颜夏卫 王泽 沈钦荣

TNF-α在腰椎间盘退变中作用的研究进展

颜夏卫 王泽 沈钦荣

腰椎间盘退变是指腰椎间盘各部分组织发生老化退变产生以下腰痛和下肢神经根性疼痛为主要症状的一类疾病，主要受衰老、机械压迫、遗传、自身免疫等因素影响。目前腰椎间盘退变的确切机制尚无定论，但大量研究表明退变的腰椎间盘组织中存在炎性细胞及炎性介质的高表达［1］，其中肿瘤坏死因子α（TNF-α）发挥重要作用。作者对TNF-α在腰椎间盘退变中的作用作一综述。

1　TNF-α的生物学特征及功能

1975年，有学者发现一种能使多种肿瘤发生出血性坏死的物质，称之为肿瘤坏死因子（TNF），其包括TNF-α 和TNF -β两个亚型［2］。其中，TNF-α是一种具有多种生物学效应的细胞因子，其主要由活化的单核细胞和巨噬细胞产生，其前体由233个氨基酸组成，其中包含76个氨基酸残基组成的信号肽，主要由单核细胞和巨噬细胞产生。TNF-α能调节机体免疫功能，产生多种免疫介质参与 B细胞及T细胞免疫过程，杀伤或抑制肿瘤细胞。其次，TNF-α能促进中性粒细胞粘附至血管内皮细胞上，刺激机体局部炎症反应。TNF-α还可促进细胞增殖和分化，对肿瘤细胞具有生长因子样作用。因此，TNF-α对于维持机体内坏境稳定，新陈代谢和免疫系统等方面具有重要意义。

2　TNF-α在腰椎间盘退变中的作用

椎间盘由上下软骨终板、髓核、纤维环三部分组成，主要成分包括蛋白多糖，胶原和水。有研究表明，TNF-α能够直接或间接产生各种炎症反应，激活基质降解酶，诱导细胞外基质的分解及椎间盘细胞的衰老和凋亡，加速腰椎间盘组织的退变，病理变化主要表现为髓核和纤维环细胞变性，坏死，软骨终板变薄、破裂，引起椎间盘源性腰痛［3］。一方面，椎间盘的各种不良应力，机械性损伤等多种因素均会刺激单核细胞或巨噬细胞分泌TNF-α。大量的TNF-α的产生和释放通过上调基质金属酶活性、增强中性粒细胞改变内皮细胞的通透性、抑制胶原和蛋白多糖的合成等多种形式破坏机体内环境的免疫平衡，从而产生病理效应，参与椎间盘各组织退变当中。另一方面，TNF-α自身具有正反馈效应［4］，退变的椎间盘组织可促进其他炎性因子的表达，各种炎性因子间相互作用，又不断持续产生TNF-α，形成一个恶性循环，加速椎间盘退变。杜伟等［5］发现退变的椎间盘组织中，TNF-α的表达与椎间盘退变呈正相关趋势，这也表明TNF-α是腰椎间盘退变过程中的一个重要致炎因子。

2.1TNF-α在终板软骨退变中的作用 终板软骨异常变化与腰椎间盘退变有着密切的关系。软骨终板覆盖整个髓核和部分纤维环，由软骨细胞和细胞基质组成，调节椎体和椎间盘之间正常的营养供给。椎间盘的营养物质扩散和代谢产物排出主要通过终板软骨下毛细血管进行运输。刘斌等［6］发现TNF-α含量在终板软骨退变过程中相应增加，提示TNF-α与终板软骨的退变存在正相关。叶伟等［7］发现一定浓度的TNF-α可抑制体外培养的终板软骨细胞的增殖及基质合成，促进软骨终板细胞促凋亡因子的生成，从而促进终板软骨的退变。Chen S［8］发现TNF-α通过激活核因子kB途径来影响终板软骨细胞与细胞外基质的表达。终板软骨细胞是软骨细胞的一种，TNF-α作用于终板软骨细胞的机制同软骨细胞类似。因此，TNF-α可促进基质金属蛋白酶分泌，引起软骨基质降解，生成有纤维母细胞特性的Ⅰ型胶原，同时抑制软骨细胞合成具有透明软骨特性的蛋白聚糖和Ⅱ型胶原［9，10］，加速终板软骨退变，通透性降低，影响腰椎间盘的营养供应及代谢产物排出，最终造成腰椎间盘退变。

2.2TNF-α在髓核退变中的作用 有研究认为，腰椎间盘退变始于髓核。髓核位于椎间盘中后部，由少量髓核细胞和大量细胞外基质组成，其中细胞外基质包括蛋白多糖和Ⅱ型胶原，被纤维环包围成封闭环境隔绝于血循环之外，不存在血供和神经支配，但其自身具有免疫功能。TNF-α可以通过调控髓核细胞因子网络直接干扰细胞的生长、分化以及凋亡，影响髓核细胞增殖与凋亡的平衡，对椎间盘退变起到重要作用［11］。Yoshida等［12］通过针刺家兔髓核建立椎间盘退变模型时发现，建模后第一天髓核细胞就产生TNF-α。Onozawa等［13］在大鼠髓核细胞中检测到TNF-α，并认为髓核细胞可以分泌TNF-α。更多的研究结果也证实腰椎间盘突出的同时髓核细胞就开始产生TNF-α等前炎症因子。另外，Murata等［14］通过观察暴露于髓核的背根神经节细胞变化过程，证实TNF-α在髓核细胞凋亡中发挥了关键作用。Gruber等［15］在退变的髓核中发现大量的衰老细胞，其存在降低椎间盘产生足够的新细胞来取代已经凋亡或坏死的髓核细胞。髓核细胞是髓核主要组成之一，是椎间盘功能的主要执行者。TNF-α作为促炎因子，使中性粒细胞和单核细胞释放炎性介质，诱导髓核细胞凋亡，抑制新细胞生成，从而导致椎间盘退变的。另一方面TNF-α干扰髓核细胞外基质的合成效率和蛋白酶活动，影响基质代谢，进而加速髓核细胞凋亡。Doita等［16］研究表明TNF-α可以增强基质金属蛋白酶活性和基因表达。Le Maitre等［17，18］证实基质金属蛋白酶在正常椎间盘和退变椎间盘中同时存在，且在退变的椎间盘中的含量更高。胡绪江等［19］通过实验发现一定范围内TNF-α的剂量越大，家兔髓核内的蛋白多糖降解越快，髓核细胞数量愈少。另外，一些研究认为TNF-α可以通过激活ERK1/2、P38 MAPK、Notch、JNK/ASPK、Wnt/β-catenin等信号通路［20～22］，刺激基质金属蛋白酶的表达与活性升高，抑制髓核细胞的增殖，诱导髓核细胞衰老和凋亡以及细胞外基质的分解，髓核中水分、蛋白多糖和Ⅱ型胶原的含量明显减少，Ⅰ型胶原含量增加，导致髓核纤维化加重，髓核变坚硬、干燥，加速椎间盘退变的发生。

2.3TNF-α在纤维环退变中的作用 目前无证据证明TNF-α存在于正常纤维环组织内。纤维环位于椎间盘的周缘部，主要成分是Ⅰ型和Ⅱ型胶原，从内层纤维环到外层纤维环，Ⅱ型胶原含量逐渐减低，Ⅰ型胶原含量逐渐增加。韩建军等［23］通过免疫组化染色法检测到椎间盘膨出、突出、脱出的纤维环样本中TNF-α水平分别为25%、66.7%和78.5%，对照组正常椎间盘则无TNF-α表达，表明纤维环中TNF-α在腰椎间盘发生退变时产生，含量与纤维环撕裂程度存在密切关系。这与大量研究表明手术切除的腰椎退变纤维环中存在高表达TNF-α的结果一致。徐无忌等［24］予以TNF-α干预体外培养的椎间盘，发现纤维环中的Ⅱ型胶原含量逐渐减低，Ⅰ型胶原含量逐渐增加，提示TNF-α可加速纤维环退变。因此，当椎间盘应力不均造成纤维环发生退变，完整性受损时，大量TNF-α进入椎管，刺激神经根周围组织及硬膜囊，发生炎性反应，使细胞外基质降解，蛋白多糖含量减少，最终使髓核纤维化加剧，导致髓核与纤维环边界模糊，加速椎间盘退变的发生。

2.4TNF-α在椎间盘源性腰痛中的作用 TNF-α也被认为是触发与维持椎间盘源性腰痛过程中一个重要炎性因子。Lgarashi等［25］研究表明TNF-α是引起大鼠神经性疼痛的炎性因子。Cuellar等［26］发现大鼠在TNF-α作用一定时间内可产生痛觉过敏，引起异常性疼痛。有研究证实TNF-α可引起疼痛行为改变，而这种疼痛与髓核所产生的疼痛特征相似。Hayashi等［27］研究表明TNF-α可作为诱导因子诱导神经轴突向退变的髓核内长入而产生疼痛。同时，袁伟杰等［28］发现实验组中TNF-α的表达及肢体痛阀在椎间盘髓核突出10d、20d时均高于对照组，40d时无明显差异，提示TNF-α在椎间盘髓核突出早期是损伤神经根并引起疼痛的主要致炎因子。吴志强等［29］在大鼠纤维环穿刺致痛模型中发现TNF-α在建模后第1天开始升高，持续升高并维持至造模后35d，这与袁伟杰等的研究结果基本一致。Peng等［30］对手术切除的病理性椎间盘标本研究发现髓核至纤维环外层有血管化肉芽组织形成，认为椎间盘后方血管神经分布广泛的区域是疼痛的起源部位。另外，目前已开展较多关于TNF-α的生物性拮抗剂研究，并证实其在减轻疼痛、缓解症状的作用。Karppinen 等［31］通过临床研究表明，TNF-α生物性拮抗剂Infliximab具有缓解腰痛症状作用，且效果明显，但作用机制尚未明确。正常椎间盘一般只在纤维环的外1/3处存在感觉神经纤维，而退变的椎间盘在髓核和纤维环内层出现神经纤维分布，这是因为退变椎间盘中的髓核细胞分泌大量TNF-α通过破裂的纤维环裂隙漏出，刺激纤维环外部的神经末梢，诱导巨噬细胞发生各种炎症反应，引起疼痛。另外血管、神经纤维可通过裂隙向髓核及内层纤维环长入，该神经纤维缺乏髓鞘，各种炎症反应降低痛阀，共同引起椎间盘源性腰痛。

3　小结

国内外大量文献从不同角度分析了TNF-α在腰椎间盘退变过程中发挥的作用，但TNF-α仅为引起腰椎间盘退变中一个炎症因素，较多具体作用机制及其关系目前尚未清楚，随着研究的深入和实验技术的不断完善，这些研究将为细胞因子延缓腰椎间盘退变和临床应用提供新的思路和方法。

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浙江省中医药重点学科项目（2012-XK-A32）

312000 浙江中医药大学附属绍兴中医院 骨伤科