他汀類藥物治療椎間盤退變的作用機制

李宇鵬 綜述 呂超亮 審校

(1濟寧醫學院臨床醫學院,濟寧 272013;2濟寧市第一人民醫院脊柱外科,濟寧 272011)

腰椎間盤突出癥是一種全球流行且治療代價高昂的慢性疾病,給家庭及公共衛生帶來了巨大的經濟和精神負擔,其發生機制與椎間盤退變(intervertebral disk degeneration,IDD)相關[1]。腰椎間盤突出癥的治療方式包括手術和保守治療,手術治療雖然能在一定程度上緩解癥狀,但存在損傷周圍神經、破壞椎間盤完整性等并發癥。因此,保守治療成為治療腰椎間盤突出癥的首選治療方式[2]。雖然藥物保守治療可以有效緩解癥狀,但少有藥物可以抑制IDD的進展。他汀類藥物是常見的3-羥基3-甲基戊二酰輔酶A還原酶競爭抑制劑之一,主要被應用于治療高血脂所引起的心腦血管疾病[3]。他汀類藥物在治療IDD時也具有一定的功效,但考慮到其副作用如肌痛和橫紋肌溶解,他汀類藥物的安全性受到質疑,未被廣泛應用于臨床治療IDD[4]。

1 IDD

椎間盤是體內的最大的無血管組織,其主要由纖維環、髓核組織以及上下軟骨終板組成,髓核被纖維環包繞位于椎間盤的中央區域,髓核主要由包含Ⅱ型膠原蛋白、彈性蛋白和蛋白多糖的細胞外基質組成,在對抗縱向壓力和維持濃度梯度中發揮著重要的作用[5];髓核細胞的異常是IDD的重要因素,當髓核發生變性時,主要表現為聚集蛋白聚糖和Ⅱ型膠原減少,而金屬蛋白酶表達增加,導致合成和分解之間的平衡失調,細胞外基質被破壞,髓核細胞死亡[6]。纖維環主要由交替的Ⅰ型膠原纖維組成,主要功能是包繞髓核并維持其滲透壓,抵抗拉伸應力;當機械因素等使纖維環遭到破壞時,髓核突出纖維環,對椎間盤的穩定性產生影響。上下軟骨終板為中間偏薄,周圍略厚的透明軟骨組織,是髓核和椎骨之間的機械屏障,同時在維持椎間盤營養供應方面發揮重要作用,當軟骨終板發生鈣化或發生節段分離時,營養供應下降,引起髓核細胞變性,最終誘導退變的發生[7]。

因此,IDD是一個復雜過程,涉及眾多病理改變,主要包括炎癥反應、細胞的過度凋亡、細胞外基質的合成分解紊亂等[8-9];這些病理改變相互影響,共同促進IDD的發生。因此,應從多方面考慮及時調整用藥策略來抑制IDD的進展。

2 他汀類藥物治療IDD的作用和機制

2.1 抑制氧化應激的發生

活性氧(reactive oxygen species,ROS)是一類高反應性且不穩定的分子,并不可避免地在細胞的耗氧代謝過程產生。與正常的椎間盤相比,在退變的椎間盤中發現氧化應激相關蛋白表達升高,轉錄因子表達活躍[10]。ROS是IDD關鍵中介,它們調節基質代謝、促炎表型、細胞凋亡、焦亡和細胞外基質的降解,從而促進IDD的發生[11]。核紅系衍生的核轉錄相關因子2(the transcription factor nuclear erythroid 2-related factor,Nrf2)是抑制氧化應激的重要蛋白質一,他汀類藥物可以減少H2O2造成的ROS累積,并通過上調Nrf2,促進其下游抗氧化反應元件的激活,上調抗氧化酶的活性,保護細胞免受氧化應激損傷[12]。阿托伐他汀可以緩解血漿膽固醇水平升高所觸發線粒體氧化應激,并減少軟骨細胞的炎癥和鈣化[13]。他汀類藥物有望通過抑制髓核細胞的氧化應激和軟骨終板的鈣化而抑制IDD的發生,并且Nrf2有望成為他汀類藥物抑制椎間盤退變的靶點之一。

2.2 對髓核細胞凋亡的影響

細胞凋亡是一種常見的細胞程序性死亡方式。組織病理學主要表現為:細胞膜收縮、質膜起泡、細胞核凝結和凋亡小體的生成并被吞噬[14],并不引發炎癥反應。引起細胞凋亡的途徑主要包括死亡受體途徑、線粒體途徑和內質網途徑。細胞凋亡是導致髓核細胞丟失和細胞外基質降解的因素之一。IL-1β可降低Bcl-2/Bax比率,使細胞色素C從線粒體釋放,隨后激活下游 caspase-9 和caspase-3,最終誘導凋亡的發生[15-16]。他汀類藥物可以通過抑制NF-κB的表達從而減輕IL-1β誘導的髓核細胞的凋亡[17]。真核細胞中的內質網具有許多重要的作用,包括蛋白質合成、蛋白質折疊、維持細胞應激和Ca2+水平。內質網應激在IDD的各個階段起到重要作用,細胞可以通過自噬清除受損的內質網維持細胞穩態,適度的自噬有助于提高細胞活力,他汀類藥物可以促進自噬的發生[18],從而抑制內質網應激誘導的細胞凋亡[19],因此,自噬相關因子可能作為他汀類藥物抗凋亡的潛在靶點。但考慮到他汀類藥物的副作用,如誘發橫紋肌溶解,他汀類藥物已被證明可以損害線粒體呼吸鏈,并誘導線粒體膜通透性的改變,引起細胞色素c的釋放,從而促進凋亡[20]。但親水性他汀類相反,如瑞舒伐他汀或普伐他汀可以抑制細胞的凋亡[21]。因此,髓核細胞的凋亡是椎間盤退變的重要原因,這些結果表明他汀類藥物可能通過調節凋亡來影響髓核細胞的數量和活性,然而這一領域的研究還處于初期階段,應用的藥物濃度和種類需要進一步的研究,來證明其有效性和安全性。

2.3 抑制炎癥對髓核造成損害

炎癥因子在IDD中發揮重要作用,退變的髓核細胞分泌的炎癥細胞因子如TNF-α、IL-1β和IL-6增多,被認為是IDD的顯著特征。同時炎癥也是引起下腰痛的主要原因之一,因此,抑制炎癥的發展可以有效緩解IDD的發生。他汀類藥物是一種有效的抗炎藥,已在心血管相關疾病治療中得到了證實[22]。在正常人群中,口服他汀類藥物也有助于降低血清c反應蛋白和IL-6的濃度[23]。Chen等[18]研究發現,阿托伐他汀可以抑制TNF-α誘導的細胞死亡,與對照組相比,TNF-α增加了髓核炎癥因子的釋放,采用阿托伐他汀干預之后,通過抑制NF-κB通路逆轉了這一過程,這表明阿托伐他汀具有有效的抗炎作用。 Yahia等[24]研究發現將載有富血小板血漿和辛伐他汀混合水凝膠可有效抑制炎癥并抑制IDD。因此,他汀類藥物可以減弱炎性因子的釋放,從而抑制炎癥的發展,為延緩IDD的進行提供新的治療方案。

2.4 抑制髓核細胞焦亡

除了被廣泛認可的細胞凋亡之外,其他形式的細胞死亡也可導致髓核細胞的減少。細胞焦亡是另一種受調控的細胞死亡形式,其特征是產生由Gasdermin (GSDM) 蛋白家族介導的膜孔,因此,GSDM是細胞焦亡的真正執行者[25]。 GSDM主要通過以下兩種途徑激活。一是經典途徑,即典型的NOD樣受體熱蛋白結構域相關蛋白3(NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3,NLRP3)炎性小體途徑。當髓核細胞發生應激時,NLRP3被激活,并通過ASC招募 pro-caspase-1 結合形成NLRP3炎性小體;繼而,NLRP3炎癥小體主導pro-caspase-1 的切割產生有活性的 caspase-1,導致pro-IL-1β被水解為 IL-1β,然后造成炎性介質的釋放,導致級聯反應引起細胞焦亡。另一條途徑是非經典炎性小體途徑,主要依賴于caspase-11和caspase- 4/5直接作為模式識別受體,識別細菌脂多糖類脂A組裝的炎性小體,最終導致細胞焦亡[26]。NLRP3/caspase-1/IL-1軸的轉錄和翻譯在IDD的患者中顯著上調,并與腰椎間盤退變的嚴重程度成正比[27]。阿托伐他汀可以通過Nrf2通路抑制高糖誘導焦亡相關蛋白的表達,并抑制細胞的焦亡。在椎間盤注射阿托伐他汀可以通過抑制NF-κB信號通路促進自噬并且抑制NLRP3炎性小體的生成,抑制IDD的發生[18]。目前,細胞焦亡是導致IDD的重要原因之一,但以上實驗都沒有涉及動物模型和臨床病例,可以補充體內實驗加以驗證。他汀類藥物在抑制髓核細胞焦亡已經展現出巨大的潛力,并有可能成為抑制IDD的有效靶點之一。

2.5 抑制細胞外基質的降解

細胞外基質在維持椎間盤穩態中發揮著重要的作用,髓核細胞產生Ⅰ型和Ⅱ型膠原網絡保護椎間盤。在正常的椎間盤中,細胞外基質的合成和分解處于一種動態平衡的狀態,然而當細胞外基質的分解大于合成時,往往會促進IDD的發生。在病變的初期,Ⅱ型膠原會出現一定的增高,但隨著病變的加深,Ⅱ型膠原和聚集蛋白聚糖會出現顯著的下降[28]?；|金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMP)是一類結構中含有Ca2+和Zn2+的蛋白水解酶,在切割膠原纖維和水解蛋白多糖方面發揮重要的作用。在正常的椎間盤組織中,MMP往往低表達或者不表達,但當椎間盤發生退變時,MMP表達上升,其中以MMP3、MMP9和MMP13較為顯著,并且MMP3的表達程度和IDD的進展呈正相關。細胞外基質的降解往往會產生許多嚴重的后果如軟骨終板的鈣化、纖維環紊亂、承壓能力下降等。辛伐他汀可以以劑量依賴的方式抑制MMP的生成和釋放,緩解了白細胞介素 1β誘導的外基質降解[29]。洛伐他汀可以通過骨形態發生蛋白2促進Ⅱ型膠原和聚集蛋白聚糖的表達,并抑制Ⅰ型膠原的表達,延緩IDD的進展,并強調只有在椎間盤注射高濃度藥物時(5～10μmol)才會發揮作用[30]。因此,他汀類藥物可以促進了髓核細胞的代謝活性,提高了膠原蛋白和蛋白多糖的合成,并降低了金屬蛋白酶的生成,保護髓核細胞抑制IDD的發生,為IDD的治療提供新的思路。

2.6 促進突出髓核再吸收

促進突出髓核的重吸收這一機制在臨床上得到了越來越多的應用,并且取得了一定的效果[31]。盡管重吸收的生物學機制尚未闡明,但已有的研究給出了3種假設,分別為突出物的回縮、突出髓核的脫水和吸收以及突出物進入硬膜外腔引起新生血管的生成[32]。正常的椎間盤中幾乎沒有血管存在。然而,新生血管形成已經在突出組織的邊緣觀察到,并被認為是腰椎間盤突出自發性吸收的重要原因[33]。具有促進骨代謝和血管生成的作用,并且有劑量依賴性低劑量的藥物可以通過激活蛋白激酶B促進血管生成,而高濃度則發揮抗血管生成作用,其機制可能與他汀類藥物抑制環氧化酶2和MMP9有關[34]。突出髓核的再吸收是臨床上較為常見的現象,他汀類藥物可能通過促進血管再生引起突出髓核的重吸收,并為治療IDD提供很有前途的治療方法。

3 小結與展望

IDD一個復雜的過程。在機制上,IDD與氧化應激、炎癥介質的參與、細胞凋亡和焦亡的激活、IDD中基質金屬蛋白酶的增加和細胞外基質的降解有關,因此,對IDD的治療需要進行多方面考慮。經組織學和影像學評估證實,使用他汀類藥物可以緩解由穿刺、氧化應激或者炎癥引起的IDD,并促進細胞外基質的合成。盡管越來越多研究表明他汀類藥物可以抑制IDD,但其濃度的選擇仍存在爭議,仍需人體試驗和大規模隨機對照實驗來確定最佳給藥劑量,因此他汀類藥物在治療IDD中還有待研究和考證。

利益沖突:所有作者均申明不存在利益沖突。