作者：南京医科大学附属明基医院骨科     韩通

椎间盘退变（IVDD）是引起腰痛的重要原因，严重影响人们的生活质量，给社会带来了巨大的经济负担。IVDD的发病机制十分复杂，现已知其与细胞增殖与衰老、细胞外基质（ECM）代谢失衡、炎症反应等密切相关。目前对IVDD的治疗以缓解临床症状为主，并不能阻止、延缓或逆转IVDD病理进程，尚无有效的防治措施。进一步研究IVDD的发病机制，寻找新的治疗靶点成为研究热点。Klotho蛋白作为抗衰老的生物标志物，长期备受学界关注。近年来多项研究发现Klotho蛋白在退变的椎间盘（IVD）组织和细胞中低表达，但Klotho在IVDD中的作用尚无系统总结。本文全面阐述了Klotho蛋白在IVDD中的作用机制，并对基于Klotho蛋白的潜在治疗策略进行了探讨，为治疗IVDD提供新思路。

IVD的结构与退变机制

IVD位于相邻椎体之间，主要由3个部分组成：中央髓核（NP）、外周纤维环（AF）和两侧邻近的软骨终板（CEP）。长时间力学负荷过载、急性损伤、自然老化、吸烟、不良生活方式和遗传易感性等多种因素可引起IVDD。在多重因素作用下，IVD的解剖结构和生理功能发生改变，NP从破裂的AF中突出，脊髓和神经根受压，进而出现IVD源性腰痛和神经症状。IVDD的发病机制与细胞衰老、ECM代谢失衡和氧化应激炎症级联反应密切相关。IVD细胞的衰老和功能下降是IVDD的重要原因，衰老的IVD细胞数量与IVDD的严重程度呈正相关。衰老过程中ECM的合成和分解代谢失衡，胶原蛋白和蛋白多糖的减少，导致IVD的弹性和强度降低。氧化应激产生的ROS会损伤IVD细胞和ECM，炎症因子如IL-1β、IL-6、IL-8、IL-17、TNF-α、COX-2以及NLRP3炎症小体的表达引发局部炎症反应，通过调节转录进一步加剧IVD衰老与退变。

Klotho蛋白的结构与功能

Klotho蛋白是由Klotho基因编码的单跨膜蛋白，于1997年在盐敏感性高血压小鼠模型中首次发现，其命名源于希腊神话中纺织生命之线的Klotho女神，与机体抗衰老密切相关，被誉为身体的长寿因子。Klotho蛋白包括α-Klotho、β-Klotho和γ-Klotho3种亚型。α-Klotho主要在肾脏表达，在甲状旁腺、脑、骨骼和胰岛等组织中也有表达，具有膜型和分泌型2种亚型。膜型Klotho作为FGF-23的特异性共受体，调节体内磷酸盐、钙盐及活性维生素D的代谢。膜型Klotho胞外具有2个串联重复序列组成的KL1、KL2糖基水解酶功能域，可以被金属蛋白酶水解并释放为分泌型Klotho，分布在血液、尿液和脑脊液等体液中，通过内分泌或旁分泌等机制作用于离子通道、类胰岛素生长因子受体等，发挥抗衰老、抗凋亡、抗氧化应激、抗炎症反应等功能。β-Klotho主要表达在肝脏、脾脏、肺、肾上腺、脂肪组织中，参与葡萄糖、脂质代谢、胆汁酸生物合成等多种代谢过程。γ-Klotho在眼、脂肪中表达，具体功能尚不清楚。Klotho参与了多种慢性疾病的发生发展，包括动脉粥样硬化、高血压、糖尿病、慢性肾病、甲状旁腺功能亢进、肺纤维化、生殖功能障碍、肿瘤等。

随着年龄的增长，人体的肌肉骨骼系统会经历一系列退化性变化，造成肌肉力量、骨密度和关节功能的下降，进而导致了多种衰老相关的疾病，如骨质疏松症、骨性关节炎、肌肉减少症、IVD突出等。Klotho蛋白作为抗衰老的生物标志物，在肌骨系统中同样备受关注。研究发现，Klotho基因缺陷小鼠存在肌肉、脂肪和骨质量的丢失，寿命严重缩短。在骨质疏松的机制研究中，Klotho感知机械刺激并调节张力诱导的成骨过程，Klotho缺乏影响成骨细胞关键转录因子如BMP2和RUNX2的表达。增加Klotho表达在骨形成和修复过程中发挥促骨生成和抗炎作用。在骨性关节炎中，Iijima等的研究发现基质硬度增加驱动Klotho启动子甲基化，下调Klotho基因表达，加速体外软骨细胞衰老。Wang等的研究发现局部递送含有Klotho基因的纳米颗粒至关节腔内促进干细胞的增殖并分化为软骨细胞，可减轻骨关节炎的炎症反应和衰老现象，促进软骨细胞的合成和分泌，从而修复受损的软骨组织。IVDD和骨性关节炎同属于退行性关节疾病，在退行过程和发病机制上存在相当的重叠。此外，既往研究发现，改善骨代谢可以延缓IVDD进程。例如，阿仑膦酸钠通过改善骨质量来延缓去卵巢大鼠腰椎IVDD的进展。降钙素保持腰椎骨强度的同时，改变IVD的ECM代谢，保护相邻椎体的微架构和生物力学特性，从而抑制IVDD。Ogata等证明了人类Klotho基因多态性与绝经后女性骨质疏松症及腰椎IVD衰老和再生能力下降有关。因此，Klotho可能通过类似在骨性关节炎中发挥的抗衰老、抗氧化应激、抗炎的直接作用，以及通过改善骨代谢对IVD组织的间接作用，在IVDD中扮演重要角色。

Klotho蛋白在IVDD中的作用

目前，越来越多的证据表明Klotho蛋白水平与IVDD有关。Bi等建立IVDD大鼠模型，发现退变IVD中Klotho蛋白表达显著下降，而外源性补充Klotho可逆转退变表型。Hiyama等的研究指出，Klotho在3周龄大鼠NP细胞中表达，在12周龄大鼠AF中的表达较高。Tarnoki等发现血浆Klotho水平与IVD突出的数量呈负相关。说明血浆Klotho可参与IVDD的病理进程，并可能作为反映疾病严重程度的潜在生物标志物。

Klotho蛋白介导IVD氧化应激与炎症反应      氧化应激是指机体内生成过量ROS引起抗氧化防御系统严重失调，造成细胞或组织损伤。ROS通过激活多种信号通路引发IVD细胞中IL-1β、IL-6、COX-2等炎症因子的表达增加，加剧炎症反应，促使细胞凋亡和衰老。既往研究表明Klotho可保护细胞和组织免受氧化应激。Liu等的研究发现叔丁基过氧化氢（TBHP）诱导的氧化应激会导致NP细胞中Klotho表达显著降低。NaB通过抑制HDAC3与PPARγ相互作用，促进PPARγ的乙酰化和转录激活，恢复Klotho的表达活性，减轻TBHP诱导的人类NP细胞的氧化损伤，增强抗氧化应激作用，延缓IVDD。

NF-κB是细胞内重要的转录因子，NF-κB信号通路的激活是引起IVD细胞内炎症反应的重要启动因素，通过促进趋化因子分泌诱导巨噬细胞和单核细胞募集，引发炎症级联反应。TLR4/NF-κB信号通路是IVD免疫调节重要通路，通过诱导氧化应激和炎症引起IVD细胞凋亡，促进IVDD进展。TLR4/NF-κB抑制剂能够在一定程度上缓解IVDD。Bi等的研究发现，在NP细胞中，Klotho蛋白与TLR4/NF-κB信号通路之间存在着一种负反馈调节机制，激活炎症信号会抑制NP细胞中Klotho蛋白的表达，而Klotho蛋白的减少又会进一步加剧炎症反应，形成一个恶性循环。过表达Klotho可消除氧化诱导的TLR4积累，阻止NF-κB核易位，并显著抑制IL-1β、IL-18等炎症因子的表达。Klotho通过抑制TLR4/NF-κB信号通路缓解氧化应激诱导的NP细胞损伤。

IVD内新生血管的长入被认为是IVDD的重要标志之一。新生血管增加了IVD组织的血液和营养供应，从而促进了原始营养缺乏的IVD细胞产生ROS并引发氧化应激及炎性反应，最终引发IVD源性疼痛。Yi等的研究表明，外源性Klotho可减少NP细胞衰老过程中分泌的促血管生成细胞因子VEGF合成，降低血管生成相关标志物表达，抑制血管内皮细胞迁移，减少IVD内异常血管侵入，在抑制NP细胞血管生成和IVDD中发挥重要作用。

Klotho蛋白介导IVD的ECM代谢     ECM是IVD的重要组成部分，其中Ⅱ型胶原和蛋白聚糖可以维持NP水含量、抵抗并分散压力，发挥关键作用。ECM合成和降解酶的表达共同调控ECM稳态。在IVDD的过程中，ECM合成明显减少，炎症等多种因素能够增加ECM降解酶如MMPs和ADAMTS的表达，破坏ECM合成代谢和分解代谢之间的平衡，Ⅱ型胶原和蛋白聚糖含量下降，导致IVD正常结构破坏。Yi等对大鼠注射外源性Klotho蛋白，发现注射后NP组织的ECM分解代谢减少，促进了ECM修复。机制上，Rac1/PAK1/MMP-2在衰老的NP细胞中高表达。外源性Klotho抑制了Rac1蛋白、Rac1-GTP和p-PAK1的表达，通过抑制Rac1/PAK1/MMP-2信号通路，减少MMP-2的表达，保护ECM并延缓IVDD。Zhao等通过RNA测序发现，靶向递送Klotho后衰老NP祖细胞与ECM合成相关的基因上调，与ECM分解相关的基因下调。其中，MMP2、MMP10、MMP12、MMP13、ADAMTS5和ADAMTS7的基因表达下调，聚集蛋白聚糖表达显著上调。然而，Hiya⁃ma等发现Klotho表达抑制了NP细胞中聚集蛋白聚糖的合成和细胞增殖。原因可能是Klotho与其他信号通路存在相互作用、细胞来源不同、Klotho存在异构体等。可见Klotho蛋白通过调节ECM代谢酶的活性，介导IVD的ECM合成与分解代谢，其机制有待进一步探索。

Klotho蛋白介导IVD细胞衰老      IVDD的发展与细胞衰老紧密相连，衰老NP细胞数量在IVDD期间显著增加。衰老细胞及衰老相关分泌表型（SASP）通过多种机制干扰局部组织微环境，最终破坏IVD基质稳态。Klotho蛋白作为一种极具潜力的抗衰老分子，能够同时改善多个器官的年龄相关退行性变化，进而延长寿命。在IVDD中，Yi等的研究发现400pM的外源性Klotho可减少SASP蛋白产生和分泌，抑制NP细胞过度增殖，维持NP细胞表型和活力。沉默信息调节因子6（SIRT6）是一种组蛋白去乙酰化酶，在衰老相关退行性疾病模型中具有抗衰老和抗细胞凋亡作用。在IVDD进程中，SIRT6的表达水平显著下降，过表达SIRT6通过诱导自噬抑制NP细胞的衰老和凋亡。Zhao等通过纳米颗粒递送Klotho后，发现SIRT6显著上调，与NRF2和RNA聚合酶Ⅱ形成蛋白质复合物，促进NRF2与抗氧化反应元件（AREs）的结合，激活血红素加氧酶-1（HO-1）的转录，激发IVD的再生修复潜力。Klotho激活SIRT6/NRF2/HO-1信号通路保护NP祖细胞，使其避免衰老。然而，近期的一项研究对比了8周龄Klotho缺陷小鼠和野生型小鼠的腰IVD，发现两者在结构、形态和分子水平上均无显著差异。进一步分析显示，IVD细胞中未检测到Klotho基因的表达，Klotho突变不会加速小鼠IVD衰老。出现不同结论的原因可能是物种差异或用于分析Klotho表达的方法不同，未来有待进一步研究。

Klotho蛋白与IVDD的治疗

鉴于Klotho蛋白在IVDD中发挥抗氧化应激、调节ECM稳态、抗衰老的关键作用，Klotho蛋白可能是治疗IVDD的潜在靶点。近年来已有部分学者开展基于Klotho治疗IVDD的研究。Liu等利用NaB促进PPARγ乙酰化并激活转录，恢复了Klotho的活性，增强IVD抗氧化应激能力，延缓IVDD。Zhao等开发了一种靶向NP祖细胞的脂质胸腺嘧啶纳米颗粒（NT-LNP），有效地将KlothocircRNA引入以产生新表型，激发NP祖细胞的再生修复能力，诱导其分化为NP细胞，减轻IVDD。携带Klotho的纳米颗粒水凝胶通过协同作用重塑炎症环境，不仅逆转了IVD高度的下降，还维持了长期的组织水合，在延缓IVDD进程方面表现出优异的性能，并具有促进IVD再生的显著潜力。目前尚无Klotho蛋白应用于临床治疗IVDD的相关报道，其临床效果及生物安全性仍待进一步探索。

总结与展望

IVDD的发病率在全世界呈逐年上升的趋势，手术治疗只能减轻临床症状，有效的非手术治疗一直是研究热点。Klotho蛋白通过抑制氧化应激、抑制炎症、调节ECM稳态、抑制细胞衰老，在IVDD中发挥关键保护作用。Klotho蛋白相关靶向性治疗可能是处理IVDD的新方法。尽管现有研究揭示了其多种通路调控机制，但通路间的交互作用尚未完全阐明，机制深度和临床转化仍需进一步突破。目前研究多基于动物模型和体外细胞实验，缺乏人体组织样本验证和临床试验。外源性Klotho的长期疗效、最佳给药途径及潜在副作用尚未充分评估。未来研究应聚焦于多维度机制解析、机体验证、靶向递送，以推动Klotho蛋白成为IVDD的新型治疗策略。

来源：中国矫形外科杂志2026年4月第34卷第8期