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细胞外基质合成与降解的失衡对椎间盘退变的影响

2025-01-27 130 上传者：管理员

摘要：椎间盘退变可引起多种疾病，是下腰痛的主要原因之一。目前椎间盘退变的发生机制尚不明确。近年来，为阐明椎间盘退变的分子机制，细胞外基质(ECM)合成与降解的动态平衡与椎间盘退变的关系备受关注。该文重点论述了ECM的定义、成分、作用，以及ECM合成与降解对椎间盘退变的影响，为寻求延缓椎间盘退变进程的治疗方法提供理论支持。

关键词：
IDD
下腰痛
椎间盘退变
细胞外基质
髓核细胞
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随着人口老龄化及人们工作性质的改变,下腰痛的发病率逐年上升,并呈现年轻化趋势｡椎间盘退变(intervertebraldiscdegeneration,IDD)是下腰痛的主要原因之一[1]｡目前治疗IDD的方法有保守治疗和手术干预,但这两种治疗方法主要是缓解由IDD引起的临床症状,并未解决病因｡因此探究IDD的原因,可能为下腰痛的治疗带来新的思路及方法｡

椎间盘是位于椎体间的异质性纤维软骨组织,中心区域是髓核组织,主要作用为连接上下椎体､缓冲应力,髓核组织中的细胞外基质(ECM)是维持椎间盘缓冲应力这一生物力学功能的关键[2]｡正常髓核细胞的ECM分解与合成处于动态平衡状态｡创伤､肥胖､应力不均､衰老､吸烟､遗传等因素通过减少髓核细胞数量､影响ECM正常代谢,改变细胞微环境,引发IDD[3]｡近年来研究发现,IDD的发展变化与ECM代谢失衡密切相关[4]｡本文着眼于ECM,阐述ECM在IDD进程中的作用､影响等,以期为IDD的治疗提供新思路｡

1ECM的成分及作用

ECM是由动物细胞合成､分泌的大分子物质,并在细胞表面或细胞之间构成复杂的高度动态的三维结构[5-6]｡ECM为细胞的嵌入提供了物理支架,还可调节细胞的生长､迁移､分化､生存､稳态及形态的变化,并且参与细胞之间的信息传递[6],对维持组织结构､生物反应､体内平衡具有重要作用｡

1、1ECM的成分

ECM根据结构与成分的不同,可分为与细胞紧密接触的细胞周围基质和围绕细胞间质[7-8]｡ECM中含有大量的胶原蛋白､弹性蛋白､蛋白多糖､糖蛋白等｡胶原蛋白是ECM的重要组成部分,具有修复组织､保持水分､承受和传导压力的作用;弹性蛋白在维持椎间盘的形态､弹性､柔韧性等方面发挥一定的作用,并且可吸收一定的外力;蛋白多糖是一种由多肽为主链､许多氨基多糖为侧链组成的大分子体,在椎间盘组织中与胶原蛋白､弹性蛋白形成稳定的结构,有黏合､润滑及缓冲压力的作用;糖蛋白则对细胞的黏附､形态､分布､迁移有一定的作用[9-11]｡ECM中还含有一些可溶性成分,如与ECM代谢相关的蛋白酶,包括基质金属蛋白酶家族和丝氨酸蛋白酶两大类,主要作用是降解ECM中的成分｡

1.2ECM的作用

(1)调节细胞活动ECM位于细胞周围并与细胞紧密相连,指导细胞的生长､分化､迁移等一系列生理活动｡脊索细胞(NC)是IDD细胞疗法中有前景的细胞来源｡LIUYX等[12]在ECM对人类诱导多能干细胞(hiPSC)分化影响的研究中发现,使用ECM干预的实验组Brachyury基因(即T基因)､细胞角蛋白-8(CK-8)和细胞角蛋白-18(CK-18)表达显著升高,这3种基因是NC细胞典型的标记基因,该研究结果证实ECM可诱导NC细胞分化,为进一步探究椎间盘再生疗法奠定了基础｡WUYL等[13]在一种新型复合聚合L-乳酸(PLLA)/丝素蛋白(SF)支架上涂上成骨细胞衍生的ECM,构成新型的复合支架(O-ECM/PLLA/SF),并通过碱性磷酸酶(ALP)和茜素红染色(APS)分析支架对骨髓间充质干细胞(BMSC)成骨分化能力的影响,结果表明BMSC成骨分化的能力显著提高｡PLLA与SF组成的纤维支架满足了骨组织工程支架的要求,但是不具有对细胞黏附､增殖､分化的能力,在纤维支架上涂ECM则很好地解决了这个问题,反映出ECM对细胞的黏附､增殖､分化有积极作用｡XINGHY等[14]在1项注射外泌体治疗IDD的研究中发现,将外泌体与ECM耦合形成的复合物进行注射的疗效比单独注射外泌体或ECM更好,原因可能是ECM通过自身电荷与外泌体紧密结合,同时与细胞的生物相容性较高,可提供向髓核细胞传递外泌体的靶向通道｡此外,ECM还可增强髓核细胞对IDD早期微环境的耐受力,减少髓核细胞凋亡,甚至促进其增殖｡

WANGSR等[15]在研究神经再生中发现,ECM可以促进神经再生,且与其他来源的ECM比较,来自BMSC的ECM能为神经的再生创造更优越的微环境,同时与神经再生相关因子的表达增强､相关免疫应答反应降低｡董鸿斐等[16]通过在大鼠的急性创面上涂抹由真皮细胞外基质制备成的水凝胶(d-ECMH)和真皮细胞外基质(d-ECM)观察大鼠恢复情况并分析作用机制,发现d-ECMH组的伤口愈合率比d-ECM组及模型组高,同时d-ECMH组的胶原蛋白含量及伤口的毛细血管数量处于升高水平｡该结果表明ECM在伤口的愈合过程中起到了重要的作用,可调节细胞的生长､促进创面再上皮化和血管新生,为创面的修复提供一个有利的微环境[17]｡

(2)传递信号ECM不仅对细胞的分化､增殖等起到一定的作用,也参与了细胞之间的信号传递｡赵志力等[18]在研究ECM对表皮干细胞缝隙连接介导的细胞间通讯的影响中发现,ECM可以通过Connexin对细胞间的信号传递进行调控,从而协调细胞和组织的功能｡在心脏系统的研究中发现,正常的ECM中不仅含有胶原蛋白､弹性蛋白､蛋白多糖､糖蛋白等,而且还储存有一定量的生长因子和蛋白酶,在遇到损伤时,生长因子与蛋白酶被激活而发挥作用｡如在心肌梗死后的炎症阶段,ECM可以通过富集母细胞蛋白调节细胞表型,激活生长因子和蛋白酶,并使之与相应细胞受体结合,产生信号级联反应;在心肌梗死愈合的增殖阶段,ECM的动态改变为成纤维细胞转化为纤维细胞提供了必要的信号,并可能激活新血管形成所需的血管生成途径,从而为代谢活跃的伤口提供氧气和营养物质,促进梗死后心脏组织的修复[19-21]｡

研究表明,感觉神经可通过调节ECM的代谢维持椎间盘的稳态｡HUB等[22]使用CRISPR-Cas9技术对敲除感觉神经纤维的小鼠进行体内实验,发现实验组小鼠椎间盘中硫酸软骨素(CS)､硫酸软骨素合酶1(CHSY1)水平下降,IDD相较于对照组提前发生,表明ECM的分解增多可加速IDD的进程,证明了ECM的信号传导作用｡YANGYH等[23]发现,不同浓度人参皂苷Rg1可不同程度地改善IDD,且改善程度与人参皂苷Rg1浓度呈正相关,人参皂苷Rg1通过上调Ⅱ型胶原蛋白和凝聚糖的表达,抑制基质金属蛋白酶(MMPs)的表达,从而阻止ECM的降解,进一步研究发现,ECM可能通过YAP1/TAZ信号通路缓解IDD进程｡

2、ECM的合成对椎间盘的影响

ECM中含有大量的Ⅱ型胶原蛋白和凝聚糖,两者是组成ECM的重要成分｡Ⅱ型胶原蛋白和凝聚糖的含量对ECM的合成有很大影响｡前期研究发现,LncRNA_GAS5的表达与髓核细胞的凋亡及IDD的发生有一定的关联[24]｡TANL等[25]将Si-GAS5转染到退行性髓核细胞中以抑制基因GAS5的表达,发现转染组ECM相关基因mRNA和蛋白水平､Ⅱ型胶原蛋白和凝聚糖表达上调,并可增加ECM的合成和退行性髓核细胞的增殖｡BMSC治疗IDD逐渐成为研究热点,但其作用机制并不明确｡WANGZ等[26]研究BMSC对髓核细胞ECM重塑的作用机制,结果显示,BMSC可以通过促进ECM的重建进一步抑制IDD进程｡体内研究也逐步证实,ECM的合成对延缓IDD的进程有促进作用｡ZHAOZ等[27]在兔椎间盘中注入慢病毒载体,探讨同时拮抗MMPs和过表达Sox9的联合基因治疗对IDD抑制的影响,手术后第8､12､24周采用MRI分析椎间盘的退变程度,并检测髓核细胞ECM的基因表达和成分(Ⅱ型胶原蛋白､凝聚糖､蛋白聚糖),结果显示,髓核细胞ECM的基因表达和成分显著增加,且IDD的进程得到基本抑制｡因此,促进ECM的合成可以延缓IDD的进程｡

3、ECM的降解对椎间盘的影响

研究发现,ECM的过度降解与IDD的变化过程密切相关[28]｡LIUJT等[29]利用叔丁基过氧化氢(TBHP)诱导髓核细胞损伤,通过蛋白印迹法(WesternBlot)检测得出凝聚糖和Ⅱ-型胶原蛋白的表达量显著降低,MMP-13､人金属肽酶含血小板反应蛋白4(ADAMTS-4)的表达量显著增加,即ECM在TBHP的诱导下分解增加｡目前部分研究表明,IDD的进程中部分非编码RNA､MicroRNA起到重要的作用[30-31]｡如一些过表达的RNA可以抑制Ⅱ型胶原蛋白､凝聚糖的表达,促进MMPs的表达,从而加速ECM的降解并加剧IDD的进程[32-33]｡DULL等[34]证实,NR2F1-AS1的过表达可增加髓核细胞ECM的降解｡WUZL等[35]收集不同Pfirrmann等级IDD患者的髓核组织,通过比较不同等级髓核组织SKImRNA的表达发现,SKImRNA的表达与IDD退变的程度呈正相关,当使用慢病毒转染敲除SKI基因后,患者髓核组织的ECM降解减少,由此最终阻断IDD的进程｡

MMPs的主要功能是参与ECM的降解,在正常椎间盘组织中,MMPs的表达量较少,若椎间盘组织受到损害,则MMPs的表达量相对增加[28,36]｡也有研究表明,MMPs的表达量与IDD变性的等级呈正相关[37]｡GAOXW等[38]在分析17β-雌二醇对椎间盘退变的影响机制时发现,17β-雌二醇可以通过抑制MMPs的表达防止ECM的分解,并进一步缓解IDD的进程｡YANGY等[39]提出IDD的退变与长链非编码RNA(LincRNA)存在一定联系,在探寻LincRNASLC20A1(SLC20A1)在髓核细胞退变中的作用机制时,通过基因网站检测出MMPs的表达由SLC20A1正向调节,采用WesternBlot检测SLC20A1和MMPs的表达量发现,两者的表达量呈正相关,即SLC20A1的表达量增加了MMPs的表达量,从而加速髓核细胞ECM的降解,促进IDD的进展｡

4、小结与展望

ECM的合成和降解处于动态平衡状态｡越来越多的证据表明,各种因素如创伤､肥胖､应力不均､衰老､吸烟､遗传等都可打破椎间盘组织中ECM的动态平衡[40-42]｡当ECM的降解过程占主导时也意味着IDD进程的开始,同时ECM的改变又直接影响髓核细胞的增殖､凋亡､衰老等行为变化,而髓核细胞的这些行为变化与椎间盘的退变密切相关[43]｡ECM与IDD的发展进程密切相关,大量研究证明,利用生物因子对ECM的合成和降解进行干预可以延缓IDD的进程｡在预防及缓解IDD进程时,重新建立ECM合成与分解的平衡点至关重要,这为临床治疗IDD提供了新的靶点与方向｡

参考文献:

[1]罗海杰,柯松坚,林彩娜,等.运动训练对椎间盘退变模型大鼠疼痛及细胞外基质合成的影响[J].中国组织工程研究,2017,21(20):3176-3182.

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[9]胡明,张传森.退变椎间盘细胞外基质的改变[J].局解手术学杂志,2004,13(1):55-57.

[16]董鸿斐,黄启林,杨熊,等.真皮细胞外基质水凝胶促进大鼠急性皮肤创面修复[J].中国组织工程研究,2022,26(10):1555-1560.

[17]陈国璞.仿生多功能复合水凝胶促进创面修复的应用基础研究[D].南京:南京大学,2019.

[18]赵志力,杨蓉娅,张华,等.细胞外基质对表皮干细胞缝隙连接介导的细胞间通讯的影响[J].中国美容医学,2009,18(6):832-836

基金资助:山东省自然科学基金项目(ZR2022MH096);

文章来源:郑健虎,田增辉,陈云刚,等.细胞外基质合成与降解的失衡对椎间盘退变的影响[J].中国民间疗法,2025,33(02):21-25.