连接蛋白43在椎间盘退变机制中的研究进展*

崔瀚文 陈 骞 陈 路 蔚 芃

（川北医学院附属医院骨科，南充637000）

椎间盘退变(intervertebral disc degeneration,IVDD)或退行性椎间盘疾病通常是伴随年龄而发生的腰痛的主要原因，并对病人的生活质量和经济产生巨大影响。退行性椎间盘疾病与椎间盘(intervertebral disc, IVD)的结构破坏和功能障碍密切相关，并在腰背痛(low back pain, LBP)中起着关键作用，而腰背痛是全球残疾的主要原因，其中以椎间盘突出症为主要病症[1]。现今对于该病症，轻者可以保守治疗或微创介入治疗，症状严重的病人，保守治疗及简单微创介入治疗效果欠佳或无效者，仍以手术治疗为主[2]。手术治疗主要为部分或完全切除突出的椎间盘，但手术治疗后仍可能发生再次突出。无论保守或手术治疗，都给病患带来极大的痛苦乃至经济压力。所以对于IVDD，努力研究出更高效的治疗方式是至关重要的。然而，至今IVDD的机制仍不完全明确。近年发现，连接蛋白43 (connexin 43, Cx43)表达于椎间盘组织中，并与IVDD的发生有着密切关系。Cx43是人体骨与软骨中表达量最多的连接蛋白，在维持软骨功能稳态中有着重要作用[2]。椎间盘同样作为一种软骨组织，各组分拥有不同的软骨细胞，因此探究Cx43在椎间盘退变中的影响有助于完善对IVDD机制的认识，并可能成为相关疾病治疗研究的新方向。本文就Cx43在组织与细胞中的生理与病理功能，及在椎间盘退变机制中的研究现状做一综述。

一、连接蛋白

1.连接蛋白的生理及病理意义

连接蛋白(connexin, Cx)在人体多数组织和器官中均有表达，是在细胞内和细胞之间起信号分子作用的小蛋白质，并且在体内发挥多种功能，不仅对正常生理作用的维持有重要作用，其缺失或损伤还与多种疾病有关[3]。Cx在人类中存在20个，在小鼠中存在21个[4]。它们均以其预测的分子量命名，以千道尔顿表示，且分布在各种组织和器官中，可表达两个或更多个Cx[4]。在多细胞生物体中，内稳态受细胞内，细胞外和细胞间3种通讯机制的控制，后者主要由缝隙连接(gap junction, GJ)介导[5]。GJ在细胞质膜表面以斑块形式出现，由2个半通道(hemichannel, HC)形成，两个相邻细胞各贡献一个HC[6]。 每个HC由6个Cx组成，它们是由细胞质环，2个胞外环，胞质C-末端尾和胞质N-末端尾组成的跨膜蛋白[7]。GJ允许细胞间转移分子量低于1～1.5千道尔顿的小分子和亲水分子，如三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)，三磷酸肌醇和环磷酸腺苷，以及离子。这种交流被称为缝隙连接细胞间通讯(gap junction intercellular communication,GJIC)[8～10]。缝隙连接所形成的半通道在通常情况下呈关闭状态，但能够开放，当收到机械刺激或出现代谢抑制时，细胞膜内外离子出现相应的离子流动而出现膜去极化，随之便会开放并做出应答，允许分子直接从一个细胞传递到另一个细胞或从细胞传递到细胞外环境[11]。且Cx决定了GJ通道的大小和电荷选择性渗透[12]。

细胞对细胞的通讯对于在各种细胞类型中正确调节细胞行为是关键的[13]。缝隙连接作为其细胞间通讯的通道，它让相邻细胞的细胞质直接连接，并且细胞之间的功能性偶联通常被认为是细胞间协调代谢活动所必需的，绝大多数缝隙连接可以通过葡萄糖、氨基酸、核苷酸、可溶性的第二信使等等，这对正常细胞的功能和组织的生长分化都是必要的[14～18]。其次， Cx在各种器官（包括脑，心脏，血管，肝，肠，皮肤，肺和眼）中的炎症过程中起重要作用，如在脊髓中，发育中的运动神经元显示了Cx36，Cx37，Cx40，Cx43和Cx45 的mRNA的表达，脊髓星形胶质细胞含有Cx30和Cx43，脊髓少突胶质细胞对Cx29，Cx32和Cx47染色呈阳性，当外周损伤时，促炎的连接蛋白释放到血液循环中并吸引白细胞，且使血脑屏障更易渗透，导致血液中白细胞侵入中枢神经系统，从而导致神经炎症的发生；在肝脏组织中，细胞连接通信是肝脏临界功能的基础，包括异生物生物转化和血浆蛋白合成等等[19-25]。此外，连接蛋白的损伤或缺失等还涉及多种疾病，如：Cx32改变可致周围神经脱髓鞘情况；Cx26 的变化与遗传性耳聋和皮肤病病人密切相关；Cx47 改变可导致中枢神经脱髓鞘性疾病等等[26,27]。

2.Cx43的表达及相关研究

Beyer ED等人在1987年首先在大鼠心脏中发现Cx43，其可能是包括子宫肌层，睾丸，晶状体上皮细胞，内皮细胞[28]和软骨[29]在内的几种组织类型中分布最广的连接蛋白。Cx43也是骨骼中表达量最多的连接蛋白家族成员，它在成骨细胞，破骨细胞和骨细胞中均有表达[30]。连接蛋白和pannexins通道蛋白是骨骼和肌肉发育，维持和再生的基础。这些分子作为细胞缝隙连接通道的一部分，作为半通道或通道中独立的信号分子，介导靶向肌肉骨骼系统的刺激作用，并参与遗传和获得性疾病中的生理病理变化[31]。越来越多的临床证据表明骨骼是Cx43的主要作用部位，如Cx43基因(GJA1)突变在骨骼发育不良综合征病人中被发现[12]。近年来，研究发现Cx43作用的机制，是为细胞膜上的信号传导通路成分提供支架，从而优化下游信号[12]，如成骨细胞和骨细胞利用连接蛋白来传递和协调信号，以适应激素，机械和局部信号。根据组织情况和生理适应条件，缝隙连接会传播骨合成代谢和分解代谢信号。因此，其在设计调制器方面存在价值，它可以特别地破坏或增强这些分解代谢或合成代谢信号的通信[32]。但它们如何发挥这些作用尚未被完全了解。此外， Cx43还参与形成机体中的炎症状态[33]。Cx43与炎性细胞因子关系密切，因此在炎症状态的形成中发挥着重要作用。神经系统中，通过干预降低Cx43的表达，能够显著下调炎症反应的应答[34,35]；成纤维滑膜细胞中，通过干预降低Cx43表达，炎性因子显著[35]。研究发现在类风湿性关节炎的大鼠模型中，通过干预降低Cx43蛋白的表达，炎性因子显著减少，对踝关节造成的破坏明显改善[36]。目前Cx43在许多组织或器官中所造成的生理与病理功能的改变是得到广泛肯定的，因此其对于人体机能的影响的研究将会越来越深入。

3.Cx43与椎间盘退变机制的相关性

椎间盘(intervertebral disc, IVD)是一种复杂的非均匀组织，经受拉伸，压缩和静水力机械应力，具有复杂的组织结构和细胞外基质以满足这些需求[37]。人体IVD由三个不同的实体组成：中央髓核(NP)，外部或外围纤维环(AF)和分离椎体的透明软骨终板(CEP)[37]。Roberts等在1991年指出IVD的主要由糖胺聚糖，聚蛋白聚糖和胶原蛋白构成。影响IVD细胞死亡的因素主要是营养供应，机械应力以及由于单独老化导致的细胞活力暂时下降。 由于终板的厚度随着年龄的增长而减少，因此营养缺失会损害细胞并影响生存能力[38]。特征在于合成基质、分解代谢、促炎状态和减少生长因子分泌的能力降低[39,40]。因此椎间盘退变的主要原因之一是椎间盘细胞营养供应不足[41]，营养供给的不足将引起氧张力及pH（由乳酸浓度升高引起）降低，可能会对椎间盘细胞合成代谢和维持椎间盘胞外基质稳定的能力造成影响，最终可能引起椎间盘退变[41]。Holm等在1981年提出椎间盘大而无血管，细胞依靠边缘的血管提供营养物质并清除相应的代谢废物。由血液供应至细胞核的途径在此并不稳定，因椎间盘细胞的营养几乎完全由毛细血管供给，始于椎体，穿过下软骨终板，最终止于上软骨终板，然后营养物质只能通过毛细血管扩散的方式从软骨终板和细胞核的致密细胞外基质输送到细胞中[45]。

现今两种代表性退行性骨骼疾病是骨关节炎和退行性椎间盘疾病[42]。至今Cx43在骨关节炎中的研究甚多，且作用机制较为明确。这两种疾病目前的功能状态是非常不同的，但它们的基本构成成分与遗传研究有着共同的特征，并面临类似的退变问题[42]。研究表明这两种疾病具有共同的易感性等位基因[43]。已经发现连接蛋白Cx43存在于纤维软骨和透明软骨中[44]。同样具有纤维软骨和透明软骨的椎间盘，通过共聚焦显微镜发现三种新型纤维环细胞的形态：在椎间盘的周边形成相互连接的网络并延伸的绳状细胞，细胞纤维环内部区域存在的广泛且蜿蜒的细胞，具有对外环区域进行间隔的宽分支过程的细胞[45]。在外环和整个内环的孤立细胞中，Cx43均被表达[44]，可见Cx43存在于椎间盘纤维环各个区域，根据相关的三种形态沿着细胞体到细胞体内部。透明软骨中的软骨细胞同样表达多种连接蛋白异构体，包括Cx43和CX45[46,47]。椎间盘内异质性细胞群之间的细胞间相互作用也可能在椎间盘细胞外基质重塑中发挥作用[44]。在培养的椎间盘细胞中通过超微结构检查鉴定了间隙连接，并且在培养的细胞和完整的人椎间盘中检测出连接蛋白43和45的抗体反应[48]。骨细胞之间以及成骨细胞和骨细胞之间的连接被认为是一种信息相互传导的潜在途径，由此途径，这些细胞感受骨骼上的机械力，然后传递到细胞的整个网络以协调细胞骨形成活动。从人椎间盘分离的细胞缝隙连接中可见的离子信使，如钙离子和小分子信使（如CAMP和1，4，5-三磷酸肌醇等）也可能通过骨细胞以协调细胞功能[45～47]。在人椎间盘组织中表现出偶然的缝隙连接，并且体外培养研究显示细胞容易在单层和三维培养物中形成缝隙连接[50]。然而，此前没有详细描述缝隙连接与细胞过程网络的关联，或者它们在椎间盘内的区域分布。椎间盘退变过程中细胞数量是减少的，这不仅因为它减少了可用于维持椎间盘的细胞数量，而且因为细胞损失破坏了协调的细胞功能[48]。研究表明椎间盘细胞中的缝隙连接在老年个体的细胞中低得多，且内皮细胞中的缝隙连接通讯，Cx43和mRNA在衰老细胞中均减少[48]。由此可见随着年龄的增加，椎间盘退变逐渐加重，以Cx43和Cx45为主的椎间盘细胞间的通讯逐渐减少，椎间盘细胞营养供应不足，以及炎症状态产生，最终导致细胞功能的稳定逐渐失衡。随着对椎间盘研究的逐渐深入，Cx43在健康椎间盘与退行性椎间盘中关于各种生理及病理特性的更加深入与针对性的对比研究将有助于更好地理解椎间盘的组织结构，生物化学和退化的机械性质，损伤期间的特异性变化等，进一步明确Cx43在椎间盘退变中的作用机制。

二、展望

脊柱的健康与否直接影响着人类的运动和生活，IVDD增加了下腰背痛的发生，给病人带来沉重的生理，心理及经济上的负担。Cx43所形成的半通道与缝隙连接，可直接影响细胞的营养状况和生理功能。细胞的结构与功能可随着Cx43 表达与分布的变化而发生改变，并且与退行性骨骼疾病的发病机制密不可分。虽然目前已有药物治疗可以用于预防退行性椎间盘疾病，包括阻断炎症级联反应，增加细胞外基质的合成代谢，防止细胞凋亡或衰老，还出现了有望成为IVD退化病人的未来治疗选择的基因疗法以及生物疗法，但是在国内这些治疗手段往往价格昂贵且无法普及。因此治疗仍是以轻则保守，重则手术为主。相信进一步对Cx43在脊柱退行性疾病中研究的深入，不仅对退行性椎间盘疾病发病机制有着更进一步的探索与理解，还可以帮助我们针对退行性级联中的特定途径，以预防或逆转疾病为目标，在退行性椎间盘疾病的治疗找到更高效可行的策略。