针灸治疗椎间盘退变的分子机制研究进展

周新宇，崔杨，朱嘉民，殷建涛，王羽心，孙忠人，尹洪娜

（1.黑龙江中医药大学，黑龙江哈尔滨 150040；2.黑龙江中医药大学附属第二医院，黑龙江哈尔滨 150001）

颈椎病是正常衰老过程中发生的一种常见病和多发病，严重威胁着人类的健康和生活质量[1]。Theodore[2]最早述及颈椎病最本质的变化是椎间盘退变（intervertebral disc degeneration，IVDD），其为颈椎病的始发因素及病理基础。IVDD早期主要出现生物化学方面的变化，如椎间盘细胞的减少，细胞外基质（extracellular matrix，ECM）成分的降解等，进一步引发周围组织继发性病变，累及神经根、脊髓、椎动脉，出现长期疼痛、运动感觉异常等临床症状[3]。IVDD的患病率在中老年人群中可达90%以上，但随着人口老龄化的加快和工作生活方式的改变，IVDD发病率还在逐年升高并呈普遍化、年轻化趋势[4]。鉴于其高发生率及治疗措施不当引发的病情加重会给患者带来极大的痛苦，因此，对患者采用安全有效的干预手段迫在眉睫。迄今为止，多种方法已被开发并应用于IVDD的治疗，其中，西医疗法仅能缓解急性期疼痛的临床症状，并未阻断椎间盘组织的退变进程。与此同时，随着针灸临床适应证的不断拓展，针灸在防治椎间盘退行性疾病的保守治疗方法中备受青睐，但其作用机制尚不明确。本文对近年来国内外各研究者关于针灸治疗IVDD机制的文献进行归纳和总结，旨在挖掘针灸疗法优势的机理，为进一步深入广泛研究和应用针灸疗法提供思路与基础。现将具体研究进展总结如下。

1 针灸促进细胞增殖及细胞骨架恢复

椎间盘作为各椎体间的“纽带”，由中心的髓核、内外层纤维环及上下的软骨终板构成，故髓核细胞、纤维环细胞及软骨终板细胞为椎间盘细胞的主要组成部分。椎间盘内细胞死亡导致细胞的类型、数量及密度产生波动性变化是引起IVDD的重要因素之一。Delta样配体4（DLL 4）可与受体Notch同源蛋白1/4（Notch1/Notch4）结合诱导靶基因发状分裂相关增强子1（Hes 1）等进行转录，促进细胞增殖。卢岩等[5]研究显示，针刺“项七针”穴组可通过Notch信号系统提高椎间盘细胞内DLL 4和Hes 1的表达，对血管新生进行调控，在促进椎间盘细胞增殖过程中起到至关重要的作用。作为椎间盘主要营养渗透途径的软骨终板在IVDD后发生破裂、钙化，引起软骨终板营养弥散功能减弱，最终被骨组织取代，加重椎间盘组织退变。王莹等[6]通过切除大鼠颈后部肌肉建立IVDD大鼠模型，同时应用针刺（双侧天柱、双侧大杼、大椎穴）进行干预，结果表明，针刺可增加软骨终板交界面血管芽数量，减轻钙化程度，改善髓核营养供应防止皱缩，进而发挥改善IVDD的作用。

细胞骨架是由蛋白质构成的链接细胞膜与细胞核之间的网架体系，在维持细胞正常形态的同时参与遗传物质的复制、翻译、表达等重要生命活动。椎间盘细胞内主要包含肌动蛋白、微管蛋白和波形蛋白（actin，tubulin和vimentinl）三类细胞骨架蛋白，可将胞外的机械应力传导至胞内转化为生物学信号，帮助维持胞内成分的正常代谢与更新；而椎间盘细胞在受到不同程度的异常机械刺激时可激活Ca2+通道引发Ca2+含量突变，影响actin的重塑，同时也能够干扰tubulin表达，调节蛋白聚糖（proteoglycan，PG）的合成和分泌，导致椎间盘的退变[7]。研究[8]表明，夹脊电针能够升高actin、tubulin的表达，促进退变腰椎间盘细胞骨架恢复，从而起到改善IVDD的作用。

2 针灸抑制细胞凋亡

细胞凋亡是由各种信号传导调控系统参与的程序化细胞死亡过程，这些复杂的反应过程主要通过死亡受体途径、内质网途径和线粒体途径发挥作用。椎间盘细胞凋亡率上升是导致椎间盘活力下降的原因之一，所以，抑制其凋亡可有效促进退变椎间盘的恢复。目前，凋亡与死亡因子Fas/Fas配体（FasL）、肿瘤坏死因子受体（TNFR）通路作为死亡受体介导细胞凋亡的主要形式，均可以激活天冬氨酸特异性蛋白水解酶（Caspase）级联反应，最终导致椎间盘细胞凋亡的发生。Liao等[9]研究发现，电针可通过对TNF-α/TNFR1/Caspase-8信号通路的抑制作用，提高整合素β1和蛋白激酶B（Akt）mRNA及蛋白的表达，提示电针能够有效抑制椎间环纤维化细胞的凋亡。研究[10]表明，经电针刺激委中穴后可明显降低IVDD大鼠中Fas、FasL的表达，通过Fas/FasL通路抑制细胞凋亡，进而起到抑制IVDD的作用。线粒体凋亡相关蛋白中的Caspase家族（Caspase-3、Caspase-9）和Bcl-2家族（Bcl-2、Bax、Bxl）作为细胞凋亡的关键调控者，其含量及相对比值在决定细胞生存或死亡中起到关键性作用。研究[11-13]显示，电针通过刺激不同穴位可明显调节椎间盘细胞内Caspase-3、Caspase-9、Bax、Bcl-2表达水平，表明电针能够有效抑制椎间盘细胞的凋亡。进一步研究[14]发现，针刺联合通痹方热敷治疗椎间盘退变，调控Bcl-2和Casepase-3 mRNA的表达，从而抑制椎间盘细胞凋亡。分泌型糖蛋白/β-链蛋白（Wnt/β-catenin）信号通路是一个复杂的蛋白质作用通路，对椎间盘细胞增殖和老化过程的影响比对椎间盘细胞外基质代谢的作用更大。研究[15]显示，内热针可激活该信号通路，继而诱导IVDD模型纤维环中Wnt1和β-catenin的表达量降低，提示此干预手段可通过调节β-catenin信号通路相关因子的表达水平来治疗腰椎退行性疾病。因此，对椎间盘细胞凋亡的调节是针灸治疗IVDD的重要机制之一。

3 针灸调节细胞外基质成分降解

3.1 抑制胶原类型转化

作为构成椎间盘的重要组成成分，胶原蛋白（collagen，COL）的交错构型决定了椎间盘的形态及抗张强度。COL是重要的ECM成分之一，不同类型的COL（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ等）与IVDD存在着密切的关系。在正常椎间盘中，COL-Ⅰ、COL-Ⅱ分别是软骨终板和髓核的主要成分，纤维环以COL-Ⅰ、COL-Ⅱ为主。Ⅰ、Ⅱ型占椎间盘总COL的80%左右，占纤维环干质量的70%，Ⅵ型占10%～20%。其中，COL-Ⅴ在退变的椎间盘内分布与Ⅰ型相一致，同COL-Ⅰ、COL-Ⅱ一样，COL-Ⅴ在髓核内的出现可能标志着退变的发生且对COL-Ⅰ、COL-Ⅱ的形成具有一定的调控作用。COL-Ⅰ适合牵引变形、吸收和传递应力，而COL-Ⅱ具有承受和吸收传导压力的作用。在IVDD的发展过程中，两者的变性转化会引起构成支撑网架的胶原纤维发生钙化，传导力的作用降低，使纤维环容易破裂，导致髓核突出压迫神经出现相应症状。王学新等[16]采用大鼠动静力失衡性颈IVDD模型探讨针刺的作用机制，结果表明，通过对颈夹脊穴进行刺激可抑制COL-Ⅰ、COL-Ⅱ的转化，改善髓核的超微结构，提示针刺可通过调节ECM中胶原系统和髓核结构来抑制椎间盘退变。廖军等[17]亦证实，电针“大椎”穴可下调颈椎病大鼠COL-Ⅴ和金属蛋白酶13（MMP-13）的表达，上调COL-Ⅱ的表达，明显抑制椎间盘中ECM降解。

3.2 促进多种蛋白聚糖含量升高

椎间盘细胞ECM内含有多种PG，是构成软骨纤维组织的主要成分。其在椎间盘中部的高水合区占髓核干质量的50%，但仅占外层纤维环的一小部分。PG与水分子高度结合后使得椎间盘具有一定的硬度、抗压能力和黏弹性。在IVDD过程中，PG的改变比COL变化更为突出：聚集状PG含量明显下降，非聚集状PG含量增加。聚集状PG的丢失直接导致髓核ECM渗透压降低，造成椎间盘水合能力减弱并引起其组织构成及力学性能产生变化，是退变中更为初始且关键的表现。现代研究[18]认为，艾灸具有温热效应和抗衰老的作用，能延缓IVDD的发生，并治疗其引发的脊柱疾病，但其防治作用及机制尚不明确。将艾灸作用原理及相关研究结果[19]结合分析可知，艾灸可通过远红外热效应、红外共振辐射作用改善椎间盘组织营养代谢，明显延缓椎间盘PG含量的过度减少，从而起到防治椎间盘退变的目的，进一步证实了针灸与PG的调控关系。

椎间盘中的蛋白聚糖可分为二聚糖（BGN）和核心蛋白多糖（DCN）两种。BGN可粘附椎间盘细胞，影响表皮生长因子、成骨蛋白1及白细胞介素1（IL-1）含量，且对COL-Ⅰ、COL-Ⅱ、COL-Ⅲ、COL-Ⅵ和弹力蛋白的装配起到重要的作用；DCN为各类型COL纤维的主要组成部分，具有很强的黏弹性及抗压能力。Singh等[20]指出，IVDD的主要表现为ECM的变化，随着退变程度的加深，ECM中COL-Ⅰ、COL-Ⅱ、BGN、DCN等成分的丢失会使椎间盘细胞代谢失衡，间接抑制椎间盘组织退变。研究[21-23]显示，经夹脊电针治疗后的IVDD兔BGN、DCN浓度升高，表明夹脊电针治疗可通过纠正ECM合成代谢的稳态关系达到延缓IVDD的作用。

4 针灸改善损伤区域微环境

4.1 调节相关酶系统代谢

在健康的椎间盘中，由于调控基质代谢的酶系统及其他相关细胞因子的复杂调节，有效维持了ECM成分生成及分解的动态平衡；当这个平衡被打破，会导致椎间盘高度的降低及纤维环层的损害，也可能会导致相应节段的机械应力显著变化，出现裂缝和撕裂的退变级联反应标志，最终引发ECM降解，IVDD进一步加重。其中，金属蛋白酶（MMPs）和解聚蛋白样金属蛋白酶（ADAMTSs）可分别切割COL和PG，调节ECM合成代谢。这些酶在椎间盘中的高表达量、高效率和强活性与IVDD密切相关[24]。MMPs是一种含有Ca2+、Zn2+的蛋白水解酶家族，在IVDD后被激活发生级联反应参与代谢过程。基于水解底物的特异性可将MMPs分为胶原酶、明胶酶、基质溶解酶、基质金属蛋白酶、膜型基质金属蛋白酶和其他类型，其中：胶原酶（MMP-1、MMP-13等）主要作用于纤维类COL，最能反应椎间盘ECM中COL-Ⅱ的代谢变化；基质溶解酶（MMP-3等）主要水解PG、COL、明胶等底物，还可激活其他潜在的退变过程，形成瀑布效应。金属蛋白酶组织抑制因子（TIMP-1）作为机体内部产生的对MMPs活性有抑制作用的TIMP家族成员，可与MMPs按1∶1的比例形成高亲和度的复合物降解其活性发挥作用。王学新等[25]研究发现，针刺治疗IVDD大鼠时选取夹脊穴，可增加MMP-1、MMP-3并减少TIMP-1的分泌量，从而调控ECM酶系统的活性。研究[26-27]发现，电针可通过调控MMP-1、MMP-13及TIMP-1的表达，纠正基质合成代谢失衡，参与IVDD的病理过程。ADAMTSs是继MMPs后发现的一种Zn2+依赖的金属蛋白酶家族，可与细胞表面及ECM进行特异性结合发挥作用。丛心宇等[28]采用电针干预IVDD模型大鼠，结果表明，电针可降低ADAMTS-4的含量，抑制IVDD进程。Li等[29]研究发现，针刺阳陵泉穴可以减少ADAMTS-7和ADAMTS-12的分泌，抑制相关酶及ECM的降解，延缓IVDD进程。

4.2 抑制炎症反应

IVDD是一个慢性炎症状态，免疫炎性反应是包括IVDD在内的大多数退行性疾病的重要病理基础。相关炎性因子如白细胞介素（IL）、转化生长因子β（TGF-β）、肿瘤坏死因子α（TNF-α）等在椎间盘细胞中的高表达，造成其进行性损伤，加剧了脊柱原有结构破坏及生物力学变化。IL可通过影响MMPs的生物活性，抑制ECM中PG的合成。其中，不存在于正常椎间盘组织中的IL-1、IL-6与IVDD的关系较为密切，可促进炎症细胞聚集，启动其他炎症介质的释放，导致机体退变程度加重。刘世敏等[30]研究表明，电针天柱、大杼穴可抑制IVDD大鼠椎间盘组织IL-1α、IL-6，降低炎症反应及ECM降解，延缓退变过程。炎症免疫反应在IVDD过程中发挥着双刃剑的作用，对于TGF-β也是如此，可在IVDD过程中发挥双向调节作用：一方面可促进细胞生长和分化，有利于ECM形成；另一方面也可抑制椎间盘组织的再生。其中，TGF-β1能够促进椎间盘最外层CD146+细胞表达并刺激其他细胞生长因子表达，进而预防IVDD进一步加重。研究[31]表明，夹脊电针可通过降低髓核细胞中IL-1β、TGF-β1的含量，减缓炎症反应，改善临床症状。TNF-α作为一种有效的促炎因子具有促使血管扩张、白细胞驱化，降低椎间盘组织的功能、活性与代谢的作用。孙卫强等[32]研究发现，针刺能降低TNF-α、IL-1β炎症因子的分泌量，减轻炎症反应并参与IVDD的修复和再生。

4.3 增加血流量，改善微循环

椎间盘的发病机理复杂，主要由遗传、异常机械负荷、营养供应不足等造成血管血流不畅，导致“瘀”证形成。血栓素A2（TXA2）和前列环素（PGI2）作为一对效用相反的不稳定的生物活性物质，常在体内水解、氧化后以无活性的血栓素B2（TXB2）和6-酮-前列腺素F1α（6-K-PGF1α）存在，可调控血管的舒缩及血小板的聚散，对改善血管血流不畅、活血化瘀具有重要作用。王莹等[33]应用针刺疗法可明显降低血浆中TXB2、前列腺素E2（PGE2）、6-K-PGF1α蛋白表达，调节TXB2/PEG2二者比例失衡，保护血管内皮细胞功能，抑制血小板聚集异常、发挥抗血栓作用，进而加速炎症介质代谢，改善椎间盘组织微循环。

5 针灸调节椎间盘营养代谢

Naylor等[34]最早指出椎间盘作为人体最大的乏血管器官，主要通过纤维环途径和终板途径这两套系统的渗透作用进行营养供应及废物代谢，且渗透率较低。水作为椎间盘的营养成分之一，主要富集在髓核，幼年时含水量达80%以上，通过形成含水分的弹性系统达到液压减震的目的。水通道蛋白（aquaporins，APQs）介导的水转运已被证实是协助水分子跨膜转运的主要途径。随着年龄的增长及退变程度加重，APQs通过环磷酸腺苷-cAMP依赖性蛋白激酶A（cAMP-PKA）、cAMP依赖性蛋白激酶A-环腺苷酸反应序列结合蛋白（PKACREB）等信号通路的调控作用减少了在软骨终板中的表达，致使椎间盘的水弥散能力及含水量降低，引发能量、代谢及营养供应功能障碍等一系列退变反应，研究[35-36]显示，电针可基于PKACREB通路上调AQP1、AQP3 mRNA的转录及蛋白表达，同时提示水弥散能力磁共振成像中表观扩散系统（ADC）、各向异性分数（FA）值与AQP1、AQP3表达量呈正相关直线关系，可量化椎间盘早期退变程度，帮助诊断进而延缓椎间盘退变。

6 针灸抑制神经纤维向内长入

在IVDD过程中最显著的特点为损伤后的神经纤维通过椎间盘破裂间隙长入到椎间盘内部，这些新生的神经纤维会被椎间盘组织所释放的大量炎性介质或力学失衡刺激引发椎间盘源性疼痛。Olmark[37]指出，这些神经的长入与轴突生长导向因子联系紧密。轴突生长导向因子可以协同引导轴突定向移动并向靶组织生长，而在神经系统损伤后的轴突再生过程中需要与靶细胞或靶组织建立准确的联系，其中，神经导向因子1（Netrin-1）参与并诱导轴突向靶组织生长。有研究显示，轴突导向因子中的Netrin-1最有可能参与退变椎间盘内部神经纤维的生长过程。夹脊电针[38-39]通过对轴向加压法建立的白兔退变模型进行干预治疗，结果表明，夹脊电针可明显降低Netrin-1和神经丝蛋白200、P物质的阳性细胞数，抑制椎间盘神经纤维向内生长和延伸并减轻疼痛症状，延缓IVDD的发展进程。

7 小结与展望

椎间盘退变（IVDD）属于中医学“痹证”的范畴。中医认为，本病多由人体正气不足及风寒湿三气杂至引发。其病理性质初期以邪实为主，久而正虚邪恋或虚实夹杂。在过去的几十年里，研究者们采用了不同的研究方法，从不同的作用机理对针灸治疗IVDD进行了全面深入的研究，并在临床中得到了广泛证实。针灸作为一种外源性刺激在治疗IVDD方面的潜在机制复杂，可通过促进椎间盘细胞增殖及细胞骨架恢复、抑制细胞凋亡和ECM相关成分降解、改善损伤区域微环境及椎间盘营养代谢紊乱、抑制神经纤维长入等多种病理过程达到治疗IVDD的目的。以上总结可知，针灸作为治疗IVDD的有效方法，可通过多个靶点发挥作用。

IVDD是整个外周和中枢神经系统综合作用的结果，其发病机制繁杂且各机制之间互相影响，故未来研究应着重探讨针灸如何在多层次、多水平、多靶点间发挥协调作用并探究何种机制在针灸治疗IVDD中居于主导地位。同时，IVDD作为一种慢性疾病会出现多种生理性退变症状，因此，应加强针灸与各组织中细胞衰老、程序性死亡及细胞簇形成等相关机制的研究，为后续探讨针灸治疗IVDD的作用提供新方向。近年来，国内外对IVDD的研究热点已逐步深入至细胞信号分子在转录和翻译后水平的研究，但针灸治疗方式在该层面的研究仍处于初级阶段。此外，对针灸治疗自身而言，针灸的方式、选穴、手法及刺激量等方面都需要进一步规范化，探讨最佳量效关系，从而在较大程度上推进针灸治疗IVDD的研究进程。