椎间盘退变信号通路的研究进展

Research Progress of the Signal Pathway of Intervertebral Disc Degeneration

摘要: 椎间盘退变是引起腰痛的诸多要素中的主要因素之一，其退变是一个细胞分子损伤长时间积累的过程，该过程破坏了组织细胞内的稳态，最终造成生理功能的衰退。椎间盘退变的机制还未被完全阐明。在椎间盘退变的过程中，信号通路发挥着十分重要的作用，其中包括MAPK、Wnt/β-catenin、NF-κB、Notch、PI3K/Akt等多种信号通路的改变，这些信号通路又相互交叉作用形成了一个错综复杂的信号通路网络，共同参与椎间盘退变的调控。随着对细胞信号通路研究的深入，椎间盘退变的原因将进一步被阐明，同时为其临床治疗提供新的思路。现将最近几年来椎间盘退变信号通路的研究进展综述如下。

Abstract: Intervertebral disc degeneration is one of the main factors that cause low back pain. Its degeneration is a process of long-term accumulation of cellular and molecular damage, which destroys the homeostasis of tissue cells and ultimately leads to the decline of physiological functions. The mechanism of disc degeneration has not been fully elucidated. In the process of intervertebral disc degeneration, signal pathways play a very important role, including changes in many signal pathways such as MAPK, Wnt/β-catenin, NF-κB, Notch, PI3K/Akt, and these signal pathways cross each other. The role forms an intricate network of signaling pathways, which jointly participate in the regulation of intervertebral disc degeneration. With the in-depth research on cell signaling pathways, the causes of intervertebral disc degeneration will be further clarified, and at the same time provide new ideas for its clinical treatment. The research progress of intervertebral disc degeneration signaling pathway in recent years is summarized as follows.

1. 前言

椎间盘是脊柱中椎体之间的胶冻样弹性组织，由髓核、纤维环、软骨终板组成，主要发挥着承受和缓冲椎体之间各种应力的作用。随着年龄的增长以及腰椎系统稳定性的降低，椎间盘因负荷不断增大而开始发生退变，当其负荷超过承受极限时，则会导致纤维环破裂及髓核突出。椎间盘退变(Intervertebral disc degeneration, IDD)是腰背痛的主要原因之一，腰背痛会导致严重的社会经济负担。深入了解椎间盘退变、组织炎症和疼痛之间复杂而精细的关系，似乎对改进目前被认为无效的治疗方法至关重要。椎间盘退变发生的过程涉及到复杂的病理生理改变，受到诸多因素的调控。细胞内的信号通路是一个复杂而又巨大的网络系统，不同的信号通路之间相互作用，共同完成对细胞的生长、增殖、分化乃至凋亡的调控。到目前为止，虽然对于椎间盘退变的原因已经进行了一系列的探讨和研究，但其退变的具体机制仍不明确。对椎间盘退变中信号通路的具体机制的研究，将进一步加强人们对椎间盘退变性疾病的认识，且有可能从中发现椎间盘退变性疾病的新的治疗方法。

2. MAPK信号通路

丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)是一种信号蛋白，很多细胞的电生理活动都需要MAPK通路的参与，包括对细胞增殖、分化、凋亡的调节以及炎症、肿瘤等疾病的发生，这些过程需要磷酸化转录因子、细胞骨架蛋白以及酶类等的参与，其是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，可完成细胞外刺激信号到细胞内反应的转换。MAPK信号通路被视为调节肌肉骨骼疾病的主要通路，包括骨关节炎、骨质疏松症、肌肉萎缩症和风湿性关节炎 [1]，椎间盘细胞的细胞外基质代谢和炎症也与椎间盘细胞中MAPK信号通路的激活有关。特异性信号通路抑制剂抑制MAPK通路，可抑制炎性细胞因子诱导的椎间盘细胞外基质分解代谢的增强 [2] [3]，MAPK信号通路主要有细胞外信号调控蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases, ERK)、p38 MAPK、c-Jun N端激酶(JNK)三条通路 [4]。

2.1. ERK信号通路

ERK的激活在细胞生存过程中发挥着不可替代的作用，髓核细胞中ERK信号通路对椎间盘退变有一定的抑制作用，尤其是在缺氧高渗条件下。在低氧条件下，髓核细胞中的ERK信号通路被激活。加入ERK信号通路抑制剂后，细胞外基质中胶原含量降低，从而影响细胞在缺氧环境下的生存 [5]。ERK信号通路的激活可导致椎间盘细胞中蛋白多糖的消耗，该通路在抑制炎症诱导的椎间盘细胞分解代谢反应中发挥重要作用。Wang等 [6] 研究发现IGFBP5的沉默可导致ERK/MAPK轴的激活，如ERK蛋白含量和磷酸化水平的升高，然而过表达的IGFBP5可使ERK/MAPK轴失活，从而刺激椎间盘退变大鼠模型中髓核细胞的增殖并抑制其凋亡。Mi等 [7] 研究发现FAF1通过ERK信号通路直接促进髓核细胞增殖。Han等 [8] 发现瘦素诱导ERK1/2和STAT3信号通路的激活，导致软骨终板细胞钙化。Sun等 [9] 指出miR-181a的上调通过抑制椎间盘退变小鼠的肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体(TRAIL)使ERK通路失活，从而保护炎症反应。综上所述，ERK信号通路参与了椎间盘细胞中诸多反应过程，是椎间盘细胞中不可或缺的部分。

2.2. p38MAPK信号通路

p38MAPK是一种分子量为38kDa的由360个氨基酸残基构成的蛋白。p38 MAPK (丝裂原激活蛋白激酶)信号通路允许细胞接受多种外部信号，并通过产生多种不同的生物效应做出适当反应。p38可引起体内外多种蛋白质的磷酸化，p38的底物包含涉及不同过程的蛋白激酶、核蛋白、转录因子、染色质重塑的调节剂，其调节过程包括蛋白质的降解和定位，mRNA的稳定性，内吞作用， 细胞凋亡，细胞骨架动力学以及细胞迁移 [10]。

在人退变的椎间盘髓核和纤维环中存在p38MAPK的异常表达，其表达水平与椎间盘细胞退变的严重程度呈正相关。在椎间盘组织中，主要的促炎细胞因子活化p38，从而活化降解分子，如ADAMTs-4、MMP-3等。p38 MAPK的激活使椎间盘细胞周期阻滞在G2/M期，从而抑制生长因子的促有丝分裂作用。Pang等 [11] 发现椎间盘NP细胞中的p38 MAPK通路在机械应力下被激活，p38MAPK的抑制作用部分减弱了间歇性应力对NP细胞衰老的影响。Krupkova等 [12] 研究表明p38参与了内质网应激诱导的IVD炎症反应。Fu等 [13] 发现在一个严重退变的椎间盘中，酸性物质可以显著促进细胞的衰老，而p38MAPK信号通路的激活可能参与了这一过程。Xu等 [14] 研究发现在受到机械应力的NP细胞中，p38 MAPK通路的活性显著增加。然而，当机械生长因子(MGF)加入培养基后，p38 MAPK通路的活性明显下降。证明了外源性MGF能够抑制在机械负荷下的NP细胞的凋亡，并且p38MAPK通路参与了这一调节过程。综上所述，p38MAPK通路参与了椎间盘退变进程中的各个不同方面，各种方式相互作用，共同维持着椎间盘细胞分解/合成代谢的平衡，在减慢椎间盘退变的过程中发挥着重要作用。

2.3. JNKs信号通路

c-Jun N端激酶(JNKs)是一种进化保守的丝裂原活化蛋白(MAP)激酶亚群。参与JNK通路的新的分子的作用已经被阐明，并且对JNK在生存信号、细胞死亡、癌症和糖尿病中的作用有了新的认识。

JNKs信号通路存在于髓核细胞中，并调控着细胞的生长、分化和凋亡。在椎间盘细胞的物理化学环境中渗透压波动是不可避免的，高渗透压可以激活JNKs信号通路，JNKs的磷酸化增加了髓核细胞的凋亡。Shan等 [15] 研究发现JNK或p38 MAPK通路的抑制减弱了高糖对纤维环(annulus fibrosus, AF)细胞凋亡的影响。总之，高糖通过以葡萄糖浓度依赖的方式调节JNK通路和p38 MAPK通路，促进了椎间盘AF细胞的凋亡。Ni等 [16] 研究表明促炎巨噬细胞在某种程度上通过ERK和JNK信号通路促进了髓核细胞的退行性变，提示抑制这些通路可能是IVD退行性变的一种潜在的治疗方法。Wang等 [17] 研究表明，血清剥夺通过降低细胞外基质(Extracellular Matrix, ECM)组分的表达、增加ECM降解酶(MMPs)的表达来影响ECM的代谢，缺氧可通过增加ECM基因的表达和降低MMP的表达来减少血清缺氧诱导的基质降解，JNK和NF-κB信号通路是参与这些过程的主要途径，通过对ECM的影响来对椎间盘退变起作用。综上所述，JNK信号通路在椎间盘的退变过程中起重要作用。

3. Wnt/β-catenin信号通路

Wnt蛋白家族控制着广泛的生物过程，包括胚胎发育、组织形成、细胞自我更新、增殖和分化等生理以及肿瘤发生等病理过程。Wnt信号通过三种主要途径传递：β-连环蛋白(β-catenin)、JNK和钙依赖通路。Wnt/β-catenin信号，也被称为典型Wnt信号，依赖于涉及的序列分子，包括β-catenin：(1) β-catenin磷酸化的抑制；(2) 细胞质中β-catenin含量的增加；(3) β-catenin核移位的刺激；(4) β-catenin与淋巴样增强因子/T细胞因子的相互作用；(5) 靶基因转录的刺激。Wnt/β-catenin信号通路在软骨和关节发育过程中起着重要的调节作用，这种信号对软骨基质代谢有很强的影响。

腰痛患者髓核组织中Wnt1和β-catenin的表达明显高于正常人的髓核组织，Wnt/β-catenin信号通路受到抑制时，髓核细胞凋亡减少，增殖明显增强，同时该通路的激活可增加髓核细胞的衰老。激活Wnt/β-catenin信号通路可以诱导髓核中基质金属蛋白酶的表达并调节蛋白多糖，导致基质的分解增加，从而造成椎间盘退变的进展。Wnt/β-catenin信号通路可以通过对椎间盘细胞氧化和炎症应激的影响而促进其退变，Xie等 [18] 发现水通道蛋白3 (aquaporin 3, AQP3)促进髓核细胞(nucleus pulposus cells, NPCs)增殖。其研究结果表明，AQP3能抑制hNPCs中细胞外基质(extracellular matrix, ECM)的降解，此外，他们发现Wnt/β-catenin信号通路被AQP3抑制。然而AQP3对于hNPCs增殖和ECM降解的影响被一个已知的Wnt/β-catenin信号通路的活化剂氯化锂的治疗而逆转，AQP3对IVD退变起保护作用，这些作用中至少有一部分是通过抑制Wnt/β-catenin信号通路来实现的。Wang J等 [19] 发现IL-1β、TNF-α在鼠NP细胞中诱导细胞凋亡，调节小窝蛋白-1 (caveolin-1)的表达并且能激活Wnt/β-catenin信号通路，而细胞因子的诱导效果被β-catenin siRNA和caveolin-1 siRNA逆转。caveolin-1的过表达使得β-catenin对于鼠髓核细胞凋亡和核移位起到促进作用，该过程被β-catenin siRNA阻断。此外，有研究发现TUG1对患者IDD的调节作用与 Wnt/β-catenin呈正相关。在髓核中TUG1，Wnt1和β-catenin在TNF-α的诱导下明显增加，TUG1-siRNA和xav-939能明显抑制Wnt1，β-catenin，Caspase-3，Bax，MMP3和ADAMTS5的表达，上调Bcl-2、蛋白多糖、COL2A1的表达，抑制细胞凋亡、衰老，促进细胞增殖。其由此得出结论：抑制TUG1不仅可以保护人类髓核细胞免受TNF-α导致的细胞凋亡和衰老，也通过阻断Wnt/β-catenin通路促进细胞增殖，它提供了一种IDD临床治疗的理论依据 [20]。

4. NF-κB信号通路

核转录因子κB (nuclear factor-kappa B, NF-κB)是一种真核细胞内广泛存在的多向性转录因子，在调节细胞对于损害、应力和炎症的反应中起着重要的作用。NF-kB主要以P65-P50二聚体的形式存在，NF-kB的激活与诸多因素有关，包括炎症性、氧化、遗传毒性、机械和化学的应力。NF-κB是一个重要的途径，在炎性介质的产生和软骨细胞分解代谢的基因表达的过程中扮演着关键角色。研究表明持续激活的NF-kB通路参与多种炎症性疾病的发生 [21]。而IDD与多种炎性细胞因子(IL-1、IL-6)介导的自身免疫性炎症反应密切相关。

在椎间盘组织中，NF-κB的活性与氧化应激相关，并随着年龄和椎间盘退变的增加而增加。NF-κB在退变和炎症性椎间盘疾病中发挥重要作用，与无症状的椎间盘相比，有症状的椎间盘中的炎性细胞因子是典型的NF-κB靶向因子，NF-κB慢性激活特异性表达在促进椎间盘退变的过程中发挥重要作用。Sun Z等 [22] 的研究中，p65的表达随髓核细胞退变程度的增加而增加。这一蛋白的作用可以被NF-kB的抑制剂BAY11-7082所抑制。在退变性椎间盘中，NK-kB信号通路的激活逐渐增加，调节基质降解酶的过度表达，它在细胞外基质的降解中起着重要的作用。有研究人员发现NF-κB的抑制逆转了IL-1β所致的基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase, MMP)-3、MMP-9、MMP-13、ADAMTS-4、ADAMTS-5、蛋白多糖和II型胶原蛋白的蛋白表达。这些发现表明NF-κB信号通路是IDD的一个关键的中介，是减轻椎间盘退变性疾病的治疗目标 [23]。Shen等 [24] 发现去乙酰化酶(Sirtuin, SIRT) 1表达降低与IVDD相关。SIRT1脱去乙酰基来抑制NF-κB的核易位，以此来抑制炎症。其研究结果表明，SIRT1通过TLR2/SIRT1/NF-κB通路发挥抗炎作用来抵抗IL-1β所致的NP细胞变性，这表明它可以作为一个潜在的候补者来治疗IVDD所致的腰背疼痛。Liu等 [25] 研究发现基质细胞衍生因子(stromal cell-derived factor, SDF)-1介导的细胞凋亡被吡咯烷二硫基甲酸盐(pyrrolidine dithiocarbamate, PDTC)所致的NF-κB抑制所抑制，在人类退变髓核细胞中SDF-1/CXCR4通路通过NF-κB通路来促进细胞凋亡。因此以上发现支持NF-κB信号通路在椎间盘退变的过程中起到的促进作用。

5. Notch信号通路

Notch信号通路是一个由相邻细胞相互作用调控的高度保守的通路，其有四个细胞表面NOTCH受体(在哺乳动物中为NOTCH1-4)，激活后细胞内的NOTCH区域被γ-分泌酶和早期蛋白酶(presenilin proteases, PSEN1/2)复合物裂解。炎性细胞因子促进椎间盘内的NOTCH信号通路 [26]。椎间盘中细胞的增殖和分化与Notch信号通路密切相关，并对退变椎间盘髓核细胞的增殖、分化及细胞外基质的变化产生一定的影响。

在椎间盘中，Notch的激活是一种保护机制，是代偿反应的一部分，维持必要的髓核细胞增殖，以替代丢失或无功能的髓核细胞。Notch的下调导致髓核细胞G0/G1期细胞周期阻滞，其可抑制TNF诱导的髓核细胞凋亡。Hiyama等 [27] 发现Notch信号的抑制阻断了椎间盘细胞的增殖。在退变的椎间盘中，Notch信号蛋白的表达增加。Wang等 [26] 研究发现Notch-2的mRNA和蛋白表达在中等程度退变的椎间盘中最高，同时其中细胞因子IL-1β和TNF-α也最高表达。研究的结果清楚地表明，细胞因子水平的升高可能改变了NOTCH在退变椎间盘中的表达和活性。IL-1β和TNF-α并不抑制髓核细胞的增殖，但其对NOTCH的活性有抑制作用。因此，针对NOTCH信号通路的治疗意义取决于其在疾病发病中的作用。Zhang等 [28] 研究表明BMP9促进了NPCs中ECM的表达，并且是Notch信号通路的关键分子，BMP9可能通过Notch信号通路调控ECM。他们验证了Notch配体和受体在Ad-BMP9感染的NPC中的表达，并证实了DLL1和Notch1的表达显著下降。证明了BMP9通过抑制Notch1和DLL1来促进ECM在NPCs中的表达，为IDD的治疗提供了一种可能的方法。Wei等 [29] 表明FAM83H-AS1表达升高促进了Notch1和Hes1在髓核细胞中的表达，FAM83H-AS1通过Notch 1靶向促进髓核细胞增殖和调节ECM表达。这也为椎间盘退变得到细胞分子水平的治疗提供了新的理论支持。

6. PI3K/Akt信号通路

作为一个独特的细胞内脂质激酶家族， PI3K包含三个类(I，II和III)。其中，I类是研究最多的，分为IA (PI3Kα, β, δ)和IB (PI3Kγ)。I类PI3K异质二聚体是由催化亚基(p110α，β，γ和δ)和调节亚基(p85α, β, γ)组成 [30]。Akt是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，包括三种亚型(Akt1、2和3)，这些亚型具有高度的同源性。活化的Akt与下游靶蛋白相互作用，调控多种生物学过程，包括凋亡、自噬和细胞周期进展。PI3K/Akt通路通过多种机制参与椎间盘退变：ECM含量增加，抑制细胞凋亡，促细胞增殖效应，细胞自噬的调节，减轻氧化损伤，低氧微环境适应 [31]。

PI3K/Akt信号通路的激活通过抑制髓核细胞凋亡、减少基质蛋白降解、促进蛋白多糖和II型胶原的生成来预防椎间盘退变，上调PI3K/Akt信号通路的磷酸化水平可抑制髓核细胞的凋亡。Liu等 [32] 的研究结果显示miR-27a通过直接靶向PI3K的3’-UTRs来抑制PI3K的表达。包括细胞生长、增殖、迁移和粘附在内的各种细胞过程都受到PI3K/AKT信号通路激活的调控，而髓核细胞则强烈表达磷酸化的生存蛋白AKT。PI3K是miR-27a的新靶点，因此，miR-27a的上调以PI3K为靶点，启动髓核细胞的凋亡。Wang等 [33] 研究表明抑制miR-138-5p可下调PTEN蛋白的表达，促进PI3K/AKT的活化。miR-138-5p表达的抑制通过上调SIRT1来保护人类NP细胞免于凋亡，这可能是通过PTEN/PI3K/Akt信号通路介导的。这些结果表明，miR-138-5p/SIRT1/PTEN/PI3K/Akt信号通路可能是预防IDD的一个新的治疗靶点。Jia等 [34] 通过免疫印迹法分析了经H₂O₂处理的NP细胞中PI3K/Akt通路的活性，结果表明壳寡糖(chitosan oligosaccharides, COS)可以增强该通路的活性。为了研究PI3K/Akt通路与COS对NP细胞的保护作用之间的关系，他们发现渥曼青霉素抑制了PI3K/Akt通路，从而使其保护作用消失。这些结果支持了COS通过PI3K/Akt通路对NP细胞产生保护作用的假说。所以PI3K/Akt信号通路与退变的椎间盘有相关性。

7. 结论

椎间盘细胞中存在着各式各样的信号通路，它们既有各自独特的作用，又互相影响，共同组成一个细胞调节网络，对细胞的增殖、分化、凋亡等过程起着调节作用。随着人类科研和社会发展水平的整体提升，细胞内的各种信号通路得到了更深入的研究，包括对信号通路上下游的信号分子以及各种受体、配体等的研究，这些研究更重要的意义是为椎间盘退变性疾病的治疗提供分子生物学水平的理论依据，以此缓解此类疾病给人类带来的身体、心理和经济上的压力。目前国内外对细胞内信号通路的具体机制和相互影响的研究仍不完全，因此，椎间盘细胞中的信号通路有待进一步的探索与研究。随着未来对于椎间盘中各种信号通路的深入研究，椎间盘退变性疾病有望从根本上得到解决，为人类带来新的希望。

NOTES

^*通讯作者。