椎间盘退行性变（退变）是引发下腰痛的重要原因,可导致椎间盘突出、脊柱不稳、神经脊髓病变等[1]。在日常生活中,人体在运动时,椎间盘会持续受到压力、牵张力、扭转力等多种组合的循环重复载荷的影响,在扭转运动时主要受剪切力影响,生物力学因素能通过影响椎间盘细胞的代谢、细胞外基质、相关细胞因子的表达而引发椎间盘退变[2]。其中,不同强度、频率、不同作用时间的作用力对纤维环、髓核和软骨终板的外在形态及细胞微环境的改变也各不相同。处于正常状态下的椎间盘符合沃尔夫定律,适宜的载荷刺激会促进细胞的生长、基质的重构,减轻应激反应,有利于椎间盘发挥其生理功能,而不适宜的载荷刺激会抑制细胞的活性、加剧椎间盘退变。健康和退变髓核的生物力学特性被认为是未来椎间盘修复再生策略的重点。本文主要对剪切力对纤维环、髓核和软骨终板的影响及分子作用机制等方面进行综述。
一、剪切力对纤维环和髓核的影响
Michalek等[3]研究了横向和圆周方向上动态剪切力对纤维环微观结构的影响,并分析了弹性蛋白在调节纤维环变形时所起的作用,发现纤维环内部的剪切力可以破坏弹性蛋白,使纤维环发生放射状的断裂和纤维板层的分离,最终导致髓核疝出,使椎间盘的整体性受到破坏。
扭转过程中纤维环受力过大会使纤维环与软骨终板的连接部位发生撕裂,改变力的传导,影响椎间盘的应力分布,从而加速椎间盘退变。Barbir等[4]对组织施加频率为1 Hz的循环扭转载荷,扭转角度为5°、15°和30°,发现循环载荷刺激不仅能使弹性蛋白mRNA的表达明显上调,还能使血小板反应蛋白解整合素金属肽酶4（ADAMTS-4）基因、炎症因子IL-1β及TNF-α、髓核内聚集蛋白聚糖、组织金属蛋白酶抑制因子3（TIMP3）表达上调,随着扭转角度的增加,相关细胞因子的表达也上调。小幅度的脊柱扭转能增加椎间盘的高度,减少椎间盘的压力,促进营养物质的运输,而大幅度的扭转会增加椎间盘损伤的风险。Chan等[5]使用伺服液压试验机对牛尾进行扭转（1 h/d,持续4 d）,结果显示,当扭转角度为2°时,纤维环细胞的活力增强,髓核细胞代谢程度随着扭转幅度的增加而降低,细胞凋亡程度也显著增强。基质金属蛋白酶13（MMP-13）、双糖链蛋白多糖（BGN）和核心蛋白聚糖（DCN）基因表达随着扭转幅度的增加而不断上调。扭转时纤维环和髓核细胞蛋白聚糖（ACAN）、Ⅱ型胶原A1（COL2A1）和胱天蛋白酶8（CASP8）表达也呈上调趋势。Chou等[6]对人环状纤维细胞分别施加强度为1 dyn/cm2和10 dyn/cm2流体剪切力,作用时间4 h,发现Ⅰ型胶原的表达随着剪切力刺激强度的增加而上调,在强度为10 dyn/cm2时MMP-1的表达比在0或1 dyn/cm2的强度作用下明显升高,但是其在0与1 dyn/cm2强度作用下的表达无差异,MMP-3和ADAMT-4在3组中也发生类似变化。以上研究表明不同强度剪切力对纤维环细胞基因表达和细胞外基质成分有着不同的影响。
二、剪切力对软骨终板的影响
垂直载荷作用下椎体与终板之间也会发生与椎体平行的剪切力,使椎体与椎间盘之间发生位移,经研究发现剪切力可以引起软骨终板钙化,降低孔隙率,终板渗透率或孔隙率的异常会引发椎间盘退变[7]。有研究者发现当椎间盘受到轴向机械载荷时,软骨终板的细胞外基质会发生改变,当椎间盘受到异常机械载荷时会刺激MMP基因表达[8-9]。剪切力可引起软骨终板与椎体分离,加速软骨终板细胞凋亡,减少椎间盘的营养供给,使细胞外基质结构发生改变。软骨终板退变导致相邻节段椎间盘的活性降低,椎间盘的高度降低,纤维环出现塌陷,脊索细胞和软骨细胞丢失,细胞外基质中的Ⅱ型胶原减少,Ⅰ型胶原增加。由于Ⅱ型胶原是终板软骨细胞外基质的主要成分之一,其含量下降会使基质合成蛋白多糖的能力减弱,进一步引起其受力与应力传导的改变。
林胜磊等[10]对兔L4/L5节段的软骨终板施加50 N的剪切力引起软骨终板钙化,椎体周围形成骨赘,并且出现终板移位的现象。MRI显示终板的形态发生改变,椎间盘发生脱水退变为黑间盘。软骨终板细胞数量减少,软骨细胞异常、胶原纤维之间出现裂隙,排列紊乱,软骨下骨的骨小梁结构破坏产生了新的骨小梁。软骨终板细胞可以合成髓核的基质物质,进而影响髓核的涵水能力。软骨终板硬化、钙化、增厚会减少椎间盘有氧血液供应,抑制营养物质和代谢产物的转运,导致乳酸浓度升高,pH值降低,进一步加剧椎间盘退变。
三、剪切力影响椎间盘退变的分子信号传导机制
不同的剪切力对椎间盘结构、细胞功能和退变的影响不同。近年来,研究者通过体外培养髓核细胞、纤维环细胞、软骨细胞等,研究了剪切力对细胞增殖、凋亡等生物学功能的影响及其分子信号传导机制。
较多研究表明剪切力可通过调节整合素、细胞骨架、G蛋白、酪氨酸激酶受体、牵张激活离子通道等,将外界力学信号传递到细胞内进而引发细胞内生物学效应[11] 。剪切力可影响内皮细胞、软骨细胞、成骨细胞等的增殖、分化、迁移、凋亡,活化离子通道和信号通路。其中整合素是生物力学敏感性感受器,可以响应机械力的刺激,激活局部黏着斑激酶（FAK）,调节下游的细胞外信号调节激酶（ERK）,进一步激活下游的核转录因子激活蛋白-1（AP-1）,从而在细胞内产生生物学效应。
椎间盘内部受到Ⅱ型胶原、糖胺多糖及糖胺聚糖等相互作用会形成多孔隙体系,将受到的压缩力转化为流体剪切力。有研究者通过给髓核细胞加载不同强度和作用时间的剪切力来检测髓核细胞在不同的剪切力环境下的分子机制变化。Wang等[12]采用流体腔对培养的髓核细胞进行加载,发现在作用时间为1 h、剪切力强度为1 dyn/cm2时,p-ERK1/2的磷酸化水平升高,ERK1/2的蛋白水平下降;当作用时间为4 h时,肌动蛋白的信号强度增强且形成明显的应力纤维,流体剪切载荷还会使髓核细胞空泡中的细胞角蛋白8颗粒消失。姚依村[13]使用改良的流行平板流动腔室,对体外培养的髓核细胞施加不同强度剪切力（0、6、12、18、24 dyn/cm2）,加载不同的作用时间（0、15、30、45、60、90 min）,观察剪切力对髓核细胞骨架的影响。结果显示剪切力强度为12 dyn/cm2、持续时间为45 min时,髓核细胞凋亡相关因子BAD、Bax以及相关基因表达下调。当剪切载荷 ≥12 dyn/cm2或者持续时间 ≥45 min时,髓核细胞凋亡相关因子BAD、Bax以及Caspase-3基因表达上调,过度的流体剪切力会使微丝微管发生移位,细胞骨架紊乱,髓核细胞凋亡,椎间盘内细胞减少。细胞受到剪切力作用后,将机械信号转化为生物化学信号从而产生生物学效应,ERK5信号通路可因剪切力的影响直接活化,也可以由流体剪切力引发的细胞骨架的变化被激活,进而影响细胞的增殖、凋亡、分化、迁移,不同强度的流体剪切力对椎间盘细胞的生物学影响各有不同（表1）。
表1 剪切力对椎间盘细胞生物学功能的影响 |
| 细胞类型 | 剪切力强度/ （dyn/cm2） | 作用时间/min | 影 响 |
|---|---|---|---|
| 髓核细胞 | 0~1 | 60 | ERK信号通路的活化,Ⅱ型胶原和光蛋白聚糖水平升高 |
| 0~12 | 45 | 肌动蛋白逐渐增粗 | |
| 12~24 | 45 | 细胞骨架的改建作用趋于平缓,中间纤维发生断裂,细胞骨架紊乱,细胞凋亡相关因子BAD、Bcl-2表达下调 | |
| 24 | - | 硫酸盐黏多糖、COL2A1和聚集蛋白聚糖水平降低 | |
| 12 | 15 | 肌动蛋白即开始变粗、增多、细胞骨架发生重组 | |
| 0~45 | 肌动蛋白逐渐增粗,水平升高 | ||
| 45~90 | 中间纤维丝发生断裂,细胞骨架紊乱,细胞凋亡因子BAD、Bax及Caspase-3基因表达上调 | ||
| ≥60 | 硫酸盐黏多糖和聚集蛋白聚糖水平升高,MMP13、蛋白质水平降低 | ||
| 纤维环细胞 | 1~10 | 240 | Ⅰ型胶原随着剪切应力的刺激水平升高 |
| 软骨细胞 | 1 | - | Ⅱ型胶原水平升高 |
| 20 | - | 引起软骨细胞的凋亡 |
一定强度和持续时间的剪切力可以提高ERK5信号通路基因转录的活性,且ERK5转录活性的增高与作用强度和时间并非呈线性关系,而是先增强,再进入平台期,然后逐渐放缓。有学者证实ERK5信号通路能够引发椎间盘退变,因为其可以激活髓核细胞c-fos,而c-fos能抑制Ⅱ型胶原和黏多糖表达从而改变细胞外基质成分。Ye等[14]的研究显示剪切力可以激活FAK-MEK5-ERK5-（c-fos）-（AP-1）信号通路,剪切力作用影响AP-1,使髓核细胞IL-1β、TNF-α、IL-6、IL-8、巨噬细胞炎症蛋白1、单核细胞趋化蛋白1和一氧化氮等炎症因子水平升高,Ⅱ型胶原、蛋白多糖、细胞角蛋白8、MAP-1、MAP-2、MAP-4等骨架蛋白水平降低。Chen等[15]使用Streamer 平行板流动室给大鼠髓核细胞加载流体剪切力,发现当强度为12 dyn/cm2、作用时间为2 h时,髓核细胞硫酸盐黏多糖含量和聚集蛋白聚糖水平显著升高;当强度为12 dyn/cm2、作用时间为3 h时,髓核细胞MMP-13蛋白水平明显降低;当剪切力强度为24 dyn/cm2、作用时间为3 h时,硫酸盐黏多糖含量、COL2A1和聚集蛋白聚糖的蛋白水平明显降低。缪海雄等[16]研究剪切力对髓核细胞miRNA-222及c-fos的影响,发现在剪切力的作用下,髓核细胞miRNA-222表达被抑制,c-fos表达上调,且FAK-ERK5的活性增强,进而促进了髓核细胞的凋亡。以上研究表明,适度的剪切力会促进椎间盘内部细胞外基质的合成代谢,抑制细胞内的分解代谢,而高强度的剪切力则促进细胞分解代谢进程,促进椎间盘退变。流体剪切力可以通过相关分子信号传导通路影响椎间盘退变（图1）。随着年龄的增长,椎间盘髓核内的脊索细胞逐渐演变为类软骨细胞,软骨细胞与髓核细胞从细胞形态与细胞外基质有相似之处,因而在研究剪切力对髓核细胞的影响时,可以参照剪切力的强度与时间对软骨细胞的影响。
四、展望
在众多影响椎间盘退变的生物力学作用中,剪切力是其中重要的作用力之一。脊柱在扭转过程中产生的剪切力不仅对椎间盘各组成部分的形态结构产生影响,纤维环细胞和髓核细胞受到剪切力刺激也将产生一系列生物学效应。相关研究证实,机械载荷可以激活整合素继而激活下游ERK1/2,整合素α1的亚基也能传递力学信号,使非受体酪氨酸激酶（Src）蛋白磷酸化从而促进细胞外基质的分泌,实现力学信号向生物化学信号的转变,从而影响髓核细胞的增殖、分化、迁移、凋亡以及细胞外基质Ⅱ型胶原和蛋白多糖的合成,产生一系列生物学效应[17]。机械敏感性蛋白压电式机械敏感离子通道（Piezo）在髓核细胞、软骨细胞等细胞中均有表达,可以介导剪切力、压力、牵张力等力学作用向机体生物化学方面转化[18]。
机械力加载的形式、大小、频率对不同细胞的增殖、分化、凋亡等生物学效应的影响各不相同,组织剪切和流体剪切是人体广泛的受力形式。阐释剪切力的的转录调控机制,有利于通过调整和矫正来逆转力学失衡所致的各种疾病。
力学整合的机械模型对于胚胎发育、人体器官组织各部分的形成有积极意义。揭示细胞的机械力学传导,内部微环境的改变,对维持组织稳态具有重要意义。深入分析剪切力对椎间盘退变的内部分子机制的影响,可为运动和相关手法治疗对椎间盘疾病的影响提供研究思路,使椎间盘的组织工程及再生医学得以发展[20]。