Runx2在椎间盘退变发生发展中作用的研究进展

张晓勃，胡一村，张芮浩，王克平,2 ，周海宇,2

1兰州大学第二医院，兰州730030；2兰州市西固区人民医院

椎间盘退变(IDD)是引起下腰痛的主要原因，其致残率高，需耗费较大的医疗、社会成本[1]。IDD具体的发病原因及病理生理机制尚未完全阐明，从细胞生物学认识椎间盘有助于探讨该病的发病机制。Runx2在调节成骨细胞和软骨细胞增殖分化方面有重要作用，但对其在椎间盘组织中的作用知之甚少。研究发现，Runx2对小鼠胚胎骨骼发育和椎骨形成至关重要[2]，同时也是小鼠出生后椎间盘组织生长发育所必需的[3]。在退变小鼠模型和IDD患者椎间盘内，Runx2表达显著增加，表明Runx2可能参与了IDD的发生[4]。基因治疗是椎间盘再生和修复的新方向，Runx2可能会成为有效的基因治疗靶点。本文探讨Runx2与IDD发生发展的关系，并详细阐述了其在椎间盘中的作用及机制，为IDD的靶向治疗提供新思路。

1 IDD的病因

椎间盘包括三个区域：中间的髓核、外周的纤维环、上下的软骨终板。IDD病因多且复杂，包括生物力学因素、年龄因素、遗传因素等[5]。虽然目前没有明确的生物学病源，但炎症介质的介导、信号通路的调控被认为是IDD发病的根本原因。IDD相关的炎症因子可以概括为白细胞介素、肿瘤坏死因子α、前列腺素E2、基质金属蛋白酶；相关信号通路包括Wnt/β-catenin、MAPK、ERK、JNK、NF-κB和PI3K/Akt等[6]。IDD与年龄有明显相关性，在退变晚期椎间盘内存在多种不同的细胞类型，包括软骨细胞、成骨细胞和神经元。Runx2作为成骨细胞和软骨细胞分化的诱导剂，可能通过诱导椎间盘内的正常细胞转化为成骨和软骨细胞参与IDD的发病。

2 Runx2的结构及功能

Runx2是Runx基因家族转录因子，Runx家族由Runx1、Runx2和Runx3组成，因在编码区共同含有1个高度保守的同源Runt结构域而得名。Runx家族参与机体细胞增殖、分化、凋亡过程[7]。在功能上，Runx1被认为是造血作用的调节剂[8]，主要与白血病和实体瘤发展有关；而Runx3主要调节胃上皮生长[9]，甲基化的Runx3是诊断胃癌的生物标志物[10]。

Runx2在骨化细胞类型和分化过程中有重要作用，与骨巨细胞瘤、甲状腺癌、前列腺癌等有关。Runx2可在多能间充质干细胞、成骨细胞谱系和软骨细胞中表达，是成骨细胞和软骨细胞增殖分化必不可少的关键分子[11]。Runx2对成骨细胞增殖分化的调节比较复杂，通过与hedgehog、Fgf、Wnt、Pthlh信号分子及Dlx5、Sp7转录因子的相互作用，调节成骨祖细胞的增殖并使其变为成骨细胞[12]。Runx2对软骨细胞的调节是通过调节Ihh实现的，Ihh继而诱导Pthlh的表达，Pthlh反馈抑制Runx2的表达并通过Pth1r抑制软骨细胞的成熟，形成一个负反馈回路[13]。此外，Runx2还可促进破骨细胞生成和骨吸收[14]。

3 Runx2与IDD发生发展的关系

IDD可引起骨密度的降低，骨密度降低进一步导致椎间盘结构和功能的退化，两者相互促进形成正反馈[15]。Runx2蛋白表达下调可以抑制骨形成，降低骨量[16]。骨质疏松症在特定时间内可以加速IDD进展，IDD和骨质疏松联合可导致软骨终板更严重的损害，进一步加速IDD进程[17]。在骨质疏松患者的骨组织中环状RNA Runx2(circRunx2)下调，circRunx2通过抑制miR-203表达并增强Runx2的表达，从而预防骨质疏松[18]。此外，Runx2还是椎间盘生长发育的必要条件，因此Runx2对椎间盘具有一定的保护作用。

大量证据证明Runx2作为骨化相关基因参与了椎间盘变性的发展。首先，在软骨终板上过表达Runx2会引起椎间盘破坏。其次，重量负荷是临床上椎间盘降解的主要原因，重量负荷在野生型小鼠终板中诱导Runx2表达。第三，Runx2表达区域与野生型小鼠的细胞外基质降解区域相吻合。Runx2蛋白在年长的野生型小鼠中表达，但在年幼的小鼠中不表达，这与野生型小鼠发生椎间盘降解的时间段相吻合。最后，在患者体内降解的椎间盘中，Runx2表达明显增加[19]。

3.1 Runx2与椎间盘结构的关系

3.1.1 Runx2与纤维环 纤维环细胞具有祖细胞特征，能够在体外和体内分化为软骨细胞和成骨细胞[20]。在成骨细胞培养基中，纤维环细胞Runx2表达显著上调。研究表明，退变椎间盘的纤维环细胞的成骨分化趋势比正常纤维环大，并且与骨形态发生蛋白相关通路(BMP-Smad)有关[21]。因此，纤维环细胞可能是IDD晚期异常软骨细胞和成骨细胞的来源，Runx2在其中发挥着至关重要的作用。但目前相关研究较少，体外实验不能完全反映退变椎间盘异常细胞起源问题，今后应进行体内实验进一步研究。

3.1.2 Runx2与软骨终板 椎间盘是机体最大的无血管器官，软骨终板扩散的基础溶质是向体外循环提供营养物质的主要途径。软骨终板的钙化会阻止营养物质向椎间盘扩散，从而促进椎间盘的降解，而钙化与骨化相关基因Runx2的表达息息相关。IDD与椎体终板的改变有关，并且IDD和终板变化可导致下腰痛的发生[22]。研究发现，当终板在磁共振成像上发生信号改变时，Runx2表达显著增高，这可能与椎间盘细胞激活破骨细胞，增加炎症介质的表达有关[23]。其中的病理机制以及Runx2在其中发挥的作用有待进一步研究证明。

Runx2直接调节软骨细胞增殖，是决定软骨细胞转化为短暂性或永久性软骨的关键因素。软骨终板增生是IDD的显著特征，被认为是骨赘形成的早期阶段，IDD的严重程度与骨质增生和钙化性肥大呈正相关。Xiao等[24]采用间歇性循环机械张力诱导终板软骨细胞变性，发现机械张力不影响终板软骨细胞的生存能力，TGF-β/Smad通路的激活上调了miR-455-5p的表达，从而抑制Runx2的表达。TGF-β/Smad通路通过调节miR-455-5p/Runx2轴抑制间歇性机械张力诱导的终板软骨细胞的变性。因此，抑制Runx2的表达可能是减缓软骨终板变性的有效方法。胡舟扬等[25]发现，退变软骨终板结构破坏严重，可见明显的Runx2阳性细胞，而正常软骨终板中几乎无Runx2表达。Runx2 mRNA的表达量与腰椎间盘软骨终板退变程度呈明显正相关，并推测Runx2可作为软骨终板退变和腰IDD的严重程度的评价指标，并可作为治疗腰IDD疾病的潜在靶点。在翻译后水平调节Runx2的稳定性或转录酶的活性，可能会成为治疗的有效药物靶标[26]。迄今为止，国内外鲜见Runx2靶向治疗IDD的相关报道。进一步了解Runx2在椎间盘钙化中的作用机制，对于开发防治IDD的新方法具有重要意义。

3.1.3 Runx2与髓核 脊索细胞是髓核的前体细胞，在出生后发育过程中分化生成软骨细胞样细胞。敲除Runx2的小鼠髓核内的大部分细胞是脊索细胞，而未敲除Runx2的小鼠软骨样细胞较多，证明Runx2可以促进髓核内脊索细胞向软骨细胞样细胞的转变[3]。但在IDD晚期，椎间盘也存在多种异常来源的软骨细胞，因此无法判断Runx2的这种促进转化作用对机体是否有利。

脊索细胞可刺激糖胺聚糖和蛋白聚糖核心蛋白合成，这对椎间盘有益。随着年龄增长，机体通过消耗脊索细胞并补充非脊索细胞，导致椎间盘损伤。髓核细胞会随着年龄的增长而逐渐消失，取而代之的是纤维软骨细胞样细胞。Iwata等[27]研究发现，随IDD的进展，软骨营养不良犬髓核组织钙化区增大、基质金属蛋白酶13(MMP-13)阳性细胞增多，β-链蛋白(B-catenin)和Runx2阳性细胞的水平也增加，髓核组织MRI信号强度与B-catenin、Runx2 mRNA表达水平相关，提示髓核组织中的Runx2转录和蛋白表达促进了椎间盘的退变和钙化。但髓核组织的动物研究存在一定不足，研究样本量少，机制尚不清楚，有待进一步验证。此外，虽在动物研究中证实髓核组织中Runx2参与了椎间盘变性的发生，但在人髓核中的研究鲜见报道，下一步可通过分别检测正常、轻微退变以及晚期严重退变椎间盘髓核组织中Runx2的表达，分析其与IDD严重程度的相关性。

3.2 Runx2参与IDD发生发展的机制 脊柱轴向生物力学载荷被认为是导致IDD的外力因素，并且椎间盘的力学和生物学改变是一个恶性循环。当脊柱受轴向生物力学载荷影响时，椎间盘出现高度下降，纤维环破裂，软骨终板钙化等特征，椎间盘内Runx2表达增加[28]。最近研究发现，髓核间充质干细胞存在于椎间盘髓核内，与椎间盘再生有关[29]；而压缩载荷可以显著抑制髓核间充质干细胞活力、分化、集落形成和迁移，减少髓核间充质干细胞的成骨分化，Runx2的表达也随之减少[30]。累积的生物力学载荷的作用力影响小鼠椎间盘形态变化，包括椎间盘和软骨终板高度的降低，Runx2表达增加，这可能是IDD患者容易发生骨赘和椎管狭窄的机制[28]。形态学研究虽已证明Runx2在压缩负荷介导的IDD中发挥着重要作用，但具体的信号通路还有待进一步探索。

氧化应激被认为是IDD病因之一，最近研究发现，它可通过促进大鼠终板软骨细胞凋亡小体Abs的产生，增强终板软骨细胞Runx2等相关骨化基因的表达，表明Runx2参与了氧化应激介导的IDD过程[31]。与健康椎间盘相比，变性椎间盘中的X型胶原蛋白、Runx2、骨保护素和碱性磷酸酶的表达均明显增高，说明IDD存在类似于晚期骨关节炎表现的增生性分化，并且与Runx2有关[32]。

MMP-13是导致椎间盘细胞外基质降解的主要酶。研究发现，Notch信号通路作为导致IDD的重要信号通路，可通过Runx2调节大鼠膝盖软骨中软骨细胞的MMP-13表达[33]，提示Runx2参与了Notch信号通路的调控并且与IDD相关炎症因子的表达有关，但Runx2在IDD中的作用机制及其与炎症因子之间的关系鲜见报道，需要进一步验证。

综上所述，Runx2是椎间盘生长发育所必需的，可促进IDD进展。随年龄增长，Runx2表达逐渐增加。推测Runx2是导致IDD发病的因素之一，它可能会成为未来基因调控的靶点。Runx2在IDD中的机制研究尚处于起步阶段，有必要进一步研究Runx2在IDD中的作用及分子机制。