椎间盘退变机制研究现状及生物治疗展望

李文举 李亦梅

（新疆医科大学第一附属医院疼痛科，乌鲁木齐 830054）

椎间盘退变机制研究现状及生物治疗展望

李文举 李亦梅*

（新疆医科大学第一附属医院疼痛科，乌鲁木齐 830054）

∙综述∙

椎间盘退变性疾病的发病率与复发率较高，严重影响患者的工作及日常生活。目前的治疗方法主要是缓解疼痛症状或神经受压症状，却无法阻止退变进程，这也是导致高复发的主要原因之一。目前的研究认为，椎间盘退变是一个与细胞外基质数量减少、细胞老化凋亡、炎性介质刺激和血管增生等相关的复杂程序。大量实验研究提示，椎间盘再生活性物质、干细胞移植、自体软骨细胞移植、基因治疗等方法可以不同程度地增加椎间盘细胞和基质数量，促进椎间盘再生或修复，从而逆转退变进程。日益进展的分子生物学、细胞生物学和组织工程技术为椎间盘退变的治疗提供了新的契机，而上述方法大多处于动物实验或体外实验阶段，临床应用尚存诸多挑战。本文旨在讨论椎间盘退变细胞生物学变化的研究现状，以展望未来生物治疗椎间盘退变的前景。

1 椎间盘结构功能特点

椎间盘相当于一个微动关节，由纤维环、髓核、上下软骨终板三个独立部分构成。纤维环由胶原纤维束的纤维软骨构成，位于髓核的四周，由环状、薄片状富含胶原纤维密集排列，主要为Ⅰ型胶原纤维。外层纤维环主要由高浓度的Ⅰ型胶原纤维构成，Ⅱ型胶原纤维含量随着靠近内层而逐渐增加。纤维环的纤维束相互斜行交叉重叠，使纤维环成为坚实的组织，外层纤维环的主要功能是抵抗拉应力（包括横向、纵向、扭力），髓核主要功能是抵抗压应力，而内层纤维环的功能兼而有之。髓核是一种弹性胶状物质，由随机排列的胶原纤维、放射排列的弹性纤维和高含水蛋白多糖组成[1]。髓核内的高含水蛋白多糖是维护椎间盘渗透压的必要组成成分，对椎间盘的承重性能有重要影响。位于椎体上下两端的软骨终板由透明软骨和软骨细胞密集构成，担负着为椎间盘提供营养、清除转运废物的通道作用[2]。椎间盘为脊柱活动提供一定的弹性空间和减震效果，椎间盘三部分结构完好无损是保证其正常功能的前提。

2 椎间盘退变细胞生物学变化

椎间盘退变主要表现为细胞外基质的减少，髓核内软骨样细胞减少、水合反应降低、结构完整性破坏，承载负荷能力下降，血管增生。但迄今为止对其发病机理认知仍然有限，目前研究较多和广为接受的主要有以下几方面：

2.1 椎间盘基质降解——基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases,MMPs）

因椎间盘细胞外基质破坏导致的椎间盘基质结构混乱是椎间盘退变的主要标志。针对椎间盘基质的主要成分，椎间盘细胞分泌了多种酶来溶解破坏，其中最主要的酶就是MMPs。大量实验证明，MMPs在退变椎间盘中表达增高。MMPs是一个蛋白水解酶家族，参与水解退变椎间盘基质所有主要组成部分，包括糖蛋白、蛋白多糖，尤其是胶原蛋白。在正常生理条件下，MMPs的效能受自身活化机理以及内生金属蛋白酶抑制剂（tissue inhibitor of matrix metalloproteinases,TIMPs）控制；然而在各种病理条件下，MMPs与 TIMPs 之 间 的 失 平 衡 产 生 病 理 性 水 解 作 用[3]。Bachmeier等[3]对 37 个突出或退变的椎间盘与正常椎间盘的MMPs-1，-2，-3，-7，-8，-9，-13，以及 TIMPs-1和 TIMP-2 的 mRNA 表达水平进行一个定量分子分析，发现 MMP-3 mRNA 的表达水平显示出一贯和大幅上调的趋势，同样的趋势在MMP-8也得到显示，只是幅度略小；另一方面，TIMP-1 与 TIMP-2 的 mRNA表达水平及上调幅度与前者几乎并行，只是后者表达 水 平 略 低[4]。 由 于 此 类 定 量 分 析 的 实 验 研 究 报 道较少，MMP-3 与 MMP-8 是否在水解破坏椎间盘基质的过程中扮演主要角色还有待进一步验证。除MMPs外，有一种被称为金属蛋白酶域蛋白（ADAMTS）的蛋白酶类也在退变椎间盘组织中广泛获得，被证明与退变相关[5]。

2.2 椎间盘细胞衰老和细胞凋亡

退变椎间盘外观形态的改变间接反映细胞水平的变化。导致椎间盘功能细胞数量减少及细胞活性改变的主要包括细胞衰老和细胞凋亡两个进程。Gruber等[6]研究发现，与衰老密切相关的半乳糖苷酶（senescence-associated β-galactosidase,SA-β-gal）在人类 退变或突出的椎间盘中染色加深，并以此推测细胞衰老可能是椎间盘退变的病理机制之一。细胞衰老在椎间盘退变中可能是不断发生发展的[7]，衰老的髓核软骨细胞在髓核中的积聚随着年龄增长而增加，且会推进退变进程[8]。

经典的细胞凋亡通路主要包括死亡受体途径、线粒体途径和内质网途径。目前已有证据表明，椎间盘的细胞凋亡与以上三种途径均有关联，且椎间盘的细胞凋亡通过三种途径共同完成。只是内质网途径在轻度退变阶段比在中度和重度阶段扮演更重要的角色，死亡受体途径在轻度和中度阶段更活跃，而线粒体途径在中度和重度阶段发挥更重要的作用，且细胞凋亡在椎间盘突出形成后可能会加速[9]。Wei等[10]的体外研究发现，肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor,TNF）和过氧化氢（H2O2）可以诱导椎间盘细胞凋亡，导致细胞外基质数量减少；同时还发现，骨形态发生蛋白-7（bone morphogenetic protein-7, BMP-7）可以有效抑制该诱导过程，使细胞外基质的生产即使处于细胞凋亡的环境仍能持续进行，也许BMP-7可以成为未来治疗策略的新角色。随着椎间盘的老化和退化，其细胞结构、分子、机械性能以及纤维环与髓核之间的界限都会发生改变。胶原成分的变化和蛋白多糖含量的下降可导致椎间盘结构完整性的破坏、水分减少和承载负荷的能力降低[11]。

2.3 髓核炎性介质的释放

髓核组织是一个能够响应环境而产生炎性介质的活跃组织。椎间盘源性下腰痛患者的椎间盘内有高水平的炎性介质，提示由髓核产生的炎性介质可能是引起下腰痛的主要原因。Moroney 等[12]研究发现 ，白 细 胞介 素-6（interleukin-6,IL-6）和 IL-8 可以 引发炎性级联反应，导致中性粒细胞和巨噬细胞的趋化作用；因 IL-8 自身可以诱发痛觉过敏，这可能是导致疼痛加重的原因之一；而酸中毒和炎性条件可刺激多种细胞因子释放，对炎症反应推波助澜[12]。尤其值得注意的是，TNF-α和 IL-1β可通过调控共结合蛋白 多糖-4（Syndecan-4,SDC-4）的表达，提 高解聚 ADAMTS-5 的活性，从而促进蛋白多糖的降解，从而加重椎间盘退变进程[13]。目前为止，已有研究涉及多种炎性介质：IL-1α，IL-1β，IL-6，TNF-α，粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（Granulocyte macrophage colony factor,GM-CSF），IL-8，趋化因子（regulated upon activation normal T cell expressed and secreted,RANTES）和IL-10。除此之外，炎性介质还有白三烯 B4（leukotriene B4,LTB4），血栓素 B2（Thromboxane B2,TXB2）和 前 列 腺 素 E2（prostaglandin E2,PGE2）等 。 炎 性 介质的研究较多，但针对某具体因子的作用，不同研究的结果尚存矛盾，但大家广泛认知其为引起下腰痛的重要原因之一。

2.4 血管增生

除最外层纤维环有小毛细血管，健康成年人的椎间盘无血管组织。而在胎儿早期，内层纤维环及软骨终板均有血供，直到约2岁时血供逐渐减少、消失[14]。早已有研究表明，退变、突出的椎间盘普遍存在血管增生的现象。且不同的生长因子，如成纤维细胞生长因子（basic fibroblast growth factor,bFGF），血 管 内 皮 生 长 因 子（vascular endothelial growth factor,VEGF），转 化 生 长 因 子 -β（transforming growth factor-β,TGF-β）等已被确认对血管增生有积极调节作用。有证据表明，促进血管形成的一系列因子、VEGF参与了椎间盘血管化的过程，血管增生会影响椎间盘退行性变患者术前与术后的生活质量，可能是预后的重要影响因素；患者可以通过避免血管生成相关因素（控制体重、注意休息、控制吸烟等）来预防椎间盘血管增生[15]。值得注意的是，血管增生对椎间盘退变的影响至今尚存争议：一方面，这可能是椎间盘自我修复的表现，代表椎间盘具有一定的自我修复能力；另一方面，血管的增生对椎间盘组织的组成成分及结构功能可能产生消极影响，是引起椎间盘进一步退变的因素，这可能是下一步研究的重点之一。

3 未来治疗的新策略——生物治疗

目前认为，椎间盘退变所造成的椎间盘突出症经保守治疗6周失败的患者，可依据影像学改变来选择实施手术治疗或继续长期保守治疗[16]。但不论保守治疗或手术治疗，均无法阻挡椎间盘退变的进程。并且，目前作为手术金标准的椎体融合术有明显的缺点：融合的椎体之间失去灵活性，会增加邻近椎间盘的应力，促进其退变[17]。随着椎间盘退变机理研究的深入，生物治疗的研究逐渐进入大家的视野。

生物治疗旨在针对椎间盘退变级联反应的某一环节进行干预，预防和管理椎间盘退变，增加合成代谢，改善受损髓核和纤维环细胞的功能，阻止或扭转退变进程。目前，文献报道了以下几种生物治疗策略，主要是针对椎间盘细胞衰老或凋亡，以及细胞外基质的减少，大多处于动物试验或体外试验阶段：① 椎间盘内注入活性因子（生长因子、细胞因子、合成代谢酶等），是目前研究最广、应用潜力较大的新方法[10,18-29]（表 1），但由 于各因 子 在体 内 活性存 在时间较短，很难持续发挥作用，尚需进一步研究临床应用 的 方 法 ；② 干细胞移植，Doniel等[30]总结 了 18 篇干细胞治疗椎间盘退变的文献报道，虽然效果喜忧参半，但仍预示出不可忽视的潜力；③ 自体软骨细胞移植[31]，技术上可行，效果也可观；④ 构建椎间盘复合体[32]，运用组织工程方法，以壳聚糖、蚕丝、胶原蛋白、藻朊酸盐或纤维蛋白为支架，种植软骨细胞或干细胞，构建出完整或部分椎间盘复合体，植入体内，修复椎间盘结构及生物力学的完整性，但支架的选择尚存争议，且操作难度大，目前还处于初级研究阶段；⑤基因治疗，以病毒等为载体，针对椎间盘退变级联反应的某一环节，引进外源目的基因到宿主细胞，如增长/分 化 因 子 -5 基 因（adenovirus growth and differentiation factor-5,Ad-GDF-5）治疗[33]、GDF-5 cDNA 治疗[34]等。基因治疗直指发病机理的根本所在，从长远来看前景。

表1 椎间盘再生相关活性因子的文献报道

生物治疗是未来椎间盘退变治疗的新策略之一，但应用于临床尚存诸多问题，如技术要求高、价格昂贵、活性因子持续时间较短、植入体内方法的确立、临床疗效评价方法等。而目前治疗方法的诸多局限性，使新方法的探索蕴含巨大潜力。

综上所述，随着一系列基础研究成果的陆续报道，人们对椎间盘退变发病机制及细胞生物学变化的认识正在逐步加深。目前，一些针对其发病机制之基质减少和细胞老化或凋亡的方法已经许多动物实验或体外实验证明有效，但在进入临床试验及临床应用前应做好充分评估。针对退变椎间盘诸多炎性介质释放等造成的疼痛症状，可以应用一些缓解疼痛的方法，在急性期进行辅助治疗，以减轻患者的痛苦。但要从根本上治疗疾病，生物治疗的深入研究势在必行。

[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,Wälchli 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