老化椎间盘细胞中的相关信号通路研究进展

叶雨辰，张长春，朱坤，许刚



·综 述·

老化椎间盘细胞中的相关信号通路研究进展

叶雨辰1，张长春2，朱坤2，许刚2

椎间盘老化； 衰老细胞； 信号转导通路； 综述

椎间盘老化是一个长时间分子细胞损伤的积累过程，此过程损伤了组织细胞内稳态及最终生理功能上的衰退。许多类型的损失与老化的进程相关：损伤性蛋白的累积、线粒体损伤及功能障碍、端粒缩短、DNA损伤、质量控制机制失调。以及组织特异性祖细胞及组织再生能力消失。这些不同类型的损伤后果通过不同的老化特征来进行分类：基因组不稳定性、端粒缺失、细胞衰老、干细胞缺失及细胞间交流异场等[1]。这些椎间盘退变老化的诱因所知甚少。本文对椎间盘老化的特征及其中的相关信号转导通路加以总结综述如下。

1 椎间盘老化的特征

椎间盘出现年龄相关性退变要早于身体中的其他组织。基于对人类及不同动物模型的研究。这些年龄相关性改变包括组织裂纹增多增大、颗粒性杂质存在以及纤维环由外向内的新生血管形成。随着年龄的增长，髓核因其蛋白多糖及水分的丧失而呈现多纤维状，并逐渐出现裂纹以及尺寸的缩小和高度的降低。随着年龄的增长，以及氧化基质蛋白不断的积累，年轻时的透明、凝胶状的髓核渐渐转变成老年时黄色的纤维组织，其原因是棕色的色素沉着，如产生于脂质过氧化反应的脂褐素等。终板软骨的骨化及变薄、相邻软骨下骨的裂纹、骨质硬化及终板软骨中血管数量的急剧减少均可见于老化的机体中。终板软骨中血供的减少会导致椎间盘中营养供应的下降，进一步导致细胞废物的堆积以及内环境酸度和其它应激因子的增加，最终影响细胞功能。因此，阐述椎间盘老化机制将会为改善年龄相关性椎间盘退变提供可能。

2 老化椎间盘中的信号转导通路

生物分子损伤如DNA损伤等均会引发异常的信号级联放大，如果未加抑制将会造成进一步的分子损伤。众所周知，除了环境因素及行为特性以外，遗传学因素也会影响细胞的预期生命周期。大多数从不同模式中已经确认的长寿基因涉及到细胞中三分之一的主要信号通路：胰岛素/胰岛素样生长因子-1、长寿蛋白及mTOR。这三个通路调控着各种各样的细胞进程，包括细胞生长、细胞增殖、蛋白合成和转录机制。尽管已知当表达与髓核细胞中的SIRT1抑制椎间盘基质的新陈代谢和增殖时[2]，胰岛素样生长因子-1诱导椎间盘合成代谢活动，但信号通路在老化椎间盘中起到的作用还没有被探索。然而，除此三种通路之外也有信号被认为参与到应激反应和应激性衰老中，包括NF-κB，MAPK和HIF-1α等。

2.1 年龄相关性椎间盘退变中的NF-κB信号 NF-κB信号在细胞对炎症、应激和损伤的反应中起重要作用。NF-κB是由一大类结构相关的转录因子组成，在哺乳类动物中是由五种蛋白亚单位，RelA 或 p65，c-Rel，RelB，p50和p52。NF-κB作为一个同源二聚体或异源二聚体存在，其中p50-p65异源二聚体是控制NF-κB主要调控基因表达的最常见形式。NF-κB的长期激活与组织老化和年龄相关性退变疾病有关，包括骨骼肌肉疾病和骨质疏松症等。

NF-κB同时也参与年龄相关性椎间盘退变[3]。在椎间盘组织中，NF-κB的活性是用来显示与氧化应激和老化退变之间的联系[4]。通过药理及基因手段进行的系统性的NF-κB活性抑制在大鼠龄相关性椎间盘退变模型中年显示出一定的延缓及改善作用。大多数其他研究专注于NF-κB在延缓椎间盘退变及炎症方面的作用。椎间盘退变疾病中均可发现NF-κB活性的增高[3]。相比较于无症状的椎间盘，有症状的椎间盘具有较高的促炎症细胞因子水平，被认为典型的是NF-κB靶基因，如TNF-α，IL-1β，IL-6 及 IL-8[5]。总之，这些发现支持NF-κB慢性活性度紊乱在促进椎间盘退变及年龄相关性椎间盘退变中起到的作用。

2.2 椎间盘生物学及椎间盘老化中的MAPK信号 丝裂原活化的蛋白激酶(MAPKs)是一类调控细胞对细胞外分子做出应答的信号转导通路，如激素、生长因子、炎症因子及电离辐射和渗透压力等环境因素[6-7]。在哺乳类动物中，这些不同的信号至少激活三个主要的MAPKs亚家族，细胞外信号调节激酶(ERK)，JNKs和p38亚型[8]。MER/ERK及JNK的激活会诱导细胞衰老。另一方面，p38MAPK的激活既是细胞衰老的标志又在衰老相关性分泌表型的形成过程中起到重要作用[9]。与体外数据一致，在通过激光捕获显微切割分离出来的衰老纤维环细胞中，p38MAPK表达的上调已经被报道。

分解代谢过程中的多种组分(如MMPs, ADAMTSs,COX-2, PGE2, iNOS等)均由MAPK蛋白家族所调控。许多分解syndecan-4盘组织中，主要的促炎症细胞因子有IL-1β与TNF-α、激活的ERK和/或p38以及分解代谢分子如ADAMTs-4，MMP-3或syndecan-4[10-13]。激活MAPK的抑制物会阻滞这些进程，这意味着MAPK的调节可能会起到延缓椎间盘退变及老化的作用[11]。

椎间盘细胞过度增殖和细胞簇的形成是椎间盘退变的特征。这被认为是由于生长因子及其受体的超表达所造成[14]。生长因子如PDGF，IGF-1或bFGF等会通过ERK刺激细胞增殖，间接证明了MAPK在椎间盘退变中起到的作用[15]。相反，高渗条件会阻滞ERK并通过激活p38MAPK暂停G2/M期，同时抑制生长因子的促分裂效应，这意味着退变椎间盘中的渗透浓度降低会刺激细胞增殖。椎间盘老化是否参与到细胞增殖及聚集的信号通路中还需要进一步的研究。

2.3 椎间盘生物学及老化椎间盘中的HIF-1α信号 许多椎间盘老化在分子层面的讨论认为髓核及内部纤维环细胞的生理改变十分重要。处于缺氧和高渗状态下的髓核细胞会形成一套受转录因子HIF-1α和HIF-2α活动支配的新型缺氧信号通路[16-17]。髓核细胞在含氧量正常条件下所结构性表达的HIF-1α和HIF-2α不同于其他细胞类型HIF-1α蛋白在缺氧状况下所表现的活性及稳定性。事实上，髓核细胞部分或完全耐受于丙基羟化酶依赖的降解[18-19]。同样，髓核细胞中的HIF-1抑制因子同其它类型细胞一样无法控制HIF-1α的转录活性[20]。HIF-1的基本表达会对髓核细胞产生重要的代谢影响，全过程需要进行糖分解及需氧呼吸。除了代谢改变，HIFs还通过上调几种关键基因提升了髓核细胞的活力及功能，其中包括蛋白多糖、半乳凝素-3，β-1,3葡萄糖醛酸转移酶1[21]以及血管内皮生长因子-A。在鼠类脊索中通过Foxa2-Cre条件敲除HIF-1α基因会导致髓核细胞在出生时大量凋亡或死亡的试验证明了HIF-1对于髓核细胞生存是不可或缺的[22]。因此，HIF信号在髓核细胞生理性适应及功能中所起到的重要作用意味着其调节异常会促使细胞老化和退变。

HIF信号在机体老化中所起到的作用最近已经阐明。由于细胞核NAD+含量的下降所导致的HIF-1α的活动失调会干扰到细胞核与线粒体之间的协调性活动，并导致线粒体功能障碍及老化加速[23]。然而，其他研究表明HIF-1会在抑制细胞衰老中起到作用[24]。考虑到稳定的HIF-1α表达对于髓核细胞存活及功能的重要性，为了阐述失调的HIF信号会促使细胞老化这项结论，这些矛盾的结果需要进行进一步的研究。在病理状况下，存在一种可能的机制参与到HIF与NF-κB通路交联之中[25-26]。TNF-α通过NF-κB通路控制着PHD2,3的表达，而PHDs依次用于控制NF-κB中的p65/RelA的反式激活。重要的是，PHDs通过促使细胞因子与趋化因子表达来控制依赖TNF的炎症反应[25-26]。梳理HIF与NF-κB通路之间复杂的相互作用与可能的调节异常在椎间盘老化中的作用机制则需要更多的研究。

3 从信号转导角度延缓椎间盘退变的潜在治疗方案

从切断异常信号转导角度来治疗年龄相关性椎间盘退变成为可能。一个可能的途径如下，NF-κB通路的长期激活与年龄相关性疾病密切相关。先前的研究证明了对NF-κB活动的阻滞可以延缓椎间盘的退变[27]。此外，在动物模型实验中，于椎间盘内注射NF-κB诱导的寡核苷酸被证明对恢复椎间盘高度部分有效，这意味着椎间盘外基质成分的丢失与NF-κB激活的失调有关。

4 展望

在老化椎间盘中细胞衰老和NF-κB信号的失调近期已被揭露，研究还阐明了椎间盘组织中其他重要的老化标志物如线粒体功能障碍、干细胞衰竭、细胞间通讯改变以及基因表型改变。椎间盘独特的生物特性包括机械负荷、养分匮乏及缺氧环境等均为探索椎间盘区别于其他组织的衰老机制提供了优越的条件。重要的是，椎间盘老化是一个系统性的过程，其并不会孤立地发生，并且会受脊柱中其他邻近结构、循环因素以及远处组织和器官的老化所影响。因此，不仅仅是椎间盘，全脊柱老化的研究在未来是个重要的方向。广泛的多层次的研究途径对于研究延缓脊柱年龄相关性疾病的治疗方案的发展是十分必要的。随着人口老龄化现象的普遍存在，衰老则成为椎间盘退变相关性慢性疼痛和功能障碍的一个很大的风险因素。

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1.蚌埠医学院 研究生部,安徽 蚌埠 233030;2.蚌埠医学院第一附属医院 骨科,安徽 蚌埠 233030

叶雨辰(1991-)，男，在读研究生。

10.14126/j.cnki.1008-7044.2017.01.054

R 681.5

A

1008-7044(2017)01-0121-03

2016-04-25)