诱导细胞凋亡的因素

1．过度载荷和异常应力　目前认为，椎间盘细胞凋亡最重要的始动因素是过度载荷。Ariga等把鼠尾椎间盘离体后行器官培养，随着载荷增大，细胞凋亡指数也逐渐增高。Lotz等的研究也证实了这一结果，并提出细胞凋亡依赖于所施加的载荷大小和时限。有实验证明兔的颈椎间盘在屈曲造模状态下，经长时间的应力失衡（2个月），累计承受应力峰值总数过大，导致椎间盘退变和生物力学性能指标下降。更重要的是力学因素可通过影响椎间盘组织的生物学特性，导致生物力学性能及营养状况改变、细胞代谢紊乱乃至细胞凋亡。Court等发现过度屈曲载荷也可引起细胞过度凋亡。

椎间盘中基质酶及其抑制剂的数量及活性维持了椎间盘基质合成与降解之间的平衡，若平衡被打破必将导致基质成分的改变，从而改变髓核的黏弹性。因此，椎间盘基质成分的改变是椎间盘力学特征丧失的直接原因。

2．局部微环境的改变　很多因素，如机体老化载荷及应力的改变，可以使供应椎间盘的血管数量减少，董凡等采用血管造影、扫描电镜和氢清除技术对增龄过程中双后肢大鼠的髓核营养状况和软骨终板营养通路进行观察，发现随着软骨终板下血管减少，血管腔变细，髓核营养状况的恶化，椎间盘内营养物质减少，椎间盘逐渐退变，软骨终板逐渐钙化，进一步阻碍了营养物质的供应及其代谢废物的排出。以上变化改变了椎间盘的局部微环境，如活性氧增多、氧分压降低、乳酸堆积、pH值降低等。Ohshima发现，椎间盘中心区域的乳酸浓度是血浆中乳酸浓度的8～10倍，随着局部营养物质的降低，不仅造成椎间盘细胞代谢障碍甚至死亡，而且会激活某些与退变有关的裂解酶，分解破坏细胞外基质。研究认为：椎间盘退变（intervertebral disc degeneration，IVDD）可能影响血液流变学及椎间盘本身的细胞代谢和运转，代谢废物的积聚，引起局部出血、渗出等反应性炎症，随着炎症的吸收和粘连形成，局部组织增生、变厚，进一步加重血液循环障碍。另一方面，在损伤和退变等因素作用下，脊柱生物力学改变，致使软骨终板的压力增高，渗透力下降，椎间盘内供氧和营养物质缺乏形成了恶性循环，细胞凋亡过程加剧。有报道指出退变的椎间盘标本中，椎间盘细胞的凋亡率高达53%～73%；髓核细胞凋亡率可高达61．3%±24．5%，而正常为15．5%±6．8%。椎间盘组织细胞数量减少，存活的细胞生理功能减弱与细胞外基质（尤其是胶原构成成分的变化）的改变互为因果。目前认为，细胞凋亡增加导致的椎间盘内细胞减少是IVDD发生和发展的关键所在。

3．细胞因子　研究发现多种细胞因子可直接或间接影响髓核细胞的凋亡，有些细胞因子在不同的环境中显示促进凋亡或抑制凋亡的双重作用，细胞凋亡因子的多样性和复杂性为凋亡机制及调节，给研究带来了困难，有关研究正在继续。

（1）生长因子：大部分生长因子能延缓和逆转椎间盘软骨样细胞凋亡，如TGF－β、EGF、FGF、BMP、IGF－1、bFGF等，它们通过自分泌和旁分泌机制调节其分泌活动。随年龄增加，内源性生长因子，如TGF－β、bFGF等表达量逐渐减少，细胞代谢功能障碍，最终导致细胞凋亡，在突出的椎间盘更为明显。Gruber报道，在体外培养的纤维环细胞中加入50～500ng/ml的IGF－1后，凋亡细胞数明显减少，说明IGF－1具有抑制凋亡的作用，从而保持活细胞的数量（见椎间盘的年龄性变化）。

（2）白细胞介素－1（IL－1）：正常椎间盘组织中一般不分泌IL－1，但退变的椎间盘可自发产生相当数量的IL－1。髓核细胞膜上有IL－1受体分布，与IL－1有高度亲和力，从而在IL－1的作用下，引起炎性应答和金属蛋白酶（MMP）的合成与分泌增加，促进髓核细胞凋亡。另外，IL－6还可通过调节免疫细胞的功能，激发免疫反应，从而促进椎间盘退变。

（3）Fas蛋白：椎间盘细胞表达有功能的Fas蛋白，表达的强度是Fas途径诱导凋亡作用的首要条件。金明熙等证实了腰椎间盘组织中Fas蛋白在髓核细胞（软骨样细胞）表达，在退变腰椎间盘组织中Fas蛋白表达率较高，表达较强。李小川等的实验证明了退变及突出的椎间盘组织中Fas及FasL的表达量明显升高，且与髓核细胞凋亡程度、椎间盘突出的类型及患者年龄的增长关系密切。

（4）白介素－1β转化酶（interleukin－1βconverting enzyme，ICE）：在转基因鼠研究中发现，ICE蛋白是细胞凋亡的核心，各种引起凋亡的因素均需先激活ICE才能导致细胞凋亡。李小川等发现ICE蛋白在IVDD中含量高于正常椎间盘，提示ICE在IVDD发生发展过程中有一定作用。

（5）细胞外基质降解因子：在基质中存在基质代谢的酶系统，在中性条件下降解基质成分。这些降解酶通常无活性状态存在，与之相拮抗的是降解酶抑制剂，两者维持着椎间盘基质代谢的平衡。基质酶目前被认为是IVDD的中间环节，其中最重要的是MMP，在细胞外基质的降解和平衡中起重要作用。有研究表明，小剂量的IL－1可在转录水平强烈抑制蛋白多糖合成，而较大剂量的IL－1则可减少MMP抑制剂的分泌，加速蛋白多糖的降解。此外，IL－1抑制蛋白多糖的合成部分是通过增加NO的合成发挥作用的。Kang等用体外培养的方法研究了NO对其他因子生成的影响，发现正常椎间盘产生的NO很少，而在IL－1β的作用下，NO产生量增加，突出的椎间盘髓核组织在IL－1β作用下，NO的产量会进一步增加。另外，IL－6也能引起髓核细胞外基质中的蛋白多糖丢失。陈岩等证实，TGF－β通过降低胶原酶的表达和分泌及诱导MMP抑制剂的合成来阻断这一过程。退变椎间盘内高含量的TNF－β1可使Ⅰ型胶原合成明显增加，而逐渐取代Ⅱ型胶原，使椎间盘纤维化。Koch认为TNF－α 和IL－6等细胞因子是在炎症反应和新生血管等刺激下，通过髓核细胞的内源性合成而存在于椎间盘内的。同时，TNF－α和IL－6可以刺激大部分硫酸化和含有硫酸软骨素的蛋白多糖降解。

4．一氧化氮（NO）　Furusawa等已证实退变的椎间盘组织产生的高水平NO可在原位诱导椎间盘髓核细胞凋亡，使退变的髓核细胞进一步减少。Kohyama等在外源性或内源性NO诱导细胞凋亡的模型中发现，NO能促进p53基因的表达，DNA损伤后，核内累积的p53通过直接作用于DNA或阻止细胞周期的进行诱导细胞凋亡。此外，NO通过对氧的竞争与细胞色素氧化酶作用，而抑制线粒体的呼吸，导致细胞内ATP水平的下降，引起细胞凋亡。