骨化相关基因在椎间盘退行性变中的作用机制研究进展

施强慧，董敏杰，徐 辰，罗盛昌，吴晓东，刘 洋，陈华江，袁 文*

1. 海军军医大学基础医学院学员十二队，上海 200433

2. 海军军医大学附属长征医院骨科，上海 200003

椎间盘退行性变（IDD）是脊柱外科常见病和多发病，会引起一系列临床症状，是下腰痛及颈肩痛的主要原因，严重影响患者生活质量。IDD是一个多因素过程，包括基因因素、代谢和生物力学损伤等。发生退行性变的椎间盘会通过应力失衡、血供障碍、免疫反应、炎性因子介导等相关因素进一步导致相应症状及疾病的发生，而这些过程都与炎性因子密切相关［1］。炎性因子引起炎症级联反应放大，并趋化巨噬细胞、肥大细胞、中性粒细胞、T细胞、B细胞等免疫细胞沿浓度梯度聚集于椎间盘，释放炎性介质，进一步加剧IDD［2］。然而炎症作为已知的影响椎间盘的重要因素之一，其具体下游机制尚未完全阐明。近年研究表明，Runx2、BMP2、AGE-RAGE、IBSP等骨化相关基因在IDD中起重要作用［3-5］，认为骨化相关基因及通路可能参与炎症调控IDD的机制中。本文就近年关于BMP2、Runx2、糖基化终末产物（AGE）-RAGE、IBSP等骨化相关基因在IDD中的作用及机制进行归纳总结，以期为IDD相关疾病机制研究提供思路。

1 IDD的分子机制

IDD是个多因素过程，而炎性因子在IDD过程中发挥重要作用。白细胞介素-1（IL-1）、IL-6、IL-8、IL-10、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF）等均能促进IDD发生［6-8］，尤其IL-1β与TNF-α作为IDD模型建立的标准诱导因子已被广泛接受。细胞凋亡途径也是学者关注的方向，有报道显示，凋亡相关因子配体（FasL）在椎间盘髓核中可诱导细胞毒性T细胞入侵，从而造成细胞凋亡。FasL的表达在B细胞和T细胞平衡的维持中发挥了重要作用［9］。

基质降解因子在IDD中也起重要作用。炎性因子可通过下游激活基质金属蛋白酶（MMPs）、解聚蛋白样金属蛋白酶（ADAMTS）或金属蛋白酶组织抑制因子（TIMP）等基质降解相关基因的表达影响IDD［10］。在体外培养人髓核细胞的实验中发现，转化生长因子-β1（TGF-β1）和IL-1β参与细胞外基质的合成与降解，TGF-β1可降低ADAMTS-4、ADAMTS-5的表达，增加TIMP-3的表达；IL-1β处理后可显著增加ADAMTS-4、ADAMTS-5的表达，而对TIMP-3的表达无明显影响［11］。TNF-α表达增多，继而活化NF-κB，也导致ADAMTS-4、ADAMTS-5表达增加［12］。

而在基质合成方面，具有调节多项细胞生理功能的TGF-β超家族起到了主导地位［13］。TGF-β1能够促进人发生退行性变的髓核细胞合成Ⅱ型胶原蛋白（COL-Ⅱ），TGF-β3能够增加鼠髓核细胞中ERK蛋白磷酸化，激活ERK信号通路，从而引起鼠髓核细胞外基质的基因表达增强，蛋白多糖含量增加［6-8］。在目前的报道中，有研究证明，在IDD进程中，髓核细胞TGF-β可通过激活MAPK信号，导致硫酸软骨素合成酶（CHSY1）在蛋白质和RNA水平上的上升调节［14］；TGF-β还可通过Smad3，Rhoa/rock和MAPK信号通路增强软骨素聚合因子（ChPF）的表达，ChPF的表达与IDD的等级呈负相关，因而可用TGF-β来治疗髓核细胞［14］；在IDD进程中血红素加氧酶-1（HO-1）的表达显著减少，IL-1β处理后的髓核细胞中COL-Ⅱ的表达降低，使用HO-1诱导剂钴原卟啉（CoPP），可部分消除IL-1β的影响，防止COL-Ⅱ丢失［14］。因此，操纵HO-1表达可能会减轻髓核中细胞外基质的代谢损伤，为IDD提供一种新的治疗方法。

目前国内外对于IDD的研究大多集中于炎性介质学说机制，缺乏疾病特异性，这是目前的研究瓶颈。然而，同为TGF-β超家族的骨形态发生蛋白（BMPs）通路被认为在IDD过程中发挥关键作用，与BMP同为成骨分化关键因子的Runx2，其过表达会引起小鼠异位骨化和IDD［15-16］。因此，除了炎性因子作为IDD主要启动因素外，骨化相关基因可能也在IDD中扮演重要角色，但其具体机制目前仍缺乏系统研究，可成为新的研究方向。

2 成骨相关基因在IDD中的作用及潜在机制

2.1 BMP2

BMP2作为BMPs及TGF-β超家族中的一员，可刺激椎间盘细胞外基质的合成。BMP2是参与成骨细胞和软骨细胞等生长、分化、凋亡的多功能生长因子，其受体在IDD中表达已被阐明［17-18］。BMP2在人髓核和纤维环细胞中表达并具有抗分解代谢的作用，其主要机制是影响介导IL-18分解的代谢通路。有研究发现，BMP2可能起到拮抗IL-18的作用，而IL-18是一种降解椎间盘基质的调节细胞因子，因此，BMP2可能预防和逆转IDD［19］。此外，在小鼠模型中细丝蛋白B（FLNB）的缺失会导致纤维环细胞TGF-β经典和BMP非经典通路的激活，从而导致纤维环软骨化及髓核破裂，引起椎间盘退行性变、破裂及相邻椎体融合［20］。与正常纤维环细胞相比，来自发生退行性变椎间盘的纤维环细胞具有更大的成骨分化趋势，其BMP-SMAD通路活性亦更高，并受到退行性变相关的miR-221调控，而miR-221的过表达则可有效抑制发生退行性变的纤维环细胞的成骨分化［21］。而BMP7表达能下调IDD，被证明能够通过刺激髓核蛋白多糖和胶原合成，恢复椎间盘高度，促进IDD的恢复［13，22］。因此，BMP家族蛋白在IDD中的具体作用存在两面性，即部分BMP家族成员可能促进IDD发生，而其余BMP家族成员则能抑制IDD进行，因此还有待进一步在人体研究明确其实际作用。

2.2 Runx2

Runx2是成骨细胞分化的重要转录因子。在软骨细胞分化过程中，每一种Runx蛋白不仅有独特的作用，还有重叠的作用［23］。研究表明，在骨关节炎早期的小鼠关节软骨中有Runx2的高表达，并能够诱导软骨细胞成熟，这种诱导发生在MMP等降解基因表达之前，说明Runx2在骨关节炎的发生过程中起着重要作用［2］。而在IDD患者中，Runx2表达明显上调，证实了Runx2在人体内IDD过程中可能具有重要的病理生理意义［24］。有研究发现，椎间盘软骨终板退行性变加重与Runx2的表达量逐步增高密切相关［25］，从而提出Runx2作为预测腰椎椎间盘软骨终板退行性变严重程度的指标。Runx2转录和蛋白表达还可能与Wnt/β-catenin结合，在钙化的椎间盘中起到增强钙化的作用［26］。在发生退行性变的椎间盘中，COL-Ⅹ、碱性磷酸酶（ALP）和钙化相关基因表达的上调类似于晚期骨关节炎的病理改变，表明在IDD过程中椎间盘细胞发生了类似成骨性的分化［27］。综上，Runx2作为一种成骨分化特异性转录因子，其表达活性与骨代谢、骨关节炎和IDD过程密切相关，然而目前对其在IDD中具体的分子机制研究仍未完全明确，值得进一步研究探讨。

2.3 AGE-RAGE

AGE是由非酶反应或在糖堆积过程中游离氨基对蛋白质、脂类和核酸反应而形成的，其在正常衰老过程中往往较易生成，被证实参与多种病理性骨化过程，是诱发骨化的重要因素之一［28］。常见的AGE与蛋白质结构变化相关联，而其活性前体，如细胞毒性代谢产物甲基乙二醛（MG）及其衍生物都与细胞损伤相关。近年研究发现，高AGE含量的饮食会导致小鼠脊柱外源性AGE的积累，并与椎间盘异位钙化和退行性变直接相关。AGE积累可诱发椎间盘局部的异位钙化和结构破坏，除了组织僵硬和脆性增加之外，还有多种可能途径导致椎间盘结构破坏和疼痛症状出现［14］。此外，AGE的积累与椎间盘内软骨内骨化有关，可能通过AGE-RAGE来诱导椎间盘细胞的肥大和成骨分化，而RAGE参与了这个成骨分化过程，因为其抑制了COL-Ⅺ和骨桥蛋白（OPN）的表达［29］。因此，AGE-RAGE可能是IDD潜在的治疗靶点，使AGE有可能成为防止IDD进展的一种非侵入性治疗选择［14，30］。总而言之，AGERAGE的积聚会干扰椎间盘间质的代谢，促进钙化、骨化以及IDD的发生，为未来治疗IDD提供了潜在的可能靶点。

2.4 IBSP

IBSP作为成骨相关关键因子，在髓核、纤维环和关节软骨细胞中均有表达，在不同类型细胞中基因表达水平有差异。有研究通过高通量分析手段描述了牛和人的髓核和椎间盘的转录组差异，并在关节软骨、纤维环和髓核细胞之间将差异进一步区分，而在这些差异基因中就有IBSP［31］。IBSP也被认为是一种潜在的关节软骨标记基因，在鼠的微阵列研究中，它在关节软骨细胞中的表达水平高于髓核细胞，该研究还发现与髓核或纤维环细胞相比，在关节软骨细胞中IBSP及FBLN1基因表达更高，可作为髓核阴性或椎间盘细胞的标记物来使用［32］。然而IBSP在IDD中的实际作用尚未被揭示，可作为未来研究的一个突破口。

2.5 其他骨化相关因子

上述因子在成骨分化以及骨质形成中占有重要地位，但其他一些成骨相关因子近年来也逐渐被发现与IDD存在重要相关性。有研究表明，终板软骨细胞中OPN基因以及外核苷酸焦磷酸酶/磷酸二酯酶1（ENPP1）表达的显著降低与终板软骨钙化密切相关，ALP的增高与终板软骨钙化以及IDD密切相关［33］。在另一项研究中，学者发现椎间盘髓核中OPN的表达仅在退行性变时才呈现出阳性，这与终板软骨中的表达趋势恰恰相反［34］，体现出椎间盘中不同组份在IDD过程中骨化基因表达趋势的差异。

除此之外，构成骨化重要微环境的胶原基质成分的变异也会影响IDD。COL-Ⅰ、COL-Ⅸ及COL-Ⅺ具有促进骨化的作用，是成骨分化的重要微环境基质成分。有研究发现，在IDD中这些基质成分的异常沉积与退行性变密切相关。在芬兰，COL9A2和COL9A3被证明与当地人遗传性腰椎椎间盘疾病密切相关［35］。此外，在日本人群中发现COL11A2的SNP多态性与后纵韧带骨化导致的狭窄密切相关，且该分析还鉴定了COL9A2中的杂合性碱基a/c突变会导致过早的翻译终止，形成一种截短的A2（Ⅸ）链的合成，这种突变很可能导致组织中胶原蛋白含量减少，是IDD的重要遗传性因素［35］。

综上所述，成骨相关基因与IDD密切相关，或直接参与调控IDD的发生（如RUNX2，BMP2等），或通过干扰椎间盘间质的代谢间接促进IDD的进行（如AGE-RAGE等），均表明这些成骨相关基因在IDD中具有重要作用，其潜在机制或许可以成为治疗的靶点所在。

3 结语与展望

IDD是个多因素过程，其中炎性因子在退行性变过程中发挥了重要作用，炎性因子引起IDD已成为共识，但是缺乏疾病的特异性，有效靶点少，这是导致目前治疗手段单一、非手术生物治疗进展缓慢的瓶颈所在［36］。然而通过对比不难发现，虽然关节软骨和椎间盘形态上看起来是非常不同的结构，但在组织及细胞层面有很多相似之处。髓核基质和关节软骨细胞的细胞外基质的组成亦类似，都由COL-Ⅱ及蛋白聚糖组成［37］；此外，关节和半月板软骨和椎间盘本质上都是无血管组织，营养物质主要通过扩散作用进入细胞［38-40］；有研究通过生物信息分析表明髓核和关节软骨细胞群可能来源于一个共同的谱系［27］。综上所述，椎间盘作为一类软骨样组织，其退行性变很可能与关节软骨一样，与成骨相关基因的激活有关。Runx2和BMP2的相关研究取得了一定成果并受到关注，但对于其他骨化相关因子（如IBSP），相关报道相对较少，但这些少量的研究也表明其与IDD之间存在一定的相关性。因此，笔者推测这些骨化相关基因可能与IDD的发生机制相关，是导致椎间盘髓核及相关细胞退行性变的特异性内在因素，但具体作用有待进一步体外及体内的相关研究证明，值得后续进一步深入研究。