张存鑫，王倩，吕超亮，王德春
（1.青岛市市立医院脊柱外科，山东青岛 266071；
2.济宁市第一人民医院脊柱外科，山东济宁 272011）
腰背痛是常见的脊柱退行性疾病，据统计其点患病率为30%～50%，终生患病率高达80%～85%，给患者家庭和社会带来了沉重的经济和社会负担。研究表明，椎间盘退变（intervertebral disc degeneration,IDD）是导致腰背痛的重要原因，抑制IDD 是防治腰背痛的重要靶点［1］。虽然IDD 的影响因素众多，包括老龄、遗传、机械负荷、营养缺乏等，多项研究报道了机械应力（mechanical stress,MS）对IDD 产生的重要影响［2］，目前MS 诱导IDD 的分子机制尚未完全阐明，本文拟对MS 诱导IDD 的不同分子机制进行综述，为临床防治LBP 提供理论参考。
IVD 功能的维持依赖于完整的组织结构。MS 可导致IVD 结构直接损伤，如纤维环（annulus fibrosus, AF）破裂、软骨终板（cartilage endplate, CEP）骨折、髓核组织（nucleus pulposus tissue,NPT）突出等。由于IVD 无血液供给，自身修复能力有限，这些物理损伤为IDD 的发生奠定了结构基础。
虽然CEP 结构强度较低，更容易受到MS 的损伤，但McMorran 等［3］研究发现，当IVD 承受MS 导致CEP 发生微骨折时，AF 在微观上也产生了裂隙或断裂，这些损伤破坏了IVD 的相对密闭性，是诱发或加速IDD 的关键因素。为进一步明确密闭性破坏对IDD 的影响，Su 等［4］在大鼠尾椎CEP 上钻微孔以破坏IVD 的相对密闭性，发现CEP 钻孔后IDD 显著增加。在临床中也有类似发现，伴有CEP 骨折的患者，其脊柱邻近节段IDD 的发生率显著增加［5］。因此，保持IVD 组织结构的完整和相对密闭性，对预防MS 诱导的IDD 具有重要意义。
MS 诱导IDD 涉及多种病理过程，包括氧化应激、炎性损伤、凋亡、焦亡、自噬、衰老、基质降解等，而且这些病理过程又相互交叉、互为因果，构成了MS 诱导IDD 的分子网络。
2.1 凋亡
凋亡广泛存在于退变的IVD 中，MS 可以激活多种凋亡途径诱导IDD，包括死亡受体途径、线粒体途径和内质网应激途径等。
半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶（cysteinyl aspartate specific proteinase, Caspase）家族是一类重要的细胞凋亡执行蛋白，包括Caspase-3、Caspase-8、Caspase-9 等，其中Caspase-3 是最重要的执行蛋白，能够引发细胞核DNA 的断裂和染色体的碎片化等。Caspase-9 是线粒体凋亡途径激活的标志蛋白，当线粒体凋亡程序被激活时，线粒体膜受损，细胞色素C被释放至细胞质中与凋亡酶激活因子1 结合形成凋亡复合体，并招募Caspase-9 前体进行剪切、活化。活化的Caspase-9 可进一步加工其他胱天蛋白酶成员，以启动胱天蛋白酶级联反应，导致细胞凋亡［6］。而Caspase-8 则与死亡受体凋亡途径密切相关。内质网应激可以通过多种途径引发细胞凋亡，如导致线粒体功能受损，诱导线粒体膜电位下降、ATP 合成减少和活性氧自由基（reactive oxygen species,ROS）产生增加；
激活半胱氨酸蛋白酶类家族等［7］。
多项研究表明，MS 可以通过调控死亡受体途径、线粒体途径和内质网应激途径等多种凋亡途径诱导髓核细胞（nucleus pulposus cell, NPC）凋亡［8，9］。而在AF 和CEP 中，则更多的报道了MS 通过影响AF和CEP 能量代谢的方式诱导细胞凋亡［10，11］。因此，抑制MS 诱导的细胞凋亡，是防治IDD 的重要靶点。
2.2 焦亡
焦亡是细胞程序性死亡的另一种形式，由炎症反应所引起。由于Caspase 能切割底物Gasdermin D（GSDMD）导致焦亡，因此焦亡又被称为GSDMD 介导的细胞程序性死亡。活化的GSDMD-N 端蛋白能够镶嵌在细胞膜上并形成分子通道，导致细胞内脂质体的外流而水分子内流，细胞涨大并裂解，最终引起焦亡的发生。研究表明，炎症小体相关蛋白在退变的IVD 中表达上调，其表达与IDD 程度呈正相关，其机制可能与MS 激活Wnt/β 信号通路、内质网应激等相关［12］。
2.3 铁死亡
铁死亡是由细胞内游离铁的增加、铁依赖性氧化应激的发展和脂质过氧化物的过度积累介导的，其特点是铁依赖性。细胞中的脂质过氧化和铁过载是诱导铁死亡的两个关键信号。其中，脂质过氧化是铁死亡的核心驱动机制。Wang 等［13］研究发现MS 可以开放压电离子通道4（Piezo4 ion channels,Piezo4）促进钙内流，诱导软骨细胞中谷胱甘肽过氧化物酶1 蓄积，从而调节软骨细胞铁死亡。Wang 等［14］在铁超载小鼠模型中观察到铁超载以剂量依赖性方式促进IDD。铁螯合剂、抗氧化剂和铁死亡抑制剂均可有效抑制铁超载诱导的IDD［15］。因此抑制铁死亡可能是防治IDD 的有效治疗策略。
2.4 细胞衰老
细胞衰老是细胞周期中的正常生理过程。Dai 等认为IDD 不是一种被动的磨损过程，而是一种异常的、细胞介导的对老化和其他环境因素（如异常MS）引起的进行性结构破坏的反应［16］。简而言之，IDD 一方面是由于细胞衰老、分裂耗竭，新生细胞数量显著减少，无法弥补衰老细胞的空缺；
另一方面衰老的细胞大量分泌基质降解蛋白酶、细胞因子、趋化因子等，加速了IVD 微环境的破坏。MS 可以通过激活压电离子通道1（Piezo1 ion channels,Piezo1）的表达，促进细胞外钙离子的内流，激活核因子κB（nuclear factor-kappa B,NF-κB）信号通路；
调控细胞骨架重塑，促进肌动蛋白相关转录因子A 核易位；
增强DNA 损伤并激活p53-p21-Rb 信号途径等促进NPC 衰老［17～19］。在AF 中同样观察到细胞早衰的现象，MS 可以显著降低AF 细胞增殖活性和端粒酶活性，导致细胞衰老［20］。此外，MS 可以通过下调YAP1 的表达，促进CEP 组织的衰老［21］。虽然抗衰老研究在细胞实验中效果显著，但在人体研究中尚未有重大突破。因此，通过抗衰老的机制抑制MS 诱导的IDD 可能效果并不理想。
2.5 自噬
自噬可以消化细胞内的“垃圾”。因此，在一定范围内，自噬具有细胞保护作用，但当刺激因素持续存在时，过度的自噬也可以诱导细胞死亡，称为细胞自噬性死亡。
自噬广泛参与了MS 诱导IDD 的过程。研究表明，MS 可以通过降低自噬水平，加速IDD 的过程，当提升自噬水平后，IDD 可得到有效缓解［22］，其原因可能与自噬增加有助于维持脊索细胞数量、抑制细胞钙化等相关。因此，促进IVD 细胞自噬通量的增加，可能是抑制IDD 的重要措施。然而，Huang 等［23］发现，持续的MS 显著增强了PTEN 诱导的激酶1/帕金森蛋白介导的线粒体自噬并导致NPC 衰老，当抑制线粒体自噬后，NPC 衰老却得到强烈挽救。作者认为上述两种观点并不矛盾。MS 诱导的自噬在一定程度上可以清除细胞内的代谢废物，发挥细胞保护作用。当MS 持续存在时，过度的自噬可以消化分解正常的细胞器，导致细胞自噬性死亡。因此，细胞自噬在MS诱导的IDD 过程中起到了“双刃剑”的作用。
2.6 氧化应激
ROS 是真核生物线粒体能量代谢的副产物，在体内维持较低水平。前期研究认为，ROS 会诱发多种疾病。然而，近期研究认为，ROS 是细胞内的重要信号传递分子，在调节细胞增殖、代谢、衰老、程序性死亡等方面发挥重要作用［24］。
研究表明，MS 诱导的ROS 蓄积可能是导致IDD的关键，而ROS 蓄积与线粒体功能障碍密切相关［25，26］。MS 对线粒体功能的影响一方面来源于MS对细胞的各种应力损伤，包括压力、拉力、挤压、摩擦等，这些物理损伤可能来自于细胞内部的结构变化，也可能来自于细胞外部的物理形变。另一方面，MS 可以调节细胞膜上的机械敏感离子通道蛋白，引起细胞内外离子平衡紊乱，如：Piezo1 通道开放后钙离子大量内流，降低线粒体膜电位，阻碍电子传递，导致ROS 蓄积。这些蓄积的ROS 可以直接损伤DNA、蛋白质、脂质、细胞器膜等结构，还可以对细胞内信号传导进行调节，如调控凋亡、焦亡、自噬、衰老、炎症及内质网应激等。其最终结果为引起IVD 氧化应激损伤，导致IDD［27，28］。但是，氧化应激反应也是细胞的一种自我保护机制，对维持细胞内环境的稳态至关重要。ROS 的产生伴随细胞的整个生命周期，ROS 不仅是细胞代谢产物，也是细胞内的重要信号分子。作者认为，应该从维持IVD 内氧化代谢平衡的角度来思考如何抑制IDD。
2.7 内质网应激
内质网是细胞蛋白质折叠和分泌的核心细胞器，也是细胞内钙离子储存和控制脂质稳态的主要部位。当蛋白质折叠或降解过程出现问题时便会导致未折叠蛋白质的累积，此时内质网会激活未折叠蛋白反应以降解这些未折叠或者折叠错误的蛋白质。但当应激条件持续存在，就会导致内质网应激，通过诱导DNA损伤、激活Caspase-12 等途径导致细胞死亡［29］。
研究表明，采用循环拉伸MS 处理人AF 细胞，MS 在导致AF 细胞内质网应激的同时，还可以引起炎性损伤。炎症反应和内质网应激之间又相互促进，进一步加速了AF 细胞的死亡［30］。Wang 等［31］研究发现，1.0 MPa 静态压足以诱导NPC 发生内质网应激，导致NPC 凋亡，当采用牛磺酸去氧胆酸干预内质网应激后，可显著改善MS 诱导的IDD。因此，抑制IVD 内的内质网应激可能是防治IDD 的重要靶点之一。
2.8 炎症反应
炎症反应在IDD 过程中扮演重要角色。多项研究表明，炎症反应促进了IDD 的发生和发展［32，33］。Chen［34］研究发现，异常MS 会显著下调肾上腺素能受体相关蛋白2 从而激活NOD 样受体蛋白3（NODlike receptor protein 3, NLRP3）炎症小体并刺激NPC中白细胞介素-1β 的表达，导致IVD 内炎症反应和IDD。Cambria 等［35］也发现，动态MS 可以显著促进IVD 中环氧合酶2/ 前列腺素E2 信号通路的激活，导致IDD。然而Zhang 等［36］研究发现，中等强度的MS（AF 细胞5%的形变率）可以通过抑制细胞质膜微囊蛋白-1 和整合素β1 介导的促炎作用抑制IDD，而高强度的MS（AF 细胞12%的形变率）则显著激活细胞质膜微囊蛋白-1 和整合素β1 介导的促炎作用，导致IDD。MS 诱导产生的炎症因子，一方面可以募集周围炎性细胞的聚集和浸润，进一步促进炎症因子的释放；
另一方面可以直接启动细胞凋亡、焦亡、炎性坏死等细胞死亡程序。而这些死亡、裂解的细胞又成为新的应激源，再次诱导IVD 内的炎症反应，进入炎症反应恶性循环。因此，打破IVD 内的炎症反应恶性循环是防治IDD 的关键。
2.9 ECM 降解
ECM 对维持IVD 的功能状态至关重要。在IDD过程中，ECM 的分解代谢逐渐增加，而合成代谢逐渐减少［37］。Li 等［37］认为，异常或过载的MS 可以诱导ECM 向纤维化发展，导致ECM 功能丧失，进而导致IDD，其机制与MS 激活小分子鸟苷酸蛋白A/核转录因子A 信号通路密切相关。在MS 的影响下，脊索细胞逐渐从IVD 内消失，并向NPC 转变，具备产生和维持ECM 的能力。虽然一定MS 可以促进NPC的分裂及增殖，但过度的MS 也可以引起NPC 凋亡，最终，导致NPT 纤维化，从半透明凝胶变为更坚固的软骨组织而失去正常功能［38］。事实上，MS 对于IVD 的发育和成熟发挥“双刃剑”的作用。人从出生开始，MS 的变化就在影响IVD 细胞的功能和行为，包括分化、代谢、增殖和存活等［39］。Liu 等［40］也认为，周期性的MS 可以显著降低ECM 中基质金属蛋白酶的含量，并有效提升II 型胶原蛋白和聚集蛋白聚糖的含量，维持ECM 的功能。
MS 诱导IDD 的分子机制复杂多变，包括调控凋亡、焦亡、铁死亡、衰老、自噬、氧化应激、内质网应激、炎性反应和ECM 降解等。而且这些病理过程并不单独存在，比如，MS 可以诱导IVD 相关细胞氧化应激损伤，导致IVD 内脂质过氧化和ROS 蓄积，当脂质过氧化和ROS 蓄积超过细胞自噬能力后，可诱导细胞铁死亡、自噬性死亡和线粒体损伤。线粒体损伤后会释放细胞色素C 进入细胞质进而活化Capase-9 引起细胞凋亡。此外，MS 还可以激活Piezo1离子通道，导致IVD 相关细胞内阳离子内流，引起内质网应激，通过诱导DNA 损伤、激活Caspase-12等途径导致细胞死亡。细胞死亡后可作为应激源导致细胞炎性损伤，进而激活NLRP3 导致细胞焦亡。而上述病理过程不存在明确的先后顺序，往往相互串扰，形成信号传导网络共同/协同发挥作用。因此，未来的研究需要从MS 诱导IVD 细胞损伤分子调控网络的视角进行探索，从多节点、多机制的方向探索IDD 的治疗靶点。
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