作者：广东医科大学附属高州市人民医院    李俊

腰痛（LBP）作为临床中最为常见的疾患，是导致伤残的重要影响因素，严重影响人们的生活质量，超过90%的腰痛患者伴随椎间盘退变（IDD）。线粒体是多细胞生命不可或缺的组成部分，作为生物合成的中枢，为细胞代谢提供所需的能量。近年来，学者已逐渐意识到线粒体在IDD中的重要作用，在IDD的髓核（NP）细胞中，观察到了线粒体结构和功能异常。线粒体的关键特征是它们的动态性质，能够通过分裂和融合这种形态上的变化和空间上的重新排列赋予细胞适应和响应不断变化的微环境的能力，这种过程被称为线粒体动力学。当细胞处于稳定状态时，线粒体的分裂与融合趋于平衡。在应激条件下，平衡的打破将会导致多种骨病的发生和发展，例如骨关节病、骨质疏松和椎间盘退变等。越来越多的证据表明，持续或过度机械负荷、炎症因子和氧化应激在IDD进程中发挥重要作用，本文就线粒体动力学与IDD之间的调控关系进行系统综述。

线粒体动力学变化

线粒体裂变    线粒体裂变是指线粒体“一分为二”的过程。动力蛋白相关蛋白1（Drp1）是线粒体分裂的主要介质，包括1个N端GT酶结构域、1个中间区和1个C端GTP酶效应域。应激状态下，线粒体开始分裂，Drp1从胞质溶胶转移到线粒体，组装成螺旋寡聚体，包裹在线粒体外膜（OMM）周围，以GTP依赖的方式促进收缩和断裂。但因为Drp1无法直接结合膜上的磷脂，所以需要诸如线粒体裂变蛋白1（Fis1)、线粒体裂变因子（Mff）、线粒体动力蛋白51（Mid51）和线粒体动力蛋白49（Mid49）的锚定作用，将其固定在OMM表面。Drp1活性受翻译后修饰调节其活性以响应代谢或氧化还原状态的变化。比如，Ser616的磷酸化增强了Drp1的激活，并促进其从细胞质转运到线粒体。当Ser637磷酸化时，Drp1的活性和线粒体分裂受到抑制。线粒体的裂变受其他细胞器的影响。例如线粒体与内质网（ER）形成物理接触，被称为线粒体-内质网结合膜（MERCSs），MER⁃CS标记的接触位点就是线粒体裂变发生的部位，对于磷脂合成、钙信号传导和自噬体形成非常重要。

线粒体融合    线粒体融合是两个线粒体通过紧密结合，构成1个全新的线粒体网络。线粒体融合由OMM融合和内膜（IMM）融合组成。在线粒体融合过程中，两个（或多个）线粒体紧密接触，对轻度受损的线粒体进行修复。此过程需要动力蛋白超家族的3种大型GTP水解酶：线粒体融合蛋白1（Mfn1）和线粒体融合蛋白2（Mfn2）及视神经萎缩1(OPA1）介导，Mfn1和Mfn2负责调控OMM的融合，OPA1驱动IMM的融合。在整个融合过程中，动力蛋白相邻线粒体之间的接触中含量丰富，它们通过形成同型或更具融合效率的异型复合物来依次束缚、停靠和增加OMM接触的延伸。接着OPA1经历选择性剪接，在人类中产生8种或长或短的转录本，这些转录本都锚定在IMM上。既往研究已经表明，各种形式的OPA1都可以表现出固有的融合活性，促进IMM的融合。

氧化应激、应力压缩和炎症对IDD的影响

椎间盘由NP和周围的层状纤维环（AF）及软骨终板（CEP）组成，其连接两个相邻的椎体，可以传递负荷到脊柱，同时维持机体的运动功能。NP细胞功能障碍和细胞外基质降解是椎间盘变性的关键特征。椎间盘的功能依赖完整的结构，应力压缩不仅可以直接导致其结构损伤，诱发或加速IDD，还能与凋亡、氧化应激、炎性损伤、细胞外基质降解等病理过程相互促成转化。例如调控多种途径诱导凋亡、促成细胞外基质代谢分解及纤维化，导致基质功能丧失、诱导产生的炎症因子，募集周围炎性细胞的聚集和浸润、产生氧化应激积蓄的活性氧（ROS）引发线粒体功能障碍，促成IDD。同时，ROS产生直接氧化大分子，损伤DNA、蛋白质、脂质、细胞器膜等，导致椎间盘细胞功能异常和死亡。另外，ROS可以减少细胞外基质（ECM）合成和诱导椎间盘细胞凋亡，从而加剧IDD的进展。炎症反应在椎间盘退变中也扮演重要角色，椎间盘细胞分泌的炎症因子，例如IL-1a、IL-1b、IL-6和IL-17，这类因子上调产生炎症媒介物的正反馈回路，与引力压缩的协同，在IDD中引发恶性循环。在氧化应激、应力压缩和炎症诱导的退变NP细胞内均观察到了线粒体动力学的变化。

线粒体动力学的影响因素

应力压缩诱导IDD的线粒体动力学    Kang等通过应力压缩处理人NP细胞，加压处的细胞内ROS产生，加剧细胞凋亡和氧化应激。Drp1作为线粒体裂变的先决条件，压缩促进了Drp1的易位，导致Drp1水平升高，其他裂变相关蛋白Mff、Fis1、Mid49和Mid51的表达也同步上调，融合蛋白OPA1、Mfn1、Mfn2等表达下降。这种蛋白比例失衡，意味着线粒体融合与分裂的平衡被打破，导致线粒体动力学的障碍。将线粒体靶向抗氧化剂（MitoQ）应用于人NP细胞后，降低了Mff和Fis1的蛋白水平，恢复了线粒体动力学的秩序。值得一提的是，MitoQ还能缓解细胞凋亡、抑制线粒体自噬，修复缺陷的线粒体自噬通量。Hu等测量了退变的NP细胞中线粒体分裂和融合相关蛋白的表达水平，其中Drp1和Mff的表达水平上调而Mfn1和Mfn2的表达水平下降，随后在体外建立的压缩模型中也证实，压缩能够使Drp1、Mff和Fis1的表达上调，并降低Mfn1、Mfn2和OPA1的表达。线粒体分裂的亢进导致了其功能障碍，加速NP细胞凋亡。通过使用Drp1抑制剂Mdivi-1，抑制线粒体分裂，可以缓解压缩诱导的NP凋亡，证实在压缩诱导的IDD进程中，Drp1介导的线粒体分裂起到关键作用。去乙酰化酶3是一种高度保守的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸依赖组蛋白酶，研究已经证明，去乙酰化酶3是影响线粒体动力学的关键因素。在压缩的NP细胞中热休克蛋白70（HSP70）受到抑制，结果表明，HSP70通过上调去乙酰化酶3来阻止线粒体过度分裂，维持线粒体功能。上述结果提示，在应力压缩条件下的NP细胞中，观察到动力学相关蛋白失调导致的线粒体分裂亢进，MitoQ和HSP70则可以缓解这种失衡，延缓IDD的发生。维持应力压缩所导致的线粒体动力学平衡可为IDD治疗提供新的思路。

氧化应激诱导IDD的线粒体动力学    线粒体在产能的过程中也会伴随着过多的氧自由基，引发氧化应激。近年来的研究已经证明，氧化应激能引发椎间盘细胞的炎症反应，导致ECM降解。Song等利用叔丁基过氧化氢（TBHP）诱导NP细胞的氧化应激，观察到衰老细胞明显增多，并加速椎间盘退变的进程，其中调节膜融合事件的线粒体内膜蛋白（OMA1）及OPA1表达水平增加，说明氧化应激激活的线粒体分裂，导致线粒体功能障碍。核苷酸结合寡聚化结构域受体家族成员X1（NL⁃RX1），是可以感知病原体和危险相关的分子模式的传感器，在敲除NLRX1后，OMA1和OPA1的表达更高，证明了NLRX1调节线粒体分裂和线粒体吞噬，通过协同线粒体融合和分裂机制促进线粒体再生。

Wang等也利用该模型发现所诱导的NP细胞线粒体分裂相关蛋白Drp1和Fis1表达上调，融合相关蛋白Mfn2表达下调。同时，Sirtuin-3作为维持椎间盘稳定的重要物质，其含量上调以对抗细胞的氧化应激。厚朴酚是从厚朴中提取的一种小分子量天然化合物，是Sirtuin-3的激活剂，可以启动相关信号通路延缓椎间盘的退变。在通过Sirtuin-3激活增强了Drp1和Fis1水平的同时，还挽救了Mfn2的下降，阻止了TBHP增强的线粒体分裂。此外，也有研究表明，抗氧化酶中的微量元素硒也能延缓TBHP引起的线粒体分裂的蛋白质DRP1、Mff和Fis1表达水平上调，延缓IDD的发展。CEP细胞凋亡是导致IDD的发生和发展的重要因素。Kang等用H2O2处理人CEP细胞，体外模拟氧化应激，与对照组细胞相比，H2O2处理后的CEP细胞内和线粒体ROS生成水平显著升高，Drp1、Mfn2表达升高。同时Parkin蛋白表达水平和线粒体易位增加，促进了线粒体自噬和凋亡。线粒体靶向抗氧化剂Mito-TEMPO则可以使Drp1、Mfn2表达下降，阻止CEP的变性。所以，在TBHP或H2O2处理NP或CEP细胞后，分裂蛋白Drp1发生上调，表现为线粒体功能障碍和细胞凋亡。应用NLRX1-SLC39A7复合物、厚朴酚、Mito-TEMPO和硒等可以通过纠正线粒体动力学治疗氧化应激导致的IDD。

炎症诱导IDD的线粒体动力学     研究证明，诸多炎症因子可能在IDD发生发展中有着重要的作用，随着退变的进行，水平不断升高，肿瘤坏死因子α（TNF-α）是肿瘤坏死因子超家族的重要成员，在用TNF-α处理椎间盘的NP细胞后，构域包含蛋白3炎症小体表达水平和IL-1β分泌增加，同时MMP-13和ADAMTS-5代表分解代谢标志物的表达水平也升高，表现为ECM降解、细胞凋亡。Drp1表达上调和OPA1下调也说明发生了线粒体动力学的改变。Wang等和Yu等分别利用灯盏乙素或芒果苷这类已被证实具有抗炎、抗氧化的天然物质拮抗这种改变，研究发现，COX-2、iNOS、ADAMTS-5和MMP-13的表达下降、并通过抑制NF-kB通路保护线粒体结构受损和逆转线粒体动力学生物标志物的改变，改善NP细胞的退变，所以，天然的抗炎物质可以通过维持线粒体动力学平稳，减轻炎症反应、氧化应激、细胞凋亡和ECM降解来保护椎间盘。Peng等利用脂多糖（LPS）处理人NP细胞，成功引起了NLRP3炎性小体介导的细胞焦亡和NP细胞的凋亡率显著升高，同时还观察到了线粒体自噬的形成。线粒体自噬离不开其动力学的改变，LPS处理的NP细胞中Drp1发生易位，Mfn1的表达减少和线粒体结构改变，都说明NP细胞的线粒体功能障碍及动力学失衡。锌指蛋白A20是一种重要的炎症负调控蛋白，主要通过阻断NFkB信号通路发挥抗炎作用。A20处理后，抑制了Drp1易位，阻碍了Mfn1的降低，恢复了LPS诱导的线粒体缩短。研究还发现，NLRP3炎性体激活受到了抑制，Caspase-1p20、IL-1β的表达下降。这些结果表明，A20可以通过促进线粒体自噬和稳定线粒体动力学，减弱NLRP3炎性体的激活和细胞凋亡。

Lin等用LPS处理人CEP，引起炎症并增加ROS的产生，加重了CEP的变性和氧化应激。接着观察到了分裂蛋白Drp1上调和易位，最终导致线粒体动力学失衡和功能障碍。接着他们通过使用外泌体CAP-Nrf2-Exos促进Nrf2的CEP细胞靶向递送，并激活CEP细胞中的内源性抗氧化防御系统，使Drp1表达及易位下降，综上。通过抑制Drp1介导的线粒体分裂，将Nrf2导入CEP细胞并减轻脂多糖诱导的凋亡和维持线粒体动力学的平衡，可缓解CEP的退变。皮质抑素（CST）是一种新型神经内分泌肽，参与细胞炎症过程、调节神经内分泌等过程。在人NP细胞的退变过程中，CST表达也逐渐降低。Zhao等将皮质抑素敲除（CST-）组与野生组（WT）的小鼠NP细胞进行分组对比。在TNF-α处理后，CST敲除小鼠的退变更加严重，说明CST的缺失加速了椎间盘的退化。同时，CST缺乏后线粒体的结构也发生改变，相关蛋白Drp1上调，OPA1、Mfn1、Mfn下调。此外，NLRP3炎症体激活，增强IL-1β的分泌，引起细胞凋亡、ECM分解代谢、氧化应激和炎症一系列反应。加入外源性的CST后则可以拮抗这种异常激活和线粒体异常。Jing等在为小鼠进行了腰椎不稳手术后，用TBHP和TNF-α模拟了氧化应激及炎症的致病环境，退变的NP细胞内观察到了线粒体结构的破坏和分裂蛋白Drp1、Fis1和Mff上调。铁元素吸收相关转铁蛋白受体1（TfR1）与体内Fe3+调节息息相关。在该模型的小鼠CEP中的TfR1上调，铁内流增加，结构发生成骨分化和钙化。相反，敲除TfR1后细胞凋亡减轻，CEP的变性明显改善，显著减少铁内流，恢复了线粒体的正常形态，下调了Drp1、MFF和Fis1的表达，维持了动力学的平衡。通过TfR1调控铁的稳态，影响了线粒体动力学、细胞凋亡，在IDD进程中有重要的意义。

其他模型诱导IDD的线粒体动力学    细胞外基质硬度正在成为驱动各种疾病进展的关键机械信号，在IDD过程中，NP组织的基质硬度逐渐增加。Ke等建立了ECM不同硬度的NP细胞模型，结果发现，硬ECM通过增强Drp1向线粒体的募集，促进线粒体分裂。压电型机械敏感离子通道组件1（Piezo1）是哺乳动物中首个被发现的机械门控阳离子通道蛋白，研究证明，Piezo1是导致变化的主要原因，其介导了由基质硬度引起的Drp1的翻译后修饰和线粒体分裂所参与的细胞凋亡。当Piezo1蛋白受到抑制时，基质硬度诱导的线粒体分裂也明显减轻。所以，硬ECM促进了线粒体动力学失衡和细胞凋亡，Piezo1蛋白可作为其调控的关键角色缓解IDD的发展。AF在承受脊柱压缩、伸展、弯曲和旋转引起的复杂压力中起关键作用。Wu等研究了氧化低密度脂蛋白（OxLDL）对AF细胞的负面影响，在应用不同浓度oxLDL后，AF细胞内ROS上升，引起细胞凋亡、线粒体尺寸减小、分裂增加，同时随oxLDL剂量增加，分裂蛋白Drp1也逐渐增加。而完全敲除Drp1，则表现为ROS下降、ECM合成增加，线粒体功能障碍和细胞凋亡得到逆转。所以，oxLDL通过影响线粒体动力学诱导了IDD。

展望

综上所述，越来越多的证据证明线粒体动力学稳态对IDD的重要性，应力压缩、氧化应激、LPS、促炎因子、胞外基质刚度、oxLDL等不同病理刺激所诱导的退变NP细胞内，观察到了线粒体结构改变、分裂亢进和动力蛋白表达异常。这种异常参与了椎间盘细胞的凋亡、焦亡、自噬、ECM降解、炎症等改变。同时，这些细胞表型又与IDD的发生率和病情进展有着极强的关联性。IDD作为一种生理性退变，可导致顽固性背痛或继发性神经功能缺损，暂无确切的根治方法。由于线粒体在IDD生理过程中不可或缺，线粒体动力学在IDD中具有重要作用，证明聚焦于重建线粒体分裂和融合的平衡，恢复动力学失衡可作为一种潜在的治疗IDD的策略。此外，CEP细胞和AF细胞也参与了IDD的病理过程。未来的探究方向可更多关注于这类椎间盘细胞。

来源：中国矫形外科杂志2026年3月第34卷第5期

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