椎间盘退变中的丝裂原活化蛋白激酶信号通路_丝裂原活化蛋白激酶_椎间盘退行性变_髓核

MAPK信号通路激活与信号转导

MAPK信号通路是参与多种生物学功能的高度保守的信号通路之一，在真核细胞中的MAPK分别是p38MAPK、c-JunNH2末端激酶(JNK)和细胞外信号调节激酶(ERK)，MAPK信号级联反应通常由3种激酶依次磷酸化激活，以确保信号放大和保真度，包括MAPK激酶激酶(MAPKKK)、MAPK激酶(MAPKK)和MAPK。

p38MAPK：p38MAPK由p38α、p38β、p38γ和p38δ4个亚型组成，各亚型有60%的氨基酸序列同源性，但在各种组织中表达水平不同，亚型p38α是p38MAPK最著名的异构体，广泛分布于人体内，p38β在大脑中占主导地位；p38γ存在于骨骼肌中，p38δ主要在胰腺、肾脏和小肠中表达。多种细胞应激源和细胞因子，如氧化和渗透应激、紫外线辐射、白介素-1(IL-1)和肿瘤坏死因子-α(TNF-α)可以通过细胞表面受体下游蛋白激酶磷酸化或三磷酸鸟苷(GTP)酶的相互作用来激活MAPKKK，MAPKKK磷酸化可以激活MAPKK，主要是MKK3和MKK6，随后，p384种亚型被磷酸化和激活。

JNK：JNK包括3个由不同基因编码的成员，包括JNK1、JNK2和JNK3。虽然它们的氨基酸序列同一性>85%，但它们在人体内的分布各不相同。JNK1和JNK2在人体组织中广泛表达，而JNK3仅在大脑、睾丸和心脏中表达。首先有丝分裂原和自细胞外的应激刺激，例如氧化应激损伤、电离辐射、细胞因子[如TNF-α、分化簇(CD28)和IL-1β]激活MAPKKK，随后MAPKK(MKK4和MKK7)磷酸化，激活JNK和下游MAPKAPK。

ERK：ERK包括ERK1和ERK2，主要在人体中的神经系统以及其它多个器官中表达，是第一个特征明确的促有丝分裂调控枢纽，由三层丝氨酸/苏氨酸激酶Raf、MAPK/ERK激酶(MEK)和ERK组成，也称为RAS-Raf-ERK-MAPK信号通路。被生长因子、细胞因子、趋化因子、病毒、G蛋白耦联受体等配体刺激后激活质膜上的小GTP酶(如RAS)，然后MAPKKK和Raf激酶结合并被激活。在此之后，MAPKK(MEK1/2)被磷酸化将信号传输到ERK1和ERK2。

MAPK信号通路与椎间盘退变的机制

调节ECM代谢失衡：ECM的代谢对维持椎间盘稳态有重要作用。在IDD期间，MAPK信号被激活，激活的MAPK信号介导NPC中细胞因子诱导的分解代谢酶——金属蛋白酶(MMP)和聚蛋白多糖酶(ADAMTS)合成使蛋白聚糖分解增加来促进ECM降解，而抑制MAPK信号通路后显著阻止了细胞因子引起的ECM的分解。Syndecan4是一种介导炎症反应的跨膜蛋白聚糖，其高表达与IDD之间存在正相关。Wang等使用TNF-α处理大鼠和人类NPC发现syndecan4和MMP-3表达升高，沉默syndecan4阻断了细胞因子介导的MMP-3表达，使用p38MAPK、ERK和核因子-κB(NF-κB)抑制剂处理阻断了细胞因子对syndecan4和MMP3表达的诱导效应，并且转换生长因子(TGF-β)完全阻断了TNF-α诱导的syndecan4上调，这表明TGF-β通过拮抗MAPK、NF-κB信号通路和syndecan4表达来阻断TNF-α诱导的MMP-3上调，缓解ECM分解。Ge等研究发现，syndecan4过表达可激活JNK信号通路，使NPC中的聚集蛋白聚糖和胶原蛋白Ⅱ的蛋白水平显著降低，退行性标志物X胶原蛋白水平升高，而用JNK抑制剂处理NPC后，结果则会相反。MIR-106b-5p是一种转录后调节因子，在IDD发展中有重要作用。Meng等研究表明降低miR-106b-5p的表达，会通过抑制ERK磷酸化并抑制炎症基因转录，从而减少MMP-3、MMP-1和ADAMTS5生成，抑制ECM降解。综上，MAPK信号通路的3种类型，激活后会协同作用促进ECM分解，所以抑制该通路可以促进IDD中ECM稳态的恢复。

介导炎症反应：炎症是加重IDD的原因之一。在退化的椎间盘中，MAPK和NF-κB信号通路激活后会产生大量促炎性细胞因子和趋化因子(CCL)，这些细胞因子会促进免疫细胞迁移和浸润到椎间盘并同时促进巨噬细胞向促炎的M1极化，从而放大炎症反应，进一步促进细胞衰老、ECM分解代谢，从而加重IDD。但是抑制p38MAPK和NF-κB可阻断巨噬细胞CCL释放，而抑制JNK可直接抑制巨噬细胞M1极化及促炎因子(TNF-α、IL-6和IL-8)分泌，也能间接抑制NF-κB的活化。产生的TNF-α会进一步激活ERK，抑制ERK信号转导后直接抑制MMP的表达，从而逆转TNF-α对NPC的促炎反应。鞘磷脂1-磷酸受体3(S1PR3)是生物活性磷脂通过G蛋白耦联受体家族调节生物生理过程的一种受体。Tian等发现退变NPC中的S1PR3表达降低，但是过表达S1PR3会抑制促炎症因子产生、减少NPC凋亡并增加聚集蛋白聚糖和胶原蛋白Ⅱ含量，进一步研究发现上述结果是通过上调S1PR3抑制p38MAPK、JNK和ERK信号通路实现的。多项研究表明，MAPK3种信号通路在炎症反应的不同过程中具有协调效应，抑制该通路可能是缓解IDD进展的一种有前途的策略。

参与细胞凋亡：过去的研究证明，MAPK信号转导的激活与椎间盘细胞凋亡有关，过度的细胞凋亡会加速IDD进展。Wang等发现IL-1β和TNF-α处理可激活大鼠NPC中的p38MAPK信号通路，上调细胞表面穴样内陷的核心膜内在蛋白caveolin-1表达并激活Wnt/β-连环素蛋白(β-catenin)信号通路，Wnt/β-catenin信号通路可直接激活促凋亡因子，导致细胞凋亡。而使用p38MAPK抑制剂处理阻断了细胞因子依赖性的caveolin-1/β-catenin表达和活性诱导。细胞凋亡信号调节激酶1(ASK1)是一种介导细胞生物功能的MAPKKK。ASK1表达上调促进NPC凋亡，抑制胶原蛋白Ⅱ和聚集蛋白聚糖并促进MMP产生从而加重IDD，抑制JNK和p38信号通路可以逆转ASK1过表达诱导的椎间盘功能障碍。肝配蛋白B2(EFNB2)是受体酪氨酸激酶家族的膜配体。Zhang等发现EFNB2过表达可减少NPC凋亡，进一步发现EFNB2过表达是通过抑制ERK信号通路，抑制NPC凋亡，避免IDD的恶化。因此靶向抑制MAPK通路可能会是缓解椎间盘细胞凋亡的有效策略。

调控细胞衰老：某些刺激引起正常细胞增殖能力丧失且不可逆的细胞增殖停滞状态就是细胞衰老，是IDD过程中的重要机制。在NPC中衰老蛋白(p53、p21、p16)和衰老相关分泌表型(SASP)的表达与MAPK信号转导活性呈正相关，且随着年龄的增长而增加。Liu等研究发现，氯化镉能够增加衰老蛋白(p16和p21)和SASP的产生，并通过JNK/p53信号通路，加速AF细胞衰老。而使用JNK抑制剂处理后，p53、JNK和衰老相关指标的表达均被下调。Dai等在人和老化大鼠椎间盘中发现高级氧化蛋白产物(AOPP)增加，它能通过氧敏感酶(NOX4)诱导p38MAPK、JNK和ERK磷酸化增加AF细胞中的衰老相关蛋白及IL-1β和TNF-α的表达，加速细胞衰老。而抑制MAPK信号通路后，以上结果被逆转。综上所述，抑制MAPK信号传导的激活可以缓解椎间盘细胞衰老。

影响细胞自噬：自噬是自噬体通过与溶酶体结合形成自噬溶酶体来降解受损、过多的细胞器以及异常的蛋白质，是一个保守的细胞内降解过程，目的是维持细胞代谢和稳态。近年来研究证明，IDD时椎间盘细胞的自噬显著增强，抑制MAPK3种信号通路可通过调节自噬上调IDD细胞的生物活性。槲皮素是一种具有抗氧化和抗炎特性的天然黄酮类化合物。Zhang等通过大鼠尾针穿刺诱导了IDD模型发现，槲皮素可抑制模型中的p38MAPK信号通路，而抑制p38MAPK后自噬水平增加，随后NPC中的胶原Ⅱ水平增加，MMP-13水平降低，表明抑制p38MAPK通路，激活自噬可保护NPC免于凋亡并预防ECM退化。Zhang等通过建立张力负荷诱导的退化小鼠IDD模型中发现，MAPK通路被激活，而抑制MAPK通路中JNK和ERK介导的哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)与其配件Raptor磷酸化并激活自噬，减轻了张力负荷诱导的CEP退化。Li等研究发现压缩损伤的大鼠NPC使用JNK抑制剂自噬相关分子减少，抑制JNK信号通路可减轻压缩诱导的NPC自噬并增加细胞死亡数量，改善压缩应激诱导的IDD。一般来说，自噬水平的上调有利于椎间盘细胞存活；然而，过度的自噬也可能加重细胞损伤，自噬是一个双刃剑的过程。虽然MAPK活性已被证实对自噬有调节作用，但其在自噬过程中的具体作用仍需进一步探讨。

参与氧化应激：活性氧(ROS)是正常细胞有氧代谢的副产物，适度产生对细胞有益，过量的ROS积累会激活MAPK通路，介导椎间盘细胞的氧化应激损伤。Xie等通过针头穿刺建立了大鼠IDD模型，体外研究发现NPC中的p38MAPK通路被显著激活，ROS水平明显增加并且抗氧化的关键转录因子(Nrf2)的表达减弱，而通过抑制p38MAPK通路促进Nrf2通路的激活，抑制ROS的产生，从而提高NPC的存活率。Zhou等使用氧化诱导剂刺激大鼠NPC后发现，ERK信号通路被激活，引起NPC中ROS过量产生，造成细胞的MMPs和细胞凋亡增加，而使用自由基清除剂N-叔丁基-α-苯硝，通过抑制ERK通路激活，显著降低了ROS的产生，从而缓解了NPC的氧化应激损伤。综上所述，MAPK对IDD发展过程中的氧化应激反应至关重要。

介导铁死亡：铁死亡是一种由铁依赖性脂质过氧化引起的细胞死亡，是各种退行性疾病的致病因素之一。研究发现铁死亡参与IDD早期阶段，过量铁会参与线粒体氧化呼吸链中的电子传递产生大量ROS，引起椎间盘细胞线粒体功能障碍，造成椎间盘细胞铁死亡，加速IDD进展。铁转运蛋白(FPN)是一种参与铁稳态的重要跨膜蛋白，当FPN丢失时，细胞内铁积累导致铁死亡。Lu等通过降低金属调节转录因子1(MTF1)的核易位，阻止了FPN转录，增加了NPC中的铁积累，造成了细胞铁死亡，抑制JNK通路后MTF1的核转位增加，促进FPN合成，逆转了ROS诱导的细胞铁死亡。因此，抑制MAPK信号通路可能是抑制IVD细胞铁死亡的治疗方法。

靶向MAPK信号通路治疗IDD

中药活性成分：中药活性成分可通过抑制MAPK信号通路，达到治疗IDD的效果。山柰酚是一种天然类黄酮，广泛存在于杜仲、菟丝子等天然植物中。山柰酚可以同时抑制p38MAPK、JNK和ERK信号通路，降低NPC中的MMP-13和ADAMTS4的表达，促进细胞ECM合成，抑制细胞衰老和凋亡。穿心莲内酯可以保护NPC免受静机械压力造成的损伤，进一步研究表明，它通过抑制p38MAPK、JNK和ERK信号通路抑制机械应力造成的ROS的积累，降低氧化应激水平，从而抑制NPC凋亡，延缓IDD进程。酸浆苦味A是从茄科草本植物灯笼果中提取的一种睡茄内酯。研究发现酸浆苦素A通过阻断p38MAPK、JNK和ERK显著抑制MMP、IL-1β和IL-6的表达并逆转了促炎症因子对NPC的损伤。

特异性抑制剂：近年来，研究出许多特异性的MAPK抑制剂来抑制促炎症因子的产生。SB202190和SB203580是两种众所周知的p38MAPK抑制剂，两者均可阻断免疫细胞中TNF-α和IL-1β的产生，抑制炎症反应从而抑制ECM降解，缓解IDD的进展。不同的是前者防止NPC退化，后者增强软骨生成。SP600125是一种选择性JNK抑制剂，可通过抑制促炎症因子和衰老相关指标的表达，维持ECM稳定。PD98059和U0126都能选择性阻断ERK磷酸化并抑制ERK信号转导下调NPC中的促炎性细胞因子的表达。

非编码RNA：MicroRNA(miRNA)是一系列内源性非编码RNA，通过与靶mRNA内的特定序列结合，负向调节mRNA的稳定来影响细胞活性和调节基因及蛋白质功能。研究证实miR-129-5p过表达通过抑制p38MAPK和JNK信号通路调控双重保护机制：一方面通过减少巨噬细胞M1极化降低促炎因子分泌并抑制ECM降解酶活性，另一方面直接增强退变NPC活力、抑制凋亡并促进胶原Ⅱ/蛋白聚糖等ECM关键成分合成，从而多维度延缓IDD病理进程。研究表明，退化的NP组织中miR-106b-5p表达上调，其过表达经ERK通路诱导NPC凋亡和ECM降解，致ECM合成与分解代谢失衡，进而推动IDD进展；而降低miR-106b-5p的表达可重塑该平衡，延缓IDD。

小结与展望

在IDD中，各种应激刺激导致ROS蓄积后激活各种底物，随后激活3种MAPK信号通路并与多种通路相互协同，促使各种促炎症因子释放，介导ECM代谢失衡、炎症反应、细胞凋亡、衰老和氧化应激损伤。当ROS和铁蓄积超过细胞自噬能力后，就会损伤细胞，激活p38MAPK、JNK和ERK诱导细胞铁死亡，并可能破坏保护性自噬，导致细胞损伤加重。这表明MAPK的激活可能是IDD的一个关键步骤。然而，MAPK在IDD中的具体作用机制需要进一步研究。此外，鉴于JNK对自噬调节的双重作用，未来应考虑p38MAPK、JNK和ERK的不同亚型在不同椎间盘细胞中是否存在差异或在同一种椎间盘细胞中功能是否相同。

目前，靶向MAPK在治疗IDD过程中需要考虑几点影响因素。首先，3种MAPK信号通路常被共同激活，需评估多通路协同抑制和单条通路单项抑制的效果；其次，椎间盘为无血管组织，药物渗透效率低，需研究有靶向性和缓释性能的递送系统；最后，在国内外关于特效抑制剂和非编码RNA方面的文献绝大部分是在细胞和动物层面进行验证，未将其与临床试验相结合，需要进行广泛的临床前试验。

来源：中国骨与关节杂志2025年10月第14卷第10期

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