整合素在腰椎间盘突出症发病机制中的研究进展

付阳阳，王奕娴，李国娜，蒯仂，戴大城，龚利

(1.上海中医药大学附属岳阳中西医结合医院推拿科，上海 200437； 2.上海市中医药大学，上海 201203)

腰椎间盘突出症(lumbar disc herniation，LDH)是椎间盘发生退行性变、纤维环破裂、髓核突出，刺激压迫神经根及马尾神经，引发腰腿疼痛的临床常见病、多发病,多发作于L4/L5，L5/S1椎间盘[1-2]。我国青中年人群的LDH发病率较高，流行病学调查显示，25～40岁人群的LDH检出率达13.93%，其发病率居椎管疾病首位，在重体力劳动者、汽车驾驶工作者中最易出现[3]。椎间盘突出症的病理尚未完全阐明，治疗方法大体分为非手术治疗、手术治疗与微创治疗三大类，但分别存在治疗周期长、患者痛苦大、疗效不确切等问题[4]。

整合素是由α、β亚单位组成的异质二聚体黏附糖蛋白受体，可以调节细胞与胶原、纤维连接蛋白、层粘连蛋白等细胞外基质(extracellular matrix，ECM)的结合，并且在细胞生长、分化、迁移和基质合成等过程中起关键作用。多种整合素在正常椎间盘细胞中表达，参与信号传递、细胞与ECM连接等过程，整合素的高表达与椎间盘突出症的发生发展密切相关[5]。现就近年来整合素家族在LDH中的调节作用予以综述，阐述整合素水平的LDH病理生理变化，以寻求新的治疗切入点。

1 LDH发病机制

椎间盘是一种由周围纤维环、上下软骨终板以及中央髓核组成的特殊结构，在缓冲及转移脊柱负荷、负担脊柱所受压力和保证脊柱活动性及稳定性等方面起到重要作用[6]。LDH的发病机制尚不明确，其发生发展与髓核细胞凋亡、椎间盘的基质重塑等有关[7]。椎间盘组织功能主要由间质成分决定。椎间盘细胞通过分泌、调节间质成分来维持微环境稳定，其中蛋白聚糖成分、含量改变，胶原重塑，弹性蛋白的损伤与改变都是LDH发病的重要机制[8]。髓核软骨样细胞是成人椎间盘中央髓核的主要活性细胞，其凋亡和钙化促使中央髓核形态改变，对环境适应性下降。整合素存在于细胞表面，是多种ECM蛋白的受体，已经鉴定出的椎间盘特异性整合素受体包括纤维连接蛋白结合的整合素受体α5β1、整合素受体αvβ3和胶原结合整合素受体α1β1、整合素受体α2β1和整合素受体αvβ1[9-11]。在椎间盘突出症发病过程中，整合素水平的改变介导了椎间盘细胞代谢、迁移、凋亡以及细胞与ECM的连接，影响了椎间盘突出症发病过程。

2 整合素信号转导通路

整合素有α和β两条支链，目前已知α支链18个、β支链8个，它们通过共价键结合可组成24种整合素[12]。在不同类型细胞中，整合素起到转导细胞信号、调节细胞黏附等作用[13]。在胞间信号传导中，α亚基与β亚基的功能存在一定差异，α亚基主要参与受体的识别，β亚基参与细胞与间质、细胞与细胞间信号的传递。研究发现，整合素的表达主要依赖两种酪氨酸依赖性通道——局部黏着斑激酶(focal adhesion kinase，FAK)信号转导通路和非受体酪氨酸激酶信号通路的激活[14-15]。而FAK通道可以激活FAK-Ras-促分裂原活化的蛋白激酶通路、FAK-磷脂酰肌醇-3-激酶通路和FAK-信号转导及转录激活因子1通路；少部分整合素可以激活酪氨酸激酶信号转导通路。

3 整合素表达及对LDH中生物学行为的影响

3.1整合素在腰椎间盘组织中的表达 整合素在腰椎间盘组织中表达。Dana等[5]测定人与猪椎间盘组织中整合素亚基蛋白水平，结果显示，人正常椎间盘细胞可表达整合素α1、α5、αv、β1、β2、β3、β4、β5、β6亚基，其中整合素α5、αv、β1、β3、β5、β6亚基的表达水平较高。椎间盘组织中，髓核组织与纤维环组织在细胞质基质成分及排布、对环境刺激反应等方面存在较大差异[16]。髓核组织含有较多随机取向的Ⅱ型胶原与较高浓度的蛋白多糖，纤维环组织则含有较多高度定向的Ⅰ型和Ⅱ型胶原，并形成细长凸起。面对压缩与渗透压改变时，髓核细胞与椎间盘细胞反应方式不同。研究发现，椎间盘中髓核细胞与纤维环细胞表面整合素表达水平存在差异，猪髓核组织表达的整合素α6、β1和β4亚基蛋白水平高于纤维环组织[17]。整合素的表达水平可能影响腰椎间盘ECM的分布，整合素亚基与胶原蛋白、纤维连接蛋白等细胞质基质的连接过程以及该过程在环境改变下椎间盘细胞反应中的作用仍需进一步研究。

在突出椎间盘中，部分整合素亚基高表达。Xia和Zhu[18]通过测定30例LDH患者突出腰椎间盘标本和10名健康人腰椎间盘标本的整合素α1、α2、α5、αv、β1亚基水平发现，与健康人椎间盘标本相比，LDH患者突出椎间盘组织中整合素α5、β1信使RNA(messenger RNA，mRNA)和蛋白水平明显升高，但两者整合素α1、α2、αv亚基mRNA和蛋白水平比较差异无统计学意义。进一步测定突出椎间盘与正常椎间盘纤维连接蛋白的表达水平发现，突出椎间盘组织中纤维连接蛋白水平升高[19]。整合素α5β1是特异性纤维连接蛋白受体，突出椎间盘中整合素α5β1可上调纤维连接蛋白水平，实现纤维连接蛋白与椎间盘细胞的连接，延缓椎间盘突出症进展。在LDH发病过程中，部分整合素亚基mRNA和蛋白水平升高，通过上调与胶原蛋白、纤维连接蛋白等多种细胞质基质的连接，代偿性减缓LDH发病，影响细胞代谢、迁移、凋亡，目前尚缺乏具体机制的研究。

3.2整合素对椎间盘细胞凋亡的影响 整合素在软骨组织内可传导机械性刺激及软骨细胞内信号，进而调节软骨细胞的功能，延缓细胞凋亡。Dana等[5]研究发现，人椎间盘与关节软骨的整合素表达具有高度相似性，整合素在骨关节炎发病过程中的作用对研究LDH有重要的参考价值。整合素α5β1可以识别纤维连接蛋白中精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸序列(Arg-Gly-Asp，RGD)。FAK作为一种胞质酪氨酸激酶，可分N2端区、激酶区和C2端区3个结构域。整合素与纤维粘连蛋白结合促进黏着斑的形成，整合素β1亚基的胞质端与FAK的N2端区结合，引起FAK构象改变，使激酶结构域处于活化状态，同时FAK的可磷酸化酪氨酸位点Tyr397自身磷酸化，进而激活FAK-Ras-促分裂原活化的蛋白激酶通路、FAK-磷脂酰肌醇-3-激酶通路和FAK-信号转导及转录激活因子1通路，影响细胞内基因表达的活性以及细胞的黏附力，这一通路适用于解释LDH的整合素传导通路，整合素可以调节椎间盘细胞与ECM连接能力，影响髓核细胞的黏附能力，减少细胞凋亡，保持椎间盘的稳定性，降低LDH的发生率。

整合素通过调节信号传导蛋白影响髓核细胞与ECM的连接和间充质干细胞的分化，为椎间盘突出症的治疗提供适当的移植材料。Risbud等[20]以低氧条件下培养的间充质干细胞为对象，观察到整合素α3、β2亚基mRNA上调，磷酸化胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)水平高于常氧状态，葡萄糖转运蛋白-3、基质金属蛋白酶2、Ⅱ型胶原、Ⅺ型胶原、蛋白聚糖mRNA及蛋白表达上调，间充质干细胞表型与髓核细胞表型趋于一致，提示低氧状态可以诱导整合素α3、β2亚基mRNA水平及磷酸化ERK水平上调，诱导间质干细胞向髓核细胞分化。Risbud等[21]对低氧环境下培养的大鼠髓核细胞的研究发现，抑制信号传导蛋白ERK活性后，整合素α2mRNA的表达被抑制，且细胞存活率下降。研究亦表明，ERK活性升高后，细胞与Ⅱ型胶原连接能力增强，即ERK可上调整合素α2mRNA的表达水平，增强细胞与Ⅱ型胶原黏附，避免细胞凋亡导致的椎间盘病变。整合素参与外界刺激引起的椎间盘反应，拮抗磷酸化ERK诱导下的椎间盘细胞凋亡，并诱导间质干细胞向椎间盘细胞分化，这一研究结果可为椎间盘突出症的手术治疗提供适宜移植材料。

调节细胞整合素水平可以抑制椎间盘细胞凋亡，拮抗药物毒副作用。Yang等[22]研究发现，17β-雌二醇可拮抗左氧氟沙星诱导的髓核细胞凋亡，其机制在于上调整合素α2β1mRNA和蛋白水平，增强髓核细胞与Ⅱ型胶原的结合能力，抗细胞凋亡，防止药物引起的椎间盘突出症发生。Zhao等[23]研究发现，17β-雌二醇可拮抗白细胞介素-1β诱导的纤维环细胞凋亡，可拮抗白细胞介素-1β作用，上调整合素α1亚基的蛋白水平，增强纤维环细胞与Ⅱ型胶原的连接能力，抗细胞凋亡。炎症因子白细胞介素-1、肿瘤坏死因子-α等被认为与LDH的发生发展密切相关，炎症因子作用于腰椎间盘细胞引发细胞凋亡，加重腰椎间盘突出的程度，进一步释放炎症因子刺激神经根引发下腰部疼痛[24]。17β-雌二醇上调整合素α2β1后，可增强椎间盘纤维环细胞与胶原蛋白的连接能力，拮抗炎症因子诱导的细胞凋亡，延缓椎间盘突出症的发展，减轻LDH患者的痛苦。

3.3整合素对ECM影响 整合素在椎间盘细胞与纤维连接蛋白、胶原等ECM的连接中起重要作用。Gilchrist等[25]研究显示，阻断整合素α6亚基功能后，仅有较小细胞能与纤维连接蛋白连接；阻断整合素α2亚基功能后，髓核细胞与Ⅰ型、Ⅱ型胶原的黏附被分别抑制了40%、60%；阻断整合素β1、α5β1功能可以完全阻断椎间盘细胞与Ⅰ型胶原、纤维连接蛋白的黏附，提示整合素在椎间盘细胞与纤维连接蛋白、胶原的连接过程中不可或缺，整合素蛋白水平的改变直接影响椎间盘细胞的代谢、迁移等过程。通过测定猪成熟与幼稚椎间盘细胞以及髓核细胞与纤维环细胞之间整合素亚基蛋白与ECM的表达水平发现，与相邻纤维环区相比，猪幼稚髓核细胞中表达更多层粘连蛋白γ1链，这与层粘连蛋白受体整合素α6亚基蛋白的表达模式平行[26-27]。在幼稚椎间盘细胞中，不同整合素表达模式影响细胞ECM的成分与分布，造成椎间盘不同区域细胞外环境的差别，进而影响幼稚椎间盘组织的生长与发育。通过调节幼稚椎间盘组织整合素水平表达，可以影响椎间盘组织对外界环境改变的反应，进而提供有效的青少年椎间盘突出症治疗手段。

周期性应力可影响髓核细胞中的整合素水平，并可影响ECM的表达与髓核细胞的代谢迁移。对周期性静水压下培养的大鼠髓核细胞的研究发现，加压组大鼠髓核细胞整合素α1亚基mRNA、Ⅱ型胶原与蛋白多糖的基因水平显著升高，磷脂酶C-γ1蛋白磷酸化水平升高[28-29]。已有研究证实，磷脂酶C-γ1蛋白磷酸化可以扩大软骨面积、促进髓核细胞迁移，提示整合素可转导力学信号，调节磷脂酶C-γ1的水平以及细胞与ECM连接能力，延缓椎间盘突出症的发展[30-31]。小干扰RNA抑制整合素α1表达后，ECM中蛋白多糖基因水平下调，髓核细胞迁移受到抑制。整合素α1可以调控髓核ECM中胶原与蛋白多糖的表达，促进髓核细胞的迁移与软骨面积的扩大，这一过程有利于维持椎间盘的稳定性。整合素水平的改变受外界刺激影响，以适应外界物理、化学因素的改变。

整合素α5β1不仅参与了纤维连接蛋白的结合，还与一些小分子物质的作用有关。Xia和Zhu[32]在纤维粘连蛋白碎片(fibronectin fragments，Fn-f)诱导兔椎间盘病变模型中观察到，髓核细胞整合素α5和β1亚基mRNA的表达明显增加，ERK上调，Ⅱ型胶原蛋白表达下降，基质金属蛋白酶9和基质金属蛋白酶13的表达增加，提示Fn-f可能通过上调整合素α5和β1mRNA表达水平改变椎间盘组织微环境，诱导细胞凋亡，表明整合素在小分子物质参与的诱导椎间盘突出症发病过程中发挥了信号转导作用，诱导细胞凋亡，加速椎间盘病变过程。抑制整合素α5和β1mRNA表达后，Fn-f不能诱导椎间盘细胞凋亡，初步证实整合素参与了Fn-f诱导的兔椎间盘病变过程。此外，应注意整合素在LDH疾病过程中的多种作用。多项研究结果表明，整合素具有抑制椎间盘相关疾病恶化的作用[33-36]。

4 小 结

近年来，随着对整合素认识的深入，整合素在各种癌症、骨关节炎中的表达和作用逐渐被揭示[37-39]。整合素对细胞与ECM连接的影响作用已经得到国内外多项研究的证实。在LDH发病过程中，α1、α2、α5、αv、β1等多种整合素亚基基因与蛋白水平均发生了变化，整合素亚基还参与抗椎间盘细胞凋亡、调节ECM组成与分布等过程，延缓LDH的进展。此外，整合素α5β1参与Fn-f诱导的椎间盘组织微环境恶化、椎间盘细胞凋亡过程，在LDH发病过程中具有重要作用。然而，多种整合素α、β亚基在LDH中的结合方式尚未明确，仍需进一步研究的确定。