(diǎn)研究方向，根據(jù)現(xiàn)有的國內(nèi)外文獻(xiàn)研究，NF-κB 通路的研究是具有科研和臨床實(shí)踐價值的。NF-κB 可由椎間盤內(nèi)多種因素（包括炎癥因子、缺氧、氧化應(yīng)激和衰老等）激活，同時我們也總結(jié)了IDD中NF-κB 的靶基因（包括炎癥因子、ECM 相關(guān)蛋白酶、免疫因子以及凋亡相關(guān)基因等）。

通過靶基因研究，我們可以得到IDD 中的某些病理生理變化是由NF-κB 信號通路所介導(dǎo)的。此外，通過椎間盤內(nèi)NF-κB 激活途徑的研究可以幫助我們找到抑制NF-κB 通路激活的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，從而開發(fā)具有特異性NF-κB 信號抑制劑或者通過調(diào)控NF-κB 上游激活因素來達(dá)到對NF-κB 的抑制作用，對于預(yù)防和治療IDD 具有重要意義。我們對于NF-κB 通路的基礎(chǔ)研究還需進(jìn)一步深入，未來藥物學(xué)研究以及生物分子調(diào)控將被用于IDD，相信更好的療效及更低的副作用的手段將幫我們更好地應(yīng)對IDD的發(fā)生。