作者：甘肃中医药大学附属医院椎间盘中心    李元

椎间盘退变（IDD）是一种以腰痛和神经功能障碍为主要病理特征的多因素复杂疾病，其病因涉及机械应力与线粒体自噬的复杂联系过程。异常机械应力是导致IDD的主要原因，然而长期静态负荷应力与周期性动态负荷应力对椎间盘细胞退变的不同影响机制尚未完全明确。目前的研究发现，周期性应力可以通过PTEN诱导假定蛋白激酶1（PINK1）/E3泛素连接酶通路（Parkin）以及单磷酸腺苷活化蛋白激酶（AMPK）/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）通路增强线粒体自噬，以维持细胞能量代谢的稳定。线粒体自噬在IDD中表现双重调控作用，在生理状态下，PINK1-Parkin通路、AMPK/mTOR通路介导的线粒体自噬过程可减轻细胞氧化损伤和凋亡；但过度激活或功能失调的线粒体自噬则会导致三磷酸腺苷（ATP）耗竭和细胞外基质（ECM）降解。静态机械应力过载通过“线粒体损伤-自噬抑制-活性氧（ROS）累积”触发炎症反应，加剧IDD进程。尽管已有研究关注线粒体自噬与IDD的关系，但不同机械应力模式对AMPK/mTOR和PINK1-Parkin通路的差异化调控机制尚未阐明。本研究聚焦于静态机械应力与周期性机械应力对线粒体自噬的分子调控机制，旨在解析这两种机械应力通过AMPK/mTOR、PINK1-Parkin等通路在IDD中调控线粒体自噬的分子机制，髓核（NP）细胞及纤维环（AF）细胞的特异性响应，为IDD的力靶向学干预提供新思路。

机械应力的类型及其影响

椎间盘作为脊柱力学负荷的关键承重结构，其退化过程与机械应力的直接作用有着密不可分的联系。根据力学特性，机械应力可从作用方向和时间-频率维度进行分类，不同应力类型对椎间盘细胞的代谢、自噬及炎症反应有着明显的差异化调控作用，进而对椎间盘产生不同的影响。在生物力学领域，机械应力分类体系的建立可以从基础上帮助理解椎间盘生物力学特性。根据作用方向与形变机制，通常情况下人体内的机械应力可系统分为五种基本类型：压缩应力、拉伸应力、剪切应力、扭转应力、弯曲应力。尽管这种分类体系可以清晰展示出应力的物理属性，但在日常生物力学应用场景中仍存在很大局限性，这种局限性就包括单一静态分类方式无法反映椎间盘在动态生理活动与病理演变中的直观区别。为此，笔者综合以往研究，结合时间-频率维度的分类框架，将应力划分为周期性应力（频率≤2Hz、应变幅度<15%，如步行、呼吸等节律性载荷）与静态机械应力（如久坐持续性负荷）。这种动态分类方法更贴合人体真实力学环境，既能评估应力幅值效应，又可以分析椎间盘的负载频率、持续时间等动态变化参数对椎间盘细胞代谢的影响，为IDD机制研究提供更全面的力学分析视角。

在生物力学作用机制研究中，周期性与静态机械应力的生物学效应存在显著差异。周期性机械应力指具有时间规律性的波动负载如正常行走中0.5～2Hz的应力，其在生理参数范围内通过动态频率-幅度平衡维持细胞代谢稳态来发挥保护性作用。静态机械应力则表现为日均超6h的持续负荷。临床研究表明其通过下调自噬-线粒体耦合蛋白PINK1、Parkin，上调HDAC6诱导线粒体损伤，导致IDD发生率较运动人群升高。其更直观的理解是周期性应力在生理范围内具有保护性作用，而长期静态机械应则是IDD的关键致病因素，这凸显了在IDD的生物力学研究过程中区分这两种机械应力的必要性。

不同机械应力模式对线粒体自噬的差异化调控

周期性机械应力     周期性机械应力通过激活AMPK/mTOR、PINK1-Parkin通路和细胞适应性反应在IDD中发挥重要的保护作用，其核心机制在于线粒体自噬的精准调控以及其中的能量稳态的维持。PINK1-Parkin通路是周期性机械应力介导线粒体质量控制的核心途径。在生理状态下，线粒体蛋白酶可以降解磷酸酶及张力蛋白同源物诱导的激酶1（PINK1），使其维持在较低水平的稳定状态。而当人体正常生理活动产生的周期性应力作用于椎间盘细胞时，其中的线粒体膜电位会发生去极化反应，导致PINK1无法通过内膜，转而在外膜表面累积并转化为磷酸化泛素（Ub），磷酸化泛素进一步作为“信号标签”，吸引Parkin从细胞基质中转移到线粒体外膜上并被激活。激活的Parkin同时也会催化线粒体膜蛋白如电压依赖性阴离子通道蛋白1（VDAC1）、线粒体融合蛋白1/2（MFN1/2）等的泛素化修饰（Ub链形成），共同标记受损线粒体，介导自噬体包裹线粒体。在这个过程中，线粒体内部也存在协调作用：一是线粒体中的活性氧（ROS）通过激活AMPK通路抑制mTOR的活性，造成ROS的积累触发PINK1/Parkin通路时促进线粒体自噬的启动，可加速受损线粒体的清除；二是内质网通过钙离子释放通道蛋白如肌醇1，4，5-三磷酸受体（IP3R）释放Ca2+至线粒体，其中线粒体相关内质网膜上的葡萄糖调节蛋白75（GRP75）、VDAC1蛋白可以促进Ca2+传递和线粒体自噬相关蛋白募集，这个过程可以调节线粒体的自噬功能；三是受损线粒体中会发生未折叠蛋白反应（UPR），当线粒体蛋白错误折叠激活UPR时，人转录激活因子5（ATF5）-核转录因子（CHOP）、沉默调节蛋白3（Sirt3）-叉头框蛋白O3a（FOXO3a）等通路会调节分子伴侣和蛋白酶表达，也进一步辅助了线粒体自噬的过程。最终，在PINK1-Parkin通路及相关过程的协调下共同引导自噬体包裹受损线粒体并与溶酶体的融合，完成整个线粒体自噬过程。

在上述基础之上，周期性应力还可通过激活AMPK/mTOR通路进一步加强线粒体自噬的能力。AMP激活的蛋白激酶（AMPK）作为能量传感器，通过磷酸化mTOR复合物1（mTORC1）调节相关蛋白mTOR（RAPTOR），直接抑制mTORC1活性。当mTORC1被抑制时，其下游信号如核糖体蛋白S6激酶（S6K）和真核起始因子4E结合蛋白1（4EBP1）无法激活而导致活性降低，造成蛋白质合成减少，线粒体自噬增强，促进自噬体的形成。清除损伤的线粒体不仅可以减少ROS的过量释放和累积，避免细胞内的正常组织被氧化而产生损伤；当功能异常的线粒体被清除时，还可以进一步稳定细胞内的能量代谢，防止ATP生成障碍。综上，双重通路调控不仅增强了线粒体自噬的效率，还通过清除功能损伤的线粒体维持了细胞能量代谢的稳态。

值得注意的是，AMPK/mTOR与PINK1-Parkin通路在周期性机械应力介导的线粒体自噬中存在显著的协同作用，共同放大了周期性机械应力的保护作用。研究表明，AMPK的激活可通过磷酸化PINK1第166位苏氨酸（T166）增强其稳定性，进而促进Parkin向线粒体膜的募集效率。这种协同作用形成“能量感知-损伤识别-自噬执行”的级联反应：AMPK通过抑制mTORC1解除对ULK1复合物的抑制，启动自噬体成核；同时，PINK1-Parkin通路通过泛素化标记受损线粒体，精准引导自噬体靶向识别。在体外施加0.5Hz周期性拉伸应力的实验中，同时阻断AMPK（compoundC）和Parkin（shRNA）可阻碍应力诱导的线粒体自噬增强，而单独阻断任一通路仅部分抑制自噬流。这提示周期性机械应力可以通过双重通路的协同作用来增强线粒体自噬效率和维持细胞稳态。

静态机械应力     静态机械应力作为IDD的核心致病因素，通过多维度分子机制破坏线粒体自噬稳态，诱发氧化应激、炎症级联反应及ECM降解，使得自噬流阻滞、线粒体正常的功能发生障碍和激活慢性炎症，最终加速椎间盘细胞凋亡与组织结构破坏。溶酶体酸化异常会使其无法有效降解自噬体包裹的线粒体等物质，导致自噬体与溶酶体融合后无法完成内容物降解，进而阻断自噬流。研究显示，实验组细胞中α-突触核蛋白聚集增加，提示自噬降解功能受损，中断线粒体自噬流。研究表明，静态压力显著降低溶酶体V-ATP酶活性，使溶酶体pH值异常升高，当纤维环细胞中pH值从4.5升至5.8时，会使自噬底物被降解，导致自噬体（LC3-II）的异常积累。同时，静态应力激活烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶4（NOX4）依赖的ROS爆发机制，导致线粒体膜电位崩溃和线粒体DNA损伤。例如，在静态压缩模型中，AF细胞的线粒体ROS水平升高，mtDNA释放至胞质后，通过激活环磷酸鸟苷-腺苷合成酶-干扰素基因刺激因子（cGAS-STING）通路触发I型干扰素反应，促进炎症因子如IL-6、TNF-α的释放。此外，ROS的过量累积进一步抑制PINK1-Parkin通路的关键蛋白表达，形成“线粒体损伤-自噬抑制-ROS累积”的恶性循环。可见，静态机械应力通过多通路交叉作用破坏线粒体自噬与细胞稳态（图1），其引发的线粒体功能障碍和炎症反应相互促进，加剧细胞凋亡，最终导致椎间盘结构退变。

不同细胞类型对机械应力的特异性响应

NP细胞   Piezo1蛋白与线粒体膜电位的稳态    分布在骨骼、椎间盘NP、AF等组织的新型机械敏感离子通道压电型机械敏感离子通道组件1（Piezo1）对机械应力的变化非常敏感，可以将机械力学信号转化为电化学信号。NP细胞位于椎间盘中央，长期处于低氧、低营养的微环境中，其代谢高度依赖Piezo1蛋白的调控。Piezo1蛋白是一种非选择性阳离子通道，可以非选择性通过二价离子Ca2+、Mg2+、Mn2+和Ba2+等。Ge等利用冷冻电子显微镜技术直观地观察到Piezo1蛋白的三聚体结构，证明了Piezo1蛋白是一种7次跨膜的离子通道。利用这种技术可以进一步观察到NP细胞外膜的三棱锥样结构感受机械信号刺激时会发生形变，将机械信号传递给Piezo1蛋白的孔状核心结构。已有研究在上述过程中施加牵张应力刺激时发现，NP细胞质中Ca2+水平会明显增高，这可以说明Ca2+可以作为第二信使激活Piezo1蛋白离子通道感受器传递机械信号；而shRNAPiezo1可以通过阻滞Piezo1的表达，降低细胞内的Ca2+水平，从而阻断机械牵张应力信号的传递。细胞过度凋亡会发生以线粒体膜电位紊乱为主要特征的一系列反应，其主要表现是线粒体膜电位的翻转。Kim等的研究利用CellMeter检测试剂盒检测细胞线粒体膜电位的变化，发现静态机械应力增加Ca2+的内流引起线粒体膜电位的紊乱，可以通过shRNA干扰Piezo1表达来降低Ca2+水平，达到保护线粒体膜电位稳态的作用，抑制静态机械应力作用下NP细胞的凋亡。

NP细胞的力学敏感性及炎症倾向    NP是维持椎间盘接受压力梯度、代谢产物、营养物质渗透和扩散的关键部分。异常的机械负荷促进NP细胞死亡，引起基质代谢紊乱，加速IDD的进程。当NP细胞接收到异常负荷后可产生促炎因子。Shi等的研究表明，持续的静态机械应力（15%压缩率）压缩下Piezo1表达上调，降低线粒体膜电位和耗氧率诱导线粒体损伤，加速NP细胞的凋亡和衰老。上述过程也进一步促进肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素-6（IL-6）和白细胞介素-1β（IL-1β）炎细胞因子的表达，通过线粒体功能障碍和抑制NP细胞中的自噬以减少ECM的合成，而抑制Piezo1可以部分缓解这些影响。周期性机械应力和静态机械应力都可引发基质稳态的合成代谢转变，但NP细胞对静态机械应力更敏感、AF细胞对周期性机械应力更敏感。椎间盘炎症已证在椎间盘力学中至关重要，TNF-α介导的局部炎症引起了深层细胞骨架的变化，增强了细胞的机械敏感性，从而在细胞内形成了一个恶性机械炎症循环。这种炎症微环境不仅在IDD的恶性循环中起关键作用，还与腰痛（LBP）的发生有关。

AF细胞    AF细胞是构成椎间盘外层AF结构的主要细胞类型，属于纤维软骨细胞。AF细胞呈梭形或星形，分散在AF的同心圆层状胶原纤维中，周围被富含胶原和糖胺聚糖的基质包裹，形成类似“纤维网”的支撑结构。其持续更新和修复细胞外基质，维持AF的完整性，防止NP突出。损伤的AF细胞可能释放炎症因子，进而加剧椎间盘病变。研究表明，过度机械应力刺激时AF细胞上的YAP蛋白（YAP）作为力学敏感转录因子，可通过将机械应力信号转化为生物电信号，来调控AF基质代谢，改善AF炎性微环境。Wang等探讨了适度力学刺激对AF炎性反应的影响以及YAP/核转录因子（NF-κB）信号通路在其中的作用机制，研究设计了2%、5%、12%的周期性拉伸应变（CTS）对AF细胞施加的力学刺激，结果证实5%的CTS可以抑制细胞炎性反应，促进细胞增殖，而12%CTS则促进炎性反应。当加入YAP蛋白抑制剂时，5%CTS介导的抗炎效应明显受到抑制，并进一步说明了抑制NF-κB信号通路在此过程的重要作用。上述研究证明了机械应力可以促进AF细胞合成代谢作用。

机械应力调控IDD的病理机制对临床干预的指导意义

机械应力对于IDD的特异性调控特征可以为临床干预提供重要的生物力学依据。从病理机制角度，静态应力诱导的溶酶体酸化障碍及线粒体碎片积累，导致炎症因子释放与ECM降解，是IDD进展的驱动因素；周期性应力通过增强线粒体质量与稳定能量代谢平衡，不仅可以抑制氧化应激，还可以促进ECM重构。这种差异化响应可以为临床决策提供新的阐释意义。一方面，在腰椎间盘突出症（LDH）患者的急性期（炎性水肿期）多以药物治疗兼严格卧床休息为主，而亚急性期（恢复期）则在其基础上行物理治疗，如腰椎牵引、手法治疗等，而在后续的慢性期（退变失稳期）的康复则注重患者个人的康复锻炼，如增强核心肌群的稳定性。参考两种不同应力模式的作用可以将LDH的阶梯化治疗原则理解为LDH病理阶段及微环境特性相匹配。在急性期（炎性水肿期）需避免静态机械应力过载导致的炎症因子释放与细胞外基质（ECM）的降解，以阻断“线粒体损伤-自噬抑制-ROS累积”的恶性循环，而在亚急性期（恢复期）及慢性期（退变失稳期）则需引入医源性的周期性机械应力以促进NP细胞和AF细胞的再生及ECM的重构。另一方面，动态机械应力和静态机械应力也与传统医学中推拿手法的“动静结合”理念高度契合，动态的手法治疗如滚法、振法等可以理解为通过周期性力学刺激模拟生理性应力，改善局部血流与代谢废物清除；而静态手法如按法、点法等通过持续性静态机械应力来激活线粒体自噬和适当的炎症反应以调节组织黏弹性，缓解肌筋膜张力失衡。基于此，临床医师可以进一步针对不同患者构建“特异性力学干预”策略，针对不同病理阶段（急性期、亚急性期、慢性期）结合患者具体病情来动态调整应力模式与强度，以实现更加精准的调控，提升患者康复效果，为临床康复治疗提供新的思路和方法。

小结与展望

IDD的病理与机械应力模式对线粒体自噬的差异化调控密切相关。静态机械应力通过抑制溶酶体酸化VATPase功能障碍阻断自噬流，导致线粒体碎片积累和mtDNA泄漏，激活cGAS-STING炎症轴，驱动IL-6、TNF-α等促炎因子释放及ECM降解。相反，周期性机械应力通过AMPK/mTOR和PINK1-Parkin通路双重机制增强线粒体自噬，AMPK磷酸化抑制mTORC1活性，解除ULK1自噬起始抑制；同时PINK1在线粒体膜电位去极化后募集Parkin、泛素化VDAC1/Mfn2等蛋白，招募LC3-II/p62完成受损线粒体清除，显著降低ROS累积。Piezo1作为一种新型的机械敏感离子通道，在IDD病理过程中与细胞线粒体膜电位的稳态、NP所受的机械应力及炎症密切相关；周期性机械应力刺激能够调控纤维环细胞内环境的代谢，改善AF炎性微环境；并且椎间盘炎症微环境在机械敏感性中发挥重要作用。通过本综述，可为IDD疾病过程中机械应力调控线粒体自噬的发病机制提供新的启示，建议在临床治疗中针对急性期避免激活静态机械应力作用，而在慢性期积极地开展相关腰椎牵引、核心肌群训练等周期性机械应力干预。

来源：中国脊柱脊髓杂志2025年第35卷第8期

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