脊索細(xì)胞在椎間盤退變中的研究進(jìn)展

馬 俊，張 穎，袁 文

椎間盤退行性改變是臨床上引起頸腰痛、頸椎及腰椎神經(jīng)根病變及頸椎脊髓病變最常見的原因。目前治療主要以手術(shù)治療為主，醫(yī)療支出巨大，同時(shí)也不能從根本延緩椎間盤退變的發(fā)生。如何早期抑制椎間盤退變是近年來的研究熱點(diǎn)。脊索細(xì)胞是新發(fā)現(xiàn)的一類髓核組成細(xì)胞，其可以促進(jìn)髓核細(xì)胞外基質(zhì)成分的合成。成人髓核組織中脊索細(xì)胞的減少和消失可能與椎間盤退變的發(fā)生有關(guān)。本文將就當(dāng)前脊索細(xì)胞的特征以及其在椎間盤退變方面的相關(guān)進(jìn)展作簡(jiǎn)要綜述。

1 脊索細(xì)胞的形態(tài)及發(fā)育特征

1.1 脊索細(xì)胞的發(fā)育史

在胚胎發(fā)育過程的原腸胚期，脊索的出現(xiàn)是脊椎動(dòng)物體軸形成的標(biāo)志。脊索起源于中胚層，充當(dāng)胚胎原始的軸向骨架成分［1］。在脊索周圍的中胚層組織為軸旁中胚層，軸旁中胚層有2 條，縱行排列在脊索的兩側(cè)。在發(fā)育過程中，脊索可以分泌一些信號(hào)分子誘導(dǎo)軸旁中胚層斷裂形成塊狀細(xì)胞團(tuán)，稱為體節(jié)，每個(gè)體節(jié)都能形成生皮生肌節(jié)、生骨節(jié)，發(fā)育形成真皮、骨骼肌以及中軸骨等［2-3］。每塊椎骨均來源于不同區(qū)域的生骨節(jié)細(xì)胞，兩側(cè)的生骨節(jié)細(xì)胞發(fā)育形成椎弓和椎弓根，靠中軸兩生骨節(jié)相鄰區(qū)域的間充質(zhì)組織發(fā)育形成椎體和椎間盤纖維環(huán)［4］。人胚胎發(fā)育至5～12周時(shí)，脊索逐漸斷裂形成一些細(xì)胞殘留成分，后者被原始的纖維環(huán)包裹，最終形成完整的椎間盤。而胚胎脊索細(xì)胞存在于正在發(fā)育的椎間盤中，目前對(duì)于其轉(zhuǎn)歸尚存在爭(zhēng)議，一般認(rèn)為此類細(xì)胞會(huì)長(zhǎng)期存在于椎間盤中并分化為髓核細(xì)胞［5-6］。

1.2 脊索細(xì)胞的自然史

一般認(rèn)為，人髓核組織中脊索細(xì)胞在10歲以后就會(huì)消失。觀察人髓核組織中脊索細(xì)胞存在與否與年齡的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，在新生兒髓核組織中存在很多脊索細(xì)胞，胞質(zhì)中含大的空泡狀結(jié)構(gòu)，細(xì)胞外基質(zhì)成分如蛋白多糖含量較少;而在成人髓核組織中，脊索細(xì)胞數(shù)目較少甚至消失，取而代之的是軟骨樣細(xì)胞，細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)相對(duì)比例降低，同時(shí)伴隨細(xì)胞外基質(zhì)微環(huán)境的改變［7-8］。目前關(guān)于脊索細(xì)胞數(shù)目減少、消失的機(jī)制還不十分明確，可能與其向軟骨樣細(xì)胞分化最終達(dá)到終末分化以及細(xì)胞凋亡有關(guān)。

1.3 脊索細(xì)胞的形態(tài)特征

不成熟椎間盤髓核組織中含有脊索細(xì)胞和類軟骨細(xì)胞，而后者就是通常所指的“髓核細(xì)胞”。目前脊索細(xì)胞主要是根據(jù)形態(tài)特征和相關(guān)表型來鑒定。光鏡下脊索細(xì)胞常聚集成束，具有大的空泡狀包涵體，常用此區(qū)別于類軟骨細(xì)胞。brachyury 基因參與了胚胎發(fā)育過程中脊索的形成［9］，其錯(cuò)誤表達(dá)可導(dǎo)致異位脊索的形成，因此一般將髓核組織中brachyury 基因的表達(dá)作為脊索細(xì)胞存在的標(biāo)志［10］。研究者發(fā)現(xiàn)髓核中脊索細(xì)胞和軟骨樣細(xì)胞兩者在細(xì)胞角蛋白-8、細(xì)胞角蛋白-18、整合素亞單位(α1、α6、β1)基因表達(dá)上存在差異［11-12］，在一定程度上可用于兩者的鑒別。針對(duì)脊索細(xì)胞特異性的表型分子還需要進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)和證實(shí)。

2 脊索細(xì)胞對(duì)椎間盤穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)

McCann 等［13］通過Noto-cre 小鼠模型證實(shí)脊索細(xì)胞和軟骨樣細(xì)胞都是由胚胎脊索發(fā)育而來，并認(rèn)為脊索細(xì)胞是成熟髓核中軟骨樣細(xì)胞的前體細(xì)胞。Risbud 等［14］也證實(shí)成人椎間盤中存在脊索前體細(xì)胞，可向間充質(zhì)細(xì)胞分化。Kim 等［15］將兔髓核組織中的脊索細(xì)胞分離出來體外培養(yǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)脊索細(xì)胞可產(chǎn)生蛋白多糖，表達(dá)Ⅱ型膠原和Sox-9 等軟骨細(xì)胞特征表型，向包括軟骨樣細(xì)胞在內(nèi)的幾種形態(tài)不同的細(xì)胞分化，同時(shí)還具備一定的自我更新能力。脊索細(xì)胞具有干祖細(xì)胞的特性，在椎間盤細(xì)胞更新中扮演著“前體細(xì)胞”的角色［15-16］。

2.1 脊索細(xì)胞促進(jìn)軟骨樣細(xì)胞基質(zhì)合成和表型維持

Erwin 等［17］發(fā)現(xiàn)體外培養(yǎng)的脊索細(xì)胞可以分泌結(jié)締組織生長(zhǎng)因子(connective tissue growth factor，CTGF)，后者可以促進(jìn)髓核中軟骨樣細(xì)胞蛋白多糖等細(xì)胞外基質(zhì)的合成，作者又將重組人CTGF 加入到無血清條件下培養(yǎng)的髓核細(xì)胞中，發(fā)現(xiàn)聚集蛋白聚糖表達(dá)增加，并且兩者之間存在明顯的劑量效應(yīng)關(guān)系。趙獻(xiàn)峰等［18］將兔髓核組織中的脊索細(xì)胞和軟骨樣細(xì)胞分離，按單純軟骨樣細(xì)胞培養(yǎng)組(A組)及脊索細(xì)胞、軟骨樣細(xì)胞按1∶1 共培養(yǎng)組(B組)處理，發(fā)現(xiàn)B組細(xì)胞增殖能力高于A組，A組3 代以內(nèi)細(xì)胞表達(dá)蛋白多糖及Ⅱ型膠原，B組細(xì)胞表型維持至5 代，脊索細(xì)胞能促進(jìn)髓核軟骨樣細(xì)胞的增殖及表型維持。把藻酸鈉微球包裹的髓核細(xì)胞和脊索細(xì)胞按1∶1 培養(yǎng)時(shí)，髓核細(xì)胞的活力以及細(xì)胞外基質(zhì)的聚集明顯增加，Ⅱ型膠原和聚集蛋白聚糖基因表達(dá)增加，而細(xì)胞增殖情況并沒有明顯改變［19］。Abbott 等［20］比較了2 種不同方式獲得的脊索條件培養(yǎng)基和傳統(tǒng)轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β3(transforming growth factor-β3，TGF-β3)聯(lián)合地塞米松誘導(dǎo)方式對(duì)人退變髓核中軟骨樣細(xì)胞的影響，發(fā)現(xiàn)通過海藻酸鈉三維培養(yǎng)和組織塊培養(yǎng)的脊索細(xì)胞釋放的生長(zhǎng)因子促進(jìn)髓核細(xì)胞基質(zhì)合成的作用較為明顯，但細(xì)胞數(shù)目較傳統(tǒng)TGF-β3 聯(lián)合地塞米松誘導(dǎo)方式少，作者認(rèn)為這可能與其釋放的生長(zhǎng)因子濃度不適合細(xì)胞增殖或者不釋放促細(xì)胞增殖的生長(zhǎng)因子有關(guān)。

2.2 脊索細(xì)胞抑制軟骨樣細(xì)胞的凋亡

脊索細(xì)胞不僅可以維持軟骨樣細(xì)胞的基質(zhì)代謝，而且能夠調(diào)控其凋亡過程。IL-1β 或IL-1β 聯(lián)合Fas-配體常用于體外誘導(dǎo)髓核細(xì)胞凋亡和基質(zhì)降解。脊索細(xì)胞釋放的生長(zhǎng)因子可以抑制caspase-9、caspase-3、caspase-7 的活性而抑制軟骨樣細(xì)胞的凋亡，同時(shí)上調(diào)聚集蛋白聚糖、Ⅱ型膠原、TIMP-1 基因的表達(dá)，下調(diào)基質(zhì)金屬蛋白酶3(matrix metalloproteinase-3，MMP-3)的表達(dá)，從而抑制細(xì)胞外基質(zhì)的降解，達(dá)到維持髓核組織穩(wěn)態(tài)的目的［21］。

3 脊索細(xì)胞參與椎間盤退變的可能機(jī)制

脊索細(xì)胞在不同物種中存在的時(shí)間是不一樣的，有研究者發(fā)現(xiàn)脊索細(xì)胞存在與否與椎間盤退變是否發(fā)生密切相關(guān)。Hunter 等［22］發(fā)現(xiàn)非軟骨營(yíng)養(yǎng)不良品種幼年犬髓核中同時(shí)存在軟骨樣細(xì)胞和脊索細(xì)胞，脊索細(xì)胞聚集成束，細(xì)胞束外圍有包膜包裹，而老年犬髓核中脊索細(xì)胞數(shù)目急劇下降甚至消失，軟骨樣細(xì)胞數(shù)目增多，而這個(gè)品種犬只有在年老后才發(fā)生椎間盤退變。在其他一些嚙齒類動(dòng)物的不成熟髓核組織中脊索細(xì)胞是其中最主要的細(xì)胞成份，但是在生長(zhǎng)1年以后卻很少有脊索細(xì)胞的存在［5，23］，鑒于脊索細(xì)胞在椎間盤髓核基質(zhì)合成和細(xì)胞活性調(diào)節(jié)方面有重要作用，脊索細(xì)胞數(shù)目的減少與椎間盤退變的發(fā)生有密切聯(lián)系［22，24-25］。

脊索細(xì)胞的凋亡是脊索細(xì)胞數(shù)目減少的原因之一。Kim 等［26］發(fā)現(xiàn)大鼠脊索細(xì)胞組成性表達(dá)Fas、Fas 配體以及caspase-9，可能參與了脊索細(xì)胞的凋亡過程。氧化應(yīng)激是導(dǎo)致細(xì)胞凋亡的常見原因之一。在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中，該作者通過過氧化氫作用于體外培養(yǎng)的脊索細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)氧化應(yīng)激能激活內(nèi)源性凋亡通路caspase-9、外源性凋亡通路caspase-8 以及共同通路caspase-3，從而導(dǎo)致脊索細(xì)胞凋亡增加;抑制caspase-9 和caspase-8 的活性并不能顯著抑制細(xì)胞的凋亡，而抑制caspase-3 能顯著抑制氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的脊索細(xì)胞凋亡［27］。Suhl 等［28］比較無血清條件和正常血清條件下大鼠脊索細(xì)胞的凋亡情況時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)脊索細(xì)胞在無血清條件下培養(yǎng)時(shí)，神經(jīng)生長(zhǎng)因子(nerve growth factor，NGF)、p75 受體以及c-Jun氨基端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)信號(hào)通下游分子表達(dá)增加，與之相反，原肌球蛋白相關(guān)激酶(tropomyosin related kinase A，Trk A)受體、蛋白激酶(protein kinase B，PKB/Akt)和絲裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase，MAPK)信號(hào)通路分子等表達(dá)下降，從而激活caspase-8、caspase-9、caspase-3，導(dǎo)致脊索細(xì)胞凋亡增加;NGF 通過與其TrkA 受體、p75 受體選擇性結(jié)合調(diào)節(jié)脊索細(xì)胞的生存和凋亡，抑制caspase-8 和caspase-9 的活性可以顯著減少細(xì)胞凋亡的發(fā)生。

除此之外，脊索細(xì)胞向軟骨樣細(xì)胞分化可能也參與了椎間盤退變的過程。Yang 等［29］觀察針刺小鼠椎間盤退變模型不同時(shí)間段細(xì)胞組成及細(xì)胞外基質(zhì)表達(dá)情況時(shí)發(fā)現(xiàn)，脊索細(xì)胞不斷向軟骨樣細(xì)胞、纖維軟骨樣細(xì)胞分化，同時(shí)表型表達(dá)也發(fā)生改變，蛋白多糖和Ⅱ型膠原表達(dá)減少，而一些纖維軟骨表型如Ⅰ型膠原、纖連蛋白等表達(dá)增加，細(xì)胞外基質(zhì)成分發(fā)生改變，椎間盤高度降低。因此，在脊索細(xì)胞不斷向軟骨樣細(xì)胞分化最終達(dá)到終末分化過程同時(shí)，細(xì)胞表型也發(fā)生相應(yīng)改變，影響髓核組織的正常細(xì)胞代謝和基質(zhì)合成過程，從而導(dǎo)致椎間盤退變的發(fā)生［10，29］。

4 脊索細(xì)胞在椎間盤修復(fù)和再生方面的應(yīng)用前景

鑒于脊索細(xì)胞在維持椎間盤正常細(xì)胞代謝和基質(zhì)合成方面的重要意義，因此脊索細(xì)胞在椎間盤修復(fù)和再生方面有重要的應(yīng)用前景。理想的椎間盤修復(fù)方法應(yīng)為運(yùn)用組織工程技術(shù)，將種子細(xì)胞移植到退變椎間盤髓核組織中，保證足夠有功能的細(xì)胞數(shù)目，抑制與基質(zhì)降解相關(guān)酶的活性，增加細(xì)胞外基質(zhì)的合成，從而達(dá)到修復(fù)椎間盤、延緩椎間盤退變的目的［30-31］。脊索細(xì)胞可能在以下幾個(gè)方面用于椎間盤退變的修復(fù):①促進(jìn)髓核組織細(xì)胞外基質(zhì)的合成代謝;②誘導(dǎo)間充質(zhì)細(xì)胞向類髓核細(xì)胞定向分化;③自身作為“種子細(xì)胞”?？傊?，脊索細(xì)胞作為一種可能用于椎間盤退變修復(fù)的種子細(xì)胞，研究其在體內(nèi)外增殖分化以及與椎間盤退變相關(guān)的機(jī)制將為椎間盤退變的治療提供新的方向。

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