王 超，石志才，李 明

（海軍軍醫(yī)大學(xué)附屬長海醫(yī)院，上海 200433）

椎間盤連接上下兩個椎體，由上下方的軟骨終板、周圍部纖維環(huán)和中央部的髓核組成，在日?；顒又衅鹬休d、傳遞和分布載荷的作用。作用在椎間盤上的應(yīng)力負(fù)荷使椎間盤細(xì)胞受到壓力性應(yīng)力、拉伸應(yīng)力、靜水壓、滲透壓以及剪切應(yīng)力等各種應(yīng)力刺激，其中髓核主要承受靜水壓，纖維環(huán)主要承受拉伸應(yīng)力，而作用在軟骨終板上的應(yīng)力則以壓力性應(yīng)力為主［1,2］。應(yīng)力負(fù)荷在調(diào)控椎間盤的生長、增殖和存活中起重要作用［3,4］，具體到細(xì)胞層面，椎間盤各部分細(xì)胞的生長和代謝受到應(yīng)力性質(zhì)、大小、頻率以及持續(xù)時間的影響［3,5］。細(xì)胞對機(jī)械信號產(chǎn)生感知和應(yīng)答的步驟主要有：機(jī)械耦合、信號傳輸、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和細(xì)胞反應(yīng)［6］，目前椎間盤細(xì)胞對應(yīng)力的反應(yīng)機(jī)制尚未完全明確，僅發(fā)現(xiàn)整合素受體、嘌呤能信號以及Ca2+相關(guān)的離子通道信號可能參與椎間盤細(xì)胞中的應(yīng)力信號轉(zhuǎn)導(dǎo)［7］。本文就應(yīng)力對椎間盤細(xì)胞調(diào)控作用的研究進(jìn)展作一綜述。

1 應(yīng)力影響椎間盤細(xì)胞的生長、增殖和存活

不同模式的應(yīng)力對髓核細(xì)胞的生長發(fā)育有不同的影響。一方面，有研究表明應(yīng)力可以促進(jìn)椎間盤的發(fā)育和成熟：Nong 等［4］用 0～200 KPa、0.1 Hz 的周期性機(jī)械應(yīng)力處理髓核細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)可以顯著提升髓核細(xì)胞的增殖、遷移和細(xì)胞外基質(zhì)的表達(dá)；梁偉［8］對體外培養(yǎng)的人髓核細(xì)胞進(jìn)行0～10 MPa、1 Hz、30 min×4次的力學(xué)加載，發(fā)現(xiàn)當(dāng)應(yīng)力為2.5 MPa時能顯著促進(jìn)髓核細(xì)胞的成熟以及細(xì)胞外基質(zhì)的合成。但另一方面，當(dāng)對髓核細(xì)胞施加的應(yīng)力>5 MPa時，作者觀察到髓核細(xì)胞凋亡率明顯增加，細(xì)胞外基質(zhì)合成明顯減少，這表明長期過度的力學(xué)載荷會導(dǎo)致椎間盤的退變。這與Wang等［9］的報道一致。應(yīng)力還會影響椎間盤細(xì)胞的存活。Yang等［3］對大鼠髓核細(xì)胞施加20%的拉伸力載荷，發(fā)現(xiàn)當(dāng)加載時間>6 h時，細(xì)胞自噬現(xiàn)象明顯增多。Zhang等［10］指出，除了線粒體途徑之外，周期性拉伸應(yīng)力還通過NO介導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激導(dǎo)致小鼠纖維環(huán)細(xì)胞凋亡。Li等［11］在另外一篇研究中也指出，體外培養(yǎng)未成熟豬椎間盤的髓核細(xì)胞代謝受壓應(yīng)力大小、頻率和作用時間的影響，髓核細(xì)胞凋亡率的變化與其成正比，且伴隨明顯的分解代謝。

2 應(yīng)力調(diào)控椎間盤細(xì)胞的表型

應(yīng)力影響椎間盤細(xì)胞的代謝，通過直接影響蛋白聚糖和膠原蛋白的合成，或改變蛋白酶和炎性因子的分泌，從而改變細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix,ECM）的成分，調(diào)控椎間盤的退變。Huang等［12］對人髓核細(xì)胞施加動態(tài)壓縮應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)加壓后髓核細(xì)胞分泌解聚蛋白樣基質(zhì)金屬蛋白酶-1/4/5（ADAMTS-1/4/5）明顯增多，而聚蛋白聚糖的合成明顯減少。Zhu等［13］對兔的脊柱運動單元進(jìn)行體外培養(yǎng)，通過對其進(jìn)行力學(xué)加載，發(fā)現(xiàn)加壓組椎間盤髓核中蛋白聚糖、Ⅱ型膠原含量以及髓核細(xì)胞中的基因表達(dá)量均顯著減少。應(yīng)力的調(diào)控作用與時間明顯相關(guān)。Li等［14］對體外培養(yǎng)的豬椎間盤進(jìn)行0.4 MPa、1 Hz的動態(tài)壓縮應(yīng)力加載，與加載時間為1 h相比，加載時間為8 h的椎間盤髓核中神經(jīng)鈣黏素表達(dá)明顯減少，且細(xì)胞外基質(zhì)的蛋白聚糖和Ⅱ型膠原含量也顯著降低，作者認(rèn)為長時間壓縮負(fù)荷可以通過下調(diào)神經(jīng)鈣黏素的表達(dá)導(dǎo)致髓核細(xì)胞表型的丟失。作者進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，高頻率（5 Hz）的壓縮應(yīng)力能明顯減少未成熟豬纖維環(huán)細(xì)胞外基質(zhì)的合成，并增加分解［15］。應(yīng)力還能夠影響椎間盤細(xì)胞分泌細(xì)胞因子，引起疼痛。Miyamoto等［16］體外培養(yǎng)小鼠尾椎髓核細(xì)胞和纖維環(huán)細(xì)胞，并對其施加周期性機(jī)械應(yīng)力，顯示細(xì)胞分泌前列腺素E2和環(huán)氧合酶-2明顯增多，是應(yīng)力引起下腰痛的機(jī)制之一。

3 應(yīng)力調(diào)控椎間盤細(xì)胞的轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

3.1 力學(xué)信號的感受

3.1.1 整合素受體

整合素 α1，α5，αv，β1，β3在椎間盤細(xì)胞膜上表達(dá)，其膜外結(jié)構(gòu)域可以識別包含精氨酸-甘氨酸-門冬氨酸（Arg-Gly-Asp，RGD）序列的多肽位點，從而與椎間盤內(nèi)多種基質(zhì)蛋白相互作用，如α1β1亞單位是膠原蛋白在間盤細(xì)胞膜上的主要受體，而α5β1亞單位是纖維結(jié)合蛋白的膜受體，把力學(xué)信號轉(zhuǎn)化為化學(xué)信號［17］。研究顯示，周期性應(yīng)力下大鼠髓核細(xì)胞整合素的表達(dá)明顯增加［18］。但也有研究指出，整合素的作用受椎間盤退變程度的影響。Gilbert等［19］對人退變與正常纖維環(huán)細(xì)胞在體外施加牽張應(yīng)力，結(jié)果顯示非退變組纖維環(huán)細(xì)胞蛋白聚糖的表達(dá)下降，這種效應(yīng)可被RGD阻斷，而退變組纖維環(huán)膠原蛋白基因表達(dá)降低，但RGD不起作用。另外一項研究也發(fā)現(xiàn)，退變?nèi)怂韬思?xì)胞通過整合素之外的途徑進(jìn)行力學(xué)信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)［20］。這可能是由于退變椎間盤中pH改變引起的。Hodson等［21］對人髓核細(xì)胞在不同pH條件下進(jìn)行0.004 MPa、1 Hz、持續(xù)1 h的應(yīng)力加載，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，pH=7.1時，應(yīng)力促進(jìn)蛋白聚糖的合成，且可被RGD阻斷，而pH=6.5時，應(yīng)力對蛋白聚糖的合成無明顯影響。另外，不論pH值、應(yīng)力都能促進(jìn)基質(zhì)金屬蛋白酶3（matrix metalloproteinase,MMP3）的合成，且不能被RGD阻斷，作者進(jìn)一步指出，不同應(yīng)力轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑對不同的基因起作用。同時，整合素受體也能間接感受力學(xué)信號。Zheng等［22］對不同月齡的小鼠髓核細(xì)胞進(jìn)行體外應(yīng)力加載，發(fā)現(xiàn)機(jī)械應(yīng)力促進(jìn)甲狀旁腺激素1受體（PTH1R）向纖毛的轉(zhuǎn)運，從而激活甲狀旁腺素信號通路，促進(jìn)整合素αvβ6的合成，進(jìn)而激活轉(zhuǎn)化生長因子β-結(jié)締組織生長因子-基質(zhì)蛋白合成的級聯(lián)反應(yīng)，有助于維持椎間盤代謝平衡，是治療椎間盤退變的潛在作用靶點。

3.1.2 其他途徑

應(yīng)力負(fù)荷的改變常伴隨滲透壓的變化［23］，通過不同途徑被椎間盤細(xì)胞感知。Li等［24］在不同滲透壓環(huán)境下體外培養(yǎng)豬椎間盤，并檢測細(xì)胞外基質(zhì)的合成量，發(fā)現(xiàn)等滲（430 mOsm/kg）或循環(huán)滲透壓（430 mOsm/kg，8 h～550 mOsm/kg,16 h）比高滲（550 mOsm/kg）或低滲（330 mOsm/kg）更有利于細(xì)胞外基質(zhì)的合成，同時指出ERK1/2及p38MAPK信號通路在此過程中發(fā)揮重要作用。另外，椎間盤細(xì)胞中瞬時感受器電位離子通道家族中的香草素受體亞家族4（transient receptor potential vanilloid 4,TRPV4）能感受細(xì)胞外基質(zhì)滲透壓，這種非選擇性Ca2+通道引起細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的改變，其表達(dá)的上調(diào)還能引起椎間盤細(xì)胞白細(xì)胞介素-1β（interleukin,IL-1β）和IL6的表達(dá)增多［23］。Lin等［25］通過對體外培養(yǎng)人髓核細(xì)胞研究顯示，滲透壓的變化改變了細(xì)胞內(nèi)Ca2+離子濃度，通過Ca2+-鈣調(diào)磷酸酶-活化T細(xì)胞的核因子5信號通路調(diào)控CCN2的表達(dá)，后者是髓核組織中最重要的促合成代謝細(xì)胞因子之一，同時也是髓核組織中調(diào)節(jié)細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)相互作用的重要因素。近期有文獻(xiàn)報道，高滲透壓引起水通道蛋白3表達(dá)上調(diào)，使脊索細(xì)胞分化為髓核細(xì)胞，并伴隨力學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白的改變，在椎間盤成熟方面發(fā)揮重要作用［26］。

3.2 力學(xué)信號的細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)導(dǎo)

除了前面提到的力學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路外，椎間盤細(xì)胞內(nèi)還存在其他力學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制。梁偉［8］的研究顯示動態(tài)壓應(yīng)力通過髓核細(xì)胞微管結(jié)構(gòu)/核轉(zhuǎn)錄因子κB（nuclear transcription factor kappa B,NF-κB）通路調(diào)節(jié)SOX-9和Ⅱ型膠原的表達(dá)。Wang等［9］測量了高振幅、低頻率機(jī)械張力下髓核細(xì)胞炎性因子及細(xì)胞外基質(zhì)的代謝情況，指出高機(jī)械張力能夠激活NF-κB信號通路，通過促進(jìn)IL-1β炎癥因子的釋放導(dǎo)致人髓核細(xì)胞退變。Yang等［3］發(fā)現(xiàn)PI3K阻斷劑3-MA（3-Methyladenine）部分抑制20%拉伸力載荷下大鼠髓核細(xì)胞的自噬，但可觀察到細(xì)胞凋亡明顯增多，作者認(rèn)為拉伸載荷通過PI3K途徑引起細(xì)胞自噬，后者可以減輕周期拉伸應(yīng)力引起的髓核細(xì)胞凋亡。力學(xué)信號還能調(diào)控基因的表達(dá)，周期性拉伸載荷通過p53-p21-Rb通路導(dǎo)致DNA損傷，并引起髓核細(xì)胞衰老，進(jìn)而加速椎間盤退變［27］。Yuan等［28］研究發(fā)現(xiàn)，周期性拉伸應(yīng)力可以通過BNIP3/Bcl-2通路介導(dǎo)人軟骨終板細(xì)胞的凋亡，還可以通過調(diào)節(jié)Runx2、ALP及SOX9等成骨相關(guān)基因的表達(dá)誘導(dǎo)體外培養(yǎng)的人椎間盤軟骨終板干細(xì)胞（cartilage endplate-derived stem cells,CESCs） 向成骨方向分化［29］。另外，高滲透壓通過激活MAPK/p53通路影響DNA合成甚至導(dǎo)致DNA損傷，進(jìn)而調(diào)控椎間盤細(xì)胞的增殖周期，引起椎間盤退變［1］。但力學(xué)信號細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)導(dǎo)的通路，尤其是不同通路間的相互作用仍需要進(jìn)一步研究闡明。

4 總結(jié)和展望

椎間盤細(xì)胞暴露在多種應(yīng)力載荷下，生長和代謝的改變使ECM成分失衡引起椎間盤退變，并最終導(dǎo)致椎間盤退變性疾病。目前對椎間盤退變的治療主要為對癥治療，保守治療或手術(shù)治療都不能改變椎間盤退變的進(jìn)程，也不能恢復(fù)椎間盤的生理功能。王志強等［30］指出：完整理解應(yīng)力對椎間盤細(xì)胞的調(diào)控及其作用機(jī)制，有可能從更深層面預(yù)防椎間盤退變和治療椎間退變引起的腰痛。關(guān)于應(yīng)力對人椎間盤細(xì)胞調(diào)控作用的機(jī)制和靶向阻斷椎間盤退變過程中信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，仍需要進(jìn)一步探索。