椎間盤退變(intervertebral disc degeneration，IVDD)引起的腰痛是最常見的脊柱疾病[1]。有研究統(tǒng)計IVDD引起的腰痛影響著全球約80%的人口[2]，其也是導(dǎo)致20～50歲人群勞動能力受限的主要原因之一[3]。在美國，每年用于治療腰痛的花費高達5 000億美元[4]。隨著全球人口老齡化的到來，IVDD的發(fā)病率越來越高，嚴重影響人們的工作和日常生活，是一個嚴峻的社會經(jīng)濟問題[5]。IVDD發(fā)生是一個包括多種因素(如衰老、過度負重、外傷、吸煙、糖尿病、遺傳因素等)在內(nèi)的復(fù)雜的過程[6]，其退變機制目前仍尚不明確[7]。研究表明，酸性環(huán)境對椎間盤退變有著一定影響[8]。椎間盤細胞對于細胞外基質(zhì)酸性環(huán)境的變化非常敏感。在一定的酸性環(huán)境中，細胞外基質(zhì)的合成速率下降，降解速率上升[9]，如果長時間處于這種環(huán)境中，椎間盤細胞就會死亡[10]?，F(xiàn)就椎間盤細胞如何感知細胞外酸性環(huán)境變化從而發(fā)生椎間盤退變的相關(guān)研究進展綜述如下。

　　1．椎間盤組織酸性環(huán)境的成因：正常椎間盤組織的pH值范圍為7.0～7.2[11]，在嚴重退變的椎間盤組織中pH值可以下降到6.5，甚至有報道在人類退變椎間盤的手術(shù)標本中pH值下降達到5.5[12,13]。椎間盤組織中酸性環(huán)境的形成，主要由以下3個方面因素：(1)椎間盤位于兩個椎體之間，由髓核、纖維環(huán)和終板軟骨3部分構(gòu)成。髓核細胞是類軟骨細胞，細胞外基質(zhì)以蛋白多糖和Ⅱ型膠原為主；纖維環(huán)細胞是類成纖維細胞，細胞基質(zhì)以Ⅰ型膠原為主，含少量的蛋白聚糖和Ⅱ型膠原。椎間盤為人體最大的無血管組織，其能量代謝主要依靠糖酵解[14]，乳酸為糖酵解重要的代謝產(chǎn)物，因此，在正常椎間盤內(nèi)就存在酸性微環(huán)境。在椎間盤退變過程中，隨著終板滲透性的降低，葡萄糖和氧的供給減少，代謝產(chǎn)物乳酸堆積，導(dǎo)致椎間盤內(nèi)組織微環(huán)境變得更加惡劣，其pH值進一步下降[15]。(2)組織在合成硫酸化氨基葡聚糖鏈時，同時會有大量的COO－和SO42－存在于機體中，這就使組織攜帶了特定的高電位負電荷。這些負電荷能夠吸引Na＋、K＋及H＋。因此，軟骨樣基質(zhì)中的H＋含量總是會比周圍組織高，其pH值也比周圍的血清及滑膜液平均低0.5個單位[16]。此外，椎間盤常常處于各種類型的負荷之下，椎間盤中大約有20%～25%的液體會隨著負荷不斷地擠出和重吸收。當椎間盤中的液體被擠出時，蛋白多糖的濃度隨之升高，這必然會增加特定負電荷的密度及H＋的濃度，最終升高了組織的酸性程度[17]。(3)細胞本身的排酸機制，也會對細胞外基質(zhì)的酸性環(huán)境產(chǎn)生影響。細胞外酸性環(huán)境是椎間盤基質(zhì)代謝的重要決定因素，其可能通過細胞內(nèi)pH值的變化而發(fā)揮作用。椎間盤細胞內(nèi)存在一定數(shù)量具有排酸功能的Na＋-H＋交換體。它在排酸的同時也就降低了周圍組織的pH值[18]。

　　2．酸性環(huán)境對椎間盤基質(zhì)及細胞的影響；酸性環(huán)境對椎間盤基質(zhì)的合成代謝以及分解代謝都起著重要的作用。在pH值6.9～7.2時，人椎間盤的35S硫酸鹽和3H-脯氨酸結(jié)合率最大，比pH值7.4時的結(jié)合率高40%～50%。在pH值6.8時，結(jié)合率急劇下降，并且硫酸鹽的下降比例比脯氨酸的下降比例更為明顯。在pH值為6.3時，硫酸鹽的結(jié)合率約為pH值7.4時的20%，這表明酸性環(huán)境可導(dǎo)致椎間盤內(nèi)蛋白多糖合成速率下降，最終導(dǎo)致蛋白多糖含量下降和椎間盤退變[9]。在pH值6.4時，金屬蛋白酶組織抑制劑(matrix metalloproteinases hibitors，TIMPs)的含量下降了近90%，然而基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)下降卻不明顯，這表明酸性環(huán)境不能有效地阻止椎間盤細胞分解代謝[11]。在正常pH值條件下，轉(zhuǎn)化生長因子β(transforming growth factor beta，TGF-β)能夠顯著增加氨基葡聚糖的合成，但隨著椎間盤內(nèi)pH值的下降，TGF-β的刺激氨基葡聚糖合成作用就消失了[19]。Wuertz等[20]研究認為，酸性環(huán)境會顯著抑制椎間盤內(nèi)間充質(zhì)干細胞基質(zhì)蛋白的基因表達(成熟細胞為3倍，年輕細胞為4倍)，但抑制Ⅰ型膠原基因表達的作用卻不明顯。同時，酸性環(huán)境明顯地抑制了間充質(zhì)干細胞的增殖(成熟細胞及年輕細胞均為2倍)，通過熒光染色發(fā)現(xiàn)，酸性環(huán)境還會減少椎間盤細胞的數(shù)量。酸性環(huán)境是影響間充質(zhì)干細胞生物合成和增殖的關(guān)鍵因素，隨著椎間盤的退變，椎間盤中的酸性環(huán)境會進一步加劇，這就使椎間盤的內(nèi)環(huán)境變得更加不利于間充質(zhì)干細胞修復(fù)損傷的椎間盤。隨著椎間盤內(nèi)酸化程度的增加，人髓核細胞內(nèi)白細胞介素(IL)-1β低水平活化與炎性細胞活性降低相一致，這表明酸性刺激并未觸發(fā)IL-1β介導(dǎo)的炎癥[21]。Guehring等[22]研究發(fā)現(xiàn)，相對于軟骨樣成熟髓核細胞，椎間盤中的脊索細胞更易受到pH值的影響。在酸環(huán)境中，脊索細胞的糖酵解速率顯著增強。

　　3．酸性靶點通道：Ludwig等[23]報道稱為質(zhì)子感知受體(proton-sensing receptor)的卵巢癌G蛋白偶聯(lián)受體1(ovarian cancer G protein-coupled Receptor 1，OGR1)及G蛋白偶聯(lián)受體4(GPR4)受體，在學(xué)術(shù)界引起反響。Murakami和Okajima兩個研究小組分別報道了誘導(dǎo)細胞停滯于G2/M期的G蛋白偶聯(lián)受體(G2A)和T細胞死亡偶聯(lián)基因8 (TDAG8 )為質(zhì)子感知受體[24,25]。OGR1、GPR4、G2A及TDAG8 4個質(zhì)子感知受體統(tǒng)稱為OGR1亞家族受體，其中，GPR4和TDAG8對H＋敏感性最強，而OGR1和G2A對H＋敏感性較弱。OGR1亞家族受體在體內(nèi)分布廣泛，介導(dǎo)細胞內(nèi)多種信號通路的傳遞作用，并參與腫瘤發(fā)生、炎癥反應(yīng)及骨代謝等一系列疾病的病理生理過程[26,27,28]。近來還有研究表明，SD大鼠椎間盤終板軟骨細胞表達OGR1，G2A及TDAG8質(zhì)子感知受體3個亞家族成員，而細胞外酸化(pH6.4)明顯升高OGR1的表達，通過介導(dǎo)Ca水平進一步激活Ca敏感的蛋白酶和下游信號Bid、Bad、Caspase-3、PARP和Caspase-3信號通路，導(dǎo)致椎間盤終板軟骨細胞凋亡[29]。在一些炎性疾病中，pH值降低可促進OGR1的進一步表達，研究發(fā)現(xiàn)在缺氧、低pH值條件下，HIF-1α可與OGR1的啟動子相結(jié)合，從而對OGR1的激活產(chǎn)生正向調(diào)節(jié)[30]。G2A與細胞周期、增殖、免疫密切相關(guān)。酸性環(huán)境下，G2A可以通過G13-Rho信號通路發(fā)揮作用[31]。在pH值7.6時，G2A的瞬時表達，可顯著活化zif 268啟動子和磷酸肌醇(IP)積累，并且隨著pH的降低，G2A的表達可進一步增強[24]。在HEK293細胞中，酸性環(huán)境可使GPR4和TDAG8過表達，導(dǎo)致SRE-和CRE-驅(qū)動啟動子的轉(zhuǎn)錄激活，這對腫瘤細胞的促進和形成具有重要作用[32]。酸性環(huán)境下，TDAG8可增強炎性細胞的活性，缺乏TDAG8可加速相關(guān)疾病的退變[33]。

　　Krishtal等[34]在神經(jīng)元上首次記錄到了一種被H＋激活的陽離子電流，推測細胞膜上可能存在質(zhì)子受體，但一直無法證實。Waldmann等[35]克隆了第一個被酸激活的通道蛋白，將其命名為酸敏感離子通道(acid-sensing ion channels, ASICs)的亞基，開啟了研究的新紀元。ASICs是一類H＋門控非電壓敏感離子通道，屬于阿米洛利敏感退化/上皮Na＋通道超家族成員[36]。目前為止，已克隆了由4個基因編碼的6個ASICs亞基：ASIC1a、ASIC1b、ASIC2a、ASIC2b、ASIC3、ASIC4[37]。其中，ASIC3對H＋的敏感度最高，而ASIC1a與ASIC1b居中，ASIC2a與ASIC2b為最低。ASIC1a、ASIC2a廣泛表達于中樞神經(jīng)系統(tǒng)和外周神經(jīng)系統(tǒng)；ASIC1b、ASIC2b和ASIC4則以外周神經(jīng)系統(tǒng)表達為主；ASIC3主要表達于外周傷害感受神經(jīng)元上感受冷熱、疼痛等外周傷害性刺激。最新研究發(fā)現(xiàn)，ASICs各亞基在骨、軟骨及椎間盤等非神經(jīng)組織也均有表達并發(fā)揮重要生理病理功能[38,39,40]。前期研究發(fā)現(xiàn)，ASICs與椎間盤退變有著密切關(guān)系[41]。Cuesta等[42]在人正常椎間盤中均檢測到ASIC1, ASIC2, ASIC3和ASIC4表達，而人退變椎間盤中，ASIC1, ASIC2, ASIC3和ASIC4表達水平均明顯升高。在人正常椎間盤的髓核細胞和纖維環(huán)細胞中，最常表達的是ASIC2，隨后是ASIC3，ASIC1和ASIC4。而在退變的纖維環(huán)細胞中，ASIC1和ASIC4表達顯著增加，而在退變髓核細胞中，ASIC1，ASIC2和ASIC3的表達顯著增加。細胞外酸性環(huán)境，可以導(dǎo)致椎間盤終板軟骨細胞蛋白聚糖，Ⅱ型膠原表達降低，而MMP-1，MMP-9和MMP-13表達及活性增加，但ASIC1a siRNA可阻斷這些效應(yīng)，同時其也可阻斷P65核水平磷酸化和IκBα胞質(zhì)水平磷酸化，這表明酸性環(huán)境下，ASIC1a通過調(diào)節(jié)NF-κB轉(zhuǎn)錄活性而參與椎間盤終板軟骨細胞代謝[43]。椎間盤軟骨細胞中的ASIC1a激活還可觸發(fā)Ca2＋依賴性蛋白酶活性和信號傳導(dǎo)，最終導(dǎo)致椎間盤終板軟骨細胞的凋亡[44]。還有研究表明，人正常椎間盤中也存在ASIC2和TrkB，并且在退變椎間盤中發(fā)現(xiàn)其表達顯著增加，這表明ASIC2和TrkB可能參與了椎間盤退變[45]。酸性環(huán)境可以引起髓核細胞中ASIC3的表達增加，而阻斷ASIC3后，髓核細胞的分解代謝和退變受到抑制[8]。此外，ASIC3還參與椎間盤退變引起的疼痛[46]。

　　瞬時受體電位通道(TRP)是一種非電壓依賴性陽離子通道，廣泛表達于多種哺乳動物的多種組織中，并參與多種重要的生理功能，包括肌肉收縮、遞質(zhì)釋放、細胞增殖、細胞分化、基因轉(zhuǎn)錄、細胞凋亡及細胞死亡等[47]。根據(jù)其編碼氨基酸序列的不同，可將TRP基因超家族分為7個不同的亞家族：TRPC，TRPM，TRPV，TRPA，TRPP，TRPML及TRPN[48]。研究發(fā)現(xiàn)，TRP可通過Ca2＋相關(guān)的下游通路介導(dǎo)多巴胺神經(jīng)元細胞死亡，從而導(dǎo)致神經(jīng)元退行性病變[49]。鋅指蛋白ZBTB20可調(diào)節(jié)TRP通道的表達，ZBTB20的破壞可導(dǎo)致TRPV1、TRPA1、TRPM8的表達以及Ca內(nèi)流水平顯著降低[50]。在TRP家族成員中，TRPV1是一種Ca滲透通道，已被廣泛研究并且僅在嚴重酸中毒pH值低于6.0時被激活[51]。有研究顯示，TRPV1可能和椎間盤內(nèi)的炎癥和灼痛有關(guān)[52]。TRPV1的激活可增加NaV1.8活性，這對于酸誘導(dǎo)的慢性廣泛肌肉疼痛中持續(xù)痛覺過敏的形成是至關(guān)重要的[53]。膠原誘導(dǎo)關(guān)節(jié)炎大鼠的初級滑膜細胞中存在TRPV1的表達，在pH為5.5～7.4時，可通過TRPV1介導(dǎo)的Ca內(nèi)流和ROS的產(chǎn)生誘導(dǎo)細胞死亡。而在類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎模型中發(fā)現(xiàn)，在pH為6.8～7.4時，細胞外酸化可通過減弱TRPV1的活性來抑制辣椒素誘導(dǎo)的Ca內(nèi)流，同時可以觸發(fā)與PLC相關(guān)的Ca釋放；在pH值6.8時，可產(chǎn)生與PLC活化有關(guān)的NF-κB核易位，但辣椒素誘發(fā)的大量ROS產(chǎn)生和細胞死亡受到抑制，這些結(jié)果表明，中度細胞外酸化可通過調(diào)節(jié)Ca內(nèi)流，激活NF-κB核移位和抑制ROS產(chǎn)生來抑制辣椒素誘導(dǎo)的滑膜細胞死亡[54]。牛椎間盤中表達TRPV4，且其表達和腫瘤壞死因子α(TNFα)相關(guān)，TRPV4激活后可以增加Ca內(nèi)流，并可促進椎間盤細胞中白細胞介素-1β(IL-1β)和IL-6的基因表達，最終導(dǎo)致椎間盤退變[55]。

　　IVDD是椎間盤突出的前提和基礎(chǔ)。椎間盤退變→纖維環(huán)破裂、髓核突出→接觸周圍脊髓或神經(jīng)根→周圍微環(huán)境的改變→腰腿痛，是該類疾病大體的演變過程。IVDD引起的臨床癥狀不僅給患者帶來巨大的痛苦，也給家庭和社會帶來了沉重的經(jīng)濟負擔[56]。酸性環(huán)境與椎間盤退變的關(guān)系是一個非常復(fù)雜的問題，酸性靶點通道的發(fā)現(xiàn)，為我們治療IVDD提供了新的視角，具有潛在的科研價值和臨床意義。酸性環(huán)境在椎間盤退變中所起的作用正逐漸被人們所認知，椎間盤局部環(huán)境的改變加速了其退變的過程，而退變本身又會進一步加劇椎間盤內(nèi)的酸性環(huán)境。如何維持椎間盤內(nèi)酸性環(huán)境的穩(wěn)定，明確酸性環(huán)境在椎間盤退變過程中的具體分子機制以及如何通過調(diào)控椎間盤中的酸性環(huán)境來達到治療椎間盤退變，是值得我們進一步研究的新課題。