高糖调控MAPK信号通路在椎间盘退变中的研究进展

李想 孔令俊 薛旭 史凡凡 孟汉杰 邓叶龙 张金磊 袁剑

1. 甘肃中医药大学,甘肃 兰州 730000;

2. 甘肃省中医院,甘肃 兰州 730050)

椎间盘退变(IVDD)是指由一系列复杂分子机制引起IVD老化和损伤,最终导致严重临床症状的病理改变[1]。腰痛(LBP)是其典型临床症状之一。IVD由中央髓核(NP)、外周纤维环(AF)和上下软骨终板(CEPs)组成[2]。LBP终生患病率为60 %～70 %,不仅给患者带来极大痛楚,而且会产生巨大的社会经济负担[3]。研究发现DM患者合并IVDD发病率高于单纯IVDD患者,并呈现年轻化趋势[4],糖尿病(DM)可分为1型糖尿病(T1DM)和2型糖尿病(T2DM),Chen等[5]对118例T1DM患者研究发现高糖可加速IVDD进程,T1DM是椎间盘退变发生的危险因素并与IVDD呈正相关性,Kakadiya等[6]发现T2DM病程越长,风险越大,T2DM<10年和血糖控制较好的T2DM患者与单纯IVDD患者无明显差异,T2DM病程>10年且血糖控制不佳是IVDD的危险因素,但目前对其发病机制尚不明确,随着研究不断深入,人们发现DM形成的高糖环境可通过激活MAPK信号通路调控ECM代谢平衡,IVD细胞增殖、衰老与凋亡,促进炎症反应,诱导自噬和氧化应激,达到促进IVDD进程的目的[7]。本文将主要围绕高糖调控MAPK信号通路促进IVDD进程的相关机制及抑制高糖药物对IVD保护作用展开综述,以期为后续治疗和和研究提供新思路、新方法。

1 MAPK信号通路概述

MAPK信号通路也被称为Ras-Raf-ERK- MAPK信号通路,是调控细胞生长、发育和分化的信号转导网络的核心,在细胞增殖、分化、凋亡和自噬等过程中发挥重要作用。主要由细胞外信号调节激酶(ERK)、p38和c-Jun氨基末端激酶(JNK)3部分组成[8],基本信号传递步骤为MAPK酶联反应3段式,由上游激活序列MAP3K、MAP2K、MAPK组成。在该通路中,Ras作为上游激活蛋白,Raf作为MAP3K, MAPK/ERK激酶(MEK)作为MAPKK, ERK为MAPK,形成Ras-Raf-MEK-ERK通路[9]。

2 高糖在MAPK信号通路中的作用

研究发现,在人视网膜色素上皮细胞、肾小球系膜细胞、心肌细胞等多个细胞模型中,高糖可通过氧化应激直接或间接激活MAPK信号通路[10]。相关研究显示高糖可激活IVD中MAPK信号通路作用于IVDD进程。Shan等[11]发现高糖可显著上调AF细胞中Bax、caspase-3、cleaved caspase、cleaved PARP、p-p38 MAPK和p-JNK的表达,下调bcl-2的表达,予以JNK和p38 MAPK抑制剂后AF细胞凋亡减少,高糖可能通过激活JNK和p38 MAPK信号通路诱导AF细胞凋亡。Cheng等[12]认为高糖可能通过激活NP细胞中p38 MAPK信号通路使II型胶原、聚合蛋白、Sox-9和TIMP-1表达下调,MMP3表达上调,促进NP细胞凋亡,触发ECM分解代谢,加速IVDD进程。He等[13]发现高血糖水平可提高p38和JNK MAPK信号通路的磷酸化水平,在短期葡萄糖处理的细胞中,ERK磷酸化水平也有升高,MAPK信号通路激活。此外,MAPK信号通路在其他细胞高血糖反应中被激活也得到相应证实[14]。基于此,IVD中MAPK信号通路可被高糖激活。

3 高糖通过调控MAPK信号通路在IVDD中的作用

3.1 MAPK信号通路与ECM

NP细胞分泌的ECM合成和降解之间失衡被认为是IVDD发病的主要病理生理过程,其与IVD中MAPK信号通路被高糖激活密切相关[15]。MMPs、分解素、ADAM和ADAMTs是ECM降解所必须的酶[16],高糖激活MAPK信号通路后,通过增加MMPs、分解素、ADAM、ADAMTs的数量,导致ECM降解增加[17]。CHI3L1是一种分泌糖蛋白,可以上调MMPs基因在各种细胞中的表达水平,并可介导促炎作用,Li等[18]发现rCHI3L1可显著上调ERK和JNK的磷酸化水平,同时ERK或JNK抑制剂可下调rCHI3L1诱导的ECM代谢失衡。张力增强子结合蛋白(tension enhancer binding protein, TonEBP)是一种正向调控IVD细胞中聚集蛋白聚糖基因表达的转录因子,从而调节IVD细胞的环境以响应渗透压的变化,MAPK信号通路被高糖激活后可显著抑制TonEBP的功能,从而加速IVD中ECM降解,抑制ECM合成[19]。

3.2 MAPK信号通路与细胞增殖

IVD细胞的正常增殖是IVDD期间的组织的自我修复过程[20],组蛋白去乙酰化酶4 (histone deacetylase 4, HDAC4)可在细胞增殖中发挥正向调节作用。Wu等[21]发现MAPK信号通路被高糖激活后,HDAC4的表达受到抑制,上调TNF-α、IL-6和MMP-3,下调COL2的表达,阻断NP细胞的G0/G1周期,抑制其增殖。

3.3 MAPK信号通路与细胞衰老

维持细胞的正常活力是保持IVD生理特性的关键,高糖可加速细胞衰老促进IVDD进程,有研究表明MAPK信号通路被高糖激活后可诱导细胞早衰[22]。β-半乳糖苷酶(SA-β-Gal)被认为是细胞衰老的重要标志物[23],p53-p21-RB和p16-Rb信号通路在细胞周期调控中起着重要作用,高糖激活MAPK通路可显著提高SA-β-Gal活性、抑制细胞增殖、降低端粒酶活性,从而上调衰老标志物(p53和p16)的表达,进一步激活p53-p21-Rb和p16-Rb通路,加速IVD细胞衰老,同时抑制高糖介导的MAPK信号通路可减缓NP细胞衰老[24]。

3.4 MAPK信号通路与氧化应激

已有报道称氧化应激与多种疾病关系密切,包括骨性关节炎[25]、骨质疏松症[26]、股骨头坏死[27]等。高糖可增加ROS的产生,促进氧化应激反应[28],生理条件下,ROS对IVD细胞有益,导致细胞正常的增殖和分化,然而,ROS的过度积累可引起氧化应激,导致细胞凋亡或坏死,促进 IVDD进程。研究表明高糖激活 MAPK信号通路后可引起CEP细胞凋亡和钙化,在NP变性过程中增强kmt2d介导的基质变性相关基因的转录调控,进一步促进NP变性[29]。同时Zhou等[30]发现2-胍丙二盐酸盐(AAPH)是一种被广泛用作自由基来源的小分子,可引起NPC中ROS过剩、基质退化和凋亡。高糖激活MAPK信号通路后,AAPH会诱导氧化应激,促进IVDD进程,氧化应激也可以通过增加蛋白酶(如MMPs和ADAMTs)的分泌与表达和下调ECM蛋白的表达来破坏ECM代谢平衡。因此,高糖激活MAPK信号通路可促进氧化应激诱导的IVDD进程。

3.5 MAPK信号通路与细胞凋亡

细胞凋亡被证实在IVDD进展中起着关键作用,过度凋亡导致IVD细胞丢失被认为是IVDD进程中ECM合成减少的重要原因[31]。MAPK信号通路被高糖激活后可导致IVD细胞释放促炎细胞因子IL-1β和TNF-α,降低IVD细胞中蛋白多糖和COL2表达,它们与IVDD的病理过程关系密切,可促进细胞凋亡、炎症反应和自噬[32]。Cleaved caspase-3和Bax已被证明是促进细胞凋亡的重要标志物,Bcl-2是抗凋亡标志物,而Sun等[33]研究发现高糖激活MAPK信号通路后NP细胞中Cleaved-caspase-3和Bax表达明显增加,而 Bcl-2表达降低,这是高糖激活MAPK信号通路诱导NP细胞凋亡的有力证据。

3.6 MAPK信号通路与炎症反应

炎症反应也与IVDD密切相关,是加速其进程的主要原因之一[34]。IVDD相关通路研究表明,MAPK信号通路是炎症和分解代谢的主要调节因子,高糖激活MAPK信号通路后可影响MMP1、MMP3、MMP13、IL-6、IL-8、COX-2、iNOS和TGF-β等炎症介质的表达,并控制聚合蛋白、I型胶原、II型胶原等合成代谢基因的表达,促进IVDD进程[35]。ADAMTs是参与ECM降解的关键细胞外金属蛋白酶,与组织破坏和炎症密切相关,通过激活MAPK通路,NP细胞中ADAMTS-5的表达上调,释放的IL-1β和TNF-α具有强大的促炎作用,共同刺激促炎因子释放,加速炎症反应和组织破坏,促进IVDD进程[36]。Cui等[37]发现MAPK信号通路抑制剂可显著下调内脏脂肪素诱导的IL-6在NP细胞中的表达,还可抑制MAPK信号通路调节炎症因子和分解代谢酶的表达,在IVDD中起保护作用。因此,高糖激活MAPK信号通路在IVDD的炎症反应中起着重要的调节作用。

3.7 MAPK信号通路与自噬

自噬本质上是一种溶酶体介导的细胞内分解代谢过程,在此过程中,功能失调的细胞质大分子和受损的细胞器可以被降解和循环,以响应外界刺激以增加代谢。已有研究证实了高糖、自噬与IVDD之间的关系[38]。自噬相关基因,包括Beclin-1、组织蛋白酶B、催产素1、Atg8和Atg12,在退变椎间盘中的表达明显高于健康IVD[39]。自噬在轻度IVDD中被激活,但在重度IVDD中减少。IVD细胞自噬与高糖激活MAPK信号通路之间的关系越来越受到人们的关注,MAPK信号通路是自噬的上游调控因子,被高糖激活后可促进IVD细胞自噬,从而促进IVDD进程[40]。Zhang等[41]发现槲皮素通过抑制大鼠高糖诱导NP细胞中MAPK信号通路活化来改善自噬,从而减少细胞凋亡和ECM降解。

综上所述,IVD细胞中MAPK信号通路被高糖激活后可分别通过增加ECM降解、抑制细胞增殖、促进细胞衰老与凋亡和炎症反应,介导自噬和氧化应激,从而加速IVDD进程。

4 抑制高糖药物对IVD的保护作用

4.1 二甲双胍与IVDD

二甲双胍是治疗2型糖尿病的常用药物,近年来随着研究不断深入,发现其在多种疾病中效果显著,如肥胖、心血管疾病、肿瘤等,具有抗衰老、抗凋亡、抗炎和抗氧化的作用[42],并对IVDD具有一定的保护作用[43]。Jin等[44]研究发现二甲双胍可缓解p-p38 MAPK蛋白过度表达所致的内质网应激水平的升高,p38 MAPK在介导的内质网应激中起关键作用,而二甲双胍可以有效抑制MAPK信号通路所介导的内质网应激反应。He等[45]认为二甲双胍可降低高血糖和高脂血症诱导的p38 MAPK和JNK信号通路的激活以达到上调水通道蛋白7(AQP7)表达的目的。Chen等[46]研究发现二甲双胍可预防阿霉素(DOX)引起的心脏毒性,并与MAPK信号通路受到抑制有关,同时二甲双胍可抑制DOX诱导的p38、JNK磷酸化和ERK活化,从而抑制MAPK通路。

Chen等[47]认为二甲双胍可以显著降低SA-β-gal的活性、抗细胞衰老、促进ECM中II型胶原蛋白和聚蛋白的合成,通过下调基质降解酶Mmp-3和Adamts-5抑制ECM分解代谢,有助于维持髓核稳定,二甲双胍同时还可能通过促进NP自噬对IVDD起保护作用。高迁移率蛋白1 (HMGB1)是一种与DNA结合的核蛋白,是基因转录的辅助因子,研究表明释放的HMGB1蛋白可增强细胞外基质中PGE2、IL1β、IL-6和TNF-α的产生[48],Han等[49]研究表明二甲双胍通过阻断HMGB1易位和抑制AFSCs(纤维环干细胞)的分解代谢表现出其抗炎作用。HMGB1被认为是细胞衰老的重要标志物,细胞核中HMGB1表达缺失与细胞衰老密切相关,二甲双胍可以阻止AFSCs中HMGB1的释放,延缓IVD细胞衰老。

4.2 吡格列酮与IVDD

吡格列酮是唯一可用的胰岛素增敏剂,可广泛应用于糖尿病的治疗,对改善和保存β细胞功能具有强大的益处[50]。研究发现吡格列酮可逆转晚期糖激化终末产物(AGEs)诱导细胞中caspase-3、PARP(一种细胞凋亡的标志物)、MMP-13和PPARγ(过氧化物酶体增殖物激活受体γ)的表达上调[51],Zhang等[52]发现吡格列酮作为一种过氧化物酶体增殖物激活受体γ激动剂实现这一过程主要通过抑制MAPK和NF-κB信号通路来完成。研究发现吡格列酮除降糖作用外还可抑制氧化应激反应和炎症因子的表达。

研究发现吡格列酮具有广泛而强大的抗炎作用,还可应用于类风湿关节炎、动脉粥样硬化、关节炎和结肠炎等疾病。Liu等[53]发现吡格列酮可显著降低NP细胞中IL-17和TNF-α的表达水平和增加抗炎因子(IL-10)的产生,还可抑制IL-17联合TNF-α诱导的II型胶原蛋白和聚蛋白水平降低所导致ECM的分解代谢增加。间充质干细胞(mesenchymstem cells, MSCs)可以分化为NP细胞并促进ECM合成,在治疗IVDD方面表现出巨大潜力。最近在NP中发现了MSCs,这些NP-MSCs能有效修复NP组织。Hu等[54]发现压缩可显著降低NP-MSCs活力,导致细胞凋亡,而吡格列酮可通过抑制氧化应激和线粒体损伤对NP-MSCs压缩诱导的细胞毒性有抑制作用,保护IVD。

4.3 抑制高糖中药单体与IVDD

研究发现部分中药单体不仅能抑制高糖,还可通过下调MAPK信号通路活化达到保护IVD的目的,其中白藜芦醇、人参皂苷Rb1、三七总皂苷、黄芪多糖和槲皮素等中药单体均可在不同程度上抑制高糖,下调MAPK信号通路活化来保护IVD[55],其中对于槲皮素的研究较为深入,槲皮素是一种天然黄酮类药物,具有抗炎、抗氧化应激和抗凋亡等功能,在改善胰岛素敏感性、抑制高糖和抗糖尿病并发症等方面发挥重要作用[56]。Zhang等[57]研究发现槲皮素可通过降低ROS的生成、抗炎症反应等抑制MAPK信号通路激活来延缓IVD细胞凋亡、促进NP细胞自噬来减弱ECM降解、同时改善NP和AF变性以及形态学改变,达到延缓IVDD进程的目的。

综上所述,二甲双胍、吡格列酮和槲皮素等抑制高糖药物可通过抑制MAPK信号通路活化来保护IVD,为治疗高糖调控MAPK信号通路介导的IVDD提供新途径,但笔者查阅国内外相关文献未见临床应用报道,当前正处于基础实验阶段,有待进一步深入研究。

5 小结与展望

IVDD是一种慢性退行性病变,是多种致病因素作用的共同结果。最新研究发现高糖在IVDD进程中扮演着重要的角色,通过对IVDD及其相关信号通路的研究表明,高糖可以通过激活IVD细胞中MAPK信号通路促进IVDD进程。其他细胞中MAPK信号通路在高糖条件下被激活也得到了相关证明,同时在动物实验中应用抑制高糖药物可以通过下调MAPK信号通路起到对IVD的保护作用,在一定程度上证明了高糖、MAPK信号通路、IVDD 3者的相关性。因此,通过靶向高糖调控MAPK信号通路治疗IVDD具有一定的理论依据,但其确切作用机制至今尚未阐明,今后仍需进一步基础研究加以佐证。