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TNF-α在椎间盘退变中的作用综述

更新时间:2015-9-25:  来源:毕业论文

TNF-α在椎间盘退变中的作用综述

  终板异常和椎间盘退变可能是椎间盘源性腰痛的病因[1].廖家新等[2]研究认为,退变腰椎终板的 MRI改变与 TNF-α 的表达相关,终板中 TNF-α 的高表达可能是下腰痛的原因之一。Weiler 等[3]提出,TNF-α 的表达量与椎间盘源性下腰痛有关,并提出 TNF-α 的高表达是产生疼痛的重要因素。作为能加速椎间盘退变的炎性因子[4],TNF-α 在椎间盘退变中的作用越来越受到重视,其在椎间盘退变过程中与其他炎性因子、基质降解酶、生长因子、细胞外基质等各种基因产物相互作用。作者对 TNF-α 在椎间盘退变中的作用作一综述。

  1 TNF-α 及其与椎间盘退变的相关性

  1975 年,有学者对接种卡介菌的小鼠注射脂多糖后发现,其血清中含有一种能杀伤肿瘤细胞并使肿瘤组织发生坏死的因子,并称之为肿瘤坏死因子(TNF),包括 TNF-α 和 TNF-β 两个亚型[5].TNF-α 又称恶质素,是一种单核因子,主要由活化的单核细胞和巨噬细胞产生,其不仅具有选择性杀伤肿瘤细胞的能力,还有多种免疫调节作用,是一种强有力的炎性细胞因子。

  TNF-α 有两个细胞表面受体,分别为 p55( TNFRⅠ) 和p75(TNFRⅡ)。研究表明,TNF-α 被腰椎间盘组织受体上的转化酶激活而发挥生物学活性。尽管 TNF-α对两种受体均有较高的敏感性,但 TNFRⅠ表达更为普遍。通常认为,TNF-α主要通过 TNFRⅠ发挥其生物学功能,而 TNFRⅡ的主要功能是加强 TNFRⅠ的效应[6].

  Weiler 等[3]通过免疫组织化学技术对不同年龄、不同突出程度的人椎间盘进行研究发现: TNF-α 在各年龄段人群中均有不同程度的表达;椎间盘突出者TNF-α 表达较未突出者明显增高;在老年人中表达较青年人明显增高;TNF-α的表达水平与纤维环及髓核的退变程度呈显着性正相关。Holm 等[7-9]均通过各自实验证实,TNF-α的表达与椎间盘退变程度呈正相关。尽管如此,研究发现 TNFRⅠ在退变的椎间盘中表达无明显增高,甚至较正常椎间盘有所降低,暗示了退变和突出的椎间盘降低了其对 TNF-α 的反应性,导致 TNF-α 的生物学活性有所降低[6,8].Hiyama 等[6]通过单分子层培养鼠椎间盘细胞发现,Wnt 信号通路的激活上调了 TNF-α 的表达,表明Wnt 信号通路激活了椎间盘退变进程。该研究组还发现,Wnt 信号通路和 TNF-α形成了局部正反馈效应。

  You 等[10]研究发现,TNF-α处理的大型动物椎间盘不仅结构发生了变化,而且上调了疼痛相关基因的表达,使退变椎间盘特有的分解代谢及合成等基因表达发生变化并引起退化的胶原蛋白积聚。该研究组认为,TNF-α 诱发的椎间盘退变是不易逆转的。

  2 TNF-α 在椎间盘退变中的信号通路及其作用

  Kato 等[11]研究炎性细胞因子及基质金属降解酶MMPs 的作用机制后认为,TNF-α是炎症反应的始作俑者。为了探究 TNF-α 诱发的髓核细胞老化信号通路,Mavrogonatou 等[12]通过实验研究关于压力诱导下椎间盘内蛋白的磷酸化,发现 P38 丝裂原激活的蛋白激酶/MAP 激酶(P38 MAPK)和 Jun 核激酶(Juns)在经 TNF-α 处理后15 min 发生磷酸化,这两种激酶的磷酸化在持续刺激 1 h 后即恢复到正常水平,通过 MTT实验和细胞计数实验,并未发现细胞外信号调节激酶(ERKs)和苏氨酸激酶(Akt)的磷酸化水平与正常有所差异,由此可见 TNF-α并不直接影响髓核细胞活性和增殖能力,而是通过其他因子和信号通路介导。
2. 1 TNF-α 上调基质降解酶的表达

  Haro 等通过研究由椎间盘细胞、MMPs 及炎性因子释放等构成的精细调控网络发现,在巨噬细胞和椎间盘组织的共培养系统中,TNF-α 大量增殖,进而导致 MMP-3、MMP-7 及血管内皮生长因子(VEGF)等的高表达;但巨噬细胞产生 TNF-α需要依赖于 MMP-7的介导。早有学者研究发现,椎间盘细胞长期受压后发生表型改变,进而 MMPs 大量增殖,亦可导致 TNF-α等炎性介质的过度表达,导致炎性痛觉过敏的发生[9],这说明 TNF-α与 MMP-7 相互促进、相互影响,形成一个局部正反馈效应。TNF-α 可以增加神经根的敏感性,在退变椎间盘组织中对局部神经根产生毒副作用,进而导致腰痛发生[15-16].Wang 等[17]研究发现,MMP-3 是受 TNF-α 及 IL-1β 调控的,后两者通过促进降解酶的表达从而使基质降解。此外,当髓核细胞被SDC4-shRNA 转导或用 surfen 处理后,TNF-α 对 MMP-3 启动子的诱导效应及 NF-kB 信号通路活性没有发生变化,说明 SDC4-shRNA 不参与调控 NF-kB 和 MAPK信号通路。在髓核细胞内 TNF-αMAPK 信号通路是受TNF-α 及 IL-1β 调控而发挥作用的,该通路已被证实可调节 NF-kB 信号。p38、JNK 和 ERK 的特定抑制剂可以显着降低 TNF-α 及 IL-1β 介导的 MMP-3 的表达,这说明 MMP-3 的转化特点比我们既往的认知要复杂得多。抑制 p65 和 IKKβ 信号后,TNF-α 介导的 MMP-3 表达也受到抑制,突显了 NF-kB 通路对 MMP-3 调控的重要性。Mavrogonatou 等[12]通过实验也证实,TNF-α 处理牛髓核细胞 24 h 后其 MMP-3 的表达水平明显升高,TNF-α 介导的 P38MAPK 信号通路的 MMP-3 表达上调与其他学者用人椎间盘细胞进行实验取得的结果[18]一致。Seguin 等[19-20]报道,TNF-α抑制了基质金属的合成,上调了 MMP-1、MMP-3、MMP -13 和 ADAM-TS4 及 ADAM-TS5 等的表达,椎间盘细胞对 TNF-α反应表现为细胞外基质丢失、74% 蛋白聚糖降解进而老化加速。Chen 等[21]研究发现,TNF-α 可能通过 NF-kB 信号通路促使 ADAMTS-5 的表达上调,TNF-α在软骨终板表达较高,其表达水平与 ADAMTS-5 的表达有必然联系,但与 ADAMTS-4 无明显关联。这提示 TNF-α 扮演了可以选择性上调 ADAMTS-5 的角色,进一步说明 TNF-α 通过上调 ADAMTS-5 的表达水平介导软骨终板的基质降解。以上结果均表明,TNF-α 可通过上调基质降解酶的表达,使细胞外基质发生降解,促进椎间盘髓核细胞老化,诱导椎间盘退变。

  2. 2 TNF-α 影响生长因子的表达

  Liu 等[22]发现,在类风湿性关节炎患者的软骨和成纤维样滑膜细胞中,IL-1β和 TNF-α 均可降低生长分化因子的表达。Bramlage 等[23]通过实验研究骨关节炎患者滑液中的纤维母细胞发现,强的松龙和 TNF-α可以显着减低 GDF-5 的表达。Gruber 等[24]把椎间盘细胞暴露于富含 TNF-α 的环境中,发现 GDF-5 的表达显着下调。Ohba 等[25]等研究发现,TNF-α 通过 NF-kB 通路诱导血管内皮生长因子 ( vascular endothelialgrowth factor,VEGF) 的产生,进而导致椎间盘组织产生血管。在巨噬细胞和椎间盘组织共培养条件下,TNF-α 和 VEGF 表达明显增高;而加入 TNF-α 拮抗剂后 VEGF 即无明显增高,提示 VEGF 表达增高依赖于TNF-α 的某种通路[26].Ohba 等[27]研究发现,TNF-α可以通过时间依赖性或剂量依赖性的方式使 VEGF 增高,而且其作用明显强于 IL-1β、IFN-γ 和 LPS 等炎性因子。VEGF 诱导的椎间盘内血管生成的作用依赖于TNF-RI 和 NF-kB 信号通路。上述实验说明 TNF-α 可通过抑制 GDF-5 的表达、上调 VEGF 的表达,达到促使椎间盘退变的间接作用。

  2. 3 TNF-α 促进白细胞介素等其他炎性因子表达

  Gabr 等[28]将髓核细胞和纤维环置于不同的细胞因子环境下,结果显示,与未使用细胞因子处理的髓核细胞及纤维环比较,NOx 表达均明显增高;在 TNF-α持续存在的条件下,IL-17 诱导的 NOx 表达比单纯TNF-α 或者 IL-17 处理有明显升高,差异有统计学意义。经 TNF-α 处理后,髓核细胞及纤维环细胞的 IL-6及 细 胞 黏 附 分 子- 1 ( integrated computer aidedmanufacturing-1,ICAM-1)表达增高。IL-1 与 TNF-α是在全身及局部炎症反应早期起重要作用的炎症细胞因子,是机体炎症反应早期的标志物[29].Kim 等[30]也通过实验证实,IL-1 和 TNF-α 共同作用可诱导髓核细胞发生老化性改变,降低Ⅱ型胶原、蛋白聚糖等基质合成基因的表达,增加 COX-2 和 MMP-3 等退化基因的表达。Mavrogonatou 等[12]研究发现,TNF-α处理的髓核细胞可产生氧自由基 ROS,在处理后的前 30 min,ROS 含量比正常升高了2.5 倍。这些炎症因子的高表达,均可不同程度导致椎间盘细胞老化,加速椎间盘退变。

  3 TNF-α 与椎间盘退变的分子生物学治疗

  椎间盘退变的防治不仅可以减轻患者身心负担,也可以节省医疗开支。目前针对该病的治疗方案主要为脱水消肿、活血止痛等药物治疗及手术治疗。Brandt 等[31]对患未分化脊柱关节病者使用单克隆抗TNF-α 抗体(英利昔单抗),认为抗 TNF-α 疗法对未分化脊柱关节病患者有短期疗效,且无明显副作用。但对于已明确诊断的椎间盘退变性疾病,目前尚无确切有效的分子生物学疗法。Mavrogonatou 等[12]认为,硫酸氨基葡萄糖可减弱 TNF-α 诱发的椎间盘内炎性反应,但其作用具有 P38 MAPK 依赖性,这说明硫酸氨基葡萄糖对 TNF-α 诱导的髓核细胞老化发挥保护作用的信号通路需要进一步实验研究。Hiyama 等[6]研究发现,Wnt 信号通路和 TNF-α构成的局部正反馈回路可诱导髓核细胞老化,该研究组认为,阻断该回路可以阻止髓核细胞老化。Fujita 等[32]认为,腰椎退变的炎性反应随年龄增大而出现减弱趋势,TNF-α 是 MMPs强有力的诱导剂,TNF-α 诱导的 MCP-1 及 MMP-3 等因子表达也随年龄的增大不断减弱;针对 MMP-3 有望在将来产生椎间盘退变的生物学治疗策略。Le Maitre等[8,33]研究认为,在退变的椎间盘组织中,IL-1RⅠ表达较 TNFRⅠ明显增高,认为 IL-1 阻止了椎间盘退变可能的靶点。Studer 等[34]研究认为,抑制 IL-6 的分泌可以减弱 IL-1 和 TNF-α 的诱导衰老作用,从而阻止椎间盘退变。Kim 等[35]研究发现,混有胶原蛋白基质的富血小板血浆能明显抑制髓核内细胞因子诱导的炎性介质及降解酶,它能激活基质合成相关基因的表达,使细胞分化趋于稳定,进而缓解椎间盘退变。

  4 小结及展望

  椎间盘退行性变过程非常复杂,目前国内外学者仍在分子和基因水平对其退变机制进行探索[36].尽管炎症细胞因子在椎间盘退变过程中发挥的作用已得到初步实验验证,其与生长因子、基质降解酶、细胞外基质等退变基因产物之间的相互作用及作用通路也已有了初步研究成果,但由于老化细胞内基因产物的多样性及其相互作用的复杂性以及老化相关通路的隐蔽性,椎间盘退变的分子机制仍需进一步阐明,各细胞因子间的作用仍需进一步明确。少量实验研究证实,TNF-α 拮抗剂可延缓椎间盘退变,但其确切疗效、给药方式及剂量,仍需大量实验研究探索。

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  [2]廖家新,王宸,吴小涛,等。 退变腰椎终板 MRI 表现与其TNF-α 的表达及临床疗效的相关性研究[J]. 现代医学,2008,36(3):201-203.http://www.lwfree.cn/

  [3]WEILER C,NERLICH A G,BACHMEIER B E,et al. Expres-sion and distribution of tumor necrosis factor alpha in humanlumbar intervertebral discs:a study in surgical specimen andautopsy controls[J]. Spine ( Phila Pa 1976),2005,30 (1):44-53;discussion 54.

  [4]闫军伟,李爱国,陈鸿辉。 炎性细胞因子在椎间盘退变中的研究 进 展[J]. 中 国 矫 形 外 科 杂 志,2012,20 (24):2268-2271.

  [5]李茂。 细胞因子在椎间盘退变中作用的研究进展[J]. 中国矫形外科杂志,2012,20(21):1960-1962.

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