李想 孔令俊 薛旭 史凡凡 孟漢杰 鄧葉龍 張金磊 袁劍

1. 甘肅中醫(yī)藥大學(xué),甘肅 蘭州 730000;

2. 甘肅省中醫(yī)院,甘肅 蘭州 730050)

椎間盤(pán)退變(IVDD)是指由一系列復(fù)雜分子機(jī)制引起IVD老化和損傷,最終導(dǎo)致嚴(yán)重臨床癥狀的病理改變[1]。腰痛(LBP)是其典型臨床癥狀之一。IVD由中央髓核(NP)、外周纖維環(huán)(AF)和上下軟骨終板(CEPs)組成[2]。LBP終生患病率為60 %～70 %,不僅給患者帶來(lái)極大痛楚,而且會(huì)產(chǎn)生巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[3]。研究發(fā)現(xiàn)DM患者合并IVDD發(fā)病率高于單純IVDD患者,并呈現(xiàn)年輕化趨勢(shì)[4],糖尿病(DM)可分為1型糖尿病(T1DM)和2型糖尿病(T2DM),Chen等[5]對(duì)118例T1DM患者研究發(fā)現(xiàn)高糖可加速IVDD進(jìn)程,T1DM是椎間盤(pán)退變發(fā)生的危險(xiǎn)因素并與IVDD呈正相關(guān)性,Kakadiya等[6]發(fā)現(xiàn)T2DM病程越長(zhǎng),風(fēng)險(xiǎn)越大,T2DM<10年和血糖控制較好的T2DM患者與單純IVDD患者無(wú)明顯差異,T2DM病程>10年且血糖控制不佳是IVDD的危險(xiǎn)因素,但目前對(duì)其發(fā)病機(jī)制尚不明確,隨著研究不斷深入,人們發(fā)現(xiàn)DM形成的高糖環(huán)境可通過(guò)激活MAPK信號(hào)通路調(diào)控ECM代謝平衡,IVD細(xì)胞增殖、衰老與凋亡,促進(jìn)炎癥反應(yīng),誘導(dǎo)自噬和氧化應(yīng)激,達(dá)到促進(jìn)IVDD進(jìn)程的目的[7]。本文將主要圍繞高糖調(diào)控MAPK信號(hào)通路促進(jìn)IVDD進(jìn)程的相關(guān)機(jī)制及抑制高糖藥物對(duì)IVD保護(hù)作用展開(kāi)綜述,以期為后續(xù)治療和和研究提供新思路、新方法。

1 MAPK信號(hào)通路概述

MAPK信號(hào)通路也被稱為Ras-Raf-ERK- MAPK信號(hào)通路,是調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)、發(fā)育和分化的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的核心,在細(xì)胞增殖、分化、凋亡和自噬等過(guò)程中發(fā)揮重要作用。主要由細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ERK)、p38和c-Jun氨基末端激酶(JNK)3部分組成[8],基本信號(hào)傳遞步驟為MAPK酶聯(lián)反應(yīng)3段式,由上游激活序列MAP3K、MAP2K、MAPK組成。在該通路中,Ras作為上游激活蛋白,Raf作為MAP3K, MAPK/ERK激酶(MEK)作為MAPKK, ERK為MAPK,形成Ras-Raf-MEK-ERK通路[9]。

2 高糖在MAPK信號(hào)通路中的作用

研究發(fā)現(xiàn),在人視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞、腎小球系膜細(xì)胞、心肌細(xì)胞等多個(gè)細(xì)胞模型中,高糖可通過(guò)氧化應(yīng)激直接或間接激活MAPK信號(hào)通路[10]。相關(guān)研究顯示高糖可激活I(lǐng)VD中MAPK信號(hào)通路作用于IVDD進(jìn)程。Shan等[11]發(fā)現(xiàn)高糖可顯著上調(diào)AF細(xì)胞中Bax、caspase-3、cleaved caspase、cleaved PARP、p-p38 MAPK和p-JNK的表達(dá),下調(diào)bcl-2的表達(dá),予以JNK和p38 MAPK抑制劑后AF細(xì)胞凋亡減少,高糖可能通過(guò)激活JNK和p38 MAPK信號(hào)通路誘導(dǎo)AF細(xì)胞凋亡。Cheng等[12]認(rèn)為高糖可能通過(guò)激活NP細(xì)胞中p38 MAPK信號(hào)通路使II型膠原、聚合蛋白、Sox-9和TIMP-1表達(dá)下調(diào),MMP3表達(dá)上調(diào),促進(jìn)NP細(xì)胞凋亡,觸發(fā)ECM分解代謝,加速IVDD進(jìn)程。He等[13]發(fā)現(xiàn)高血糖水平可提高p38和JNK MAPK信號(hào)通路的磷酸化水平,在短期葡萄糖處理的細(xì)胞中,ERK磷酸化水平也有升高,MAPK信號(hào)通路激活。此外,MAPK信號(hào)通路在其他細(xì)胞高血糖反應(yīng)中被激活也得到相應(yīng)證實(shí)[14]?；诖?IVD中MAPK信號(hào)通路可被高糖激活。

3 高糖通過(guò)調(diào)控MAPK信號(hào)通路在IVDD中的作用

3.1 MAPK信號(hào)通路與ECM

NP細(xì)胞分泌的ECM合成和降解之間失衡被認(rèn)為是IVDD發(fā)病的主要病理生理過(guò)程,其與IVD中MAPK信號(hào)通路被高糖激活密切相關(guān)[15]。MMPs、分解素、ADAM和ADAMTs是ECM降解所必須的酶[16],高糖激活MAPK信號(hào)通路后,通過(guò)增加MMPs、分解素、ADAM、ADAMTs的數(shù)量,導(dǎo)致ECM降解增加[17]。CHI3L1是一種分泌糖蛋白,可以上調(diào)MMPs基因在各種細(xì)胞中的表達(dá)水平,并可介導(dǎo)促炎作用,Li等[18]發(fā)現(xiàn)rCHI3L1可顯著上調(diào)ERK和JNK的磷酸化水平,同時(shí)ERK或JNK抑制劑可下調(diào)rCHI3L1誘導(dǎo)的ECM代謝失衡。張力增強(qiáng)子結(jié)合蛋白(tension enhancer binding protein, TonEBP)是一種正向調(diào)控IVD細(xì)胞中聚集蛋白聚糖基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子,從而調(diào)節(jié)IVD細(xì)胞的環(huán)境以響應(yīng)滲透壓的變化,MAPK信號(hào)通路被高糖激活后可顯著抑制TonEBP的功能,從而加速IVD中ECM降解,抑制ECM合成[19]。

3.2 MAPK信號(hào)通路與細(xì)胞增殖

IVD細(xì)胞的正常增殖是IVDD期間的組織的自我修復(fù)過(guò)程[20],組蛋白去乙?；? (histone deacetylase 4, HDAC4)可在細(xì)胞增殖中發(fā)揮正向調(diào)節(jié)作用。Wu等[21]發(fā)現(xiàn)MAPK信號(hào)通路被高糖激活后,HDAC4的表達(dá)受到抑制,上調(diào)TNF-α、IL-6和MMP-3,下調(diào)COL2的表達(dá),阻斷NP細(xì)胞的G0/G1周期,抑制其增殖。

3.3 MAPK信號(hào)通路與細(xì)胞衰老

維持細(xì)胞的正?；盍κ潜３諭VD生理特性的關(guān)鍵,高糖可加速細(xì)胞衰老促進(jìn)IVDD進(jìn)程,有研究表明MAPK信號(hào)通路被高糖激活后可誘導(dǎo)細(xì)胞早衰[22]。β-半乳糖苷酶(SA-β-Gal)被認(rèn)為是細(xì)胞衰老的重要標(biāo)志物[23],p53-p21-RB和p16-Rb信號(hào)通路在細(xì)胞周期調(diào)控中起著重要作用,高糖激活MAPK通路可顯著提高SA-β-Gal活性、抑制細(xì)胞增殖、降低端粒酶活性,從而上調(diào)衰老標(biāo)志物(p53和p16)的表達(dá),進(jìn)一步激活p53-p21-Rb和p16-Rb通路,加速IVD細(xì)胞衰老,同時(shí)抑制高糖介導(dǎo)的MAPK信號(hào)通路可減緩NP細(xì)胞衰老[24]。

3.4 MAPK信號(hào)通路與氧化應(yīng)激

已有報(bào)道稱氧化應(yīng)激與多種疾病關(guān)系密切,包括骨性關(guān)節(jié)炎[25]、骨質(zhì)疏松癥[26]、股骨頭壞死[27]等。高糖可增加ROS的產(chǎn)生,促進(jìn)氧化應(yīng)激反應(yīng)[28],生理?xiàng)l件下,ROS對(duì)IVD細(xì)胞有益,導(dǎo)致細(xì)胞正常的增殖和分化,然而,ROS的過(guò)度積累可引起氧化應(yīng)激,導(dǎo)致細(xì)胞凋亡或壞死,促進(jìn) IVDD進(jìn)程。研究表明高糖激活 MAPK信號(hào)通路后可引起CEP細(xì)胞凋亡和鈣化,在NP變性過(guò)程中增強(qiáng)kmt2d介導(dǎo)的基質(zhì)變性相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控,進(jìn)一步促進(jìn)NP變性[29]。同時(shí)Zhou等[30]發(fā)現(xiàn)2-胍丙二鹽酸鹽(AAPH)是一種被廣泛用作自由基來(lái)源的小分子,可引起NPC中ROS過(guò)剩、基質(zhì)退化和凋亡。高糖激活MAPK信號(hào)通路后,AAPH會(huì)誘導(dǎo)氧化應(yīng)激,促進(jìn)IVDD進(jìn)程,氧化應(yīng)激也可以通過(guò)增加蛋白酶(如MMPs和ADAMTs)的分泌與表達(dá)和下調(diào)ECM蛋白的表達(dá)來(lái)破壞ECM代謝平衡。因此,高糖激活MAPK信號(hào)通路可促進(jìn)氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的IVDD進(jìn)程。

3.5 MAPK信號(hào)通路與細(xì)胞凋亡

細(xì)胞凋亡被證實(shí)在IVDD進(jìn)展中起著關(guān)鍵作用,過(guò)度凋亡導(dǎo)致IVD細(xì)胞丟失被認(rèn)為是IVDD進(jìn)程中ECM合成減少的重要原因[31]。MAPK信號(hào)通路被高糖激活后可導(dǎo)致IVD細(xì)胞釋放促炎細(xì)胞因子IL-1β和TNF-α,降低IVD細(xì)胞中蛋白多糖和COL2表達(dá),它們與IVDD的病理過(guò)程關(guān)系密切,可促進(jìn)細(xì)胞凋亡、炎癥反應(yīng)和自噬[32]。Cleaved caspase-3和Bax已被證明是促進(jìn)細(xì)胞凋亡的重要標(biāo)志物,Bcl-2是抗凋亡標(biāo)志物,而Sun等[33]研究發(fā)現(xiàn)高糖激活MAPK信號(hào)通路后NP細(xì)胞中Cleaved-caspase-3和Bax表達(dá)明顯增加,而 Bcl-2表達(dá)降低,這是高糖激活MAPK信號(hào)通路誘導(dǎo)NP細(xì)胞凋亡的有力證據(jù)。

3.6 MAPK信號(hào)通路與炎癥反應(yīng)

炎癥反應(yīng)也與IVDD密切相關(guān),是加速其進(jìn)程的主要原因之一[34]。IVDD相關(guān)通路研究表明,MAPK信號(hào)通路是炎癥和分解代謝的主要調(diào)節(jié)因子,高糖激活MAPK信號(hào)通路后可影響MMP1、MMP3、MMP13、IL-6、IL-8、COX-2、iNOS和TGF-β等炎癥介質(zhì)的表達(dá),并控制聚合蛋白、I型膠原、II型膠原等合成代謝基因的表達(dá),促進(jìn)IVDD進(jìn)程[35]。ADAMTs是參與ECM降解的關(guān)鍵細(xì)胞外金屬蛋白酶,與組織破壞和炎癥密切相關(guān),通過(guò)激活MAPK通路,NP細(xì)胞中ADAMTS-5的表達(dá)上調(diào),釋放的IL-1β和TNF-α具有強(qiáng)大的促炎作用,共同刺激促炎因子釋放,加速炎癥反應(yīng)和組織破壞,促進(jìn)IVDD進(jìn)程[36]。Cui等[37]發(fā)現(xiàn)MAPK信號(hào)通路抑制劑可顯著下調(diào)內(nèi)臟脂肪素誘導(dǎo)的IL-6在NP細(xì)胞中的表達(dá),還可抑制MAPK信號(hào)通路調(diào)節(jié)炎癥因子和分解代謝酶的表達(dá),在IVDD中起保護(hù)作用。因此,高糖激活MAPK信號(hào)通路在IVDD的炎癥反應(yīng)中起著重要的調(diào)節(jié)作用。

3.7 MAPK信號(hào)通路與自噬

自噬本質(zhì)上是一種溶酶體介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)分解代謝過(guò)程,在此過(guò)程中,功能失調(diào)的細(xì)胞質(zhì)大分子和受損的細(xì)胞器可以被降解和循環(huán),以響應(yīng)外界刺激以增加代謝。已有研究證實(shí)了高糖、自噬與IVDD之間的關(guān)系[38]。自噬相關(guān)基因,包括Beclin-1、組織蛋白酶B、催產(chǎn)素1、Atg8和Atg12,在退變椎間盤(pán)中的表達(dá)明顯高于健康IVD[39]。自噬在輕度IVDD中被激活,但在重度IVDD中減少。IVD細(xì)胞自噬與高糖激活MAPK信號(hào)通路之間的關(guān)系越來(lái)越受到人們的關(guān)注,MAPK信號(hào)通路是自噬的上游調(diào)控因子,被高糖激活后可促進(jìn)IVD細(xì)胞自噬,從而促進(jìn)IVDD進(jìn)程[40]。Zhang等[41]發(fā)現(xiàn)槲皮素通過(guò)抑制大鼠高糖誘導(dǎo)NP細(xì)胞中MAPK信號(hào)通路活化來(lái)改善自噬,從而減少細(xì)胞凋亡和ECM降解。

綜上所述,IVD細(xì)胞中MAPK信號(hào)通路被高糖激活后可分別通過(guò)增加ECM降解、抑制細(xì)胞增殖、促進(jìn)細(xì)胞衰老與凋亡和炎癥反應(yīng),介導(dǎo)自噬和氧化應(yīng)激,從而加速IVDD進(jìn)程。

4 抑制高糖藥物對(duì)IVD的保護(hù)作用

4.1 二甲雙胍與IVDD

二甲雙胍是治療2型糖尿病的常用藥物,近年來(lái)隨著研究不斷深入,發(fā)現(xiàn)其在多種疾病中效果顯著,如肥胖、心血管疾病、腫瘤等,具有抗衰老、抗凋亡、抗炎和抗氧化的作用[42],并對(duì)IVDD具有一定的保護(hù)作用[43]。Jin等[44]研究發(fā)現(xiàn)二甲雙胍可緩解p-p38 MAPK蛋白過(guò)度表達(dá)所致的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激水平的升高,p38 MAPK在介導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激中起關(guān)鍵作用,而二甲雙胍可以有效抑制MAPK信號(hào)通路所介導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)。He等[45]認(rèn)為二甲雙胍可降低高血糖和高脂血癥誘導(dǎo)的p38 MAPK和JNK信號(hào)通路的激活以達(dá)到上調(diào)水通道蛋白7(AQP7)表達(dá)的目的。Chen等[46]研究發(fā)現(xiàn)二甲雙胍可預(yù)防阿霉素(DOX)引起的心臟毒性,并與MAPK信號(hào)通路受到抑制有關(guān),同時(shí)二甲雙胍可抑制DOX誘導(dǎo)的p38、JNK磷酸化和ERK活化,從而抑制MAPK通路。

Chen等[47]認(rèn)為二甲雙胍可以顯著降低SA-β-gal的活性、抗細(xì)胞衰老、促進(jìn)ECM中II型膠原蛋白和聚蛋白的合成,通過(guò)下調(diào)基質(zhì)降解酶Mmp-3和Adamts-5抑制ECM分解代謝,有助于維持髓核穩(wěn)定,二甲雙胍同時(shí)還可能通過(guò)促進(jìn)NP自噬對(duì)IVDD起保護(hù)作用。高遷移率蛋白1 (HMGB1)是一種與DNA結(jié)合的核蛋白,是基因轉(zhuǎn)錄的輔助因子,研究表明釋放的HMGB1蛋白可增強(qiáng)細(xì)胞外基質(zhì)中PGE2、IL1β、IL-6和TNF-α的產(chǎn)生[48],Han等[49]研究表明二甲雙胍通過(guò)阻斷HMGB1易位和抑制AFSCs(纖維環(huán)干細(xì)胞)的分解代謝表現(xiàn)出其抗炎作用。HMGB1被認(rèn)為是細(xì)胞衰老的重要標(biāo)志物,細(xì)胞核中HMGB1表達(dá)缺失與細(xì)胞衰老密切相關(guān),二甲雙胍可以阻止AFSCs中HMGB1的釋放,延緩IVD細(xì)胞衰老。

4.2 吡格列酮與IVDD

吡格列酮是唯一可用的胰島素增敏劑,可廣泛應(yīng)用于糖尿病的治療,對(duì)改善和保存β細(xì)胞功能具有強(qiáng)大的益處[50]。研究發(fā)現(xiàn)吡格列酮可逆轉(zhuǎn)晚期糖激化終末產(chǎn)物(AGEs)誘導(dǎo)細(xì)胞中caspase-3、PARP(一種細(xì)胞凋亡的標(biāo)志物)、MMP-13和PPARγ(過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ)的表達(dá)上調(diào)[51],Zhang等[52]發(fā)現(xiàn)吡格列酮作為一種過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ激動(dòng)劑實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程主要通過(guò)抑制MAPK和NF-κB信號(hào)通路來(lái)完成。研究發(fā)現(xiàn)吡格列酮除降糖作用外還可抑制氧化應(yīng)激反應(yīng)和炎癥因子的表達(dá)。

研究發(fā)現(xiàn)吡格列酮具有廣泛而強(qiáng)大的抗炎作用,還可應(yīng)用于類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、動(dòng)脈粥樣硬化、關(guān)節(jié)炎和結(jié)腸炎等疾病。Liu等[53]發(fā)現(xiàn)吡格列酮可顯著降低NP細(xì)胞中IL-17和TNF-α的表達(dá)水平和增加抗炎因子(IL-10)的產(chǎn)生,還可抑制IL-17聯(lián)合TNF-α誘導(dǎo)的II型膠原蛋白和聚蛋白水平降低所導(dǎo)致ECM的分解代謝增加。間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymstem cells, MSCs)可以分化為NP細(xì)胞并促進(jìn)ECM合成,在治療IVDD方面表現(xiàn)出巨大潛力。最近在NP中發(fā)現(xiàn)了MSCs,這些NP-MSCs能有效修復(fù)NP組織。Hu等[54]發(fā)現(xiàn)壓縮可顯著降低NP-MSCs活力,導(dǎo)致細(xì)胞凋亡,而吡格列酮可通過(guò)抑制氧化應(yīng)激和線粒體損傷對(duì)NP-MSCs壓縮誘導(dǎo)的細(xì)胞毒性有抑制作用,保護(hù)IVD。

4.3 抑制高糖中藥單體與IVDD

研究發(fā)現(xiàn)部分中藥單體不僅能抑制高糖,還可通過(guò)下調(diào)MAPK信號(hào)通路活化達(dá)到保護(hù)IVD的目的,其中白藜蘆醇、人參皂苷Rb1、三七總皂苷、黃芪多糖和槲皮素等中藥單體均可在不同程度上抑制高糖,下調(diào)MAPK信號(hào)通路活化來(lái)保護(hù)IVD[55],其中對(duì)于槲皮素的研究較為深入,槲皮素是一種天然黃酮類藥物,具有抗炎、抗氧化應(yīng)激和抗凋亡等功能,在改善胰島素敏感性、抑制高糖和抗糖尿病并發(fā)癥等方面發(fā)揮重要作用[56]。Zhang等[57]研究發(fā)現(xiàn)槲皮素可通過(guò)降低ROS的生成、抗炎癥反應(yīng)等抑制MAPK信號(hào)通路激活來(lái)延緩IVD細(xì)胞凋亡、促進(jìn)NP細(xì)胞自噬來(lái)減弱ECM降解、同時(shí)改善NP和AF變性以及形態(tài)學(xué)改變,達(dá)到延緩IVDD進(jìn)程的目的。

綜上所述,二甲雙胍、吡格列酮和槲皮素等抑制高糖藥物可通過(guò)抑制MAPK信號(hào)通路活化來(lái)保護(hù)IVD,為治療高糖調(diào)控MAPK信號(hào)通路介導(dǎo)的IVDD提供新途徑,但筆者查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)未見(jiàn)臨床應(yīng)用報(bào)道,當(dāng)前正處于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)階段,有待進(jìn)一步深入研究。

5 小結(jié)與展望

IVDD是一種慢性退行性病變,是多種致病因素作用的共同結(jié)果。最新研究發(fā)現(xiàn)高糖在IVDD進(jìn)程中扮演著重要的角色,通過(guò)對(duì)IVDD及其相關(guān)信號(hào)通路的研究表明,高糖可以通過(guò)激活I(lǐng)VD細(xì)胞中MAPK信號(hào)通路促進(jìn)IVDD進(jìn)程。其他細(xì)胞中MAPK信號(hào)通路在高糖條件下被激活也得到了相關(guān)證明,同時(shí)在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用抑制高糖藥物可以通過(guò)下調(diào)MAPK信號(hào)通路起到對(duì)IVD的保護(hù)作用,在一定程度上證明了高糖、MAPK信號(hào)通路、IVDD 3者的相關(guān)性。因此,通過(guò)靶向高糖調(diào)控MAPK信號(hào)通路治療IVDD具有一定的理論依據(jù),但其確切作用機(jī)制至今尚未闡明,今后仍需進(jìn)一步基礎(chǔ)研究加以佐證。