引用本文： 劉洋, 劉浩, 孟陽, 張亮. 椎間盤內源性修復策略的研究進展. 中國修復重建外科雜志, 2021, 35(5): 636-641. doi: 10.7507/1002-1892.202012070 復制
頸腰痛目前已成為全球范圍內骨科中老年患者就診和致殘的主要原因[1-2]。盡管病因尚不明確，但其發生和發展均與椎間盤退變密切相關。目前臨床常用的保守治療方法多以緩解疼痛為目的，手術治療存在鄰近節段退變加速的可能，且二者均不能從根本上解決椎間盤退變問題[3-4]。近年，以移植 MSCs 為主要方式的細胞治療雖能減緩甚至逆轉椎間盤退變[5-6]，但是存在治療時效短、異位骨化、免疫反應及腫瘤發生等缺陷[7-8]。因此，尋求一種新的椎間盤退變治療策略具有重要意義。
“干細胞 Niche”概念由 Schofield 首次提出，即由細胞外基質和其他能夠調控干細胞功能的非細胞物質組成的一個特殊解剖結構[9-10]。隨后，研究發現在皮膚、骨髓、神經和消化系統等各種組織和器官中均存在干細胞 Niche[11-14]，椎間盤的干細胞 Niche 位于鄰近骨板和外層纖維環的軟骨膜區[15]，這為內源性修復策略用于治療退變椎間盤奠定了理論依據，該修復策略旨在促進源自椎間盤干細胞 Niche 的干/祖細胞增殖分化。現回顧涉及椎間盤內源性修復概念的相關文獻，就該修復策略特點、現狀及應用前景綜述如下。
1 椎間盤內源性修復策略的細胞來源
髓核（nucleus pulposus，NP）細胞由脊索細胞（notochordal cells，NTC）和髓核樣細胞（nucleopulpocytes，NPCy）組成。其中，NTC 主要負責維持椎間盤穩態并促進其生長和發育，NPCy 在細胞外基質合成和分泌中扮演著重要角色[16]。但是，NTC 通常只存在于年輕和健康椎間盤中，并隨著椎間盤的衰老逐漸減少。因此，其他內源性干/祖細胞可能有助于在退變椎間盤中激活內源性修復程序。Risbud 等[17]首先在人退變 NP 和纖維環（annulus fibrosus，AF）中獲得具有 BMSCs 特點以及成骨、成脂和成軟骨分化能力的 MSCs。后續研究發現來自 NP 的 MSCs 能夠更好地耐受退變椎間盤微環境，并且和其他來源 MSCs 相比，具有更好的增殖能力和細胞活力[18-20]。同時，我們前期實驗發現這種細胞的活力和特性會因椎間盤退變加重而受損[21]。除此之外，在 AF 和軟骨終板（cartilaginous endplates，CEP）中也發現了干/祖細胞[22-24]。
綜上，這些研究結果顯示干/祖細胞可能從椎間盤的干細胞 Niche 中遷移至 NP、AF 和 CEP。因此，內源性修復的關鍵是提高組織中干/祖細胞的活力，或者促進其從干細胞 Niche 向需修復的組織遷移。
2 椎間盤干/祖細胞的特點
2.1 干/祖細胞表面標志物
椎間盤干/祖細胞包括 NP、AF 和 CEP 來源的 MSCs（NP-MSCs、AF-MSCs、CEP-MSCs），傳代后呈梭形貼壁生長[21]。根據國際細胞治療協會（ISCT）制定標準，多數 NP-MSCs、AF-MSCs 和 CEP-MSCs 陽性表達包括 CD73、CD90 及 CD105 在內的 MSCs 樣表面標志物，不表達 CD34、CD45 和 HLA-DR[25]。此外，許多研究發現可以從人[26]、大鼠[27-29]、兔[30]和犬的椎間盤中分離得到 NP-MSCs，除了犬 NP-MSCs 外，其余 NP-MSCs 均陽性表達 CD29 和 CD44。
同樣，在退變和正常椎間盤 NP-MSCs 中均可檢測到 CD13 及 CD24，其中 CD13 于粒細胞中頻繁表達，CD24 與 B 細胞增殖及分化密切相關[31-32]。此外，Jia 等[30]的研究指出兔 NP-MSCs 不僅 CD14 表達呈陰性，CD4 和 CD8 表達也呈陰性，既往研究中均未報道類似結果。
2.2 干/祖性基因
除了細胞表面標志物，干/祖性基因被視為定義椎間盤來源 MSCs 的另一個標準，特別是在 NP 細胞中。在多能細胞正常發育和干性維持中，轉錄因子 Nanog、Oct4 和 Sox2 起著至關重要作用，常被用來評估 NP-MSCs 的干性能力[19, 21, 33]。另外，研究表明 Notch 信號通路及其配體 Jagged 對人 BMSCs 和 NP-MSCs 的細胞功能和分化起關鍵作用[25, 34-35]。此外，我們前期研究證明了增殖細胞核抗原、CD166 和 C-KIT 也可作為 NP-MSCs 的干性標志，并且其表達隨著髓核組織的衰老而下降[21, 36]。值得注意的是，Li 等[37]及 Tekari 等[38]的研究證明，在添加 FGF-2 或低氧條件下，可以維持 Tie2+ 的 NP 來源祖細胞單層培養長達 7 d。因此，結合 Tie 分類方法可能是獲取 NP-MSCs 的新方向。
2.3 多系分化潛能
目前，已有許多研究證實 NP-MSCs、AF-MSCs 和 CEP-MSCs 具有成骨、成脂及成軟骨分化的能力[25-27, 37, 39-44]。Liu 等[45]通過比較 NP-MSCs、AF-MSCs 和 CEP-MSCs 的生物學特點，發現它們具有相似的多系分化能力，其中 CEP-MSCs 具有最佳的遷移和侵襲力。此外，Wang 等[41]的研究證實 CEP-MSCs 具有更強的成骨和成軟骨分化能力。因此，CEP-MSCs 可能是細胞治療和內源性修復更理想的細胞來源。
NP-MSCs 是另一種重要的細胞來源。與其他 MSCs 相比，NP-MSCs 在分化能力上表現出不同的優缺點。研究表明，NP-MSCs 在擁有和骨髓來源及脂肪來源 MSCs 相似修復能力的基礎上，還具有相同或更好的軟骨形成能力[18, 37]。但是在 Blanco 等[18]及 Wang 等[41]的研究中，NP-MSCs 表現出更弱的多系分化能力并且不能分化為脂肪細胞。除了具有成骨、成脂及成軟骨分化能力外，NP-MSCs 還被證實無論在體內還是體外均可以向神經系統細胞分化，然而這種分化潛能還需和其他 MSCs 進一步比較[31, 46]。此外，Wu 等[26]發現與臍帶來源 MSCs 相比，來源于退變 NP 組織的 MSCs 表現出更低的分化潛能。綜上，雖然 NP-MSCs 具有多向分化潛能，但是這種能力會隨著椎間盤退變而受到一定損害。
3 椎間盤內源性修復策略研究現狀
椎間盤中雖然存在干細胞 Niche 和干/祖細胞，但椎間盤退變和修復失敗仍會發生，分析是以下原因導致內源性修復失敗。首先，隨著椎間盤的衰老及退變，椎間盤中或干細胞 Niche 內的干/祖細胞可能因發育、衰老及修復而消耗殆盡，導致其數量無法繼續支持內源性修復。其次，椎間盤退變的發生可能在一定程度上摧毀了從干細胞 Niche 到需要修復的 NP 和 AF 組織之間潛在的細胞遷移路徑，導致內源性修復無法繼續完成。最后，低 pH 值[25]、炎癥[28, 39]、壓力[42]、高糖[32, 47]、氧化應激[48]、低氧[49]及營養供應減少[50]在內的極端微環境，可能進一步損害了椎間盤干/祖細胞的生物學性能，并限制其增殖及分化。因此，尋求解決這些問題的方法可能是避免內源性修復失效的首要任務。
3.1 提高椎間盤干/祖細胞的生物學性能
一個簡單、有效的椎間盤內源性修復策略是減少各種原因導致的椎間盤干/祖細胞凋亡和衰老，或者直接增加這些細胞的活力并促進其分化。生長環境中正常 pH 值是維持細胞功能和穩態的必需條件，過度酸性微環境可能抑制細胞增殖，同時導致細胞凋亡和基質代謝紊亂的發生[51]。Liu 等[25]發現阿米洛利（Amiloride）可以提高 NP-MSCs 的生物學性能，延緩并治療椎間盤退變。除了酸性微環境，炎癥同樣可以通過一些細胞因子誘導椎間盤退變的發生[39]。Cheng 等[28]研究發現低濃度（0.1～10.0 ng/mL）TNF-α 可以促進 NP-MSCs 的增殖和遷移能力，但抑制其向 NP 細胞的分化，而高濃度（50～200 ng/mL）TNF-α 會誘導 NP-MSCs 發生凋亡，這表明某些炎癥因子在椎間盤退變過程中可能扮演著雙重角色。另外，富血小板血漿或含白細胞的富血小板血漿以及富含 NTC 的 NP 外植體，可減輕炎癥造成的椎間盤退變以及椎間盤內 NP-MSCs 凋亡和功能障礙[30, 39]。
除炎癥因子外，某些細胞因子也在椎間盤內源性修復中具有重要作用。Tao 等[52]發現聯合應用 TGF 和 IGF-1 可以通過 MAPK/ERK 信號通路增強 NP-MSCs 活力及細胞外基質合成，同時促進其向 NP 細胞分化。此外，Ying 等[53]研究發現基質細胞衍生因子 1α（stromal cell-derived factor 1α，SDF-1α）可能通過 SDF-1/CXCR4 趨化信號，促進 NP-MSCs 的募集和軟骨分化，從而促進椎間盤再生。
同樣，由線粒體功能障礙引起的氧化應激在椎間盤退變中也起著重要作用[54]。我們前期研究[55]和其他相關研究[48]表明，如環孢素和柚皮苷等藥物能夠緩解線粒體功能障礙和氧化應激，從而治療椎間盤退變。此外，Chen 等[56]發現 NP-MSCs 受到氧化應激時，血紅素氧合酶 1（heme oxygenase 1，HO-1）的表達呈早期升高、后期降低的趨勢，而通過促進 HO-1 的表達可介導 NP-MSCs 發生自噬，并部分逆轉 NP-MSCs 的氧化損傷。除了酸性微環境、炎癥、細胞因子及氧化應激等因素外，椎間盤壓力負荷同樣可以抑制椎間盤干/祖細胞的生物學性能，包括細胞活力、分化、集落形成和遷移能力，進而導致椎間盤內源性修復失敗[42]。He 等[57]通過體內及體外實驗證實了缺氧誘導因子 1α 可以通過提高細胞自噬水平，減少過度機械負荷誘導的 NP-MSCs 凋亡，提示恢復缺氧和調控自噬對維持內源性修復和延緩椎間盤退變至關重要。此外，有研究發現抑制熱休克蛋白 90 可減輕因 RIPK1/RIPK3/MLKL 通路介導的壓力負荷誘發的 NP-MSCs 死亡，從而挽救 NP 組織的內源性修復能力[58-59]。
目前，該策略相關研究多數集中于體外實驗，探究不同培養條件、細胞因子及藥物等因素對椎間盤干/祖細胞生物學性能的影響，以促進細胞增殖、遷移趨化能力，抑制細胞凋亡，調控功能障礙，促進內源性干/祖細胞募集及對抗不良椎間盤退變微環境為主要目的。雖然該策略目前取得了不錯的研究成果，但是仍面臨許多問題及挑戰，比如如何確保相關因子或藥物準確到達作用靶點、能否持續維持最佳有效濃度、能否在體內產生明顯表型等，需進一步完成相關體內實驗加以驗證和解決。
3.2 補充椎間盤干/祖細胞
另一種椎間盤內源性修復策略是直接補充椎間盤干/祖細胞。多個臨床前和臨床研究表明注射聯合或不聯合生物材料的 MSCs 或類 MSCs 可以緩解椎間盤退變[16, 60]。我們近期研究也證實可注射水凝膠負載的 NP-MSCs 顯著延緩椎間盤退變[61]。這種直接給予椎間盤干/祖細胞的策略簡單有效，能夠補充退變椎間盤中消耗的干/祖細胞，為椎間盤內源性修復的啟動提供細胞基礎。由于這種方法涉及到細胞的體外擴增和保存，因此找到有利于細胞體外擴增和保存的技術尤為關鍵。Lin 等[29]的研究表明，與中平板密度（100 個/cm2）、高平板密度（10 000 個/cm2）接種的 NP-MSCs 相比，低平板密度（5 個/cm2）接種的 NP-MSCs 具有更好的生物學性能、更強的多系分化能力和更高的干性標志物表達，表明有限稀釋法是分離 NP-MSCs 的更好方法。此外，冷凍保存 NP-MSCs 可以有效延長細胞的應用壽命。但目前最常用的冷凍保護劑 DMSO 被證實可能具有細胞毒性[62]。Chen 等[44]研究發現，在常規細胞冷凍劑中添加抗氧化劑淫羊藿苷可以提高凍存的人 NP-MSCs 活力和功能，這為內源性修復提供了保存椎間盤干/祖細胞的新方法。
該策略的另一個關鍵問題在于椎間盤干/祖細胞的來源。首先，如果使用自體椎間盤干/祖細胞，那么受試者需要經過兩次有創操作來獲取和移植干/祖細胞。其次，椎間盤干/祖細胞應該取自健康、退變程度較輕的椎間盤，而受試者的椎間盤很難滿足上述條件，若細胞來自退變椎間盤，則可能降低治療效果。最后，年輕志愿者捐獻的椎間盤干/祖細胞可能是更優的種子細胞，但存在倫理及同種異體細胞免疫排斥反應等問題。
3.3 生物材料及小分子化合物刺激椎間盤內源性修復
隨著生物工程技術的發展，越來越多生物材料及小分子化合物被不斷發掘，并用于人體各部位的組織修復與重建。其中，以水凝膠等聚合物為首的一系列生物材料被直接應用或作為載體參與椎間盤內源性修復[63]。Benz 等[64]研究表明綿羊椎間盤損傷 6 個月后可自行痊愈，而結合內源性細胞的水凝膠可以增強椎間盤內源性修復過程。Xu 等[65]研究采用膠原水解明膠和甲基丙烯酸酯組成的光敏水凝膠材料包裹 NP 細胞，以促進 NP 組織再生，為椎間盤組織工程和內源性修復奠定了新的材料基礎和治療方向。
除生物材料外，一些小分子化合物在激活椎間盤內源性修復過程中同樣扮演了重要角色。Frapin 等[66]開發了一種基于支鏈淀粉磁珠傳遞系統，該系統可持續釋放趨化因子 CCL-5，并招募椎間盤干/祖細胞進入 NP 組織，而后者能夠釋放 TGF-β1 及生長分化因子 5 誘導富含Ⅱ型膠原和蛋白多糖的細胞外基質合成，從而達到椎間盤內源性修復的目的。隨著越來越多生物材料被發掘以及組織工程技術不斷進步，結合生物材料或小分子化合物的策略有望成為有效并且安全的椎間盤退變內源性修復手段。
4 總結及展望
基于干細胞 Niche 概念、以椎間盤干/祖細胞為核心的內源性修復策略為椎間盤退變治療提供了新思路。這些源于 NP、AF 和 CEP 的干/祖細胞多表達 MSCs 表面標志物以及 Nanog、Oct4 和 Sox2 等干性相關基因，并能向骨、脂肪、軟骨及神經系統細胞分化。椎間盤內源性修復策略可延緩甚至逆轉椎間盤退變進程，具有保守治療、外科手術及基因干預等方法不具備的優點，具有更廣闊的臨床應用前景，特別適用于椎間盤退變早期或椎間盤源性疼痛的患者。
然而，干細胞內源性修復仍然面臨一些挑戰，比如椎間盤干/祖細胞的消耗、遷移途徑的破壞、各種原因導致的退變椎間盤內惡劣的微環境。因此，目前研究首要任務是尋找能克服這些障礙的方法，促進內源性修復進程，包括減少由退變不良微環境造成的細胞凋亡、衰老和死亡，直接供應椎間盤干/祖細胞或是結合新型生物材料及小分子化合物等。雖然這些方法已證實有利于椎間盤退變的內源性修復，但是仍處于臨床前階段，需要進一步研究。這些研究應該注重于體內實驗及臨床轉化，特別是以下幾個方面：① 探究如何促進椎間盤干細胞 Niche 中干/祖細胞的動員和遷移；② 尋找可以持續對抗退變不良微環境或能夠增強內源性椎間盤干/祖細胞生物學性能的因子或藥物；③ 發掘新型生物材料或小分子化合物，使其成為更優的可應用于內源性修復的載體，或能夠直接作用于椎間盤，啟動或加速椎間盤內源性修復進程。
作者貢獻：劉洋負責綜述構思及設計、文章撰寫；劉浩、張亮負責觀點形成；孟陽負責資料收集。
利益沖突：所有作者聲明，在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。經費支持沒有影響文章觀點及其報道。
頸腰痛目前已成為全球范圍內骨科中老年患者就診和致殘的主要原因[1-2]。盡管病因尚不明確，但其發生和發展均與椎間盤退變密切相關。目前臨床常用的保守治療方法多以緩解疼痛為目的，手術治療存在鄰近節段退變加速的可能，且二者均不能從根本上解決椎間盤退變問題[3-4]。近年，以移植 MSCs 為主要方式的細胞治療雖能減緩甚至逆轉椎間盤退變[5-6]，但是存在治療時效短、異位骨化、免疫反應及腫瘤發生等缺陷[7-8]。因此，尋求一種新的椎間盤退變治療策略具有重要意義。
“干細胞 Niche”概念由 Schofield 首次提出，即由細胞外基質和其他能夠調控干細胞功能的非細胞物質組成的一個特殊解剖結構[9-10]。隨后，研究發現在皮膚、骨髓、神經和消化系統等各種組織和器官中均存在干細胞 Niche[11-14]，椎間盤的干細胞 Niche 位于鄰近骨板和外層纖維環的軟骨膜區[15]，這為內源性修復策略用于治療退變椎間盤奠定了理論依據，該修復策略旨在促進源自椎間盤干細胞 Niche 的干/祖細胞增殖分化。現回顧涉及椎間盤內源性修復概念的相關文獻，就該修復策略特點、現狀及應用前景綜述如下。
1 椎間盤內源性修復策略的細胞來源
髓核（nucleus pulposus，NP）細胞由脊索細胞（notochordal cells，NTC）和髓核樣細胞（nucleopulpocytes，NPCy）組成。其中，NTC 主要負責維持椎間盤穩態并促進其生長和發育，NPCy 在細胞外基質合成和分泌中扮演著重要角色[16]。但是，NTC 通常只存在于年輕和健康椎間盤中，并隨著椎間盤的衰老逐漸減少。因此，其他內源性干/祖細胞可能有助于在退變椎間盤中激活內源性修復程序。Risbud 等[17]首先在人退變 NP 和纖維環（annulus fibrosus，AF）中獲得具有 BMSCs 特點以及成骨、成脂和成軟骨分化能力的 MSCs。后續研究發現來自 NP 的 MSCs 能夠更好地耐受退變椎間盤微環境，并且和其他來源 MSCs 相比，具有更好的增殖能力和細胞活力[18-20]。同時，我們前期實驗發現這種細胞的活力和特性會因椎間盤退變加重而受損[21]。除此之外，在 AF 和軟骨終板（cartilaginous endplates，CEP）中也發現了干/祖細胞[22-24]。
綜上，這些研究結果顯示干/祖細胞可能從椎間盤的干細胞 Niche 中遷移至 NP、AF 和 CEP。因此，內源性修復的關鍵是提高組織中干/祖細胞的活力，或者促進其從干細胞 Niche 向需修復的組織遷移。
2 椎間盤干/祖細胞的特點
2.1 干/祖細胞表面標志物
椎間盤干/祖細胞包括 NP、AF 和 CEP 來源的 MSCs（NP-MSCs、AF-MSCs、CEP-MSCs），傳代后呈梭形貼壁生長[21]。根據國際細胞治療協會（ISCT）制定標準，多數 NP-MSCs、AF-MSCs 和 CEP-MSCs 陽性表達包括 CD73、CD90 及 CD105 在內的 MSCs 樣表面標志物，不表達 CD34、CD45 和 HLA-DR[25]。此外，許多研究發現可以從人[26]、大鼠[27-29]、兔[30]和犬的椎間盤中分離得到 NP-MSCs，除了犬 NP-MSCs 外，其余 NP-MSCs 均陽性表達 CD29 和 CD44。
同樣，在退變和正常椎間盤 NP-MSCs 中均可檢測到 CD13 及 CD24，其中 CD13 于粒細胞中頻繁表達，CD24 與 B 細胞增殖及分化密切相關[31-32]。此外，Jia 等[30]的研究指出兔 NP-MSCs 不僅 CD14 表達呈陰性，CD4 和 CD8 表達也呈陰性，既往研究中均未報道類似結果。
2.2 干/祖性基因
除了細胞表面標志物，干/祖性基因被視為定義椎間盤來源 MSCs 的另一個標準，特別是在 NP 細胞中。在多能細胞正常發育和干性維持中，轉錄因子 Nanog、Oct4 和 Sox2 起著至關重要作用，常被用來評估 NP-MSCs 的干性能力[19, 21, 33]。另外，研究表明 Notch 信號通路及其配體 Jagged 對人 BMSCs 和 NP-MSCs 的細胞功能和分化起關鍵作用[25, 34-35]。此外，我們前期研究證明了增殖細胞核抗原、CD166 和 C-KIT 也可作為 NP-MSCs 的干性標志，并且其表達隨著髓核組織的衰老而下降[21, 36]。值得注意的是，Li 等[37]及 Tekari 等[38]的研究證明，在添加 FGF-2 或低氧條件下，可以維持 Tie2+ 的 NP 來源祖細胞單層培養長達 7 d。因此，結合 Tie 分類方法可能是獲取 NP-MSCs 的新方向。
2.3 多系分化潛能
目前，已有許多研究證實 NP-MSCs、AF-MSCs 和 CEP-MSCs 具有成骨、成脂及成軟骨分化的能力[25-27, 37, 39-44]。Liu 等[45]通過比較 NP-MSCs、AF-MSCs 和 CEP-MSCs 的生物學特點，發現它們具有相似的多系分化能力，其中 CEP-MSCs 具有最佳的遷移和侵襲力。此外，Wang 等[41]的研究證實 CEP-MSCs 具有更強的成骨和成軟骨分化能力。因此，CEP-MSCs 可能是細胞治療和內源性修復更理想的細胞來源。
NP-MSCs 是另一種重要的細胞來源。與其他 MSCs 相比，NP-MSCs 在分化能力上表現出不同的優缺點。研究表明，NP-MSCs 在擁有和骨髓來源及脂肪來源 MSCs 相似修復能力的基礎上，還具有相同或更好的軟骨形成能力[18, 37]。但是在 Blanco 等[18]及 Wang 等[41]的研究中，NP-MSCs 表現出更弱的多系分化能力并且不能分化為脂肪細胞。除了具有成骨、成脂及成軟骨分化能力外，NP-MSCs 還被證實無論在體內還是體外均可以向神經系統細胞分化，然而這種分化潛能還需和其他 MSCs 進一步比較[31, 46]。此外，Wu 等[26]發現與臍帶來源 MSCs 相比，來源于退變 NP 組織的 MSCs 表現出更低的分化潛能。綜上，雖然 NP-MSCs 具有多向分化潛能，但是這種能力會隨著椎間盤退變而受到一定損害。
3 椎間盤內源性修復策略研究現狀
椎間盤中雖然存在干細胞 Niche 和干/祖細胞，但椎間盤退變和修復失敗仍會發生，分析是以下原因導致內源性修復失敗。首先，隨著椎間盤的衰老及退變，椎間盤中或干細胞 Niche 內的干/祖細胞可能因發育、衰老及修復而消耗殆盡，導致其數量無法繼續支持內源性修復。其次，椎間盤退變的發生可能在一定程度上摧毀了從干細胞 Niche 到需要修復的 NP 和 AF 組織之間潛在的細胞遷移路徑，導致內源性修復無法繼續完成。最后，低 pH 值[25]、炎癥[28, 39]、壓力[42]、高糖[32, 47]、氧化應激[48]、低氧[49]及營養供應減少[50]在內的極端微環境，可能進一步損害了椎間盤干/祖細胞的生物學性能，并限制其增殖及分化。因此，尋求解決這些問題的方法可能是避免內源性修復失效的首要任務。
3.1 提高椎間盤干/祖細胞的生物學性能
一個簡單、有效的椎間盤內源性修復策略是減少各種原因導致的椎間盤干/祖細胞凋亡和衰老，或者直接增加這些細胞的活力并促進其分化。生長環境中正常 pH 值是維持細胞功能和穩態的必需條件，過度酸性微環境可能抑制細胞增殖，同時導致細胞凋亡和基質代謝紊亂的發生[51]。Liu 等[25]發現阿米洛利（Amiloride）可以提高 NP-MSCs 的生物學性能，延緩并治療椎間盤退變。除了酸性微環境，炎癥同樣可以通過一些細胞因子誘導椎間盤退變的發生[39]。Cheng 等[28]研究發現低濃度（0.1～10.0 ng/mL）TNF-α 可以促進 NP-MSCs 的增殖和遷移能力，但抑制其向 NP 細胞的分化，而高濃度（50～200 ng/mL）TNF-α 會誘導 NP-MSCs 發生凋亡，這表明某些炎癥因子在椎間盤退變過程中可能扮演著雙重角色。另外，富血小板血漿或含白細胞的富血小板血漿以及富含 NTC 的 NP 外植體，可減輕炎癥造成的椎間盤退變以及椎間盤內 NP-MSCs 凋亡和功能障礙[30, 39]。
除炎癥因子外，某些細胞因子也在椎間盤內源性修復中具有重要作用。Tao 等[52]發現聯合應用 TGF 和 IGF-1 可以通過 MAPK/ERK 信號通路增強 NP-MSCs 活力及細胞外基質合成，同時促進其向 NP 細胞分化。此外，Ying 等[53]研究發現基質細胞衍生因子 1α（stromal cell-derived factor 1α，SDF-1α）可能通過 SDF-1/CXCR4 趨化信號，促進 NP-MSCs 的募集和軟骨分化，從而促進椎間盤再生。
同樣，由線粒體功能障礙引起的氧化應激在椎間盤退變中也起著重要作用[54]。我們前期研究[55]和其他相關研究[48]表明，如環孢素和柚皮苷等藥物能夠緩解線粒體功能障礙和氧化應激，從而治療椎間盤退變。此外，Chen 等[56]發現 NP-MSCs 受到氧化應激時，血紅素氧合酶 1（heme oxygenase 1，HO-1）的表達呈早期升高、后期降低的趨勢，而通過促進 HO-1 的表達可介導 NP-MSCs 發生自噬，并部分逆轉 NP-MSCs 的氧化損傷。除了酸性微環境、炎癥、細胞因子及氧化應激等因素外，椎間盤壓力負荷同樣可以抑制椎間盤干/祖細胞的生物學性能，包括細胞活力、分化、集落形成和遷移能力，進而導致椎間盤內源性修復失敗[42]。He 等[57]通過體內及體外實驗證實了缺氧誘導因子 1α 可以通過提高細胞自噬水平，減少過度機械負荷誘導的 NP-MSCs 凋亡，提示恢復缺氧和調控自噬對維持內源性修復和延緩椎間盤退變至關重要。此外，有研究發現抑制熱休克蛋白 90 可減輕因 RIPK1/RIPK3/MLKL 通路介導的壓力負荷誘發的 NP-MSCs 死亡，從而挽救 NP 組織的內源性修復能力[58-59]。
目前，該策略相關研究多數集中于體外實驗，探究不同培養條件、細胞因子及藥物等因素對椎間盤干/祖細胞生物學性能的影響，以促進細胞增殖、遷移趨化能力，抑制細胞凋亡，調控功能障礙，促進內源性干/祖細胞募集及對抗不良椎間盤退變微環境為主要目的。雖然該策略目前取得了不錯的研究成果，但是仍面臨許多問題及挑戰，比如如何確保相關因子或藥物準確到達作用靶點、能否持續維持最佳有效濃度、能否在體內產生明顯表型等，需進一步完成相關體內實驗加以驗證和解決。
3.2 補充椎間盤干/祖細胞
另一種椎間盤內源性修復策略是直接補充椎間盤干/祖細胞。多個臨床前和臨床研究表明注射聯合或不聯合生物材料的 MSCs 或類 MSCs 可以緩解椎間盤退變[16, 60]。我們近期研究也證實可注射水凝膠負載的 NP-MSCs 顯著延緩椎間盤退變[61]。這種直接給予椎間盤干/祖細胞的策略簡單有效，能夠補充退變椎間盤中消耗的干/祖細胞，為椎間盤內源性修復的啟動提供細胞基礎。由于這種方法涉及到細胞的體外擴增和保存，因此找到有利于細胞體外擴增和保存的技術尤為關鍵。Lin 等[29]的研究表明，與中平板密度（100 個/cm2）、高平板密度（10 000 個/cm2）接種的 NP-MSCs 相比，低平板密度（5 個/cm2）接種的 NP-MSCs 具有更好的生物學性能、更強的多系分化能力和更高的干性標志物表達，表明有限稀釋法是分離 NP-MSCs 的更好方法。此外，冷凍保存 NP-MSCs 可以有效延長細胞的應用壽命。但目前最常用的冷凍保護劑 DMSO 被證實可能具有細胞毒性[62]。Chen 等[44]研究發現，在常規細胞冷凍劑中添加抗氧化劑淫羊藿苷可以提高凍存的人 NP-MSCs 活力和功能，這為內源性修復提供了保存椎間盤干/祖細胞的新方法。
該策略的另一個關鍵問題在于椎間盤干/祖細胞的來源。首先，如果使用自體椎間盤干/祖細胞，那么受試者需要經過兩次有創操作來獲取和移植干/祖細胞。其次，椎間盤干/祖細胞應該取自健康、退變程度較輕的椎間盤，而受試者的椎間盤很難滿足上述條件，若細胞來自退變椎間盤，則可能降低治療效果。最后，年輕志愿者捐獻的椎間盤干/祖細胞可能是更優的種子細胞，但存在倫理及同種異體細胞免疫排斥反應等問題。
3.3 生物材料及小分子化合物刺激椎間盤內源性修復
隨著生物工程技術的發展，越來越多生物材料及小分子化合物被不斷發掘，并用于人體各部位的組織修復與重建。其中，以水凝膠等聚合物為首的一系列生物材料被直接應用或作為載體參與椎間盤內源性修復[63]。Benz 等[64]研究表明綿羊椎間盤損傷 6 個月后可自行痊愈，而結合內源性細胞的水凝膠可以增強椎間盤內源性修復過程。Xu 等[65]研究采用膠原水解明膠和甲基丙烯酸酯組成的光敏水凝膠材料包裹 NP 細胞，以促進 NP 組織再生，為椎間盤組織工程和內源性修復奠定了新的材料基礎和治療方向。
除生物材料外，一些小分子化合物在激活椎間盤內源性修復過程中同樣扮演了重要角色。Frapin 等[66]開發了一種基于支鏈淀粉磁珠傳遞系統，該系統可持續釋放趨化因子 CCL-5，并招募椎間盤干/祖細胞進入 NP 組織，而后者能夠釋放 TGF-β1 及生長分化因子 5 誘導富含Ⅱ型膠原和蛋白多糖的細胞外基質合成，從而達到椎間盤內源性修復的目的。隨著越來越多生物材料被發掘以及組織工程技術不斷進步，結合生物材料或小分子化合物的策略有望成為有效并且安全的椎間盤退變內源性修復手段。
4 總結及展望
基于干細胞 Niche 概念、以椎間盤干/祖細胞為核心的內源性修復策略為椎間盤退變治療提供了新思路。這些源于 NP、AF 和 CEP 的干/祖細胞多表達 MSCs 表面標志物以及 Nanog、Oct4 和 Sox2 等干性相關基因，并能向骨、脂肪、軟骨及神經系統細胞分化。椎間盤內源性修復策略可延緩甚至逆轉椎間盤退變進程，具有保守治療、外科手術及基因干預等方法不具備的優點，具有更廣闊的臨床應用前景，特別適用于椎間盤退變早期或椎間盤源性疼痛的患者。
然而，干細胞內源性修復仍然面臨一些挑戰，比如椎間盤干/祖細胞的消耗、遷移途徑的破壞、各種原因導致的退變椎間盤內惡劣的微環境。因此，目前研究首要任務是尋找能克服這些障礙的方法，促進內源性修復進程，包括減少由退變不良微環境造成的細胞凋亡、衰老和死亡，直接供應椎間盤干/祖細胞或是結合新型生物材料及小分子化合物等。雖然這些方法已證實有利于椎間盤退變的內源性修復，但是仍處于臨床前階段，需要進一步研究。這些研究應該注重于體內實驗及臨床轉化，特別是以下幾個方面：① 探究如何促進椎間盤干細胞 Niche 中干/祖細胞的動員和遷移；② 尋找可以持續對抗退變不良微環境或能夠增強內源性椎間盤干/祖細胞生物學性能的因子或藥物；③ 發掘新型生物材料或小分子化合物，使其成為更優的可應用于內源性修復的載體，或能夠直接作用于椎間盤，啟動或加速椎間盤內源性修復進程。
作者貢獻：劉洋負責綜述構思及設計、文章撰寫；劉浩、張亮負責觀點形成；孟陽負責資料收集。
利益沖突：所有作者聲明，在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。經費支持沒有影響文章觀點及其報道。