神经肽Y在椎间盘退变发病机制中的作用△

李 凡，谢玮鑫，李展春

（上海交通大学医学院附属仁济医院骨科，上海200127）

椎间盘退变是指椎间盘组织结构的退行性改变，表现为脊柱稳定性丧失、分子生物学与生物力学改变，被认为是退变性脊柱疾病的始动因素与病理基础，它可以继发性的导致椎间盘突出、椎管狭窄、腰椎退变性侧凸以及下腰痛等疾病。随着人口老龄化及工作生活方式的转变，椎间盘退变性疾病的发病率持续增加，极大地影响了患者的生活质量［1］，然而椎间盘退变的分子机制尚不明确。近年来，越来越多的研究表明神经肽Y（neuropeptide Y,NPY）在椎间盘退变的发病机制起重要作用。本文就NPY在椎间盘退变病理过程的作用进行综述，旨在为退变性脊柱疾病的防治提供新的视角。

1 NPY在椎间盘退变中的表达

NPY是一种由36个氨基酸组成的神经肽类物质，其广泛分布在哺乳动物的中枢与外周交感神经系统以及组织器官中，通过与其受体结合参与机体生理功能的调节。NPY受体包含了Y1R、Y2R、Y5R等多种亚型，这些受体介导了不同的生物学功能。生理状态下，NPY免疫阳性神经纤维广泛分布于椎体、椎间盘、脊柱韧带中，并且在纤维环外层分布最多，髓核中无分布［2］。随着椎间盘退变的发生，椎间盘纤维环深层和髓核出现神经侵入。研究报道，在人类突出椎间盘组织中观察到交感神经侵入到中央的髓核组织，并在髓核中检测到大量的NPY表达［3］。作者前期的研究表明在椎间盘退变大鼠模型中，椎间盘组织中的NPY表达升高，Y1R的表达明显下降，Y2R的表达无变化，并发现NPY可能通过外周Y1R参与椎间盘源性腰痛的发生［4］。因此，推测椎间盘中NPY的增加及其受体的表达变化与椎间盘退变的发生密切相关。

2 NPY参与椎间盘退变的发病机制

椎间盘中的细胞外基质稳态、细胞稳态、能量代谢稳态及免疫稳态是实现椎间盘正常生理功能的关键。椎间盘退变的基本病理改变表现为细胞外基质的合成分解代谢失衡、功能性椎间盘细胞的数量减少、氧化应激损伤、新生血管的侵入以及免疫细胞浸润等。椎间盘退变的机制错综复杂，以上各种病理机制之间相互作用，最终导致椎间盘退变。椎间盘细胞外基质代谢失衡破坏了细胞生存的微环境；细胞数量与表型的改变增加了基质降解酶和促炎介质的积累；氧化应激损伤了细胞外基质代谢稳态与细胞稳态；新生血管的形成不仅改变了椎间盘的正常低氧环境，也破坏了椎间盘的免疫赦免状态。因此，NPY很可能参与了椎间盘退变的以上病理过程。因此，通过靶向调节NPY的生物学活性，可能作为延缓椎间盘退变的有效途径。

2.1 NPY对椎间盘细胞外基质代谢的影响

正常情况下，椎间盘细胞可以合成分泌多种基质成分，基质的合成与分解代谢处于平衡，并提供应力支撑与稳定的细胞生存微环境。椎间盘细胞数量与表型的改变以及氧化应激促进了基质的分解代谢，破坏了基质稳态。细胞外基质主要由II型胶原、蛋白多糖等构成。基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases,MMPs）与蛋白多糖酶（a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs,ADAMTs）分别是降解II型胶原和蛋白多糖的关键酶。在退变的椎间盘组织中，MMPs与ADAMTs等基质分解酶的活性增加，导致了胶原构成改变与蛋白多糖丢失。有研究发现NPY可以通过与小肠细胞表面Y1R结合激活MMP-3，从而减弱细胞外基质-基底膜相互作用［5］。此外，Y1R缺失的成骨细胞体外跨基质迁移实验证实NPY/Y1R可以激活MMP-9［6］。体外研究表明，外源性的NPY可以增加正常的人关节软骨细胞中MMP-3，13与ADAMTS-5的表达，参与了软骨基质中II型胶原和蛋白多糖的过度降解，而椎间盘细胞与关节软骨细胞的表型类似［7］。以上研究提示NPY可能增加MMPs与ADAMTs的表达，加速椎间盘退变。

NPY可能参与炎症因子IL-1β诱导的椎间盘细胞外基质代谢失衡。椎间盘细胞自身分泌大量的炎性细胞因子是椎间盘退变的重要特征之一，如IL-1β、IL-6与TNF-α等［8］，其中IL-1β被认为是椎间盘慢性炎症反应形成的中心环节，它可以调控MMPs与ADAMTs的生成，加速基质降解。Hernanz等［9］的研究结果表明NPY可以刺激外周血IL-1β和TNF-α的产生。另外，Ferreira等［10］报道NPY激活小胶质细胞表面的Y1R间接通过抑制一氧化氮合成，影响IL-1β的释放。NPY可能是IL-1β上游的关键调控分子，降低NPY的表达可以抑制中枢神经系统IL-1β的水平［11］。此外，ROS介导的NLRP3/IL-1β炎症小体信号通路过度激活与椎间盘退变密切相关［12］，而NPY可以增加细胞ROS的生成［13］，这表明NPY可能对椎间盘细胞分泌IL-1β起到促进作用。

2.2 NPY对椎间盘细胞凋亡的影响

椎间盘细胞可以合成和分泌基质成分，并抑制炎症反应，维持椎间盘的正常生理功能。细胞外基质代谢失衡与氧化应激可以引起椎间盘细胞的数量下降及功能减退，特别是凋亡与自噬，被认为是椎间盘退变的重要原因之一［14］。近年来，NPY由于在退变性疾病过程中调节凋亡与自噬的作用而备受关注。NPY参与了细胞多种凋亡途径。线粒体损伤途径与内质网应激途径异常激活介导的椎间盘细胞凋亡在椎间盘退变的过程中扮演了重要角色［15］。线粒体损伤途径中，细胞p53上调介导线粒体中细胞色素C释放，从而激活caspase级联反应诱导细胞凋亡。研究发现退变椎间盘组织中 p53的表达增高［16］。Sirotkin等［17］研究显示生理剂量的NPY明显上调了卵巢细胞中p53的水平，促进了Bcl-2的表达。另外，NPY被证实可以损伤心肌细胞的线粒体膜结构［18］，这可能与NPY的促凋亡作用有关。Lee［19］报道NPY自身可能对内质网应激传感器的激活没有影响，但NPY可以通过激活下游PI3K途径抑制内质网应激诱导的细胞死亡。NPY/Y1R信号通路激活可以增强自噬［20］，这很可能与Y1R下游的PI3K信号通路激活有关［19，21］。PI3K及下游AKt分子的激活被证实抑制了椎间盘细胞凋亡，并诱导或促进自噬，对椎间盘退变起保护作用［22］。

在细胞表型上，纤维环细胞与髓核细胞被认为是一种类软骨细胞。软骨终板中也含有大量的软骨细胞。ATDC5细胞是常用的小鼠成软骨细胞系细胞。Chen等［23］以ATDC5细胞为模型，证实了NPY可以通过Y1R显著促进软骨细胞的增殖与分化。提示NPY可能参与椎间盘细胞的增殖，这与退变椎间盘组织中细胞簇的形成有关。

2.3 NPY对椎间盘氧化应激的影响

氧化应激介导的椎间盘结构和功能损伤是椎间盘退变的主要病理特征之一。正常椎间盘维持低氧环境，新生血管的形成可能破坏低氧稳态，导致氧化应激。氧化应激不仅增强了椎间盘基质的降解与椎间盘细胞的促炎表型，也诱导了功能性细胞的数量减少［24］。细胞线粒体中活性氧（reactive oxygen species,ROS）的产生与清除状态失衡，直接导致了氧化应激损伤。

NPY与线粒体中ROS的过量产生密切相关。体外研究证实，NPY增加了巨噬细胞与中性粒细胞中ROS 的生成［25］。Shin 等［13］报道 NPY 诱导了前体脂肪细胞中ROS的产生，并且Y1R、Y2R和Y5R拮抗剂均有效阻断了NPY的效应。NPY促进细胞ROS生成的作用与NPY调控线粒体功能密切相关。线粒体呼吸链损伤与细胞内钙超载是ROS产生的重要来源之一，NPY具有解偶联氧化磷酸化及阻断线粒体钙摄取的作用［26］。Luo 等［18］发现 NPY 以剂量依赖性的方式损伤心肌细胞的线粒体结构与膜电位，抑制细胞能量代谢，这可能导致ROS的过度积累。SIRT1是调节线粒体ROS稳态的关键调控因子，NPY通过激活Y1R可以抑制下游CREB-SIRT1信号通路［26］，提示SIRT1可能作为NPY促进ROS产生的重要介质。目前，尚未有研究报道NPY可以调控椎间盘细胞内ROS的稳态。通过调控NPY的表达可能调节椎间盘细胞的ROS稳态，从而减轻氧化应激损伤，作为椎间盘退变的有效治疗途径。

2.4 NPY对椎间盘血管生成的影响

目前，诸多研究认为椎间盘中新生血管的形成与椎间盘退变的程度密切相关。新生血管的长入加速了椎间盘退变，一方面血管浸润增加了椎间盘中炎症因子的水平，满足了基质降解酶激活所需的条件，促进了基质的分解代谢［6］，另一方面于新生血管使得其周围区域内氧张力升高，破坏了椎间盘细胞所处的低氧环境，诱导了氧化应激损伤［28］。此外，血管形成不仅增加了纤维环的裂隙，也与免疫细胞的浸润有关。

NPY是一种强烈的促血管生成的神经递质。Zukowska等［29］报道NPY在体外激活Y1R与Y2R，促进了人血管内皮细胞的粘附、迁移、增殖及毛细血管的形成，并且主要由Y2R介导。研究表明，Y2R缺失的大鼠非缺血性肌肉血管明显减少［30］，这与阻断NPY的促血管生成效应有关，而Y1R拮抗剂的抑制作用较弱，并且刺激Y5R也观察到缺血性血管再生。值得注意的是，NPY也诱导了相关促血管生成受体的表达。Robich等［31］观察到使用NPY预处理后，新生血管邻近组织中Y1R、Y2R与Y5R的表达显著上调。NPY的促血管生成效应可能与激活Y2R下游的血管内皮生长因子（vascular endothelial grown factor,VEGF）有关。VEGF具有促血管生成活性，可以通过诱导血管内皮细胞的增殖及迁移促进血管生成，其在退变椎间盘组织中高表达［16］。Alasvand等［32］发现单独使用NPY拮抗剂或Y2R拮抗剂均可以显著降低血清VEGF的浓度，升高VEGF受体-1的浓度。此外，NPY也可能通过降低血管生成抑制因子如内皮抑素与血管抑素的表达及分泌，刺激血管生成［31］。这些研究提示NPY可能通过Y2R调节VEGF介导的血管生成，参与椎间盘退变的发病。

2.5 NPY对椎间盘免疫稳态的影响

椎间盘是被认为是一个免疫赦免器官。正常生理状态下，具有免疫原性的椎间盘组织依靠物理屏障及自身主动清除免疫细胞的功能，维持免疫稳态，当这种免疫赦免状态被打破后，免疫细胞聚集浸润在椎间盘内部，引发强烈的自身免疫反应，导致椎间盘退变［33］。基质过度降解导致纤维环裂隙增加以及新生血管侵入均可能破坏椎间盘对免疫系统的物理屏障。近年来，神经-免疫系统的相互作用为疾病机制的研究提供了新认识，诸多研究表明NPY具有免疫调节的生物学活性。人体多种免疫细胞上广泛存在Y1R，如T细胞、B细胞及巨噬细胞等，NPY可以通过Y1R调节免疫细胞的功能及凋亡［34］，椎间盘组织中高水平的NPY可能促进了免疫细胞的活化，破坏了椎间盘的免疫稳态，从而加速椎间盘的退变。

3 展望

综上所述，NPY可能参与了椎间盘退变的发病机制，包括调节椎间盘细胞外基质降解、细胞凋亡与自噬、氧化应激、新生血管生成以及免疫稳态等。针对NPY生物学活性的调节有望作为预防和治疗椎间盘退变的潜在靶点。探讨NPY对椎间盘退变的影响有助于更好地认识和理解椎间盘退变的病理机制，并为退变性脊柱疾病的防治提供新的思路。