張曉勃，胡一村，張芮浩，王克平,2 ，周海宇,2

1蘭州大學(xué)第二醫(yī)院，蘭州730030；2蘭州市西固區(qū)人民醫(yī)院

椎間盤(pán)退變(IDD)是引起下腰痛的主要原因，其致殘率高，需耗費(fèi)較大的醫(yī)療、社會(huì)成本[1]。IDD具體的發(fā)病原因及病理生理機(jī)制尚未完全闡明，從細(xì)胞生物學(xué)認(rèn)識(shí)椎間盤(pán)有助于探討該病的發(fā)病機(jī)制。Runx2在調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞增殖分化方面有重要作用，但對(duì)其在椎間盤(pán)組織中的作用知之甚少。研究發(fā)現(xiàn)，Runx2對(duì)小鼠胚胎骨骼發(fā)育和椎骨形成至關(guān)重要[2]，同時(shí)也是小鼠出生后椎間盤(pán)組織生長(zhǎng)發(fā)育所必需的[3]。在退變小鼠模型和IDD患者椎間盤(pán)內(nèi)，Runx2表達(dá)顯著增加，表明Runx2可能參與了IDD的發(fā)生[4]。基因治療是椎間盤(pán)再生和修復(fù)的新方向，Runx2可能會(huì)成為有效的基因治療靶點(diǎn)。本文探討Runx2與IDD發(fā)生發(fā)展的關(guān)系，并詳細(xì)闡述了其在椎間盤(pán)中的作用及機(jī)制，為IDD的靶向治療提供新思路。

1 IDD的病因

椎間盤(pán)包括三個(gè)區(qū)域：中間的髓核、外周的纖維環(huán)、上下的軟骨終板。IDD病因多且復(fù)雜，包括生物力學(xué)因素、年齡因素、遺傳因素等[5]。雖然目前沒(méi)有明確的生物學(xué)病源，但炎癥介質(zhì)的介導(dǎo)、信號(hào)通路的調(diào)控被認(rèn)為是IDD發(fā)病的根本原因。IDD相關(guān)的炎癥因子可以概括為白細(xì)胞介素、腫瘤壞死因子α、前列腺素E2、基質(zhì)金屬蛋白酶；相關(guān)信號(hào)通路包括Wnt/β-catenin、MAPK、ERK、JNK、NF-κB和PI3K/Akt等[6]。IDD與年齡有明顯相關(guān)性，在退變晚期椎間盤(pán)內(nèi)存在多種不同的細(xì)胞類(lèi)型，包括軟骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞和神經(jīng)元。Runx2作為成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞分化的誘導(dǎo)劑，可能通過(guò)誘導(dǎo)椎間盤(pán)內(nèi)的正常細(xì)胞轉(zhuǎn)化為成骨和軟骨細(xì)胞參與IDD的發(fā)病。

2 Runx2的結(jié)構(gòu)及功能

Runx2是Runx基因家族轉(zhuǎn)錄因子，Runx家族由Runx1、Runx2和Runx3組成，因在編碼區(qū)共同含有1個(gè)高度保守的同源Runt結(jié)構(gòu)域而得名。Runx家族參與機(jī)體細(xì)胞增殖、分化、凋亡過(guò)程[7]。在功能上，Runx1被認(rèn)為是造血作用的調(diào)節(jié)劑[8]，主要與白血病和實(shí)體瘤發(fā)展有關(guān)；而Runx3主要調(diào)節(jié)胃上皮生長(zhǎng)[9]，甲基化的Runx3是診斷胃癌的生物標(biāo)志物[10]。

Runx2在骨化細(xì)胞類(lèi)型和分化過(guò)程中有重要作用，與骨巨細(xì)胞瘤、甲狀腺癌、前列腺癌等有關(guān)。Runx2可在多能間充質(zhì)干細(xì)胞、成骨細(xì)胞譜系和軟骨細(xì)胞中表達(dá)，是成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞增殖分化必不可少的關(guān)鍵分子[11]。Runx2對(duì)成骨細(xì)胞增殖分化的調(diào)節(jié)比較復(fù)雜，通過(guò)與hedgehog、Fgf、Wnt、Pthlh信號(hào)分子及Dlx5、Sp7轉(zhuǎn)錄因子的相互作用，調(diào)節(jié)成骨祖細(xì)胞的增殖并使其變?yōu)槌晒羌?xì)胞[12]。Runx2對(duì)軟骨細(xì)胞的調(diào)節(jié)是通過(guò)調(diào)節(jié)Ihh實(shí)現(xiàn)的，Ihh繼而誘導(dǎo)Pthlh的表達(dá)，Pthlh反饋抑制Runx2的表達(dá)并通過(guò)Pth1r抑制軟骨細(xì)胞的成熟，形成一個(gè)負(fù)反饋回路[13]。此外，Runx2還可促進(jìn)破骨細(xì)胞生成和骨吸收[14]。

3 Runx2與IDD發(fā)生發(fā)展的關(guān)系

IDD可引起骨密度的降低，骨密度降低進(jìn)一步導(dǎo)致椎間盤(pán)結(jié)構(gòu)和功能的退化，兩者相互促進(jìn)形成正反饋[15]。Runx2蛋白表達(dá)下調(diào)可以抑制骨形成，降低骨量[16]。骨質(zhì)疏松癥在特定時(shí)間內(nèi)可以加速I(mǎi)DD進(jìn)展，IDD和骨質(zhì)疏松聯(lián)合可導(dǎo)致軟骨終板更嚴(yán)重的損害，進(jìn)一步加速I(mǎi)DD進(jìn)程[17]。在骨質(zhì)疏松患者的骨組織中環(huán)狀RNA Runx2(circRunx2)下調(diào)，circRunx2通過(guò)抑制miR-203表達(dá)并增強(qiáng)Runx2的表達(dá)，從而預(yù)防骨質(zhì)疏松[18]。此外，Runx2還是椎間盤(pán)生長(zhǎng)發(fā)育的必要條件，因此Runx2對(duì)椎間盤(pán)具有一定的保護(hù)作用。

大量證據(jù)證明Runx2作為骨化相關(guān)基因參與了椎間盤(pán)變性的發(fā)展。首先，在軟骨終板上過(guò)表達(dá)Runx2會(huì)引起椎間盤(pán)破壞。其次，重量負(fù)荷是臨床上椎間盤(pán)降解的主要原因，重量負(fù)荷在野生型小鼠終板中誘導(dǎo)Runx2表達(dá)。第三，Runx2表達(dá)區(qū)域與野生型小鼠的細(xì)胞外基質(zhì)降解區(qū)域相吻合。Runx2蛋白在年長(zhǎng)的野生型小鼠中表達(dá)，但在年幼的小鼠中不表達(dá)，這與野生型小鼠發(fā)生椎間盤(pán)降解的時(shí)間段相吻合。最后，在患者體內(nèi)降解的椎間盤(pán)中，Runx2表達(dá)明顯增加[19]。

3.1 Runx2與椎間盤(pán)結(jié)構(gòu)的關(guān)系

3.1.1 Runx2與纖維環(huán) 纖維環(huán)細(xì)胞具有祖細(xì)胞特征，能夠在體外和體內(nèi)分化為軟骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞[20]。在成骨細(xì)胞培養(yǎng)基中，纖維環(huán)細(xì)胞Runx2表達(dá)顯著上調(diào)。研究表明，退變椎間盤(pán)的纖維環(huán)細(xì)胞的成骨分化趨勢(shì)比正常纖維環(huán)大，并且與骨形態(tài)發(fā)生蛋白相關(guān)通路(BMP-Smad)有關(guān)[21]。因此，纖維環(huán)細(xì)胞可能是IDD晚期異常軟骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞的來(lái)源，Runx2在其中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。但目前相關(guān)研究較少，體外實(shí)驗(yàn)不能完全反映退變椎間盤(pán)異常細(xì)胞起源問(wèn)題，今后應(yīng)進(jìn)行體內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究。

3.1.2 Runx2與軟骨終板 椎間盤(pán)是機(jī)體最大的無(wú)血管器官，軟骨終板擴(kuò)散的基礎(chǔ)溶質(zhì)是向體外循環(huán)提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要途徑。軟骨終板的鈣化會(huì)阻止?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)向椎間盤(pán)擴(kuò)散，從而促進(jìn)椎間盤(pán)的降解，而鈣化與骨化相關(guān)基因Runx2的表達(dá)息息相關(guān)。IDD與椎體終板的改變有關(guān)，并且IDD和終板變化可導(dǎo)致下腰痛的發(fā)生[22]。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)終板在磁共振成像上發(fā)生信號(hào)改變時(shí)，Runx2表達(dá)顯著增高，這可能與椎間盤(pán)細(xì)胞激活破骨細(xì)胞，增加炎癥介質(zhì)的表達(dá)有關(guān)[23]。其中的病理機(jī)制以及Runx2在其中發(fā)揮的作用有待進(jìn)一步研究證明。

Runx2直接調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞增殖，是決定軟骨細(xì)胞轉(zhuǎn)化為短暫性或永久性軟骨的關(guān)鍵因素。軟骨終板增生是IDD的顯著特征，被認(rèn)為是骨贅形成的早期階段，IDD的嚴(yán)重程度與骨質(zhì)增生和鈣化性肥大呈正相關(guān)。Xiao等[24]采用間歇性循環(huán)機(jī)械張力誘導(dǎo)終板軟骨細(xì)胞變性，發(fā)現(xiàn)機(jī)械張力不影響終板軟骨細(xì)胞的生存能力，TGF-β/Smad通路的激活上調(diào)了miR-455-5p的表達(dá)，從而抑制Runx2的表達(dá)。TGF-β/Smad通路通過(guò)調(diào)節(jié)miR-455-5p/Runx2軸抑制間歇性機(jī)械張力誘導(dǎo)的終板軟骨細(xì)胞的變性。因此，抑制Runx2的表達(dá)可能是減緩軟骨終板變性的有效方法。胡舟揚(yáng)等[25]發(fā)現(xiàn)，退變軟骨終板結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，可見(jiàn)明顯的Runx2陽(yáng)性細(xì)胞，而正常軟骨終板中幾乎無(wú)Runx2表達(dá)。Runx2 mRNA的表達(dá)量與腰椎間盤(pán)軟骨終板退變程度呈明顯正相關(guān)，并推測(cè)Runx2可作為軟骨終板退變和腰IDD的嚴(yán)重程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并可作為治療腰IDD疾病的潛在靶點(diǎn)。在翻譯后水平調(diào)節(jié)Runx2的穩(wěn)定性或轉(zhuǎn)錄酶的活性，可能會(huì)成為治療的有效藥物靶標(biāo)[26]。迄今為止，國(guó)內(nèi)外鮮見(jiàn)Runx2靶向治療IDD的相關(guān)報(bào)道。進(jìn)一步了解Runx2在椎間盤(pán)鈣化中的作用機(jī)制，對(duì)于開(kāi)發(fā)防治IDD的新方法具有重要意義。

3.1.3 Runx2與髓核 脊索細(xì)胞是髓核的前體細(xì)胞，在出生后發(fā)育過(guò)程中分化生成軟骨細(xì)胞樣細(xì)胞。敲除Runx2的小鼠髓核內(nèi)的大部分細(xì)胞是脊索細(xì)胞，而未敲除Runx2的小鼠軟骨樣細(xì)胞較多，證明Runx2可以促進(jìn)髓核內(nèi)脊索細(xì)胞向軟骨細(xì)胞樣細(xì)胞的轉(zhuǎn)變[3]。但在IDD晚期，椎間盤(pán)也存在多種異常來(lái)源的軟骨細(xì)胞，因此無(wú)法判斷Runx2的這種促進(jìn)轉(zhuǎn)化作用對(duì)機(jī)體是否有利。

脊索細(xì)胞可刺激糖胺聚糖和蛋白聚糖核心蛋白合成，這對(duì)椎間盤(pán)有益。隨著年齡增長(zhǎng)，機(jī)體通過(guò)消耗脊索細(xì)胞并補(bǔ)充非脊索細(xì)胞，導(dǎo)致椎間盤(pán)損傷。髓核細(xì)胞會(huì)隨著年齡的增長(zhǎng)而逐漸消失，取而代之的是纖維軟骨細(xì)胞樣細(xì)胞。Iwata等[27]研究發(fā)現(xiàn)，隨IDD的進(jìn)展，軟骨營(yíng)養(yǎng)不良犬髓核組織鈣化區(qū)增大、基質(zhì)金屬蛋白酶13(MMP-13)陽(yáng)性細(xì)胞增多，β-鏈蛋白(B-catenin)和Runx2陽(yáng)性細(xì)胞的水平也增加，髓核組織MRI信號(hào)強(qiáng)度與B-catenin、Runx2 mRNA表達(dá)水平相關(guān)，提示髓核組織中的Runx2轉(zhuǎn)錄和蛋白表達(dá)促進(jìn)了椎間盤(pán)的退變和鈣化。但髓核組織的動(dòng)物研究存在一定不足，研究樣本量少，機(jī)制尚不清楚，有待進(jìn)一步驗(yàn)證。此外，雖在動(dòng)物研究中證實(shí)髓核組織中Runx2參與了椎間盤(pán)變性的發(fā)生，但在人髓核中的研究鮮見(jiàn)報(bào)道，下一步可通過(guò)分別檢測(cè)正常、輕微退變以及晚期嚴(yán)重退變椎間盤(pán)髓核組織中Runx2的表達(dá)，分析其與IDD嚴(yán)重程度的相關(guān)性。

3.2 Runx2參與IDD發(fā)生發(fā)展的機(jī)制 脊柱軸向生物力學(xué)載荷被認(rèn)為是導(dǎo)致IDD的外力因素，并且椎間盤(pán)的力學(xué)和生物學(xué)改變是一個(gè)惡性循環(huán)。當(dāng)脊柱受軸向生物力學(xué)載荷影響時(shí)，椎間盤(pán)出現(xiàn)高度下降，纖維環(huán)破裂，軟骨終板鈣化等特征，椎間盤(pán)內(nèi)Runx2表達(dá)增加[28]。最近研究發(fā)現(xiàn)，髓核間充質(zhì)干細(xì)胞存在于椎間盤(pán)髓核內(nèi)，與椎間盤(pán)再生有關(guān)[29]；而壓縮載荷可以顯著抑制髓核間充質(zhì)干細(xì)胞活力、分化、集落形成和遷移，減少髓核間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化，Runx2的表達(dá)也隨之減少[30]。累積的生物力學(xué)載荷的作用力影響小鼠椎間盤(pán)形態(tài)變化，包括椎間盤(pán)和軟骨終板高度的降低，Runx2表達(dá)增加，這可能是IDD患者容易發(fā)生骨贅和椎管狹窄的機(jī)制[28]。形態(tài)學(xué)研究雖已證明Runx2在壓縮負(fù)荷介導(dǎo)的IDD中發(fā)揮著重要作用，但具體的信號(hào)通路還有待進(jìn)一步探索。

氧化應(yīng)激被認(rèn)為是IDD病因之一，最近研究發(fā)現(xiàn)，它可通過(guò)促進(jìn)大鼠終板軟骨細(xì)胞凋亡小體Abs的產(chǎn)生，增強(qiáng)終板軟骨細(xì)胞Runx2等相關(guān)骨化基因的表達(dá)，表明Runx2參與了氧化應(yīng)激介導(dǎo)的IDD過(guò)程[31]。與健康椎間盤(pán)相比，變性椎間盤(pán)中的X型膠原蛋白、Runx2、骨保護(hù)素和堿性磷酸酶的表達(dá)均明顯增高，說(shuō)明IDD存在類(lèi)似于晚期骨關(guān)節(jié)炎表現(xiàn)的增生性分化，并且與Runx2有關(guān)[32]。

MMP-13是導(dǎo)致椎間盤(pán)細(xì)胞外基質(zhì)降解的主要酶。研究發(fā)現(xiàn)，Notch信號(hào)通路作為導(dǎo)致IDD的重要信號(hào)通路，可通過(guò)Runx2調(diào)節(jié)大鼠膝蓋軟骨中軟骨細(xì)胞的MMP-13表達(dá)[33]，提示Runx2參與了Notch信號(hào)通路的調(diào)控并且與IDD相關(guān)炎癥因子的表達(dá)有關(guān)，但Runx2在IDD中的作用機(jī)制及其與炎癥因子之間的關(guān)系鮮見(jiàn)報(bào)道，需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

綜上所述，Runx2是椎間盤(pán)生長(zhǎng)發(fā)育所必需的，可促進(jìn)IDD進(jìn)展。隨年齡增長(zhǎng)，Runx2表達(dá)逐漸增加。推測(cè)Runx2是導(dǎo)致IDD發(fā)病的因素之一，它可能會(huì)成為未來(lái)基因調(diào)控的靶點(diǎn)。Runx2在IDD中的機(jī)制研究尚處于起步階段，有必要進(jìn)一步研究Runx2在IDD中的作用及分子機(jī)制。