颈椎椎间盘突出症中炎性因子及信号通路的研究进展

张佳铭，路文杰，陈金鑫，周 铖，蒋伟宇

1. 浙江中医药大学第二临床医学院，杭州 310053

2. 南通良春中医医院风湿科，南通 226000

3. 陕西中医药大学第一临床医学院，咸阳 712000

4. 宁波市第六医院脊柱外科，宁波 315040

随着人们工作及生活节奏的不断加快，近年来，颈痛发生率不断上升，并呈现年轻化趋势［1］。2010年全球疾病负担研究［2］表明，颈痛是全球第四大致残原因，仅排在背痛、抑郁和关节痛之后。颈痛发生率约为15% ~ 50%，其中女性发生率为26.4%［3］。颈椎椎间盘突出症（CDH）是导致颈痛的主要疾病之一，其主要表现为颈部轴性疼痛、颈部运动受限和感觉缺陷、膀胱功能障碍、手部力量及灵活性丧失等。椎间盘退行性变（IDD）是引起椎间盘突出，导致疼痛的主要原因［4］。有研究［5］表明，炎性因子广泛参与IDD的各个过程。而细胞信号通路则是炎性因子参与细胞间炎性反应的主要途径，其通过调控细胞的增殖、分化、凋亡等过程，调节颈椎IDD及其继发性改变。本文通过查阅CDH中炎性因子及信号通路相关研究文献，探讨CDH发生过程中的病理变化，着重于炎性反应对CDH的影响，并特别关注这一过程相关的炎性因子与信号通路，以期为CDH的治疗提供思路，现综述如下。

1 CDH与炎性因子

近年来，炎性因子在CDH中的作用逐渐得到重视。Fisher等［6］的研究发现，正常的神经受到机械压迫时并不会产生疼痛，只会导致周围神经麻木，只有神经同时出现压迫和炎性反应时才会导致疼痛。有研究［7］表明，各种炎性反应诱发或加速颈椎椎间盘细胞的衰老和凋亡，导致椎间盘组织学和化学性质的改变，是引起IDD的直接原因。并且炎性因子在发生退行性变的椎间盘中的表达水平显著高于正常椎间盘，特别是疼痛严重的椎间盘，这间接表明了炎性因子是诱发和加重CDH的重要原因［8］。炎性因子主要从3个方面参与IDD：①促进炎性介质和其他炎性因子在椎间盘的表达水平，放大炎性反应；②刺激细胞外基质细胞降解、诱导椎间盘细胞的衰老和凋亡，加速IDD；③影响椎间盘基质的分解和合成代谢［9］。

但由于各种炎性因子在椎间盘髓核、纤维环、软骨终板细胞中的调控机制以及所涉及的信号通路较多，甚至互相矛盾，目前对于各种炎性因子是如何经由相关信号通路介导CDH发生的机制还不确切。常见的参与CDH发生、发展的炎性因子有白细胞介素 -1（IL-1）、肿瘤坏死因子 -α（TNF-α）、高迁移率族蛋白B1（HMGB1）、血管内皮生长因子（VEGF）等。

1.1 IL-1

IL-1是由纤维细胞、单核巨噬细胞、软骨细胞和内皮细胞等分泌的一种多效细胞因子，是炎性免疫反应的关键介体，有IL-1α和IL-1β 2种不同的分子形式，主要与IL-1受体结合，生物学效能受IL-1转化酶、IL-1受体及IL-1受体拮抗剂及核转录因子-κB（NF-κB）、ERK1/2等通路的共同影响，需要在转录和翻译水平进行诱导［10］。IL-1主要参与协同刺激T/B细胞的活化，促进成纤维细胞增殖，激活软骨细胞的炎性反应［11］。

在健康椎间盘中，椎间盘内的主要细胞外基质成分合成和降解速率是平衡的，但当发生CDH时，负责竞争抑制IL-1的IL-1受体拮抗剂分泌减少，从而促使IL-1的分泌增加［12］。IL-1通过促进基质降解，诱导基质金属蛋白酶（MMPs）和解聚蛋白样金属蛋白酶（ADAMTSs）的表达，最终导致椎间盘基质合成和降解失衡，并刺激椎间盘细胞异常合成蛋白多糖，使Ⅱ型胶原蛋白向Ⅰ型胶原蛋白转化，致使NF-κB、ERK1/2等途径的调控受到破坏，大量产生IL-1β前体及NALP3、ASC和Caspase-1等炎性小体，从而产生活性分泌蛋白，促进炎性反应的发生，进一步加速CDH的发展［13］。

IL-1在正常的椎间盘中表达水平较低，但在CDH患者中的表达水平较正常人或轻度IDD患者显著增高，并随着退行性变严重程度的加重而增加，说明IL-1或许与CDH引发的颈痛密切相关［14］。IL-1可刺激椎间盘细胞分泌前列腺素E2等炎性物质增强缓激肽的敏感性，从而直接刺激神经根，导致CDH的神经根性疼痛。Kepler等［15］的研究发现，IL-1β可以影响二级炎性介质趋化因子（C-C基元）配体5在疼痛患者椎间盘的表达，促进了炎性细胞对损伤组织的募集。IL-1β也可通过促进VEGF、神经生长因子和脑源性神经营养因子的产生来刺激椎间盘内神经元和血管的生长，使血管、神经侵入椎间盘组织，进一步加剧CDH患者的颈部疼痛［16］。可见IL-1与CDH的发生、发展及其症状严重程度密切相关。

1.2 TNF-α

TNF-α是一种相对分子量为26 000的Ⅱ型跨膜蛋白，可由纤维细胞、单核细胞、软骨细胞等分泌，并且在免疫应答和炎性反应中发挥巨大作用［17］。发生退行性变的椎间盘较正常椎间盘中TNF-α含量显著增高，并随着退行性变程度的加重而呈升高的趋势［18］。TNF-α在CDH中的作用：①刺激放大炎性反应；膜结合型TNF被金属蛋白酶TACE/ADAM-17降解为可溶性TNF。可溶性TNF-α或膜结合型TNF-α与TNF-1受体结合，导致TRADD、RIP1、TRAF2等因子的聚集，形成复合物，该复合物分别通过NF-κB或MAPKB信号通路激活p65或AP1因子，诱导MMPs、ADAMTSs表达，破坏颈椎椎间盘内细胞外基质的平衡［19］。②降低蛋白和胶原的聚合，调整MMPs的活性和表达；TNF-α可通过激活MAPKs信号通路，增加ADAMT-4、MMP-3、MMP-13的含量，导致蛋白聚糖、Ⅱ型胶原蛋白和细胞外基质的降解，从而加重颈椎IDD［20］。③刺激其他细胞因子的产生，TNF-α可刺激血管内皮细胞合成多种炎性因子，从而进一步加重椎间盘内的炎性反应。Nees等［21］的研究表明，TNF-α能够诱导IL-6、IL-8及NO等在软骨的表达增加。Kang等［22］将外源性TNF-α注射入猪模型椎间盘3个月后，椎间盘结构出现明显退行性改变，并且IL-1β在纤维环的表达水平显著提高，提示TNF-α能够促使其他炎性因子的产生和提高，诱发颈椎IDD。④调节自噬。自噬为颈椎退行性疾病的重要发生机制［23］。Gruber等［24］使用IL-1β或TNF-α处理人环细胞，发现TNF-α可损伤自噬调节剂1、p62、PIM-2和WIPI49等因子，从而影响自噬反应，参与CDH。综上，TNF-α可通过多种方式诱导和放大炎性反应，可设想若能抑制TNF-α的分泌，便可有效减轻炎性反应，从而减轻CDH患者的疼痛症状。

1.3 HMGB1

HMGB1可由坏死细胞、巨噬细胞和其他髓样细胞释放，具有调控转录、控制细胞新陈代谢、激活细胞因子和趋化因子样活性等功能［25］。有研究［26］表明，HMGB1可提升细胞外基质中炎性因子TNF-α、PGE2、IL-1和IL-6表达，从而放大软骨终板炎性过程。García-Arnandis等［27］运用免疫组织化学法测定人滑膜中的HMGB1，发现HMGB1与IL-1β协同作用诱导ERK1和p38磷酸化，并参与IL-6和IL-8在软骨细胞的转录及上调MMP-1和MMP-13的表达，这些作用放大了炎性反应，加速了CDH的发展。同时，HMGB1是细胞凋亡经由MPKS途径的重要调节器。Liu等［28］通过甘草甜素抑制HMGB1的表达抑制p38/p-JUK信号通路，减少了髓核细胞的凋亡，从而减缓了IDD，并认为HMGB1是未来治疗IDD的重要靶点。Han等［29］发现，脂多糖可诱导HMGB1从纤维环干细胞核中释放，增加炎性因子（IL-β1，IL-6，COX-2和TNF-α）和特定的分解代谢基因（MMP-3和MMP-13）的表达，促进纤维环细胞凋亡。利用二甲双胍可阻断HMGB1释放来降低脂多糖诱导的环纤维的炎性反应，减缓IDD的发展，为治疗CDH提供新的方向。

1.4 VEGF

VEGF是一种可以促进血管内皮细胞有丝分裂、诱导基底膜降解而形成毛细血管网的细胞因子，它通过增强毛细血管的通透性，促使新生血管以出芽的方式生成，但也增加了炎性反应的扩散［30］。罗坚等［31］发现，IDD患者VEGF的阳性表达率明显高于正常人群，认为VEGF在发生退行性椎间盘组织中具有促进新生血管浸润的作用，且VEGF的表达量与IDD的程度呈正相关。椎间盘老化或营养供应障碍时，可促进VEGF合成的提高，影响细胞间信息交流，加速椎间盘基质的分解，导致IDD。Zhang等［32］的研究表明，艾灸可通过抑制VEGF在髓核细胞的表达，并通过VEGF途径升高聚集蛋白聚糖和COX-2的表达，增强自噬并减少髓核细胞的凋亡，有利于减缓颈椎IDD的进程。

2 CDH与信号通路

由于颈椎拥有较大的活动度，且部分颈椎关节缺少椎间盘，相较于胸椎和腰椎更容易发生退行性变。炎性因子可通过放大炎性反应的范围、加速细胞的代谢与凋亡、抑制细胞基质合成等方式参与CDH的发生与发展。信号通路不仅可以对上述炎性因子进行调控，放大炎性反应，同时在IDD中还具有诱导相关基因表达水平升高、调控细胞应激以及调控细胞新陈代谢的关键作用，其主要途径包括丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）、Notch和Wnt通路等。

2.1 MAPKS

MAPK是广泛表达的酪氨酸或丝氨酸激酶，能够被各种细胞外刺激激活，如生长因子、细菌复合物、炎性因子、物理刺激等，其参与基因诱导、细胞应激和炎性反应以及细胞新陈代谢的调控，是CDH发生、发展的重要因素［33］。MAPKS信号传导途径主要通过3级激酶级联反应进行，即需要MAPK及其上游依次激活［34］。MAPK主要分为3类，细胞外信号调节激酶（ERKs）与2个应激激活蛋白激酶（SAPKs）家族，即c-Jun氨基末端激酶（JNK）和p38。

2.1.1 p38

p38是由360个氨基酸构成，相对分子量约为36 000 的蛋白质。有研究［9，35］证实，p38在发生退行性变的颈椎椎间盘髓核细胞的含量与IDD程度呈正相关。p38是诱导MMP-13表达的关键信号通路，通过降低聚集蛋白聚糖和Ⅱ型胶原蛋白的基因表达，加速IDD［36］。Ge等［37］的研究发现，椎间盘处于受压情况下可激活p38途径，加速髓核细胞的衰老，且外源性IL-10能有效降低p38的磷酸化水平从而延缓IDD。

2.1.2 JNK

JNK是保守的丝氨酸或苏氨酸蛋白激酶，可被细胞因子、紫外线照射、热休克等应激刺激，并激活Ser-63和Ser-73的结合，导致c-Jun的激活［38］。有研究［39］表明，炎性因子可诱导JNK磷酸化，导致蛋白多糖合成减少和MMP-3、MMP-13的产生增加，加速CDH的发生、发展。CXCL8/11也可能通过影响JNK信号通路并增强其他炎性因子的表达来促进凋亡并抑制软骨细胞的增殖，加剧CDH的进展［40］。JNK还参与抑制调节Ⅱ型胶原表达的转录因子SOX-9的表达，抑制软骨的形成，而软骨终板缺损导致的椎间盘营养供应减少则是诱发CDH的重要原因［41-42］。

2.1.3 ERK

ERK信号通路通过诱导软骨细胞的增殖和肥大分化，促进终板软骨钙化和骨赘的形成，加速CDH的进展［43-44］。ERK是诱导软骨形成转录因子SOX-9的关键信号通路，抑制ERK信号通路，可降低SOX-9的表达，抑制软骨细胞增殖和肥大，减缓CDH的进展［45］。Yue等［46］认为，Mg2+可通过抑制ERK磷酸化信号转导降低自噬蛋白LC3的表达，下调肥大基因Runx2、MMP-13和Col 10α1，上调软骨形成基因SOX-9和Col 1α1，有效抑制ATDC5细胞外基质钙化，这或许有助于降低终板软骨的降解，缓解CDH的进展。Han等［47］的研究发现，瘦素可通过激活体外 ERK信号通路，致使椎间盘终板的细胞基质丢失和透明软骨钙化，诱导CDH的发生、发展。

2.2 Notch

Notch信号通路是一种进化保守的途径，其转导主要由其5个配体（Dll1，Dll3，Dll4，Jag1和Jag2）与Notch信号通路的4个受体（Notch1-4）结合而激活［48］。维持Notch信号通路需要生理Notch信号传导，但Notch信号的持续激活会导致软骨细胞变性和骨关节炎。与非变性椎间盘相比，纤维环和髓核细胞中Notch信号的活性在发生退行性变的椎间盘组织中有所增加［49］，并且在髓核细胞中可被IL1-β和TNF-α诱导。Zheng等［50］的研究证实，Notch信号在纤维环细胞或髓核细胞中的激活会影响基质分解基因（MMPs和ADAMTS）的表达，并可能减弱TNF-α1和巨噬细胞诱导的MMP-13在髓核细胞中的表达，表明Notch信号通路在促进CDH发展中的巨大作用。

2.3 Wnt

Wnt通路包括经典的Wnt/β-catenin信号通路和3条非经典的信号通路。其中Wnt/β-catenin信号通路是调控细胞生长发育的关键途径，由Wnt蛋白配体、膜受体和胞内信号分子构成。Iwata等［51］的研究证实，发生退行性变的椎间盘中β-catenin mRNA和蛋白表达较健康对照组显著上调。Choi等［52］通过建立自发性IDD SM/J小鼠模型发现，终板软骨细胞肥大标志物（Col 10a1、CTGF和Runx2）的表达升高与β-catenin mRNA具有相关性，并可抑制SOX-8和BMP-2这2种益软骨因子，抑制椎间盘软骨的修复。然而，也有学者［53］认为，IDD过程中Wnt/β-catenin活性会降低，并证实可通过雌激素和甲状旁腺激素增强Wnt/β-catenin途径的活性，延缓大鼠IDD进程，这或许与退行性变不同阶段椎间盘的细胞类型有关。

3 总结与展望

颈椎退行性疾病的发生机制复杂，多种因素共同作用导致颈椎关节内环境稳态失调，最终促使IDD的发生。目前，肩颈痛的研究已由宏观的生物力学深入到微观的细胞因子领域，但仍不能完全阐明CDH的发生机制。D’Avanzo等［54］认为，机械压迫、颈椎关节失稳和血液循环障碍等物理因素是导致CDH的主要原因。对于CDH的治疗是临床急需解决的一大难题，一般性药物治疗对于纠正骨关节结构性改变不能获得满意的效果，手术治疗则存在风险较高及术后并发症较多等弊端。通过降低主要炎性因子的表达，抑制相关信号通路对细胞外基质降解、软骨细胞增殖与凋亡的调控，以降低椎间盘内的炎性反应为靶向治疗CDH提供了新的思路和方向。CDH的发生受不同信号通路的共同作用，通过激活下游产物诱导细胞外基质降解，提高炎性因子的表达水平，促使软骨终板钙化及髓核细胞凋亡；各种炎性因子通过多种信号通路相互交叉或影响，形成了错综复杂的炎性网络，共同导致CDH的发生与发展。未来研究应当着眼于不同炎性因子与其相关信号传导通路之间的相互作用机制，进行进一步动物模型实验和临床试验，全面系统地阐明CDH的炎性发生机制。可以预见的是，以相关炎性因子及信号通路为靶向的疗法，将为CDH的药物治疗提供新的途径。