《Spine Research》：Aggrecan remodeling in degenerate discs: Patterns, determinants, measurement, and emerging therapies
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本综述系统阐述了聚集蛋白聚糖（Aggrecan）在椎间盘退变（IVDD）中的核心作用，首次提出其四类修饰模式（CS/KS比率下降、核心蛋白酶解增加、核心蛋白表达降低及透明质酸降解加剧），并整合了上游驱动因素（如缺氧、代谢失调、炎症信号）。文章详述了传统与新兴检测技术（如gagCEST MRI、T2 mapping），并评述了当前再生（如抗炎、调节酸性微环境）与替代（如仿生材料）治疗策略的进展与局限，为理解IVDD病理机制及开发多靶点干预方案提供了重要见解。
摘要
聚集蛋白聚糖是髓核（NP）中水分保留的主要决定因素，也是椎间盘力学的核心调节者。本综述综合了关于椎间盘退变（IVDD）过程中聚集蛋白聚糖改变、相关上游驱动因素以及当前评估和治疗方法的最新证据。基于已发表文献，我们首次提出了退变过程中观察到的聚集蛋白聚糖修饰的全面四部分分类：（1）硫酸软骨素（CS）与硫酸角质素（KS）比率降低；（2）核心蛋白的酶促切割增加；（3）核心蛋白表达减少；（4）透明质酸（HA）降解加剧。这些变化共同导致退变椎间盘中固定电荷密度和渗透压的丧失、水含量降低以及组织力学性质改变。我们进一步首次整合了与这些聚集蛋白聚糖改变相关的上游驱动因素，将其系统化为一个集合，包括缺氧、伴有乳酸积累和酸中毒的代谢失调、炎性细胞因子信号传导以及渗透压失衡。在评估方面，我们概述了用于蛋白聚糖和糖胺聚糖（GAG）的传统生化/化学检测方法，并总结了新兴的读数方法，这些方法可推断聚集蛋白聚糖或GAG含量，并可能有助于早期评估。从治疗角度来看，当前的策略分为两大类。修复性方法试图减轻一个或多个修饰领域——最常见的是通过抗炎信号控制或基质降解酶调节——但通常针对单一靶点，可能无法解决退变的多因素性质。替代性方法旨在用模拟聚集蛋白聚糖的材料补充保水功能；尽管一些候选材料在体外复制了关键的生物物理特征，但在椎间盘模型中的体内验证仍然有限。总的来说，这些发现将聚集蛋白聚糖定位为理解IVDD和设计干预措施的分子和生物物理学锚点。未来的工作应优先考虑解决本文确定的汇聚驱动因素的多靶点修复策略，并支持聚集蛋白聚糖替代物的体内评估，以恢复髓核（NP）的渗透功能和基质稳态。
1. 引言
椎间盘退变（IVDD）是多因素的，但其定义性变化是髓核（NP）中的水分丢失。因此，本综述集中于NP微环境而非纤维环。尽管椎间盘细胞生物学、外科干预和影像学诊断已被深入研究，但细胞外基质（ECM）尽管对椎间盘力学具有关键影响，仍未得到充分探索。这一遗漏是重要的，因为ECM——特别是负责保水的成分——直接影响椎间盘的结构完整性和功能能力。
NP含有多种蛋白聚糖和胶原蛋白，各自扮演不同的角色——一些有助于组织修复，而另一些则参与信号传导。在这些成分中，聚集蛋白聚糖因其提供亲水性而成为保水最关键的因素，使NP能够维持其渗透压和负荷承载功能。尽管其具有根本重要性，聚集蛋白聚糖尚未受到与细胞或外科方法相同水平的科学审视，这阻碍了我们对IVDD潜在病理生理机制的理解。通过强调聚集蛋白聚糖在ECM中的核心地位，本综述旨在强调其在IVDD发生和发展中的关键作用，最终呼吁需要基于保护或增强聚集蛋白聚糖功能的更有针对性的研究和潜在治疗策略。
2. 椎间盘中聚集蛋白聚糖的组成
蛋白聚糖是由中央核心蛋白共价连接糖胺聚糖（GAG）链组成的复杂大分子。GAG是线性、异质性和硫酸化的多糖，其结构特征是由交替的糖醛酸和己糖胺残基组成的重复二糖单元。此外，聚集蛋白聚糖分子通过其球状结构域1与透明质酸（HA）相互作用，导致形成聚集的聚集蛋白聚糖复合物，这对它们的体内生物学功能至关重要。由于聚集蛋白聚糖的结构组织已在先前研究中得到全面阐明，我们将仅通过一个说明性图表再次强调其结构。
3. 聚集蛋白聚糖的关键功能：保水
聚集蛋白聚糖在椎间盘中的关键作用在于其吸引水分的能力。研究表明，NP含有极高的水含量，可达80.06%。如图所示，椎间盘中的水以两种形式存在：自由水和结合水。结合水与组织内蛋白聚糖和胶原蛋白的静电电荷相关，而自由水的量则由椎间盘环境中的渗透压和流体静压控制。
3.1. 聚集蛋白聚糖吸引的结合水
众所周知，GAG通过静电吸引水分子，在骨骼和关节组织中保留结合水方面起着关键作用。然而，在椎间盘中，与由渗透压调节的自由水相比，结合水的比例相对较小。
3.2. 聚集蛋白聚糖吸引的自由水
聚集蛋白聚糖中由硫酸软骨素（CS）和硫酸角质素（KS）驱动的负电荷不仅吸引结合水，还吸引阳离子，如钠离子和钾离子。这种吸引力增加了渗透压，从而有助于自由水的存在。另一个关键方面是，水合状态随着来自体重和肌肉活动的不同机械应力而波动。在夜间休息期间，应力相对较低，而在白天活动期间，应力可能显著升高。在高应力条件下，水从NP中被排出，导致暂时性脱水。然而，当夜间应力水平降低时，NP可以重新水合，因为水分子被蛋白聚糖重新吸引，恢复水合作用和椎间盘高度。这种动态相互作用强调了渗透压在促进水进出NP运动中的作用，这对营养运输和废物清除至关重要。
4. 退变NP中的聚集蛋白聚糖修饰
虽然先前的研究已经阐述了IVDD期间聚集蛋白聚糖的各种变化，但据我们所知，尚无现有综述系统总结这些改变。因此，目前我们对聚集蛋白聚糖退变的理解仍然是零散和不完整的。这一空白尤其重要，因为正如我们的综述所揭示的，尽管观察到了多种形式的聚集蛋白聚糖降解，但其潜在机制汇聚于有限数量的核心病理变化。认识这些关键改变对于开发旨在恢复聚集蛋白聚糖功能和改善NP完整性的靶向治疗策略至关重要。如图所示，呈现了椎间盘退变期间聚集蛋白聚糖修饰的四个方面。
4.1. CS/KS比率的下降
椎间盘依靠带负电荷的CS和KS来维持水含量。化学分析显示，GAG浓度梯度从外层纤维环向中央NP增加。然而，这种GAG含量随着年龄增长而减少，特别是在30岁以上的个体中，并且与IVDD的严重程度显著相关。Seyithano?lu等人的研究显示，根据Pfirrmann分级系统，IV级退变患者的KS水平和CS/KS比率显著高于III级患者，表明放射学退变程度增加与KS水平升高相关。
实际上，CS/KS比率指示了不同的生物学特性；例如，虽然NP和关节软骨中的聚集蛋白聚糖结构相似，但它们的CS/KS比率不同，这影响了它们的力学性能。出生时，聚集蛋白聚糖主要由CS组成，缺乏KS，但随着生长，KS的比例增加。随着人们年龄增长，KS的数量增加，而CS/KS比率下降，并且CS的链长缩短。这些变化可能与随着椎间盘变大且远离血管来源导致氧气供应减少有关，并因随时间推移的血管化丧失而加剧。证据表明，KS的增加是一种不情愿的补偿机制，以抵消与CS水平降低相关的负电荷下降。然而，这种替代是不充分的；虽然KS的量增加，但它无法完全恢复CSs提供的水合能力。结果，椎间盘面临水合能力的显著下降，导致IVDD。此外，研究支持由低氧诱导的KS增加与较差的椎间盘（IVD）功能相关。例如，CS/KS比率的下降，特别是在10岁左右时显著，与由于椎骨血管供应丧失导致的椎间盘营养和氧合恶化相对应。而极薄的椎间盘，如小鼠的椎间盘，完全缺乏KS，这支持了KS可能是在低氧条件下CS水平降低的补偿机制的假设。此外，较厚的组织，如角膜，表现出比薄组织更高的KS/CS比率，表明氧气可用性在影响GAG比率中的关键作用。
4.2. 核心蛋白酶解的增强
4.2.1. 椎间盘内参与聚集蛋白聚糖降解的关键酶和位点
聚集蛋白聚糖是一种蛋白聚糖，对蛋白水解降解表现出最小的内在抵抗力，因为大多数与其相互作用的蛋白酶倾向于靶向其一个或多个结构域，特别是球间结构域和GAG附着区域，如图所示。虽然许多蛋白酶在体外可以降解聚集蛋白聚糖，但只有有限的数量起重要作用。其中，基质金属蛋白酶（MMPs）和聚集蛋白聚糖酶是最重要的。已发现MMPs-1, -2, -3, -8, -9, 和 -13在椎间盘中的证据。聚集蛋白聚糖的降解也可能由第二类金属蛋白酶家族成员介导，即含有血小板反应蛋白基序的去整合素和金属蛋白酶（ADAMTS），特别是ADAMTS4和ADAMTS5。
4.2.2. MMPs和ADAMTS在核心蛋白切割时间和效率上的差异
虽然所有MMPs似乎都能够切割聚集蛋白聚糖，但它们在体外的切割速率差异很大。具体来说，MMP-3、MMP-7和MMP-12显示出最高的活性水平。然而，与聚集蛋白聚糖酶相比，MMPs的效率相对较低。例如，当比较MMP-3与ADAMTS5时，MMP-3在聚集蛋白聚糖的球间结构域和CS2区域的切割效率分别低约100倍和10倍。这突出了MMPs和聚集蛋白聚糖酶在聚集蛋白聚糖降解中有效性的显著差异。
在ADAMTS家族中，ADAMTS4和ADAMTS5是最活跃的聚集蛋白聚糖酶。体外研究表明ADAMTS5比ADAMTS4具有更大的酶活性，对聚集蛋白聚糖降解有显著贡献。值得注意的是，由MMPs产生的降解产物丰度的年龄相关性增加早于聚集蛋白聚糖酶衍生产品，而聚集蛋白聚糖酶衍生产品的水平在退变晚期更高。此外，聚集蛋白聚糖酶敲除小鼠模型并不能保护动物免受自发的年龄相关性IVDD，这与MMPs参与IVDD的概念一致。
4.2.3. 增强椎间盘中聚集蛋白聚糖酶促降解的促成因素
NP中聚集蛋白聚糖的加速降解是由炎性细胞因子、机械应力、缺氧和低渗透压共同驱动的。促炎细胞因子，即肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白介素-1（IL-1）的水平升高通常在退变椎间盘中被观察到。在IVDD和椎间盘突出期间，除了免疫细胞浸润外，常驻的NP和纤维环细胞产生高水平的细胞因子，如TNF-α和IL-1。重要的是，TNF-α和IL-1均上调NP细胞中的MMPs和聚集蛋白聚糖酶。此外，TNF-α/IL-1β通过核因子κB（NF-κB）上调NP细胞中的多配体蛋白聚糖-4（SDC4）。然后SDC4促进ADAMTS5介导的聚集蛋白聚糖切割，这通过SDC4敲低后细胞因子诱导的聚集蛋白聚糖新表位减少以及退变椎间盘中SDC4、ADAMTS5和聚集蛋白聚糖片段的平行增加得到证明。同时，NP细胞中TNF-α依赖性MMP-3诱导需要通过SDC4和肿瘤坏死因子受体1-丝裂原活化蛋白激酶-NF-κB轴的协同信号传导，而p38/ERK或NF-κB的药理学抑制，或稳定的SDC4沉默，会减弱这种反应。总之，SDC4作为一种细胞因子诱导的组织者，定位聚集蛋白聚糖酶并放大基质降解级联，从而在NP组织的炎症应激下促进聚集蛋白聚糖分解。
对IVD的过度机械负荷可诱导早期退行性变化，导致聚集蛋白聚糖降解产物的积累。这种降解与MMP活性密切相关，尤其是在退变早期。值得注意的是，MMP-3可以激活其他MMPs，产生级联效应，加速椎间盘退变。虽然MMPs和聚集蛋白聚糖酶都与退变相关，但一项研究表明，不利的机械力与MMP活性的关联比与聚集蛋白聚糖酶活性的关联更强。NP内的缺氧微环境促使细胞进行无氧代谢，导致乳酸积累。这种积累创造了酸性环境，有利于蛋白酶活性，促进ECM的进一步降解。虽然椎间盘细胞可能适应这些条件，但这些因素的存在增强了蛋白酶的作用。低渗透压在椎间盘退变中也起作用。例如，研究表明，将渗透压从300增加到500 mOsm/kg可增强蛋白聚糖表达，同时降低MMP-3 mRNA水平。这表明相对较高的渗透压可以促进ECM合成，而降低的渗透压可能通过降解酶水平增加导致加速的椎间盘退变。
4.3. 核心蛋白表达的下降
聚集蛋白聚糖在转录和翻译水平的下调与几种退变应激因素相关，包括乳酸诱导的酸中毒、不适当的机械应力和降低的渗透压。研究人员检查了不同退变阶段的人腰椎间盘纤维环和NP中聚集蛋白聚糖mRNA和蛋白质水平的关系，显示在NP中，聚集蛋白聚糖蛋白含量和mRNA表达水平随着退变程度的增加而逐渐降低。
首先，关于乳酸诱导的酸性环境，Ohshima和Urban探索了乳酸水平与椎间盘蛋白聚糖合成之间的关系。他们指出，椎间盘的无氧代谢导致椎间盘中心的乳酸浓度显著升高，达到血浆中水平的8到10倍，这导致了酸性环境。此外，他们进行了实验，测量了牛尾椎间盘和经皮髓核切除术获得的人椎间盘核中35S-硫酸盐和3H-脯氨酸的掺入率。他们的研究结果显示，乳酸水平增加可能导致蛋白聚糖合成速率下降，这最终可能导致蛋白聚糖含量减少并加速椎间盘退变。进一步，ACAN基因的表达受机械环境影响。研究证明，静态压缩负荷和负荷缺失都显示会减少椎间盘中的蛋白聚糖含量。在Hutton等人的研究中，使用线圈弹簧对狗的腰椎间盘施加高压缩力，显示压缩力增加与聚集蛋白聚糖减少相关。研究人员还研究了模拟失重的拉伸力对Sprague-Dawley大鼠腰椎间盘蛋白聚糖和胶原蛋白含量的影响。实验涉及尾部悬吊2或4周，显示4周尾部悬吊组的蛋白聚糖含量减少了35%，建立了蛋白聚糖含量减少与拉伸应力之间的明确联系，突出了低流体静压对IVDD的潜在影响。此外，研究人员在渗透压为300、400和500 mOsm/kg的培养培养基中对人和牛NP细胞进行了实验，观察到随着渗透压增加，蛋白聚糖的表达也升高。虽然关于NP细胞培养的最佳渗透压研究小组之间没有共识，但很明显，在一定范围内升高的渗透压促进了ECM成分的合成并支持NP细胞的功能。
4.4. 透明质酸降解加剧
研究表明，随着个体年龄增长和IVDD进展，NP中聚集的聚集蛋白聚糖比例逐渐减少，而单体聚集蛋白聚糖增加。在人类成人椎间盘中，存在大量的单体聚集蛋白聚糖；在6个月大的婴儿中，NP中约30%的聚集蛋白聚糖以聚集形式存在，但在成人中这一比例降至低至10%。这些单体或碎片形式的聚集蛋白聚糖被认为是聚集的聚集蛋白聚糖水解降解的结果，并由于其大小和结构而保留在椎间盘内。Roughley等人的研究证明，透明质酸（HA）的丧失与椎间盘组织功能障碍相关，其特征为脊索残余、软骨细胞增加、ECM减少和椎骨畸形——突出了HA在维持正常椎间盘功能中的重要作用。然而，聚集的聚集蛋白聚糖的数量和比例、负电荷和渗透压之间的关系需要进一步的定量研究。
椎间盘中HA的降解主要由于两个因素：酶促降解和
