作者：付陽陽，王奕嫻，李國娜，蒯仂等，上海中醫藥大學附屬嶽陽中西醫結合醫院推拿科，上海市中醫藥大學
腰椎間盤突出症( lumbar disc herniation，LDH) 是椎間盤發生退行性變、纖維環破裂、髓核突出，刺 激壓迫神經根及馬尾神經，引發腰腿疼痛的臨床常 見病、多發病，多發作於 L4 /L5，L5 /S1 椎間盤［1-2］。 我國青中年人群的 LDH 發病率較高，流行病學調查 顯示，25 ～ 40 歲人群的 LDH 檢出率達 13． 93% ，其 發病率居椎管疾病首位，在重體力勞動者、汽車駕駛 工作者中最易出現［3］。椎間盤突出症的病理尚未 完全闡明，治療方法大體分為非手術治療、手術治療 與微創治療三大類，但分別存在治療周期長、患者痛 苦大、療效不確切等問題［4］。 整合素是由 α、β 亞單位組成的異質二聚體黏 附糖蛋白受體，可以調節細胞與膠原、纖維連接蛋 白、層粘連蛋白等細胞外基質( extracellular matrix， ECM) 的結合，並且在細胞生長、分化、遷移和基質 合成等過程中起關鍵作用。多種整合素在正常椎間 盤細胞中表達，參與信號傳遞、細胞與 ECM 連接等 過程，整合素的高表達與椎間盤突出症的發生發展 密切相關［5］。現就近年來整合素家族在 LDH 中的 調節作用予以綜述，闡述整合素水平的 LDH 病理生理變化，以尋求新的治療切入點。
1 LDH 發病機制
椎間盤是一種由周圍纖維環、上下軟骨終板以 及中央髓核組成的特殊結構，在緩衝及轉移脊柱負 荷、負擔脊柱所受壓力和保證脊柱活動性及穩定性 等方面起到重要作用［6］。LDH 的發病機制尚不明 確，其發生發展與髓核細胞凋亡、椎間盤的基質重塑 等有關［7］。椎間盤組織功能主要由間質成分決定。 椎間盤細胞通過分泌、調節間質成分來維持微環境 穩定，其中蛋白聚糖成分、含量改變，膠原重塑，彈性 蛋白的損傷與改變都是 LDH 發病的重要機制［8］。 髓核軟骨樣細胞是成人椎間盤中央髓核的主要活性 細胞，其凋亡和鈣化促使中央髓核形態改變，對環境 適應性下降。整合素存在於細胞表面，是多種 ECM 蛋白的受體，已經鑑定出的椎間盤特異性整合素受 體包括纖維連接蛋白結合的整合素受體 α5β1、整合 素受體 αvβ3 和膠原結合整合素受體 α1β1、整合素 受體 α2β1 和整合素受體 αvβ1 ［9-11］。在椎間盤突出 症發病過程中，整合素水平的改變介導了椎間盤細 胞代謝、遷移、凋亡以及細胞與 ECM 的連接，影響了 椎間盤突出症發病過程。
2 整合素信號轉導通路
整合素有 α 和 β 兩條支鏈，目前已知 α 支鏈 18 個、β 支鏈 8 個，它們通過共價鍵結合可組成 24 種 整合素［12］。在不同類型細胞中，整合素起到轉導細 胞信號、調節細胞黏附等作用［13］。在胞間信號傳導 中，α 亞基與 β 亞基的功能存在一定差異，α 亞基主 要參與受體的識別，β 亞基參與細胞與間質、細胞與 細胞間信號的傳遞。研究發現，整合素的表達主要 依賴兩種酪氨酸依賴性通道———局部黏著斑激酶 ( focal adhesion kinase，FAK) 信號轉導通路和非受體 酪氨酸激酶信號通路的激活［14-15］。而 FAK 通道可 以激活 FAK-Ｒas-促分裂原活化的蛋白激酶通路、 FAK-磷脂醯肌醇-3-激酶通路和 FAK-信號轉導及轉 錄激活因子 1 通路; 少部分整合素可以激活酪氨酸 激酶信號轉導通路。
3 整合素表達及對 LDH 中生物學行為的影響
3.1整合素在腰椎間盤組織中的表達 整合素在 腰椎間盤組織中表達。Dana 等［5］測定人與豬椎間 盤組織中整合素亞基蛋白水平，結果顯示，人正常椎 間盤細胞可表達整合素 α1、α5、αv、β1、β2、β3、β4、 β5、β6 亞基，其中整合素 α5、αv、β1、β3、β5、β6 亞基 的表達水平較高。椎間盤組織中，髓核組織與纖維 環組織在細胞質基質成分及排布、對環境刺激反應 等方面存在較大差異［16］。髓核組織含有較多隨機 取向的Ⅱ型膠原與較高濃度的蛋白多糖，纖維環組 織則含有較多高度定向的Ⅰ型和Ⅱ型膠原，並形成 細長凸起。面對壓縮與滲透壓改變時，髓核細胞與 椎間盤細胞反應方式不同。研究發現，椎間盤中髓 核細胞與纖維環細胞表面整合素表達水平存在差 異，豬髓核組織表達的整合素 α6、β1 和 β4 亞基蛋白 水平高於纖維環組織［17］。整合素的表達水平可能 影響腰椎間盤 ECM 的分布，整合素亞基與膠原蛋 白、纖維連接蛋白等細胞質基質的連接過程以及該 過程在環境改變下椎間盤細胞反應中的作用仍需進 一步研究。 在突出椎間盤中，部分整合素亞基高表達。Xia 和 Zhu ［18］通過測定 30 例 LDH 患者突出腰椎間盤標 本和 10 名健康人腰椎間盤標本的整合素 α1、α2、 α5、αv、β1 亞基水平發現，與健康人椎間盤標本相比， LDH 患者突出椎間盤組織中整合素 α5、β1 信使 ＲNA ( messenger ＲNA，mＲNA) 和蛋白水平明顯升高，但 兩者整合素 α1、α2、αv 亞基 mＲNA 和蛋白水平比較 差異無統計學意義。進一步測定突出椎間盤與正常 椎間盤纖維連接蛋白的表達水平發現，突出椎間盤組 織中纖維連接蛋白水平升高［19］。整合素 α5β1 是特 異性纖維連接蛋白受體，突出椎間盤中整合素 α5β1 可上調纖維連接蛋白水平，實現纖維連接蛋白與椎 間盤細胞的連接，延緩椎間盤突出症進展。在 LDH 發病過程中，部分整合素亞基 mＲNA 和蛋白水平升 高，通過上調與膠原蛋白、纖維連接蛋白等多種細胞 質基質的連接，代償性減緩 LDH 發病，影響細胞代 謝、遷移、凋亡，目前尚缺乏具體機制的研究。
3.2整合素對椎間盤細胞凋亡的影響 整合素在 軟骨組織內可傳導機械性刺激及軟骨細胞內信號， 進而調節軟骨細胞的功能，延緩細胞凋亡。Dana 等［5］研究發現，人椎間盤與關節軟骨的整合素表達 具有高度相似性，整合素在骨關節炎發病過程中的 作用對研究 LDH 有重要的參考價值。整合素 α5β1 可以識別纖維連接蛋白中精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸 序列( Arg-Gly-Asp，ＲGD) 。FAK 作為一種胞質酪氨 酸激酶，可分 N2 端區、激酶區和 C2 端區3 個結構域。整合素與纖維粘連蛋白結合促進黏著斑的形成，整 合素 β1 亞基的胞質端與 FAK 的 N2 端區結合，引起 FAK 構象改變，使激酶結構域處於活化狀態，同時 FAK 的可磷酸化酪氨酸位點 Tyr397 自身磷酸化，進 而激活 FAK-Ｒas-促分裂原活化的蛋白激酶通路、 FAK-磷脂醯肌醇-3-激酶通路和 FAK-信號轉導及轉 錄激活因子 1 通路，影響細胞內基因表達的活性以 及細胞的黏附力，這一通路適用於解釋 LDH 的整合 素傳導通路，整合素可以調節椎間盤細胞與 ECM 連 接能力，影響髓核細胞的黏附能力，減少細胞凋亡， 保持椎間盤的穩定性，降低 LDH 的發生率。 整合素通過調節信號傳導蛋白影響髓核細胞與 ECM 的連接和間充質幹細胞的分化，為椎間盤突出 症的治療提供適當的移植材料。Ｒisbud 等［20］以低 氧條件下培養的間充質幹細胞為對象，觀察到整合 素 α3、β2 亞基 mＲNA 上調，磷酸化胞外信號調節激 酶( extracellular signal-regulated kinase，EＲK) 水平高 於常氧狀態，葡萄糖轉運蛋白-3、基質金屬蛋白酶 2、 Ⅱ型膠原、Ⅺ型膠原、蛋白聚糖 mＲNA 及蛋白表達 上調，間充質幹細胞表型與髓核細胞表型趨於一致， 提示低氧狀態可以誘導整合素 α3、β2 亞基 mＲNA 水 平及磷酸化 EＲK 水平上調，誘導間質幹細胞向髓核 細胞分化。Ｒisbud 等［21］對低氧環境下培養的大鼠髓 核細胞的研究發現，抑制信號傳導蛋白 EＲK 活性後， 整合素 α2 mＲNA 的表達被抑制，且細胞存活率下降。 研究亦表明，EＲK 活性升高後，細胞與Ⅱ型膠原連 接能力增強，即 EＲK 可上調整合素 α2 mＲNA 的表 達水平，增強細胞與Ⅱ型膠原黏附，避免細胞凋亡導 致的椎間盤病變。整合素參與外界刺激引起的椎間 盤反應，拮抗磷酸化 EＲK 誘導下的椎間盤細胞凋 亡，並誘導間質幹細胞向椎間盤細胞分化，這一研究 結果可為椎間盤突出症的手術治療提供適宜移植 材料。 調節細胞整合素水平可以抑制椎間盤細胞 凋亡，拮抗藥物毒副作用。Yang 等［22］研究發現， 17β-雌二醇可拮抗左氧氟沙星誘導的髓核細胞 凋亡，其機制在於上調整合素 α2β1 mＲNA 和蛋白 水平，增強髓核細胞與Ⅱ型膠原的結合能力，抗細 胞凋亡，防止藥物引起的椎間盤突出症發生。Zhao 等［23］研究發現，17β-雌二醇可拮抗白細胞介素-1β 誘導的纖維環細胞凋亡，可拮抗白細胞介 素-1β 作用，上調整合素 α1 亞基的蛋白水平，增強纖維環 細胞與Ⅱ型膠原的連接能力，抗細胞凋亡。炎症因 子白細胞介素-1、腫瘤壞死因子-α 等被認為與 LDH 的發生發展密切相關，炎症因子作用於腰椎間盤細 胞引發細胞凋亡，加重腰椎間盤突出的程度，進一步 釋放炎症因子刺激神經根引發下腰部疼痛［24］。17β雌二醇上調整合素 α2β1 後，可增強椎間盤纖維環細 胞與膠原蛋白的連接能力，拮抗炎症因子誘導的細 胞凋亡，延緩椎間盤突出症的發展，減輕 LDH 患者 的痛苦。
3.3整合素對 ECM 影響 整合素在椎間盤細胞與 纖維連接蛋白、膠原等 ECM 的連接中起重要作用。 Gilchrist 等［25］研究顯示，阻斷整合素 α6 亞基功能 後，僅有較小細胞能與纖維連接蛋白連接; 阻斷整合 素 α2 亞基功能後，髓核細胞與Ⅰ型、Ⅱ型膠原的黏 附被分別抑制了 40% 、60% ; 阻斷整合素 β1、α5β1 功能可以完全阻斷椎間盤細胞與Ⅰ型膠原、纖維連 接蛋白的黏附，提示整合素在椎間盤細胞與纖維連 接蛋白、膠原的連接過程中不可或缺，整合素蛋白水 平的改變直接影響椎間盤細胞的代謝、遷移等過程。 通過測定豬成熟與幼稚椎間盤細胞以及髓核細胞與 纖維環細胞之間整合素亞基蛋白與 ECM 的表達水 平發現，與相鄰纖維環區相比，豬幼稚髓核細胞中表 達更多層粘連蛋白 γ1 鏈，這與層粘連蛋白受體整合 素 α6 亞基蛋白的表達模式平行［26-27］。在幼稚椎間 盤細胞中，不同整合素表達模式影響細胞 ECM 的成 分與分布，造成椎間盤不同區域細胞外環境的差別， 進而影響幼稚椎間盤組織的生長與發育。通過調節 幼稚椎間盤組織整合素水平表達，可以影響椎間盤 組織對外界環境改變的反應，進而提供有效的青少 年椎間盤突出症治療手段。 周期性應力可影響髓核細胞中的整合素水平，並 可影響 ECM 的表達與髓核細胞的代謝遷移。對周期 性靜水壓下培養的大鼠髓核細胞的研究發現，加壓組 大鼠髓核細胞整合素 α1 亞基 mＲNA、Ⅱ型膠原與蛋 白多糖的基因水平顯著升高，磷脂酶 C-γ1 蛋白磷酸 化水平升高［28-29］。已有研究證實，磷脂酶 C-γ1 蛋 白磷酸化可以擴大軟骨面積、促進髓核細胞遷移，提 示整合素可轉導力學信號，調節磷脂酶 C-γ1 的水平 以及細胞與 ECM 連接能力，延緩椎間盤突出症的發 展［30-31］。小幹擾 ＲNA 抑制整合素 α1 表達後，ECM 中蛋白多糖基因水平下調，髓核細胞遷移受到抑制。 整合素 α1 可以調控髓核 ECM 中膠原與蛋白多糖的 表達，促進髓核細胞的遷移與軟骨面積的擴大，這一 過程有利於維持椎間盤的穩定性。整合素水平的改 變受外界刺激影響，以適應外界物理、化學因素的 改變。 整合素 α5β1 不僅參與了纖維連接蛋白的結合， 還與一些小分子物質的作用有關。Xia 和 Zhu ［32］在 纖維粘連蛋白碎片( fibronectin fragments，Fn-f) 誘導 兔椎間盤病變模型中觀察到，髓核細胞整合素 α5 和 β1 亞基 mＲNA 的表達明顯增加，EＲK 上調，Ⅱ型膠 原蛋白表達下降，基質金屬蛋白酶 9 和基質金屬蛋 白酶 13 的表達增加，提示 Fn-f 可能通過上調整合 素 α5 和 β1 mＲNA 表達水平改變椎間盤組織微環 境，誘導細胞凋亡，表明整合素在小分子物質參與的 誘導椎間盤突出症發病過程中發揮了信號轉導作 用，誘導細胞凋亡，加速椎間盤病變過程。抑制整合 素 α5 和 β1 mＲNA 表達後，Fn-f 不能誘導椎間盤細 胞凋亡，初步證實整合素參與了 Fn-f 誘導的兔椎間 盤病變過程。此外，應注意整合素在 LDH 疾病過程 中的多種作用。多項研究結果表明，整合素具有抑 制椎間盤相關疾病惡化的作用［33-36］。
4 小 結
近年來，隨著對整合素認識的深入，整合素在各 種癌症、骨關節炎中的表達和作用逐漸被揭示［37-39］。 整合素對細胞與 ECM 連接的影響作用已經得到國 內外多項研究的證實。在 LDH 發病過程中，α1、α2、 α5、αv、β1 等多種整合素亞基基因與蛋白水平均發 生了變化，整合素亞基還參與抗椎間盤細胞凋亡、調 節 ECM 組成與分布等過程，延緩 LDH 的進展。此 外，整合素 α5β1 參與 Fn-f 誘導的椎間盤組織微環 境惡化、椎間盤細胞凋亡過程，在 LDH 發病過程中 具有重要作用。然而，多種整合素 α、β 亞基在 LDH 中的結合方式尚未明確，仍需進一步研究的確定。
參考文獻略。
來源：付陽陽，王奕嫻，李國娜，蒯仂等，整合素在腰椎間盤突出症發病機制中的研究進展[J],醫學綜述，2020，26（20）。
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