王 超，石志才，李 明

（海军军医大学附属长海医院，上海 200433）

椎间盘连接上下两个椎体，由上下方的软骨终板、周围部纤维环和中央部的髓核组成，在日常活动中起着承载、传递和分布载荷的作用。作用在椎间盘上的应力负荷使椎间盘细胞受到压力性应力、拉伸应力、静水压、渗透压以及剪切应力等各种应力刺激，其中髓核主要承受静水压，纤维环主要承受拉伸应力，而作用在软骨终板上的应力则以压力性应力为主［1,2］。应力负荷在调控椎间盘的生长、增殖和存活中起重要作用［3,4］，具体到细胞层面，椎间盘各部分细胞的生长和代谢受到应力性质、大小、频率以及持续时间的影响［3,5］。细胞对机械信号产生感知和应答的步骤主要有：机械耦合、信号传输、信号转导和细胞反应［6］，目前椎间盘细胞对应力的反应机制尚未完全明确，仅发现整合素受体、嘌呤能信号以及Ca2+相关的离子通道信号可能参与椎间盘细胞中的应力信号转导［7］。本文就应力对椎间盘细胞调控作用的研究进展作一综述。

1 应力影响椎间盘细胞的生长、增殖和存活

不同模式的应力对髓核细胞的生长发育有不同的影响。一方面，有研究表明应力可以促进椎间盘的发育和成熟：Nong 等［4］用 0～200 KPa、0.1 Hz 的周期性机械应力处理髓核细胞，发现可以显著提升髓核细胞的增殖、迁移和细胞外基质的表达；梁伟［8］对体外培养的人髓核细胞进行0～10 MPa、1 Hz、30 min×4次的力学加载，发现当应力为2.5 MPa时能显著促进髓核细胞的成熟以及细胞外基质的合成。但另一方面，当对髓核细胞施加的应力>5 MPa时，作者观察到髓核细胞凋亡率明显增加，细胞外基质合成明显减少，这表明长期过度的力学载荷会导致椎间盘的退变。这与Wang等［9］的报道一致。应力还会影响椎间盘细胞的存活。Yang等［3］对大鼠髓核细胞施加20%的拉伸力载荷，发现当加载时间>6 h时，细胞自噬现象明显增多。Zhang等［10］指出，除了线粒体途径之外，周期性拉伸应力还通过NO介导的内质网应激导致小鼠纤维环细胞凋亡。Li等［11］在另外一篇研究中也指出，体外培养未成熟猪椎间盘的髓核细胞代谢受压应力大小、频率和作用时间的影响，髓核细胞凋亡率的变化与其成正比，且伴随明显的分解代谢。

2 应力调控椎间盘细胞的表型

应力影响椎间盘细胞的代谢，通过直接影响蛋白聚糖和胶原蛋白的合成，或改变蛋白酶和炎性因子的分泌，从而改变细胞外基质（extracellular matrix,ECM）的成分，调控椎间盘的退变。Huang等［12］对人髓核细胞施加动态压缩应力，发现加压后髓核细胞分泌解聚蛋白样基质金属蛋白酶-1/4/5（ADAMTS-1/4/5）明显增多，而聚蛋白聚糖的合成明显减少。Zhu等［13］对兔的脊柱运动单元进行体外培养，通过对其进行力学加载，发现加压组椎间盘髓核中蛋白聚糖、Ⅱ型胶原含量以及髓核细胞中的基因表达量均显著减少。应力的调控作用与时间明显相关。Li等［14］对体外培养的猪椎间盘进行0.4 MPa、1 Hz的动态压缩应力加载，与加载时间为1 h相比，加载时间为8 h的椎间盘髓核中神经钙黏素表达明显减少，且细胞外基质的蛋白聚糖和Ⅱ型胶原含量也显著降低，作者认为长时间压缩负荷可以通过下调神经钙黏素的表达导致髓核细胞表型的丢失。作者进一步研究发现，高频率（5 Hz）的压缩应力能明显减少未成熟猪纤维环细胞外基质的合成，并增加分解［15］。应力还能够影响椎间盘细胞分泌细胞因子，引起疼痛。Miyamoto等［16］体外培养小鼠尾椎髓核细胞和纤维环细胞，并对其施加周期性机械应力，显示细胞分泌前列腺素E2和环氧合酶-2明显增多，是应力引起下腰痛的机制之一。

3 应力调控椎间盘细胞的转导途径

3.1 力学信号的感受

3.1.1 整合素受体

整合素 α1，α5，αv，β1，β3在椎间盘细胞膜上表达，其膜外结构域可以识别包含精氨酸-甘氨酸-门冬氨酸（Arg-Gly-Asp，RGD）序列的多肽位点，从而与椎间盘内多种基质蛋白相互作用，如α1β1亚单位是胶原蛋白在间盘细胞膜上的主要受体，而α5β1亚单位是纤维结合蛋白的膜受体，把力学信号转化为化学信号［17］。研究显示，周期性应力下大鼠髓核细胞整合素的表达明显增加［18］。但也有研究指出，整合素的作用受椎间盘退变程度的影响。Gilbert等［19］对人退变与正常纤维环细胞在体外施加牵张应力，结果显示非退变组纤维环细胞蛋白聚糖的表达下降，这种效应可被RGD阻断，而退变组纤维环胶原蛋白基因表达降低，但RGD不起作用。另外一项研究也发现，退变人髓核细胞通过整合素之外的途径进行力学信号的转导［20］。这可能是由于退变椎间盘中pH改变引起的。Hodson等［21］对人髓核细胞在不同pH条件下进行0.004 MPa、1 Hz、持续1 h的应力加载，结果发现，pH=7.1时，应力促进蛋白聚糖的合成，且可被RGD阻断，而pH=6.5时，应力对蛋白聚糖的合成无明显影响。另外，不论pH值、应力都能促进基质金属蛋白酶3（matrix metalloproteinase,MMP3）的合成，且不能被RGD阻断，作者进一步指出，不同应力转导途径对不同的基因起作用。同时，整合素受体也能间接感受力学信号。Zheng等［22］对不同月龄的小鼠髓核细胞进行体外应力加载，发现机械应力促进甲状旁腺激素1受体（PTH1R）向纤毛的转运，从而激活甲状旁腺素信号通路，促进整合素αvβ6的合成，进而激活转化生长因子β-结缔组织生长因子-基质蛋白合成的级联反应，有助于维持椎间盘代谢平衡，是治疗椎间盘退变的潜在作用靶点。

3.1.2 其他途径

应力负荷的改变常伴随渗透压的变化［23］，通过不同途径被椎间盘细胞感知。Li等［24］在不同渗透压环境下体外培养猪椎间盘，并检测细胞外基质的合成量，发现等渗（430 mOsm/kg）或循环渗透压（430 mOsm/kg，8 h～550 mOsm/kg,16 h）比高渗（550 mOsm/kg）或低渗（330 mOsm/kg）更有利于细胞外基质的合成，同时指出ERK1/2及p38MAPK信号通路在此过程中发挥重要作用。另外，椎间盘细胞中瞬时感受器电位离子通道家族中的香草素受体亚家族4（transient receptor potential vanilloid 4,TRPV4）能感受细胞外基质渗透压，这种非选择性Ca2+通道引起细胞内Ca2+浓度的改变，其表达的上调还能引起椎间盘细胞白细胞介素-1β（interleukin,IL-1β）和IL6的表达增多［23］。Lin等［25］通过对体外培养人髓核细胞研究显示，渗透压的变化改变了细胞内Ca2+离子浓度，通过Ca2+-钙调磷酸酶-活化T细胞的核因子5信号通路调控CCN2的表达，后者是髓核组织中最重要的促合成代谢细胞因子之一，同时也是髓核组织中调节细胞与细胞外基质相互作用的重要因素。近期有文献报道，高渗透压引起水通道蛋白3表达上调，使脊索细胞分化为髓核细胞，并伴随力学信号转导蛋白的改变，在椎间盘成熟方面发挥重要作用［26］。

3.2 力学信号的细胞内转导

除了前面提到的力学信号转导通路外，椎间盘细胞内还存在其他力学信号转导机制。梁伟［8］的研究显示动态压应力通过髓核细胞微管结构/核转录因子κB（nuclear transcription factor kappa B,NF-κB）通路调节SOX-9和Ⅱ型胶原的表达。Wang等［9］测量了高振幅、低频率机械张力下髓核细胞炎性因子及细胞外基质的代谢情况，指出高机械张力能够激活NF-κB信号通路，通过促进IL-1β炎症因子的释放导致人髓核细胞退变。Yang等［3］发现PI3K阻断剂3-MA（3-Methyladenine）部分抑制20%拉伸力载荷下大鼠髓核细胞的自噬，但可观察到细胞凋亡明显增多，作者认为拉伸载荷通过PI3K途径引起细胞自噬，后者可以减轻周期拉伸应力引起的髓核细胞凋亡。力学信号还能调控基因的表达，周期性拉伸载荷通过p53-p21-Rb通路导致DNA损伤，并引起髓核细胞衰老，进而加速椎间盘退变［27］。Yuan等［28］研究发现，周期性拉伸应力可以通过BNIP3/Bcl-2通路介导人软骨终板细胞的凋亡，还可以通过调节Runx2、ALP及SOX9等成骨相关基因的表达诱导体外培养的人椎间盘软骨终板干细胞（cartilage endplate-derived stem cells,CESCs） 向成骨方向分化［29］。另外，高渗透压通过激活MAPK/p53通路影响DNA合成甚至导致DNA损伤，进而调控椎间盘细胞的增殖周期，引起椎间盘退变［1］。但力学信号细胞内转导的通路，尤其是不同通路间的相互作用仍需要进一步研究阐明。

4 总结和展望

椎间盘细胞暴露在多种应力载荷下，生长和代谢的改变使ECM成分失衡引起椎间盘退变，并最终导致椎间盘退变性疾病。目前对椎间盘退变的治疗主要为对症治疗，保守治疗或手术治疗都不能改变椎间盘退变的进程，也不能恢复椎间盘的生理功能。王志强等［30］指出：完整理解应力对椎间盘细胞的调控及其作用机制，有可能从更深层面预防椎间盘退变和治疗椎间退变引起的腰痛。关于应力对人椎间盘细胞调控作用的机制和靶向阻断椎间盘退变过程中信号转导通路中的关键环节，仍需要进一步探索。