椎间盘退行性变的信号转导机制研究进展

李俊杰，梁舒涵， 彭奇，林斌,饶耀剑

(1湖南中医药大学，长沙410007；2河南省洛阳正骨医院 河南省骨科医院)



椎间盘退行性变的信号转导机制研究进展

李俊杰1，梁舒涵1， 彭奇1，林斌1,饶耀剑2

(1湖南中医药大学，长沙410007；2河南省洛阳正骨医院 河南省骨科医院)

摘要：椎间盘退行性变的发生是一个复杂的生理病理改变过程，受到很多因素调控。细胞信号转导途径是一个巨大且复杂的网络系统，每个信号通路之间相互联系、相互作用、相互交叉，共同协调细胞的生存、增殖、分化及凋亡。近年来研究表明，椎间盘退行性变与Wnt/β-catenin、NF-κB、促分裂素原活化蛋白激酶、脂酰肌醇-3激酶/丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶、转化生长因子β/Smads等多种信号转导机制有关，对上述机制进行深入研究，可能会为临床干预椎间盘退行性变及其保守治疗提供新的思路。

关键词：椎间盘退行性变；信号通路

椎间盘退行性变(简称椎间盘退变)是骨科常见病、多发病，是引起颈椎病、椎间盘突出症、慢性下腰痛、神经痛等症状的重要病理基础，其发病是一个复杂的慢性过程，发生机制至今尚未完全阐明。细胞信号转导途径是一个巨大且复杂的网络系统，每个信号通路之间相互联系、相互作用、相互交叉，共同协调细胞的生存、增殖、分化及凋亡。近年来研究表明，在椎间盘退变的过程中，存在着Wnt/β-catenin、NF-κB、促分裂素原活化蛋白激酶(MAPK)、脂酰肌醇-3激酶(PI3K)/丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶(Akt)、转化生长因子β(TGF-β)/Smads等多种信号转导机制的改变，深入研究椎间盘退变过程中信号转导通路的改变及其机制，可进一步了解该病的发病原因及过程，并为其治疗提供新的思路。本研究对上述与椎间盘退变有关的信号转导机制综述如下。

1Wnt/β-catenin信号通路

经典的Wnt信号通路由Wnt家族分泌蛋白、糖原合成激酶3、Frizzled家族跨膜受体蛋白Dishevelled、β-catenin等转录调节因子等构成。Wnt/β-catenin信号通路激活后，使β-catenin蛋白在细胞质聚集并向细胞核内转移，抑制其降解，并调控下游一系列靶基因的表达，以维持椎间盘细胞和细胞外基质的稳态，同时促进椎间盘细胞的生长发育、功能形成及老化。

Wnt/β-catenin信号通路在椎间盘退变过程中被激活，且发挥重要的调控作用。与腰椎间盘突出症患者比较，退变椎间盘组织与相同时间段腰椎创伤患者髓核组织中β-catenin mRNA和蛋白表达均升高。与正常髓核细胞相比，应用外源性TNF-α制备的兔椎间盘髓核细胞退变模型β-catenin和基质金属蛋白酶-13(MMP-13)mRNA表达均明显升高，Ⅱ型胶原mRNA和蛋白表达均明显减少；而应用Wnt/β-catenin信号通路抑制剂 DKK1后上述作用明显减弱[1]。Munetaka等[2]对不同MRI信号的比格犬的椎间盘进行培养，发现髓核组织MRI信号强度与β-catenin、Runx2 mRNA表达具有相关性，说明退变椎间盘组织中Wnt/β-catenin 信号通路的激活能增加Runx2表达，从而导致腰椎间盘钙化。 Wnt/β-catenin信号通路的激活可增加下游靶基因的表达，从而加速椎间盘的退变。

2NF-κB信号通路

NF-κB蛋白是由Sen等[3]在1986年于淋巴细胞抽提物中发现的，是一种能与免疫球蛋白轻链基因的增强子κB序列(GGGACTTTCC)特异性结合的核蛋白因子。NF-κB经典激活是由IkB激酶(IKK)介导完成的，IKK包括两个催化亚基(IKKα、IKKβ)和一个调节亚基(IKKγ)[4]。

研究表明，NF-κB在动物椎间盘退变髓核中的髓核细胞和软骨终板中的软骨细胞均呈阳性表达，而在其自身对照的椎间盘细胞中均呈弱阳性或阴性表达[4]。胡志军等[5]建立兔的椎间盘退变模型，并采用免疫组化染色观察不同时间点椎间盘NF-κB的表达，发现其在椎间盘退变早期表达明显，说明NF-κB对椎间盘退变的早期病变起促进作用。吴庆能等[6]在人退变椎间盘组织中也发现了 NF-κB的高表达，并认为其可能在椎间盘退变中起重要作用。Sun等[7]研究发现，与正常椎间盘组织比较，退变椎间盘组织中 NF-κB、MMP-13蛋白表达均升高，而给予NF-κB抑制剂BAY11-7082后这些蛋白表达均降低。Nasto等[8]研究证明，激活椎间盘细胞的NF-κB信号通路后其靶基因表达水平提高，部分基质降解酶和炎性因子合成增多，细胞外基质的降解增加，最终导致椎间盘退变。研究表明，与正常椎间盘相比，老化退变的椎间盘组织NF-κB活性增强；敲除NF-κB亚基p65等位基因后，正常与老化退变的椎间盘细胞内及细胞外蛋白多糖水平均升高，加入IKK抑制剂8K-NBD后其水平均发生了逆转变化，提示IKK/NF-κB信号通路在椎间盘退变的过程中起重要作用[8]。因此，NF-κB信号通路的激活与椎间盘退变的发生有关。

3MAPK信号通路

MAPK是一类能将细胞外刺激信号转换成广泛的细胞内反应的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，主要有细胞外信号调节激酶(ERK)、c-Jun氨基末端激酶(JNK)、p38MAPK和ERK5等4个主要亚族，在许多生理过程中发挥着重要的细胞信号转导作用[9]。目前研究较多的是ERK1/2、JNK1/2/3和p38MAPK信号通路[10~12]。

3.1ERK1/2信号通路Risbud等[13]研究证明，当鼠髓核细胞处于低氧环境中时，细胞内ERK1/2及p38信号通路均发生磷酸化，给予ERK1/2信号通路抑制剂PD98059后，鼠髓核细胞中α2整合素mRNA表达减少，从而进一步影响髓核细胞在低氧环境下的生存，而p38信号通路无明显抑制作用。刘瑞龙等[14]采用不同的渗透压梯度以及ERK1/2特异性抑制剂PD98059处理髓核细胞，发现突然的高渗透压(600 mOsm) 可以使兔髓核细胞凋亡明显增加，同时激活ERK1/2信号转导通路，但该信号通路在一定程度上具有抗髓核细胞凋亡作用。以上均说明ERK1/2信号通路对抑制椎间盘退变有一定作用。

3.2JNK1/2/3信号通路JNK于1990年被发现，是促MAPK超家族成员之一，有3个亚型，即JNK1、JNK2和JNK3[15]。研究表明，JNK信号通路在细胞的凋亡中发挥着重要作用[16]。董振辉等[17]在应用TNF-α诱导髓核细胞凋亡的实验中发现了磷酸化JNK/SAPK及磷酸化p38MAPK表达均升高，而应用JNK信号通路阻断剂SP600125及p38MAPK阻断剂SB203580后，无明显磷酸化JNK/SAPK及磷酸化p38MAPK表达，证实了外源性TNF-α可通过激活p38MAPK和JNK/SAPK信号通路而促进髓核细胞凋亡。

3.3p38MAPK信号通路p38MAPK由Brewster等[18]于1993年发现，存在p38α1/α2、p38β1/β2、p38γ和p38δ等6种异构形式，不同异构体的分布具有组织特异性。p38MAPK信号通路可被机械应力、渗透压变化、氧化、GPCR、IL-1和TNF-α等因素激活，并参与维持细胞的正常功能和介导炎症反应过程。研究发现，在人退变颈椎间盘的髓核细胞核和纤维环中均存在p38MAPK的异常表达，而且其表达水平与髓核细胞退变的严重程度呈正相关[19，20]。Studer等[21]在人髓核细胞中应用了p38MAPK信号通路抑制剂后发现，前列腺素E2合成明显减少，而MMP组织抑制因子1与MMP-3的比值明显升高，提示p38MAPK信号通路可能通过调节前列腺素E2、MMP的合成而参与椎间盘髓核细胞退变的病理生理过程。

4PI3K/Akt信号通路

受体酪氨酸激酶和G蛋白耦联受体的主要下游效应器为PI3K，受体酪氨酸激酶与PI3K复合物下游关键的近节点是Akt，PI3K/Akt信号通路能具有促进细胞增殖、抗细胞凋亡、调节葡萄糖和蛋白质的合成等作用。Sox9基因是与椎间盘退变密切相关的因子，具有促进合成Ⅱ型胶原和蛋白聚糖的作用[22]。Park等[23]研究发现，人椎间盘退变组织中Sox9和Ⅱ型胶原的表达均明显减少。Cheng等[24]研究发现，PI3K/Akt信号通路能调控髓核细胞中Sox9的表达，并提高其活性；而抑制PI3K/Akt信号通路后，Sox9启动子的活性和转录活性均明显降低，其表达也明显减少。Zhang等[25]研究发现，大鼠软骨终板细胞中类胰岛素生长因子可通过激活PI3K/Akt通路而上调Ⅱ型胶原的表达。因此，PI3K/Akt信号通路与椎间盘退变的发生有关。

5TGF-β/Smads信号通路

TGF-β超家族由分泌型多肽分子TGF-β、活化素、抑制素、骨发生蛋白等构成，具有广泛的生物学活性,已有研究证实其参与早期胚胎发育、软骨和骨的形成、细胞外基质的合成、炎症、间质纤维化、免疫和内分泌功能的调节、肿瘤的形成和发展等病理生理活动。Smads是细胞内重要的TGF-β信号转导和调节分子，可以将TGF-β信号直接由细胞膜转导入细胞核内。

Shoji等[26]研究发现，增加转基因小鼠的软骨间层蛋白表达，可抑制其体内的TGF-β/Smads信号通路，最终导致小鼠腰椎间盘形态及影像学表现发生改变，即导致腰椎间盘退变。朱兆华等[27]研究发现，与正常髓核组织比较，腰椎滑脱椎间盘髓核组织TGF-β1和Smad3表达均升高并呈显著正相关，且随着病程的延长和滑脱度数的增加，说明TGF-β/Smad信号通路参与了退变性腰椎滑脱的发病过程。但是关于该信号通路在椎间盘退变方面的研究尚处于初期阶段，其对椎间盘退变的具体作用及机制还有待进一步的研究。

综上所述，椎间盘退变与Wnt/β-catenin、NF-κB、MAPK、PI3K/Akt、TGF-β/Smads等信号通路有关。近年来，椎间盘退变信号通路的研究受到了国内外学者的重视，与椎间盘退变有关的各种信号通路不断被发现。从信号转导机制入手进行深入研究，可能会为临床干预椎间盘退变及其保守治疗提供新的思路。但目前国内外学者对于椎间盘退变信号通路的研究相对简单，仍需要对其进行更加深入的研究和探索。

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·综述·

收稿日期：(2015-05-06)

中图分类号：R681.5

文献标志码：A

文章编号：1002-266X(2015)48-0090-03

doi:10.3969/j.issn.1002-266X.2015.48.035

通信作者：饶耀剑，E-mail: 108689775@qq.com