崔佳瞿，吳小濤

(1.東南大學醫(yī)學院，江蘇 南京 210009；2.東南大學附屬中大醫(yī)院 骨科，江蘇 南京 210009)

·綜 述·

轉化生長因子β超家族對椎間盤退變影響的研究進展

崔佳瞿1，吳小濤2

(1.東南大學醫(yī)學院，江蘇 南京 210009；2.東南大學附屬中大醫(yī)院 骨科，江蘇 南京 210009)

椎間盤退變在臨床上較為常見，是導致腰腿痛等病癥的主要原因。椎間盤的退變源于椎間盤細胞數量減少以及細胞外基質的降解。目前尚無可以從根本上逆轉椎間盤退變的方法。隨著椎間盤退變分子機制研究的深入及分子生物學的發(fā)展，生長因子在椎間盤退變中所起的作用逐漸被發(fā)現，為椎間盤退變的治療提供了新的視野和希望。近年來的研究證實轉化生長因子β(TGF-β)與椎間盤退變密切相關，它可以通過促進椎間盤細胞增殖、增加細胞外基質合成、抑制基質降解酶等方面影響椎間盤退變。作者就TGF-β超家族對椎間盤退變的影響作一綜述。

椎間盤退變；轉化生長因子β；文獻綜述

1 椎間盤退變的概況

椎間盤退變在臨床上較為常見，可導致椎間盤突出、椎管狹窄、椎體不穩(wěn)等脊柱退行性病變，是導致腰腿痛等病癥的主要原因，其確切的發(fā)病機制尚未明確，目前認為椎間盤退變是多種因素參與的，對椎間盤成分、結構、功能漸進性破壞的慢性過程[1]。有學者[2]將正常和退變椎間盤細胞功能的影響因素歸納為細胞基質中營養(yǎng)和氧的彌散、細胞因子、遺傳、細胞老化、機械壓力5個方面。

椎間盤位于兩個相鄰椎體之間，具有流體力學特性。正常椎間盤組織由髓核、纖維環(huán)及軟骨終板組成。髓核位于椎間盤組織中央，由纖維環(huán)包繞。軟骨終板分為上下兩部分，與椎體骨組織相連。其中髓核主要由Ⅱ型膠原、蛋白多糖、髓核細胞及水分組成。正常椎間盤髓核細胞外基質中膠原纖維、蛋白多糖和糖胺多糖的含量穩(wěn)定。隨著椎間盤的退變，髓核細胞的數量減少、功能降低，細胞外基質逐漸降解，最終導致椎間盤分散脊柱壓縮力和維持椎間隙高度等生物力學功能喪失[3]。研究[4]表明，在退變椎間盤細胞中，白細胞介素1、6(IL-l、IL-6)、腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factorα，TNF-α)等炎癥因子分泌增多，同時也上調一些基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)、血小板結合蛋白基序的解聚蛋白樣金屬蛋白酶(a disintegrin-like and metalloprotease with thrombospondin motifs，ADAMTS)的表達。

目前對椎間盤退變性疾病的治療主要包括保守治療(如非甾體類抗炎鎮(zhèn)痛藥物、激素注射、理療等)以及手術治療(如椎間盤摘除、椎間融合等)，以上方法主要改善疼痛等臨床癥狀，均無法恢復椎間盤結構的完整性，故難以取得令人滿意的療效。隨著椎間盤退變機制研究的深入及分子生物學的發(fā)展，使得利用生長因子或其基因對椎間盤退變進行治療，從而延緩或逆轉椎間盤退變成為可能，國內外眾多學者[5]對此進行了大量實驗研究。

2 TGF-β超家族的發(fā)現及其傳導通路

在正常和退變椎間盤組織中均發(fā)現了一些有功能的生長因子及其受體，提示椎間盤細胞可以產生及表達生長因子，這些生長因子包括胰島素樣生長因子(insulin-like growth factor-1，IGF-1)[6-8]、成纖維細胞生長因子(basic fibroblast growth factorb，FGF)[9]、血小板源性生長因子(platelet-derived growth factor，PDGF)[10-11]等。這些生長因子可能通過某些機制作用于椎間盤細胞或與其他細胞因子相互作用從而維持椎間盤的內環(huán)境穩(wěn)態(tài)和生物學功能。有文獻報道稱，外源性及自分泌產生的生長因子可以通過MEK/ERK及PI-3K/Akt通路調控椎間盤細胞的增殖從而影響椎間盤的退變[12-13]。

TGF-β是近年來被研究證實與椎間盤退變密切相關、在脊柱和椎間盤組織的發(fā)育、生長和維護方面扮演著重要角色[14]的細胞因子。TGF-β超家族是在癌細胞中尋找可以促進轉化的自分泌因子過程中發(fā)現的，目前在人體內發(fā)現了30種以上的該家族成員。TGF-β超家族屬于信號分子，調節(jié)多項細胞生理功能，在細胞增殖、分化、胚胎發(fā)育、胞外基質形式、骨的形成和重建等方面起著重要作用。TGF-β超家族中包括TGF-βs(TGF-β1、2、3等)、活化素(activins)和抑制素(inhibins)、生長分化因子(growth differentiation factors，GDFs)以及骨形成蛋白(bone morphogenetic proteins，BMPs)、Nodal等。TGF-β超家族成員是通過兩種跨膜的絲氨酸/蘇氨酸激酶受體(Ⅰ型受體和Ⅱ型受體)進行信號傳導。盡管TGF-β超家族成員很多，但受體譜有限：只有5種Ⅱ型受體及7種Ⅰ型受體。TGF-β先識別并結合Ⅱ型受體，Ⅱ型受體可以自行磷酸化，磷酸化后的Ⅱ型受體可以與Ⅰ型受體結合，使Ⅰ型受體中的富含甘氨酸-絲氨酸的結構域(a glycine-serine-rich region，GS region)磷酸化，從而通過Smad通路啟動信號傳導，其中Samd2、Samd3是TGF-β/Activin的細胞內信號傳導分子，Samd1、Samd5、Samd8是BMP的細胞內信號傳導分子。此外，TGF-β還可以通過非Smad依賴信號通路進行信號傳導，如ERK、JNK等[15]。

3 TGF-β對椎間盤退變的保護作用

研究表明，TGF-β超家族中多個成員與椎間盤退變密切相關，如TGF-β1[16-17]、TGF-β3[18-19]、BMP-2[20]、BMP-7[21-22]、GDF-5[23]等，它們參與了維持椎間盤的內環(huán)境穩(wěn)態(tài)。TGF-β可以通過促進椎間盤細胞增殖、增加細胞外基質合成、抑制基質降解酶等方面影響椎間盤退變。

3.1 TGF-β刺激椎間盤細胞增殖，維持細胞活力

生長因子具有促進機體多種細胞增殖的作用，對于椎間盤細胞也同樣如此。在椎間盤內部，椎間盤細胞的數量及活性對于椎間盤正常生物力學功能的維持意義重大。在椎間盤退變早期，表現為細胞增殖及細胞叢簇形成，可能是椎間盤組織自我修復的過程[12]，而在退變程度較重的椎間盤中，細胞數量會大大減少[24]。TGF-β1對于體外培養(yǎng)的人髓核細胞的促增殖作用在一定范圍內呈劑量和時間依賴性[25]，Wang等[26]驗證了這一結論：在TGF-β1濃度為0.1ng·ml-1時對髓核細胞的增殖無顯著影響，在更高濃度時(1和10 ng·ml-1)可以顯著提高細胞增殖水平。關于TGF-β1促進細胞增殖和細胞周期進程的作用機制，Sakai等[27]研究發(fā)現，在這一過程中原癌基因(c-Myc)及磷酸化的ERK1/2起著重要作用。Illien-Junger等[19]認為，椎間盤切除術可以誘導正常椎間盤內的細胞凋亡，使分解代謝增加及NO釋放；椎間盤切除術后的退變可能與細胞凋亡及基質降解有關，而注射TGF-β3可以通過維持細胞活力等方面來保護椎間盤組織。

3.2 TGF-β提高細胞外基質的合成

椎間盤由細胞和細胞外基質組成， 細胞外基質由椎間盤細胞產生，并構成椎間盤細胞生存的微環(huán)境，對細胞起著保護與機械支持作用。細胞外基質中的蛋白聚糖可以維持椎間盤正常結構、代謝及生理功能；糖胺聚糖則含有大量水分，使髓核細胞有足夠彈性從而承受壓力。在正常椎間盤細胞中，由于合成及分解代謝相關的細胞因子之間復雜的調控，細胞外基質的合成和降解處于平衡狀態(tài)。合成因子與分解因子之間的不平衡會導致細胞外基質的降解，從而加速椎間盤的退變。研究表明，在體外培養(yǎng)的髓核細胞體系中加入生長因子可以使Ⅱ型膠原和蛋白多糖等細胞外基質的合成代謝上調；而早在90年代初，國外就有學者提出TGF-β可以促進椎間盤細胞，尤其是髓核細胞合成蛋白多糖[28]。隨著TGF-β在椎間盤領域研究的深入我們發(fā)現，該家族多個成員具有促進細胞外基質合成的能力。TGF-β1可以通過提高Sox9 mRNA及其蛋白的表達，增加硫酸糖胺聚糖及其他蛋白聚糖的表達[29]。Song等[30]則利用腺病毒構建Ad-TGF-β3系統(tǒng)，然后轉染體外培養(yǎng)的兔髓核細胞，發(fā)現髓核細胞活力得到顯著提高，增加了Ⅱ型膠原的合成。此外將Ad-TGF-β3轉染的髓核細胞注入到退變的兔椎間盤中可以減輕退變程度，同時上調了Ⅱ型膠原及蛋白聚糖mRNA的表達。BMPs也具有強烈的刺激椎間盤細胞合成細胞外基質作用，Li等[31]體外培養(yǎng)了兔的纖維環(huán)和移行區(qū)細胞，并加入終濃度為200 ng·ml-1的BMP-2，結果顯示與對照組相比，BMP-2可分別增加蛋白聚糖及Ⅱ型膠原的mRNA的表達8.30和4.61倍，降低多功能聚蛋白多糖mRNA的表達54%。Ⅰ型膠原的產量及mRNA的表達無顯著變化。同時BMP-2還可以分別上調TGF-β1和BMP-7 mRNA的表達。有些學者也發(fā)現，聯(lián)合使用生長因子(如聯(lián)合使用小劑量的TGF-β1及BMP-2)對于提高細胞外基質的合成具有協(xié)同作用[32]。

3.3 TGF-β降低基質降解酶的表達和分泌，增加基質降解酶抑制劑的表達和分泌

細胞外基質存在與基質代謝相關的蛋白酶，主要包括MMPs和蛋白聚糖酶及其特異性抑制劑：金屬蛋白酶組織抑制劑(tissue inhibitor of metalloproteinase，TIMP1、TIMP2、TIMP3、TIMP4)。蛋白聚糖酶屬于ADAMTS家族，具有降解蛋白聚糖的作用。已有研究表明，蛋白聚糖酶譜家族中的多個成員參與了細胞外基質的降解，蛋白聚糖酶可能涉及到椎間盤退變的開始及過程中[33]。ADAMTS-4和ADAMTS-5在退變椎間盤的細胞外基質的降解中起關鍵作用[34]。MMPs可以水解蛋白聚糖、膠原以及纖維連接蛋白。當蛋白聚糖含量減少時，膠原纖維就容易遭受膠原酶的攻擊(如MMP-1和MMP-13)，從而導致膠原的降解。TIMP的表達增多可以抑制蛋白水解酶的活性，從而延緩椎間盤的退變，TIMP-3 作為上述兩種降解酶及一些其他基質降解酶的抑制劑，被證實在退變髓核和纖維環(huán)中表達減少[6]。TGF-β可以通過影響MMPs、ADAMTS及TIMP的表達從而影響椎間盤的退變。有學者在體外培養(yǎng)人髓核細胞的實驗中發(fā)現，TGF-β1和IL-1β參與細胞外基質的合成與降解，TGF-β1在濃度為1ng·ml-1時可以降低ADAMTS-4、5的表達，增加TIMP-3的表達。與此相反的是， IL-1β處理后可以顯著增加ADAMTS-4、5的表達，而對TIMP-3的表達無明顯影響[26]。在退變椎間盤細胞中，TNF-α表達增多，繼而活化NF-kB， 導致ADAMTS-4、5表達增多，BMP-7可以阻斷這一過程從而延緩椎間盤的退變[22]。

4 TGF-β對椎間盤退變潛在的負面作用

許多學者在研究TGF-β對椎間盤退變的影響作用時發(fā)現，在某些情況下TGF-β可加速椎間盤的退變。椎間盤是一個無血管組織，它的營養(yǎng)供應主要來自于軟骨終板擴散，隨著年齡的增長，軟骨終板中血管逐漸減少，終板逐漸發(fā)生鈣化，使得椎間盤的營養(yǎng)供應減少。同時隨著椎間盤退變的加重，生長因子對髓核細胞活性的刺激會增加對營養(yǎng)的需求，最終引起不利的影響。隨著椎間盤退變的發(fā)展，椎間盤細胞對于各種生長因子的反應性也呈下降趨勢。已有文獻報道稱，退變較為嚴重的髓核細胞已經破壞了基因表達模式、增殖能力以及合成代謝的速度，因此在涉及到細胞對于合成代謝相關刺激因子反應性的問題時，椎間盤的退變等級是其中一個關鍵因素，不考慮由細胞外基質及營養(yǎng)供給改變所引起細胞所處微環(huán)境的變化，退變程度嚴重的髓核細胞對TGF-β反應性減弱[35]。此外，有實驗研究發(fā)現，較高濃度的TGF-β1可增加ADAMTS等蛋白水解酶的表達，從而加速椎間盤的退變，表明過量的TGF-β1會產生相反的作用[26]。

5 總結與展望

人的椎間盤是脊柱中重要組成部分，椎間盤退變會引起下腰痛，嚴重影響患者的生活質量。椎間盤退變是一個多因素共同作用、不斷發(fā)展的慢性過程，目前對于椎間盤退變性疾病的治療主要局限于保守治療和手術治療，它們主要目標均為緩解臨床癥狀，無法逆轉椎間盤退變和恢復椎間盤的完整性。包括TGF-β在內的生長因子對椎間盤退變的治療在體內及體外實驗中均取得了令人鼓舞的成果，TGF-β用來治療椎間盤退變顯示出良好的應用前景。盡管目前已經取得了比較滿意的實驗成果，但仍面臨著許多阻礙，真正應用于臨床還有許多問題需要解決：首先要進一步闡明椎間盤退變的機制；此外，目前研究主要尚處于體外或動物實驗階段，還需要在更高級的動物及人體內進行更多、更全面的實驗研究，進一步明確TGF-β對椎間盤細胞的具體作用機制；對于治療時機的選擇、TGF-β的傳遞形式、治療劑量的控制、治療安全性及生長因子在刺激椎間盤細胞增殖、上調合成代謝時所遇到的營養(yǎng)供應等問題，還需要更深入的探索。相信不久的將來TGF-β治療椎間盤退變會成為一種新的、安全、有效的治療方式。

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2014-12-02

2014-12-22

國家自然科學基金資助項目(81272035/81071493)

崔佳瞿(1989-)，男，江蘇南通人，在讀碩士研究生。E-mail:cuijiaqu@126.com.

吳小濤 E-mail:wuxiaotao@medmail.com.cn

崔佳瞿，吳小濤.轉化生長因子β超家族對椎間盤退變影響的研究進展[J].東南大學學報:醫(yī)學版，2015，34(3)：439-443.

R681.53

A

1671-6264(2015)03-0439-05

10.3969/j.issn.1671-6264.2015.03.027