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1、白细胞介素-1对椎间盘退变 的影响,幸泽艇 南昌大学一附院疼痛科,白细胞介素-1（interleukin-1，IL-1),退变椎间盘:主要由软骨细胞合成分泌， 突出椎间盘:由巨噬细胞、成纤维细胞、内 皮细胞等合成分泌。,软骨细胞,巨噬细胞,单核-巨噬细胞包括骨髓中的前单核细胞、外周血中的单核细胞、以及组织内的巨噬细胞(M)。 单核-巨噬细胞是自体重要的免疫细胞，具有抗感染、抗肿瘤和免疫调节等重要作用。,成纤维细胞,成纤维细胞及周围的胶原纤维,分成纤维细胞和纤维细胞成纤维细胞是功能活动旺盛的细胞，细胞和细胞核较大，轮廓清楚，核仁大而明显，细胞质弱嗜碱性，具明显的蛋白质合成和分泌活动；纤维细胞（f
2、ibrocyte）功能活动不活跃，细胞轮廓不明显，核小色深，核仁不明显，胞质少。二型细胞可互相转化。,IL-1的结构,IL-1因子家族:包含11个蛋白，由11个不同基因编码 （人IL-1, IL-1,IL-1Ra, IL-18,和IL-1F5至IL-1F11, 大鼠IL-1A至IL-1f11）E. Dunn 2001Y 、T. T. Pizarro 2007Y、J. E. Sims 2001Y 。 人和小鼠IL-1基因定位于2号染色体(2q13-21)，均含7个外显子。 Dongli Wang 2010Y、 Axel Weber 2010Y,John E. Sims, Martin J.H.
3、Nicklin, J. A new nomenclature for IL-1-family genes. TRENDS in Immunology Vol.22 No.10 October 2001,IL-1基因家族成员,IL-1基因家庭主要成员：IL-1（IL-1、IL-1）、IL-1受体（IL-1R、IL-1R）和IL-1受体拮抗剂（IL-1Ra、IL-1Ra）。 IL-1的受体辅助蛋白为IL-1RacP及其抑制剂sIL-1RacP； IL-1两型与IL-1R 两型均可相互作用并激活9。,Theresa T. Pizarro and Fabio Cominelli.Cloning IL-
4、1 and the Birth of a New Era in ytokine Biology. J Immunol.2007;178;5411-5412,抑制IL-1步骤,在IL-1Ra完全抑制IL-1的过程分两个互补的步骤。IL-1Ra捕获IL-1与IL-1R结合而抑制IL-1的； IL-1Ra隔离IL-1RacP而抑制IL-1形成IL-1-IL-1R-IL-1RAcP，属于竞争性抑制10-14。IL-1Ra不诱发细胞内的反应，仅作为IL-1的活性抑制剂15 。,IL-1空间结构,2010年Dongli Wang等8研究发现了IL-1与其受体IL-1R和IL-1RacP所组成的三元复合物的
5、晶体结构，通过生化分析，揭示了IL-1结合并激活其受体的结构机理。IL-1R和IL-1RacP均有三个域（D1、D2、D3），其复合物按照左手结构与IL-1发挥作用。IL-1和IL-1作用位点均位于Asp145，IL-1R和IL-1R均位于D2和D3域之间，且与IL-1（IL-1、IL-1、IL-1Ra）作用，引起信号通路反应，按照左手规则形成三元复合晶体结构IL-1-IL-1R-IL-1RacP复合物，并激活后刺激细胞炎性反应8。家族中其他白细胞介素也有类似作用区域，可能结合位点、化学键及构象稍有不同。,IL-1、IL-1、IL-1R、IL-1Ra结构,Axel Weber,Wasiliew
6、 P,Kracht M, Michael KrachtInterleukin-1 (IL-1) Pathway. Science Signaling,2010,3(105):cm1.,Axel Weber,Wasiliew P,Kracht M, Michael KrachtInterleukin-1 (IL-1) Pathway. Science Signaling,2010,3(105):cm1.,Axel Weber,Wasiliew P,Kracht M, Michael KrachtInterleukin-1 (IL-1) Pathway. Science Signaling,201
7、0,3(105):cm1.,类风湿性关节炎中IL-1,在类风湿性关节炎（RA）的关节内可出现多种多样的细胞因子，其中很重要的一个是IL-1,它由A型滑膜细胞或其他单核细胞所分泌。它的作用是多方面的，其中主要的有： 促使前列腺素代谢 造成局部炎症趋化 促进胶原酶产生造成关节破坏，骨和软骨的吸收 使肝细胞合成急性期蛋白，导致发热 同时也促进其他细胞分泌某些细胞因子如IL-6等以加重RA的炎症和关节的破坏。,退变椎间盘中IL-1分子生物机制,IL-1在炎性反应开始和发展阶段中其起着重要的作用8。 早在1996年Hiroshi等17 已经证实了髓核组织中有IL-1和IL-1表达 而Ozaktay等18
8、证实IL-1在椎间盘退变过程中扮演着重要角色。8、Dongli Wang, Senyan Zhang，Xinquan Wang，et al.Structural insights into the assembly and activation of IL-1b with its receptors.Nature Immunology,2010,11(10):905-911.17、Hiroshi T,Toru S,Yikikazu O,et alInflammatory cytokines in the ruptured intervertebral disc ofthe lumbarspin
9、eJSpine，1996，21(2)：218-224. 18、Ozaktay AC,Cavanau JM,Asik I,et a1.Dorsal root sensitivity to interleukin-1 beta、 intervertebral-6 and tumor necrosis factor in ratJ.Eur Spine，2002，11(5)：467-475.,IL-1分子生物机制 基质蛋白的基因表达,2005年Le Maitre等19研究发现 人椎间盘退变过程中产生了IL-1，以及局部细胞因子诱导退变椎间盘，其细胞和基质发生了改变。 用IL-1激动剂刺激正常和退变椎间
10、盘细胞，产生了IL-1及其抗体、活性受体和IL-1变构酶。 除外IL-1Ra，这些蛋白的免疫活性随着退变程度增加而上升。 结果：人退变椎间盘细胞产生的IL-1导致基质金属蛋白酶（MMP-3、MMP-13和ADAMTS-4）基因表达增加，以及基质（明胶、型胶原、型胶原和SOX6）的基因表达减少，而且导致分解和合成代谢不平衡，从而促进退变反应。,基质会属蛋白酶(MMPs)及抑制剂（TIMPs）,基质会属蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)为Zn2+、Ca2+金属离子依赖的蛋白水解酶类，是自然界高度保守的一类酶，可降解除蛋白多糖以外细胞外基质的所有成分，并激活其他M
11、MPs产生连锁放大效应，是调节细胞外基质动态平衡最为重要的酶。MMPs以酶原的形式分泌，水解掉N端的半胱氨酸后被激活，使催化性Zn2+结合位点暴露。 基质金属蛋白酶组织抑制剂(tissue inhibitor of metalloproteinase，TIMPs)是MMPs活性调节的重要途径，是MMPs的特异性抑制剂。已知TIMPs家族有四个成员，其中研究较多的是TIMP-l和TlMP-2。 【22胡有谷腰椎问盘突出症【M】第三版北京：人民卫生出版社，2004，84-179】。,IL-1分子生物机制 IL-1与Sox9和型胶原表达的关系,椎间盘退变最显着的生物变化是软骨细胞特定基因和Sox9、
12、型胶原蛋白质的表达减少。正常椎间盘组织IL-1不表达，但在退变椎间盘组织表达增加。这提示IL-1参与调控Sox9和型胶原的表达。 YU ZG等20研究证明了 IL-1以前未知的作用：通过IL-1刺激椎间盘细胞可下调Sox9和型胶原的mRNA水平及蛋白表达，呈剂量依赖性，且这种下调作用可以被一种有效的NF-B活性抑制剂姜黄素减弱。 因此姜黄素能维持椎间盘内适当的基质成分及含量，有望用于抑制椎间盘退变。,Sox9基因,近年研究还发现39遗传因素在椎间盘退变中也具有一定的影响作用。众所周知，蛋白质的产生是由编码该蛋白质的特定基因决定的，同样椎间盘蛋白质及蛋白多糖的产生也受某些基因的调控。年龄的增加、
13、外伤、细胞因子紊乱等会影响这些基因的表达，从而引起椎间盘基质的改变。 目前研究较多的是SOX9，Gmber等40研究发现，随年龄增加和退变的加重，SOX9基因在人椎间盘纤维环细胞中的表达也逐渐递减。这提示SOX9基因可能在椎间盘退变过程中发挥重要作用。这些研究为基因治疗椎间盘退变性疾病提供了一种极有潜力的候选目的基因。39.谭平先，李健遗传因素在退变性椎间盘疾病中的研究现状J中国矫形外科杂,2006,14(5):387-389. 40.Gruber HE，Noeton HJ，IngramJ A，et al.The SOX9 transcription factor in the human d
14、ecreased immunolocalization with age and disc degenerationJSpine，2005，30(6)：625-630,IL-1分子生物机制 IL-1和TNF表达之间的关系,2007年Le Maitre等21 研究发现在IL-1的基因表达率:椎间盘内:肿瘤坏死因子=79:59）。基因表达水平:退变椎间盘为1300 copies/100ngcDNA) TNF-为250 copies of TNF/100 ng cDNA，IL-1受体基因表达:退变椎间盘:正常组=10倍，同时病变椎间盘组内两种细胞因子均较正常组水平高。 另外，80%退变椎间盘细胞显示
15、IL-1受体有免疫活性，而正常椎间盘仅有30%。在退变或突出椎间盘内观察，没有发现肿瘤坏死因子受体I型基因增加和蛋白质表达增多。 Millward-Sadler等22 研究发现，IL-1比TNF-上调MMP-3和MMP-9基因表达水平更高，而MMP-13被每个因子上调到一个相似的程度。TNF-和TNF-R2的表达均被TNF-和IL-1上调，而无论哪个细胞因子对TNF-R1的表达均无明显影响。而IL-1和IL-1Ra的表达也被TNF-显著上调，但IL-1和IL-1R1的不变。 结果:TNF-不如IL-1诱导MMPs表达程度高，但它确实采取行动上调IL-1以及TNF-和TNF-R2的表达，这样将增
16、加炎症环境和基质加速退化。这些研究结果均支持这一假设：TNF-在基质退变中是一个很重要的始动因子，而IL-1在椎间盘病理性退变发展过程中起着更大的作用。,IL-1和TNF表达之间的关系,原位酶谱（ISZ）用于研究IL-1和TNF在基质降解中的作用，用此来描述有症状的椎间盘退变。Hoyland等23首次研究发现，虽然IL-1将刺激、IL-1Ra将抑制人体完整椎间盘组织中的基质降解，但均不能测量到TNF-、抗TNF对这些基质降解作用。因此介导椎间盘基质降解的IL-1起着关键的作用。,IL-1分子生物机制,由此可见，炎性因子IL -1、TNF、NF B均参与椎间盘退变的发病机制， 但IL-1对细胞外基质的降解影响更大，因此其导致椎间盘病理退化作用更重要。,IL-1在椎间盘退变中宏观作用 IL-1对基质代谢的影响,
