神經肽Y在椎間盤退變發病機制中的作用△

李 凡，謝瑋鑫，李展春

（上海交通大學醫學院附屬仁濟醫院骨科，上海200127）

椎間盤退變是指椎間盤組織結構的退行性改變，表現為脊柱穩定性喪失、分子生物學與生物力學改變，被認為是退變性脊柱疾病的始動因素與病理基礎，它可以繼發性的導致椎間盤突出、椎管狹窄、腰椎退變性側凸以及下腰痛等疾病。隨著人口老齡化及工作生活方式的轉變，椎間盤退變性疾病的發病率持續增加，極大地影響了患者的生活質量［1］，然而椎間盤退變的分子機制尚不明確。近年來，越來越多的研究表明神經肽Y（neuropeptide Y,NPY）在椎間盤退變的發病機制起重要作用。本文就NPY在椎間盤退變病理過程的作用進行綜述，旨在為退變性脊柱疾病的防治提供新的視角。

1 NPY在椎間盤退變中的表達

NPY是一種由36個氨基酸組成的神經肽類物質，其廣泛分布在哺乳動物的中樞與外周交感神經系統以及組織器官中，通過與其受體結合參與機體生理功能的調節。NPY受體包含了Y1R、Y2R、Y5R等多種亞型，這些受體介導了不同的生物學功能。生理狀態下，NPY免疫陽性神經纖維廣泛分布于椎體、椎間盤、脊柱韌帶中，并且在纖維環外層分布最多，髓核中無分布［2］。隨著椎間盤退變的發生，椎間盤纖維環深層和髓核出現神經侵入。研究報道，在人類突出椎間盤組織中觀察到交感神經侵入到中央的髓核組織，并在髓核中檢測到大量的NPY表達［3］。作者前期的研究表明在椎間盤退變大鼠模型中，椎間盤組織中的NPY表達升高，Y1R的表達明顯下降，Y2R的表達無變化，并發現NPY可能通過外周Y1R參與椎間盤源性腰痛的發生［4］。因此，推測椎間盤中NPY的增加及其受體的表達變化與椎間盤退變的發生密切相關。

2 NPY參與椎間盤退變的發病機制

椎間盤中的細胞外基質穩態、細胞穩態、能量代謝穩態及免疫穩態是實現椎間盤正常生理功能的關鍵。椎間盤退變的基本病理改變表現為細胞外基質的合成分解代謝失衡、功能性椎間盤細胞的數量減少、氧化應激損傷、新生血管的侵入以及免疫細胞浸潤等。椎間盤退變的機制錯綜復雜，以上各種病理機制之間相互作用，最終導致椎間盤退變。椎間盤細胞外基質代謝失衡破壞了細胞生存的微環境；細胞數量與表型的改變增加了基質降解酶和促炎介質的積累；氧化應激損傷了細胞外基質代謝穩態與細胞穩態；新生血管的形成不僅改變了椎間盤的正常低氧環境，也破壞了椎間盤的免疫赦免狀態。因此，NPY很可能參與了椎間盤退變的以上病理過程。因此，通過靶向調節NPY的生物學活性，可能作為延緩椎間盤退變的有效途徑。

2.1 NPY對椎間盤細胞外基質代謝的影響

正常情況下，椎間盤細胞可以合成分泌多種基質成分，基質的合成與分解代謝處于平衡，并提供應力支撐與穩定的細胞生存微環境。椎間盤細胞數量與表型的改變以及氧化應激促進了基質的分解代謝，破壞了基質穩態。細胞外基質主要由II型膠原、蛋白多糖等構成?；|金屬蛋白酶（matrix metalloproteinases,MMPs）與蛋白多糖酶（a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs,ADAMTs）分別是降解II型膠原和蛋白多糖的關鍵酶。在退變的椎間盤組織中，MMPs與ADAMTs等基質分解酶的活性增加，導致了膠原構成改變與蛋白多糖丟失。有研究發現NPY可以通過與小腸細胞表面Y1R結合激活MMP-3，從而減弱細胞外基質-基底膜相互作用［5］。此外，Y1R缺失的成骨細胞體外跨基質遷移實驗證實NPY/Y1R可以激活MMP-9［6］。體外研究表明，外源性的NPY可以增加正常的人關節軟骨細胞中MMP-3，13與ADAMTS-5的表達，參與了軟骨基質中II型膠原和蛋白多糖的過度降解，而椎間盤細胞與關節軟骨細胞的表型類似［7］。以上研究提示NPY可能增加MMPs與ADAMTs的表達，加速椎間盤退變。

NPY可能參與炎癥因子IL-1β誘導的椎間盤細胞外基質代謝失衡。椎間盤細胞自身分泌大量的炎性細胞因子是椎間盤退變的重要特征之一，如IL-1β、IL-6與TNF-α等［8］，其中IL-1β被認為是椎間盤慢性炎癥反應形成的中心環節，它可以調控MMPs與ADAMTs的生成，加速基質降解。Hernanz等［9］的研究結果表明NPY可以刺激外周血IL-1β和TNF-α的產生。另外，Ferreira等［10］報道NPY激活小膠質細胞表面的Y1R間接通過抑制一氧化氮合成，影響IL-1β的釋放。NPY可能是IL-1β上游的關鍵調控分子，降低NPY的表達可以抑制中樞神經系統IL-1β的水平［11］。此外，ROS介導的NLRP3/IL-1β炎癥小體信號通路過度激活與椎間盤退變密切相關［12］，而NPY可以增加細胞ROS的生成［13］，這表明NPY可能對椎間盤細胞分泌IL-1β起到促進作用。

2.2 NPY對椎間盤細胞凋亡的影響

椎間盤細胞可以合成和分泌基質成分，并抑制炎癥反應，維持椎間盤的正常生理功能。細胞外基質代謝失衡與氧化應激可以引起椎間盤細胞的數量下降及功能減退，特別是凋亡與自噬，被認為是椎間盤退變的重要原因之一［14］。近年來，NPY由于在退變性疾病過程中調節凋亡與自噬的作用而備受關注。NPY參與了細胞多種凋亡途徑。線粒體損傷途徑與內質網應激途徑異常激活介導的椎間盤細胞凋亡在椎間盤退變的過程中扮演了重要角色［15］。線粒體損傷途徑中，細胞p53上調介導線粒體中細胞色素C釋放，從而激活caspase級聯反應誘導細胞凋亡。研究發現退變椎間盤組織中 p53的表達增高［16］。Sirotkin等［17］研究顯示生理劑量的NPY明顯上調了卵巢細胞中p53的水平，促進了Bcl-2的表達。另外，NPY被證實可以損傷心肌細胞的線粒體膜結構［18］，這可能與NPY的促凋亡作用有關。Lee［19］報道NPY自身可能對內質網應激傳感器的激活沒有影響，但NPY可以通過激活下游PI3K途徑抑制內質網應激誘導的細胞死亡。NPY/Y1R信號通路激活可以增強自噬［20］，這很可能與Y1R下游的PI3K信號通路激活有關［19，21］。PI3K及下游AKt分子的激活被證實抑制了椎間盤細胞凋亡，并誘導或促進自噬，對椎間盤退變起保護作用［22］。

在細胞表型上，纖維環細胞與髓核細胞被認為是一種類軟骨細胞。軟骨終板中也含有大量的軟骨細胞。ATDC5細胞是常用的小鼠成軟骨細胞系細胞。Chen等［23］以ATDC5細胞為模型，證實了NPY可以通過Y1R顯著促進軟骨細胞的增殖與分化。提示NPY可能參與椎間盤細胞的增殖，這與退變椎間盤組織中細胞簇的形成有關。

2.3 NPY對椎間盤氧化應激的影響

氧化應激介導的椎間盤結構和功能損傷是椎間盤退變的主要病理特征之一。正常椎間盤維持低氧環境，新生血管的形成可能破壞低氧穩態，導致氧化應激。氧化應激不僅增強了椎間盤基質的降解與椎間盤細胞的促炎表型，也誘導了功能性細胞的數量減少［24］。細胞線粒體中活性氧（reactive oxygen species,ROS）的產生與清除狀態失衡，直接導致了氧化應激損傷。

NPY與線粒體中ROS的過量產生密切相關。體外研究證實，NPY增加了巨噬細胞與中性粒細胞中ROS 的生成［25］。Shin 等［13］報道 NPY 誘導了前體脂肪細胞中ROS的產生，并且Y1R、Y2R和Y5R拮抗劑均有效阻斷了NPY的效應。NPY促進細胞ROS生成的作用與NPY調控線粒體功能密切相關。線粒體呼吸鏈損傷與細胞內鈣超載是ROS產生的重要來源之一，NPY具有解偶聯氧化磷酸化及阻斷線粒體鈣攝取的作用［26］。Luo 等［18］發現 NPY 以劑量依賴性的方式損傷心肌細胞的線粒體結構與膜電位，抑制細胞能量代謝，這可能導致ROS的過度積累。SIRT1是調節線粒體ROS穩態的關鍵調控因子，NPY通過激活Y1R可以抑制下游CREB-SIRT1信號通路［26］，提示SIRT1可能作為NPY促進ROS產生的重要介質。目前，尚未有研究報道NPY可以調控椎間盤細胞內ROS的穩態。通過調控NPY的表達可能調節椎間盤細胞的ROS穩態，從而減輕氧化應激損傷，作為椎間盤退變的有效治療途徑。

2.4 NPY對椎間盤血管生成的影響

目前，諸多研究認為椎間盤中新生血管的形成與椎間盤退變的程度密切相關。新生血管的長入加速了椎間盤退變，一方面血管浸潤增加了椎間盤中炎癥因子的水平，滿足了基質降解酶激活所需的條件，促進了基質的分解代謝［6］，另一方面于新生血管使得其周圍區域內氧張力升高，破壞了椎間盤細胞所處的低氧環境，誘導了氧化應激損傷［28］。此外，血管形成不僅增加了纖維環的裂隙，也與免疫細胞的浸潤有關。

NPY是一種強烈的促血管生成的神經遞質。Zukowska等［29］報道NPY在體外激活Y1R與Y2R，促進了人血管內皮細胞的粘附、遷移、增殖及毛細血管的形成，并且主要由Y2R介導。研究表明，Y2R缺失的大鼠非缺血性肌肉血管明顯減少［30］，這與阻斷NPY的促血管生成效應有關，而Y1R拮抗劑的抑制作用較弱，并且刺激Y5R也觀察到缺血性血管再生。值得注意的是，NPY也誘導了相關促血管生成受體的表達。Robich等［31］觀察到使用NPY預處理后，新生血管鄰近組織中Y1R、Y2R與Y5R的表達顯著上調。NPY的促血管生成效應可能與激活Y2R下游的血管內皮生長因子（vascular endothelial grown factor,VEGF）有關。VEGF具有促血管生成活性，可以通過誘導血管內皮細胞的增殖及遷移促進血管生成，其在退變椎間盤組織中高表達［16］。Alasvand等［32］發現單獨使用NPY拮抗劑或Y2R拮抗劑均可以顯著降低血清VEGF的濃度，升高VEGF受體-1的濃度。此外，NPY也可能通過降低血管生成抑制因子如內皮抑素與血管抑素的表達及分泌，刺激血管生成［31］。這些研究提示NPY可能通過Y2R調節VEGF介導的血管生成，參與椎間盤退變的發病。

2.5 NPY對椎間盤免疫穩態的影響

椎間盤是被認為是一個免疫赦免器官。正常生理狀態下，具有免疫原性的椎間盤組織依靠物理屏障及自身主動清除免疫細胞的功能，維持免疫穩態，當這種免疫赦免狀態被打破后，免疫細胞聚集浸潤在椎間盤內部，引發強烈的自身免疫反應，導致椎間盤退變［33］?；|過度降解導致纖維環裂隙增加以及新生血管侵入均可能破壞椎間盤對免疫系統的物理屏障。近年來，神經-免疫系統的相互作用為疾病機制的研究提供了新認識，諸多研究表明NPY具有免疫調節的生物學活性。人體多種免疫細胞上廣泛存在Y1R，如T細胞、B細胞及巨噬細胞等，NPY可以通過Y1R調節免疫細胞的功能及凋亡［34］，椎間盤組織中高水平的NPY可能促進了免疫細胞的活化，破壞了椎間盤的免疫穩態，從而加速椎間盤的退變。

3 展望

綜上所述，NPY可能參與了椎間盤退變的發病機制，包括調節椎間盤細胞外基質降解、細胞凋亡與自噬、氧化應激、新生血管生成以及免疫穩態等。針對NPY生物學活性的調節有望作為預防和治療椎間盤退變的潛在靶點。探討NPY對椎間盤退變的影響有助于更好地認識和理解椎間盤退變的病理機制，并為退變性脊柱疾病的防治提供新的思路。