退变椎间盘细胞细胞因子分泌的改变及其影响

范宇栋,吴小涛

(1.东南大学医学院,江苏 南京 210009; 2.东南大学附属中大医院 骨科,江苏 南京 210009)

下腰痛及坐骨神经痛是骨科最常见的临床症状之一,Cassidy等[1]调查发现,美国成年群体年累计发病率为18.6%;每年有40万人因下腰痛而不能正常工作。据统计[2]美国每年花费在治疗腰痛的费用在1 000亿美元左右。对此病的临床治疗主要分为以镇痛、理疗为主的保守治疗及以切除病变椎间盘为主要术式的手术治疗,这些治疗策略虽可缓解症状却对社会造成较重负担且难以扭转退变,尚有小部分患者治疗效果不确切。

目前对椎间盘退变机制的研究,形成了以椎间盘细胞老化凋亡异常、酶及细胞活性物质异常为主流的养分枯竭机制、生物力学机制、自身免疫反应机制等多种学说。无论椎间盘细胞老化或是凋亡,都引起可增殖细胞数目的减少而发生椎间盘退变;但与细胞程序性凋亡不同,老化细胞仍具有代谢活力,却形成老化细胞特有的分泌表型,导致邻近细胞的生存微环境恶化,其中众多炎症因子及营养因子的失平衡对周围微环境的恶化作用显著,本文将对其中4种细胞因子的分泌改变及其影响做一综述。

1 白细胞介素(IL)

IL是体内广泛存在的在传递信息、调控免疫细胞及炎症反应过程中起重要作用一类细胞因子,分子结构繁多且具有统一命名,椎间盘退变研究中常见的有IL- 1、IL- 2、IL- 6等。

Le Maitre等[3]与Kalb等[4]实验均独立证实老化椎间盘细胞IL- 1、IL- 6的表达明显升高,正常椎间盘组织内检测不到IL- 1、IL- 6及其受体的表达。基质金属蛋白酶(MMPs)是椎间盘内调节基质代谢的酶系统之一,它与其他降解酶系统(例如胶原酶、基质溶解酶等)的活性升高会对相应的底物产生分解和破坏作用,介导及加剧椎间盘的退变。研究发现,IL- l及肿瘤坏死因子-α(TNF-α)可刺激MMPs高表达。Liu等[5]用外源的IL- 1β刺激体外培养的人椎间盘,发现MMPs在其髓核组织中的生成明显增加。还有研究证实IL- 1可以刺激软骨素酶ABC的产生,而软骨素酶ABC又可以激活胶原酶。IL- 1可以抑制组织金属蛋白酶抑制剂(TIMPs)的合成[6]。IL- 6同样是重要的炎症介质,Burke等[7]在体外培养退变椎间盘细胞中测得IL- 6等炎症因子表达;Specchia等[8]通过椎间盘组织免疫组织化学实验证实退变椎间盘内IL- 6及其受体IL- 6R的表达,而二者在健康椎间盘内并无表达。近期研究[9]发现,IL- 6与IL- 6可溶性受体处理体外培养的人体椎间盘细胞可以下调胶原及蛋白多糖的转录及合成。

细胞的老化凋亡、基质降解退变等过程,使椎间盘内可增殖细胞数量减少、椎间盘细胞生物学行为及基质成分改变,最终体现为椎间盘结构功能的退变。另有报道指出,椎间盘内另一种表达增多的炎症因子——TNF-α,既可以刺激培养的椎间盘细胞上调表达IL- 1β,反过来,TNF-α及Ⅱ型TNF受体也可以受IL- 1β刺激而表达上调[10],两者在椎间盘细胞的老化凋亡及基质降解作用过程中有着相似的作用,两者相互级联形成“恶性循环”,可能为椎间盘退变进展的重要机制。

2 TNF- α

TNF-α是一种炎症早期产生的细胞因子,其生物学活性主要为杀伤某些细胞、抗病毒感染等;在炎症反应中是激活细胞因子级联反应的主要介质。TNF-α在椎间盘的退变中发挥着重要作用。TNF-α诱导椎间盘细胞产生MMPs,降解基质中的蛋白多糖、糖蛋白(例如纤维粘连蛋白、明胶和层粘连蛋白)、弹性蛋白以及胶原。Purmessur等[11]研究发现,TNF- α处理牛椎间盘模拟出了类似人椎间盘退变的蛋白多糖降解代谢及致炎因子合成活跃的表现,该效应不可逆。Seguin等[12]的研究结果指出在类似生理水平的TNF-α作用下,蛋白多糖及Ⅱ型胶原的基因表达即明显抑制,积累总量明显下降;而诸如基质金属蛋白酶- 1,3,13(MMP- 1,MMP- 3, MMP- 13)及聚蛋白多糖酶ADAMTS4、ADAMTS5的表达及活性上调[23]。Millward- Sadler等[10]指出,虽然TNF-α诱导椎间盘细胞产生MMPs的作用不及IL- 1β,但是TNF-α可以诱导IL-1β、IL- 1Ra、TNF-α及TNF- R2的表达。

Weiler等[13]认为TNF-α的表达与椎间盘退变程度及年龄增长密切相关,退变椎间盘组织中TNF-α确实存在。但是在这个研究中,TNF-α同样在婴幼儿椎间盘尸检样本中发现,这可能与婴幼儿生长过程的血供减少引起椎间盘微环境变化有关。TNF-α在椎间盘退变中可能更多扮演着推波助澜的作用,此观点有待实验进一步验证。另有实验[14]表明,随着椎间盘退变程度加重及年龄增长,椎间盘细胞的TNF-α的特异性受体及TNF-α活化酶表达增多,这意味TNF-α作用通路的各个环节均受到强化。

TNF-α及其受体表达的增多及功能的亢进,一方面抑制椎间盘基质表达,促进降解酶的合成,破坏了基质总量平衡;另一方面,通过刺激分泌其他炎症因子发挥协调作用,产生更加复杂的生物学效应,加重了椎间盘退变。

3 胰岛素样生长因子- 1(IGF- 1)

IGF- 1具有维持体外培养细胞表型、促进细胞外基质合成、抑制细胞凋亡和促进细胞增殖等作用。Okuda等[15]研究表明，IGF- 1发挥作用主要由IGF- 1R特异性介导。Osada等[16]证实了小牛髓核细胞转录与表达IGF- 1及其受体,且小牛髓核细胞表面分布明显多于成牛;对髓核细胞蛋白聚糖的合成及积累刺激作用呈剂量依赖性。谢洋等[17]实验发现,退变人体椎间盘组织中IGF- 1、IGF- 1R的表达明显低于正常椎间盘,退变椎间盘细胞的细胞增殖指数较低、细胞凋亡指数较高,与正常组有统计学差异,推测IGF- 1、IGF- 1R表达下调与椎间盘退变密切相关。王磊等[18]发现,在人退变椎间盘细胞培养液中加入IGF- 1能使其合成Ⅱ型胶原的能力显著提高。IGF- 1和TGF-β可通过降低MMP- 2的活性影响细胞外基质总量的积累[19]。Gruber等[21- 22]报道适当浓度的IGF- 1能有效抑制体外培养纤维环细胞的衰老和凋亡,说明IGF- 1具有保持可增殖细胞数量的作用。Zhang等[22]报道IGF- 1具有抑制IL- 1β介导的髓核细胞凋亡的作用,在保护细胞方面起重要作用。

IGF- l通过自分泌和旁分泌机制抑制椎间盘软骨样细胞衰老及凋亡,促进其分泌细胞外基质,同时抑制MMPs的活性及IL- 1β的致退变作用,在抗椎间盘退变机制中发挥着重要作用。它们在退变椎间盘组织中含量减少,意味着椎间盘内修复与更新能力下降及破坏与退变过程的加剧。

4 转化生长因子- β(TGF- β)

TGF-β在细胞外基质的产生及凋控方面起重要作用。在椎间盘退变方面研究较多的是TGF-βl、TGF-β2、TGF-β3 3种。Matsunaga等[23]报道在小鼠椎间盘研究中有TGF-β与其特异性受体的存在;而Tolonen等[24]与Burke等[7]分别在人未退变椎间盘组织检测到TGF-β1,在退变椎间盘组织中TGF-β的表达明显下降。

关于TGF-β在椎间盘组织中意义的研究,Walsh等[25]通过椎间盘间注射TGF-β等生长因子促进椎间盘髓核细胞合成蛋白多糖、Ⅱ型胶原,提升了细胞增殖率,延缓甚至逆转椎间盘的退变;Jin等[26]指出,他们在实验中阻断TGF-βⅡ型受体途径后,解除了对MMP- 13基因表达的抑制,提示TGF-β对维持椎间盘细胞正常特性必不可少。其作用的另一方面显示对椎间盘不利的一面。Peng等[27]实验发现破裂纤维环肉芽组织区TGF-β等生长因子及其受体含量远远高于非肉芽组织区及正常椎间盘组织,认为TGF-β的表达可能在椎间盘破裂的修复及后续继发的椎间盘退变过程中发挥作用;Tolonen推测,包括TGF-β1在内的各种生长因子相对于在正常椎间盘内的表达模式的差异可能与椎间盘内级联退变反应密切相关[28]。而Nerlich等[29]认为,鉴于TGF-β1与纤维连接蛋白表达的相关性,以及椎间盘内发生的基质异常重构现象,TGF-β1在促进基质合成的同时,扰乱了基质的均衡,同样引起对椎间盘的不利影响。

TGF-β2与TGF-β1有相同的活化形式和信号转导系统,同源性较高。TGF-β2可以促进软骨蛋白聚糖和Ⅱ型胶原的合成,抑制细胞外基质降解。柯新等[30]在兔纤维环损伤致椎间盘退变的模型中发现TGF-β2随着椎间盘退变程度的加重而下降,推测TGF-β2下降可能是椎问盘退变的机制之一。Risbud等[31]在培养基中分别加入TGF-β1、TGF-β3培养椎间盘后,发现均能有效维持细胞表型、促进基质及TGF-β受体合成,但TGF-β3更能提高关键性基质的合成,保持转化生长因子受体表达,降低胶原转型等。Haberstroh等[32]研究表明TGF-β3尚能诱导细胞分化,上调基质分子及Ⅹ型胶原的表达 。

5 椎间盘细胞分泌表型的改变及其影响

长期以来,人们对老化细胞的认识不只停留在其增殖障碍以及继发的细胞数量减少,而且更加关注细胞老化后所表现的特殊生物学行为。椎间盘退变区域不仅细胞外基质成分和TGF-β、IGF- 1等营养因子及TIMPs等基质降解酶抑制剂合成缓慢、分泌不足,MMPs、聚蛋白多糖酶ADAMTs等基质降解酶表达活跃、活性升高;而且倾向于表达更多的TNF-α，IL- 1、6、8等致炎因子及其受体,直接抑制促合成及抗降解机制,促进基质降解过程,并有可能通过自分泌/旁分泌途径及相互间协同作用,形成级联效应、交织成网[33],最终恶化临近组织的微环境。对于老化过程中椎间盘细胞分泌表型的改变及其意义的研究,将有助于对于椎间盘退变过程与机制的全面理解,这使得利用生物学手段来修复退变椎间盘成为可能,尽管椎间盘退变的生物学疗法在实验中已取得一定效果,但是实际临床应用仍面临很多问题,具体作用环节、干预时机、治疗方案的选择,以及如何阻断病理生理的级联效应将是摆在我们面前的一项重大课题。

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