TGF-信号通路与椎间盘退行性变的研究进展

吴佳达，沈树锋，储振涛，钟建斌，胡勇

椎间盘退行性变（IDD）被认为是机体衰老的必然结果。Miller等[1]进行的一项尸体解剖实验中发现，年龄超过50岁的人群中有97%存在IDD。一般无症状者不需要进行特殊的治疗。目前物理治疗、药物对症治疗及手术治疗是对有症状患者的三阶梯治疗方法，这些治疗给患者带来了沉重的经济负担[2]。通过生物治疗方法阻断或减缓椎间盘（IVD）退变的是目前较为新颖的探索方向。

IDD可由多种因素引发和加剧，包括机械应力、创伤、遗传倾向和局部炎症，其病理生理改变主要包括细胞外基质（ECM）含量减少、细胞死亡和炎症反应[3-4]。TGF-信号通路参与炎症、肿瘤转移和胚胎发生等多种细胞功能，它的异常调控可导致细胞功能异常，从而导致多种疾病。王伯阳等[5]对白细胞介素（IL-1）、肿瘤坏死因子（TNF-）和TGF-等在IDD中的病理生理机制进行了综述，但其未深入地阐明TGF-及其下游通路在IDD过程中发挥的作用。本文在对已有文献进行复习的基础上，从TGF-信号通路入手，从其来源、在IVD损伤修复中的作用和过度激活对IVD的不利影响等方面详细阐述其在IDD及其再修复中的研究进展。

1 1TGF-信号通路简介

在哺乳动物中存在3种TGF-，分别是TGF-1、TGF-2及TGF-3。尽管这3种转化因子的多肽链序列具有高度同源性，并以9个半胱氨酸残基作为存在的标志，但由于他们的启动子序列不同，因此它们转录水平的表达存在差异[6]。然而研究报道主要聚焦于TGF-1，其它TGF-家族蛋白的调节作用报道较少。在细胞外基质中，TGF-配体数量远远多于TGF-的受体数量[7]。在非激活状态下，TGF-配体与潜伏期相关肽（LAP）非共价结合后以非活性物质潜伏在一个复合物中[8]，它与潜伏性TGF-结合蛋白（LTBP）在细胞外基质中结合。在椎间盘细胞中，TGF-可被压力负荷等激活且通过TGF-受体通道进入细胞质中。TGF-受体包括TGF-I型受体（TbRIs）和TGF-II型受体（TbRIIs）两种。TGF-受体复合物是由两个TbR I和两个TbR II组成的四聚体构成。

Smad是TGF-超家族信号传导的下游因子，介导TGF-信号传入细胞核。TGF-经典信号通路是Smad依赖的信号通路，由激活素受体样激酶5（ALK-5）刺激Smad 2/3发生磷酸化，然后磷酸化的Smad 2/3与Smad4结合后形成一个三聚体。只有这种三聚体能进一步进入细胞核参与基因转录调控。此外，TGF-还可以激活非SMAD依赖的非典型信号通路，如丝裂原激活蛋白激酶（MAPK）通路[9]和PI3K/Akt信号通路等。

2 椎间盘细胞TGF-信号通路与年龄的关系

TGF-信号通路在IVD中表达情况与年龄密切相关。在动物实验中，Nagano等[10]研究显示小鼠椎间盘中TGF-的表达随着年龄的增长而减弱。Matsunaga等[11]分别观察了8、24龄和50周龄小鼠颈椎间盘细胞中TGF-及其受体的表达，发现髓核细胞（NPs）和纤维环细胞（AFs）中均有TGF-及其受体的表达，且随着年龄的增长，其表达逐渐减弱。然而，Murakami等[12]对新西兰长毛兔进行的一项研究显示，3岁老年兔椎间盘中TGF-mRNA水平高于6月龄TGFmRNA水平。他们分析这可能与以下几种原因有关：（1）TGF-对不同衰老程度的椎间盘作用不同（详见后述）；（2）TGF-信号通路不仅与TGF-mRNA有关，还与其他下游相关物质有关。然而由于伦理等原因的限制，目前国内外尚缺乏关于正常人类IVD中TGF-信号通路随年龄增长而变化的报道。

3 TGF-信号通路在IVD损伤修复中的机制

3.1 TGF-信号通路抑制炎症对IVD细胞的影响 炎症反应与IDD有着密切关系。在局部炎症发生时，巨噬细胞在炎症趋化因子的作用下富集在炎症部位，并分泌IL-1、TNF-等。这些炎症因子通过上调基质分解代谢酶如基质金属蛋白酶（MMP）加速椎间盘退变。在一项关于人类退化性骨关节炎的研究中，IL-1能下调TGF-II型受体的表达，并抑制Smad2/3的磷酸化[13]。IL-1也可以通过NF-B通路激活上调Smad7（Smad属于抑制性Smad），从而影响TGF-信号通路向下游传导。TGF-可以抑制单核/巨噬细胞释放炎性细胞因子。Li等[14]用比格犬退化的椎间盘作为实验材料，发现TGF-能显著抑制IL-1、TNF-的表达，并能产生一定的维持效应。Scharstuhl等[15]发现TGF-能够抵消IL-1对小鼠关节软骨蛋白多糖合成具有抑制作用，但在老年小鼠中不起作用。

3.2 TGF-影响ECM合成与分解 在ECM中，蛋白聚糖、I型胶原纤维（Col1）、II型胶原纤维（Col2）之间的比例是判断椎间盘细胞退变程度的指标[16]。随着年龄的增长，椎间盘组织中供血供氧减少，导致微环境pH值呈酸性。另外，IL-1和TNF-会抑制ECM合成并加速其分解从而加速退变进程，而TGF-可以刺激ECM的合成。Li等[14]研究证实，MMP在ECM降解过程中起着重要作用，这导致正常椎间盘功能丧失。TGF-可以通过调节MAPK通路和NF-B通路部分逆转NPs外基质的降解[17]。

TGF-除了抑制椎间盘细胞中ECM的降解外，它还能促进ECM的合成。糖胺聚糖（GAG）、胶原和聚集素是IVD细胞外基质的重要组成部分。Liu等[18]利用腺病毒介导TGF-基因表达使衰老的NP细胞中ECM合成明显增加。此外，TGF-也可以通过Smad2/3刺激GAG的合成。也有报道显示[19-20]TGF-刺激细胞外基质中如硫酸糖胺聚糖（sGAG）、粘多糖等蛋白多糖成分的合成。在NPs中，TGF-可通过上调CCN家族蛋白2（CCN2）的表达和抑制CCN3的表达来诱导聚集素的表达[21]。

3.3 TGF-调控细胞增殖与细胞死亡椎间盘退行性病变后，椎间盘细胞往往处于缺氧、高机械负荷、高浓度自由基、高渗及低pH等不利微环境下，这会加速椎间盘细胞死亡并形成恶性循环。TGF-在椎间盘NPs中可以减缓细胞死亡进程[22]。Ni等[23]用外源性H2O2处理AFs诱导其发生自噬和凋亡，随后用TGF-处理这些细胞，结果发现TGF-可以阻断MAPK通路和促进PI3K-AKT-mTOR通路，而且TGF-可以通过增加抗氧化剂人谷胱甘肽过氧化物酶-1（GPX-1）的生成来抑制细胞自噬和凋亡[23]。同样他们的另一项研究[24]表明，在血清剥夺条件下，TGF-能抑制AFs过度自噬，从而降低细胞凋亡率[25]。此外，Bian等[26]发现在高渗情况下，TGF-可以激活PI3K/AKT途径而抑制凋亡。

TGF-除了可以抑制IVD的自噬和凋亡还可以加快IVD的增殖速度。Eleni等[27]研究表明，高渗环境会抑制ERK对血小板衍生生长因子（FDGF）或胰岛素样生长因子-I（IGF-I）磷酸化，从而使细胞周期停滞于G1/S期。而在NPs中加入外源性TGF-后，磷酸化的ERK1/2显著增加，细胞增殖速度明显加快。

4 TGF-过度激活会产生不利影响

正常情况下，NPs在分化时具有空泡结构，这使其在抗压性能上优于AFs[28]。但过度的机械负荷会使TGF-信号通路过度激活。TGF-信号激活结缔组织生长因子（CTGF）的转录与分泌，刺激细胞外蛋白多糖级联变化。NPs在这种微环境下抗压能力下降主要有以下两种机制：（1）蛋白多糖表达增加使细胞内空泡减少；（2）蛋白多糖含量增加使IVD细胞外晶体渗透压增加，细胞内水分向细胞外转移，NP细胞发生脱水甚至死亡[29]。

其次，不同浓度TGF-可以激活不同的Smad。相对低浓度的TGF-可以激活Smad2/3，相对高浓度TGF-则会优先激活Smad1/5/8[30]。在关节软骨细胞中，Smad1/5/8的激活会导致软骨细胞肥大造成骨关节炎。然而，目前尚无报道说明Smad1/5/8的激活对IVD的作用。以上两种现象可能解释了当椎间盘严重退变时，由于缺乏营养因子等因素，过度激活的TGF-通路反而会恶化椎间盘的退变[31]。但是转化生长因子-信号在IVD退变中负向作用的确切机制仍不清楚，需要更多的研究。TGF-的这一特点为个体化分阶段治疗IDD提出了更高要求。

5 TGF-治疗IDD的机遇与挑战

研究IDD的病理生理学和分子机制能为其治疗方法提供新的思路。目前，通过TGF-相关信号通路治疗IDD尚处于基础体外研究实验阶段。如前所述，理论上TGF-治疗IDD主要通过以下3个方面发挥作用：（1）抑制细胞局部微环境炎症；（2）抑制细胞过度自噬和凋亡；（3）抑制细胞外基质过度增生。Yang等[32]进行的体外研究实验表明注射2.5%富血小板血浆的方法能显著促进NPs的增殖，且这一现象与TGF-/Smad2/3信号通路激活有关。此外，间充质干细胞（MSCs）具有无限向NPs分化的潜能，因此以间充质干细胞为基础的组织工程研究具有良好的应用前景[22]。Felicia等[33]报道在含有碱性成纤维细胞生长因子和胰岛素的无血清培养基中，TGF-能够使MSCs多次传代。但是如何利用TGF-对不同年龄不同退变程度的IDD患者进行个体化治疗，并且避免TGF-信号通路过度激活给局部微环境甚至整个机体带来的不利影响仍需后续进一步研究。另外，TGF-通路和其他信号通路的相互调控机制有待进一步阐明。只有克服上述问题，基于TGF-信号通路治疗IDD才能成为一种有效而安全的治疗方法。