作者：熊福生，扶世杰 ，肖复燊
【摘要】 转化生长因子β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1)具有广泛而复杂的生物功能，能够促进细胞的增殖，对组织的生长和修复具有重要的调节作用。近年来，对转化生长因子β1与椎间盘退变的研究较多，本文就转化生长因子β1在椎间盘退变过程中的作用及其基因转导的实验性研究作一综述。
【关键词】 转化生长因子β1 ; 椎间盘退变
椎间盘退变性疾病(disc degeneration disease，DDD)是一种发病率及致残率极高的疾病，常引起以颈肩腰腿疼痛为主要表现的临床症候群，目前对DDD的常规治疗方法包括药物治疗、理疗、卧床休息、类固醇注射封闭以及手术治疗等。但是，这些措施仅能够改善疾病的临床症状，并不能从根本上减缓或终止退变的进程。随着椎间盘退变分子机制研究的不断深入，一些对椎间盘退变起修复作用及参与致病作用的生物因子，为椎间盘退变的治疗提供了新的视野与希望[1]，有关学者提出生长因子基因导入的治疗途径，可在分子水平进行调控，从而为延缓或逆转椎间盘退变的进程提供了可能[2]。转化生长因子-β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1)基因是近年来经研究证实与椎间盘退变相关的基因之一，现将其研究近况综述如下。
1 TGF-β1的结构及其生物学特性
TGF-β1是TGF-β的3个亚型之一，其分子量为25 000，是由二硫键连成的同源二聚体，成熟TGF-β1含112个氨基酸，性质稳定。人类TGF-β1(human TGF-β1，hTGF-β1)的基因定位于19号染色体长臂13区1带(19q13. 1)，有2745个碱基对，hTGF-β1的cDNA 5’端起始码ATG位于842-844位，终止码TGA位于2016-2018位，编码TGF-β1的基因位于第19号染色体长臂上，含7个外显子和6个内含子。hTGF-β1基因5’端序列包含5个明显的调控区：1个类增强子活性区，2个负调控区和2个启动子区[3]。国外的研究表明[4]TGF-β1存在多个基因的多态性情况如 -1348C&>T、-765C&>T、29T&>C、861-20T&>C和-509C&>T，这些多态性可影响TGF-β1的转录和表达，进而影响TGF-β1相关疾病的发生、发展和转归。叶伟[5]等研究报道TGF-β1基因启动子一509C&>T 单核苷酸多态性的分布差异与汉族人群椎间盘疾病有关。
2 TGF-β1与椎间盘退变的关系
TGF-β1是蛋白多糖及胶原代谢等椎间盘细胞外基质的重要调节物质之一，研究表明在退变的椎间盘中TGF-β1受体的活性明显高于正常者，TGF-β1作为一种调节因子在腰椎间盘退变的病理过程及基因治疗中发挥重要作用[6]。TGF-β1在正常椎间盘中能促进间充质细胞的增殖和分化，对脊柱的发育和分化起重要作用[7]。有研究证明[8]在椎间盘退行性变早期，TGF-β1促进细胞外基质(ECM)的合成，可使早期椎间盘退行性变程度减轻;在椎间盘退行性变晚期，由于成纤维细胞数目增多，受TGF-β1刺激产生大量I型、Ⅲ型胶原，可加重椎间盘退行性变。李进[9]等报道TGF-β1对退变早期的椎间盘尤其是髓核具有修复功能，但随着椎间盘退行性变程度的加深，软骨细胞在形态和功能上向成纤维细胞转变，TGF-β1则主要在转录水平刺激成纤维细胞I、III型胶原mRNA表达，使得I、III型胶原含量增加，此时尽管TGF-β1仍可刺激软骨细胞合成Ⅱ型胶原和蛋白多糖，但由于软骨细胞的坏死和凋亡以及II型胶原和蛋白多糖降解加速，I型与III型胶原比例增大，从而加速了椎间盘退行性变。李斌[10]等检测TGF-β1及其受体在成人颈椎间盘中的分布规律，发现其分布与患者年龄、椎间盘退变程度有关，其含量减少可能是颈椎间盘早期退变的原因之一，随着浓度的升高及自分泌调控机制，TGF-β1在退变椎间盘中的含量不断增多，对胶原合成的正向调节作用不断增强，引起Ⅰ型、Ⅲ型胶原合成进一步增加，并逐渐取代Ⅱ型胶原，使得髓核生物力学特性降低，最终导致椎间盘纤维化。Tolonen[11]等、Nerlich[12]等经免疫组化法和RT-PCR发现TGF-β1在人退变的椎间盘细胞中表达，提示TGF-β1在椎间盘退变至突出的发展过程中起重要的作用。Seki[13]等报道，抑制TGF-β1生成的软骨间层蛋白(cartilage intermediate layer protein，CILP)的1184T&>C单核苷酸多态性与椎间盘退变有关。国内外学者实验证实使用TGF-β1能够提高体外培养的髓核细胞的蛋白多糖合成作用，诱导人退变髓核细胞内总蛋白的合成，显著增加II型胶原的合成和分泌，从而改善退变的人髓核细胞活性。上述研究均提示TGF-β1基因的变化可能与椎间盘病变有关。
3 TGF-β1基因转导的实验性研究
基于TGF-β与椎间盘退变的关系，国内外许多学者通过多种途径探索TGF-β1阻止或逆转椎间盘退变的可能性[14]。近年来很多研究提示转化生长因子β1是一种稳定的多功能的多肽生长因子，几乎参与了哺乳动物所有组织细胞的病理、生理过程。已有实验证实使用TGF-β1能够提高体外培养的髓核细胞的蛋白多糖合成作用[15]。Thompson[16]等证实TGF-β1可以促进体外培养的犬椎间盘组织中蛋白多糖的合成，而且TGF-β1 对于髓核及过渡区的作用要比对纤维环的作用强。HuiW等在对体外培养的人关节软骨和牛鼻软骨进行研究证实，肿瘤坏死因子-a(tumor necrosis factor-alpha，TNF-a)会促进软骨细胞中胶原蛋白的破坏，这一过程依赖基质金属蛋白酶的参与，而TGF-β1通过降低胶原酶的表达和分泌以及诱导金属蛋白酶抑制剂的合成来阻断这一过程。这些发现意味着TGF-β1可以用来治疗椎间盘退变。但TGF-β1生物半衰期短(活性的TGF-β1生物半衰期只有2-3分钟)，只能在细胞内发挥短暂的生物效应，而对于椎间盘退变这种慢性病，需要持续稳定的TGF-β1的作用，而基因治疗则可以将编码TGF-β1的基因转导人椎间盘细胞内，被转导的椎间盘细胞就可以持续的合成TGF-β1，从而影响其自身及周围未被转导的椎间盘细胞的代谢，促进退变椎间盘的修复。由Nishida[17]等人在1999年用腺病毒载体介导，首次将hTGF-β1基因转入体外培养的兔椎间盘髓核细胞，实验结果显示实验组髓核组织中有活性的TGF-β1增加了3倍，总TGF-β1增加了5倍，蛋白多糖的含量增加了l倍。Kotaro nishida 等利用Ad/CMV -hTGF-β1，成功的将hTGF-β1转导人新西兰兔椎间盘中，测定椎间盘中hTGF-β1，在实验组中活性hTGF-β1比对照组高出约30倍，总hTGF-β1(包括活性与非活性)比对照组高出约5倍，蛋白多糖合成较对照组高出1倍，配对t检验表明差异有显著性，而被转染的新西兰兔没有表现出腺病毒感染的症状，接受注射的椎间盘外观正常;在组织学上，髓核组织也没有血管形成，没有细胞浸润及炎症反应的迹象。Boyd[18]等的实验证明TGF-β1可促进椎间盘髓核细胞表达合成I、II型胶原，从而延缓甚至逆转腰椎间盘的退变。Walsh][19]等研究证实给予TGF-β1后，椎间盘中细胞增殖，密度显著增加，退变椎间盘高度恢复，相邻椎体之间力学稳定，同时在TGF-β1的作用下内层纤维环细胞向髓核移动并主动表达分泌II型胶原。Jesmin[20]等于2006年利用腺病毒载体构建了Ad-TGF-β1表达系统，他们通过该表达系统转染人椎间盘细胞并进行体外培养，转染率可达100%，并可显著提高标本中蛋白聚糖及II型胶原的含量，他们还发现成功转染的细胞对于邻近的未转染细胞能起到类似旁分泌的作用。Makarand[21]等取鼠椎间盘组织(包括软骨终板、纤维环和髓核)在含有 TGF-β1或TGF-β3的培养基中培养，1周后结果显示椎间盘的大体结构保存，无髓核细胞死亡的证据，但与TGF-β1相比，TGF-β3更能提高关键性基质的合成，保持转化生长因子受体表达，降低胶原转型等，其从蛋白质水平说明了TGF-β1可以延缓或逆转椎间盘退行性变。以上实验性研究均表明TGF-β1基因阻止或逆转椎间盘退变的可能性，但由于实验进行的时间短，还不能对这一治疗方式的远期效果进行观察和评价。
4 展 望
国内外学者对TGF-β1的结构及基因定位早已明确，进一步的研究显示多个基因多态性可影响TGF-β1的转录和表达。目前有关TGF-β1与椎间盘退变相关性的研究主要集中在如何减缓椎间盘组织退变及逆转椎间盘退变方面，实验研究显示TGF-β1能够促进髓核细胞分泌蛋白多糖，改善退变的人髓核细胞的活性，刺激II型胶原基因的表达，对退变早期的椎间盘尤其是髓核具有修复功能，是转基因疗法治疗椎间盘疾病比较理想的目的基因，前景广阔，但要真正运用于临床仍有待干细胞技术等组织工程学领域研究的进步。
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