炎症与椎间盘退行性变关系的研究进展

刘四海，周少怀*，羊明智，王 欣，范明宇，汪 平

1.武汉市第三医院骨科，武汉 430060

2.南华大学附属第一医院脊柱外科，衡阳 421000

椎间盘退行性变（IDD）是引起椎间盘突出、椎管狭窄等相关疾病的病理基础，也是导致腰腿痛的主要原因之一[1］。椎间盘髓核组织蛋白多糖减少、纤维环裂隙出现，导致髓核组织从纤维环的裂口中突出，引起相应的免疫炎性反应，且同时脊髓和神经根受到突出髓核的压迫，导致患者出现腰腿痛症状。

椎间盘是由上下软骨终板、纤维环及中央髓核组成，其对脊柱的承重及活动起着至关重要的作用。IDD 和许多因素相关，主要包括炎性因子[2］、生物力学、氧化应激、细胞凋亡、椎间盘营养通路、基质金属蛋白酶（MMPs）及金属蛋白酶组织抑制剂等[3］。炎性反应是IDD 的重要因素之一[3-4］，其中白细胞介素（IL）、肿瘤坏死因子α（TNF-α）、前列腺素E2（PGE2）、一氧化氮（NO）及一氧化氮合酶（NOS）等在整个IDD 的发生及发展过程中都起着非常重要的作用。本文就炎症与IDD 的相关性作如下综述。

1 炎性因子与IDD

1.1 IL

IL 是常见炎性因子，在多种急性或慢性炎性反应中扮演着重要角色。在椎间盘细胞中，单核巨噬细胞是分泌IL-1β 的主要细胞，类软骨细胞及成纤维细胞也可少量分泌IL-1β。IL-1β 和IL-6 都是椎间盘致痛性炎性因子，其存在水平与椎间盘疼痛程度密切相关[5］。张宇等[6］的研究中，采用一定剂量的IL-1β 将小鼠椎间盘软骨终板细胞处理24 h，在不同时间点检测软骨终板细胞增殖受IL-1β 影响的程度，并观察细胞的退行性变及其相关蛋白表达情况，结果表明，IL-1β与软骨终板细胞退行性变具有相关性。Fang等[7］将IL-1β添加到胎牛血清中，再以不同浓度对髓核细胞培养基进行干预，研究IL-1β在体外对人椎间盘细胞的影响，结果显示，IL-1β 可以促进其他炎性因子的释放，加速IDD。IL-6 是IL 家族中另外一个重要的炎性因子，可促进炎性介质的释放，使炎性细胞聚集，导致相关神经敏感性上升，使机体产生疼痛症状。Krupkova 等[8］分析内质网应激标志物GRP78 及炎性因子IL-6、IL-8、IL-1β、TNF-α 在人IDD 标本（n=51，Pfirrmann 分级2 ～ 5 级）中的基因表达，结果显示，GRP78 的表达与IDD 程度和IL-6 水平呈正相关，与IL-1β 和TNF-α 水平无相关性；内质网应激反应可引起IDD 中IL-6 的释放，其通过p38 丝裂原激活蛋白激酶（p38 MAPK）和CHOP 介导IL-6 的释放。Sadowska 等[9］的研究也证明IL-6 和IL-8 与IDD 密切相关。同时，Li 等[10］的研究表明，miR-148a 通过调节p38 MAPK 途径抑制椎间盘细胞释放炎性因子。

IL家族成员IL-17通过p38/c-Fos和JNK/c-Jun信号通路促进髓核细胞中COX2 的表达和PGE2 的产生，从而介导IDD 炎症的发生[11］。IL-10 及IL-21 亦均与IDD显著相关，IL-10可导致椎间盘内稳态失衡和退行性变[12］，IL-21 可以通过STAT 信号通路刺激TNF-α 而加重IDD[13］。IL-37 是一种抗炎细胞因子，与多种以过度炎症为特征的疾病相关。IL-37 表达下调可能导致退行性变椎间盘中IL-1β 和IL-16 的过度表达，并可能参与IDD 的进展[14］。众多的研究表明，IL 不仅与机体其他部位炎症的发生发展相关，与IDD 的发生发展亦紧密相关。

1.2 TNF-α

Evashwick-Rogler 等[15］的研究中，通过给IDD大鼠注射TNF-α、抗TNF-α 或生理盐水，每周检测大鼠后肢机械痛觉敏感性，结果表明，TNF-α 是椎间盘疼痛的始发者，其早期抑制可减轻疼痛和减缓退行性变。胡绪江等[16］的研究认为，TNF-α 不仅与IDD的发生相关，且与IDD具有量效及时效的关系。Chen 等[17］的研究表明，在发生退行性变的椎间盘组织中TNF-α 呈高表达，参与IDD 的病理过程，并与之密切相关，其中包括基质破坏、炎性反应、细胞凋亡、自噬和细胞增殖。

Wang 等[18］认为，TNF-α 受体TNFR1 和TNFR2是最有效的炎性因子和信号之一，TNF-α 不仅参与IDD 的多种病理过程，重要的是，抗TNF-α 治疗有望减轻IDD 和缓解下腰痛。由于TNF-α 与IDD 中炎性反应的重要相关性，抗TNF-α 治疗越来越多，有学者希望从这类研究中找到减轻IDD 和缓解腰痛症状的新手段，如血红素氧合酶-1[19］。颗粒蛋白前体（PGRN）是一种广泛表达的生长因子，能有效抑制TNF-α 介导的炎性反应。Wang 等[20］的研究表明，PGRN 通过诱导IL-10 和减少IL-17 表达来减缓IDD，认为PGRN 可作为IDD 的生物学标志物和潜在的治疗靶点。

1.3 PGE2

PGE2 是人体内重要的致痛性炎性因子之一。当PGE2 的浓度≥106mmol/L 时，可直接导致机体产生疼痛；当PGE2 的浓度＜106mmol/L 时，其可通过G-蛋白偶联受体使第二信使环磷腺苷（cAMP）受到影响，导致伤害性感觉器对缓激肽或者其他致痛物质的敏感性增加[21］。Willems 等[22］的研究发现，犬发生退行性变的椎间盘髓核中PGE2 水平显著高于未发生退行性变的椎间盘，在突出性椎间盘中PGE2 水平显著高于非突出性椎间盘；作者提出，未来需要研究是否可通过降低PGE2 的水平有效镇痛，并在IDD 的进程和椎间盘疾病的发展中发挥保护作用。姜志钊等[23］通过检测术前伴坐骨神经痛症状的椎间盘突出症患者的同一椎间盘不同部位的PGE2 含量，发现PGE2 不仅与IDD 及椎间盘突出的发生有关，且PGE2 含量越高，坐骨神经痛的程度越重。

1.4 NO 和NOS

NO 是一种内皮细胞舒张因子，可使血管通透性增加，同时也在IDD 进程中的炎性反应过程中扮演着重要的角色。刘斌等[24］的以新西兰家兔为标本的实验中，在家兔发生退行性变的椎间盘中分别测定NO 和NOS 的含量，结果证实，NO 在IDD 的过程中是一个非常重要的影响因子，而诱导型NOS（iNOS）可以促进NO 的合成。

炎性因子导致的炎性反应可使椎间盘的细胞外基质降解增加，使基质内细胞的衰老、凋亡速度加快，使细胞外合成及分泌的基质逐渐减少，导致破坏的椎间盘细胞外基质无法修复而发生IDD。炎性反应可以加速IDD，发生退行性变的椎间盘组织因为细胞废物的增多及髓核细胞凋亡的增加，也会加重炎性反应[4，25］。

1.5 脂多糖（LPS ）

在20 世纪早期，LPS 因刺激免疫系统而受到关注，糖脂通常被称为内毒素。LPS 是革兰阴性菌细胞壁中的一种成分，由类脂A、核心多糖、O-抗原组成，其毒性成分主要为类脂A，LPS 促进机体多个系统、组织的慢性炎症发生和发展是目前研究的热点。研究表明，在人体发生退行性变的髓核细胞中，LPS 能够激活细胞中的NF-κF 信号通路，促进TNF-α 及IL-1β 等炎性因子的表达；相反，如果人为抑制NF-κF 信号通路，各种相关炎性因子的表达明显降低[26］。同时，组织如果在没有炎症刺激的情况下，细胞质中NF-κB 通常以非活性的形式存在，当炎性反应发生时，可被LPS 在内的多种炎性因子（IL-1β、IL-6 及TNF-α 等）激活，NF-κB 迅速转移到细胞核中，调控目标靶基因的转录与表达[27］，使炎性反应进一步加强及扩大。

2 炎症相关蛋白与IDD

2.1 抗炎蛋白—磷脂转运蛋白（PLTP）

PLTP 最早是在线粒体及微粒体中发现，其可运输和促进磷脂酰胆碱（PC）的合成、分泌传递神经递质，参与蛋白质的成熟和细胞内信号转导过程等[28］。在人体不同组织或细胞中，PLTP 的具体功能有所不同。一旦出现PLTP 缺乏或者PLTP 合成代谢障碍，则会影响到其相应的生理功能而导致疾病的发生。目前，随着PLTP 抗炎性反应作用的发现，其成为研究各类急慢性炎症性疾病的热点。Gautier等[29］的研究指出，PLTP 可以调节LPS 和脂蛋白的结合和代谢。在PLTP 表达缺陷的小鼠模型中，LPS和脂蛋白结合延迟，导致LPS 在血液中的滞留时间延长，形成毒性更强的LPS 颗粒，和野生型小鼠比较，其LPS 诱导的内毒素血症死亡率明显增加，提示PLTP 可能在调节炎性反应和机体固有免疫方面发挥关键作用。PLTP 不仅可以参与先天性免疫调节[30］，还可以通过调节信号通路调节炎性反应。在机体某些组织及器官出现急性或慢性炎症时，PLTP的活性也会随之增强[31-32］。在THP-1 细胞中，PLTP可以通过ABCA1 激活JAK2-STAT3 信号通路，使巨噬细胞的NF-κB 激活减少，导致炎性因子低表达，从而达到抗炎的效果[33-34］。不仅PLTP 可以通过此信号通路抑制椎间盘的炎性反应，有研究表明，miRNA-146a 同样也可以通过TRAF6/NF-κB 通路改善椎间盘髓核组织的炎性反应[35］。

2.2 促炎蛋白—高迁移率族蛋白1（HMGB1）

HMGB1 作为核蛋白的一种参与细胞的转录，且与染色体稳定性有一定关系[36］。目前，随着对HMGB1 研究的深入，发现其在细胞外与人体很多病理过程有密切的联系。目前的研究表明，HMGB1作为迟发型介质参与了炎性反应的发生及发展。通过对机体一些系统、器官疾病以及某些急慢性炎症的研究发现，HMGB1 在其中均扮演着重要角色，如人类免疫缺陷病毒（HIV）感染[37］、严重脓毒血症[38］、2 型糖尿病[39］等。同样，HMGB1 在IDD 的炎性反应中也发挥着重要作用。Fang 等[7］的研究显示，HMGB1 在IDD 中不仅可以促进炎性因子的释放，同时对MMPs 的表达也有上调作用，对toll 样受体（TLR）、RAGE 和NF-κB 信号通路均有促进作用，从而加速IDD。HMGB1 可以介导椎间盘炎性反应的发生，同时炎性反应也会导致HMGB1 分泌增加，使其成为一个级联放大反应，加速IDD。

3 炎症与椎间盘细胞凋亡

细胞凋亡是一种程序性的细胞死亡，与细胞自噬相关，细胞自噬又与机体的一些退行性疾病相关[40］。IDD 的发生与细胞凋亡途径激活和自噬、细胞有丝分裂及有害的微环境相关[1，41-42］。当刺激持续或过度发生时，细胞可能会出现衰老或凋亡，衰老的细胞代谢活跃，且能够保持与相邻细胞的相互作用，如接受其表型变化，细胞则开始分泌促炎症介质，包括细胞因子、趋化因子、基质降解蛋白酶和特定的生长因子，增强炎症和退行性变环境[43-44］。目前的研究表明，炎性因子可导致细胞凋亡速度加快，其中起最主要作用的是IL-1和TNF-α[45］。对发生退行性变的椎间盘的研究发现，椎间盘组织中细胞凋亡的整体水平较未发生退行性变的椎间盘显著升高[46］。细胞凋亡，不仅可以导致细胞密度的减少，同时也可以增强有害的炎性微环境，使炎性反应加剧。由于椎间盘几乎是不含神经血管和天然免疫细胞的组织，如果不能够迅速清除死亡细胞，将会导致过敏反应，同样可以使炎性反应加剧，使IDD 加重[3］。

4 总结与展望

对于IDD 的具体机制尚未完全明确，目前公认为多因素作用的结果。其中炎性反应在这个过程中起着关键作用，它与IDD 的病理生理反应密切相关。通过调控炎性因子及相关反应蛋白的表达水平，控制相关信号通路，达到控制炎性反应发生、发展的目的，为IDD 在生物治疗和基因治疗方面提供了新的思路。自提出通过基因治疗逆转IDD 的设想以来，基因及分子治疗领域已经取得巨大的进步。但是，大多研究还处于实验室阶段，临床应用仍有一定难度，如相关的技术要求高、价格贵、因子活性时间短等，需要后续进一步开发高效、实用及安全的载体；进一步明确IDD 的分子生物学机制，找出更多相关基因及有效治疗靶点；寻找实验室研究与临床治疗之间更加经济、有效的切入点；进一步研究相关药物的临床干预时间、给药途径、药物剂量以及可能出现的不良反应；建立一套切实可行的临床疗效评价体系等。只有这些问题得到妥善的解决，IDD 生物学治疗才能进入临床应用阶段。