水通道蛋白介导尼古丁诱导椎间盘退变的作用机制研究

Smoking and health are closely related, it is a risk factor for many chronic diseases. New research shows that smoking is related to low back pain and affect the efficacy of spinal surgery, our team found that smoking increased lumbar disc degeneration, and thus increase the pain level of low back pain patients. Our previous results showed that the nicotine can induce degeneration of nucleus pulposus cells in a dose-dependent effect, and nucleus pulposus cells expressed aquaporin (AQP). However, the specific mechanism of disc degeneration induced by smoking and nicotine remains unclear. Our project use an animal model of smoking-induced disc degeneration in rats, to observe the effect of nicotine on disc degeneration from the influence of histology, cytology, molecular biology level, and analyze the involved signal pathway (Wnt, BMP, etc.). We use siRNA or overexpression technique to further discussion the role of AQP in apoptosis and calcification of disc in vivo and vitro experiments in-depth study the effect of nicotine on apoptosis in vivo and cultured intervertebral disc calcification. In this research, we provide a systematic analysis of regulation mechanism of nicotine on disc degeneration. This study is a basis for finally elucidate the theory of disc degeneration and offer a new thinking and new way for prevention and treatment of disc degeneration related disease.

吸烟与健康关系密切，是众多慢性疾病的危险因素。最新研究证实，吸烟与腰痛有关，且影响脊柱手术的疗效。本课题组前期发现吸烟加剧腰椎间盘退变，进而加重患者腰痛程度；并发现尼古丁诱导椎间盘髓核细胞的退变呈剂量依赖效应，退变髓核细胞中有水通道蛋白（AQP）的表达变化，提示水通道蛋白在尼古丁诱导椎间盘退变的过程中起重要作用。然而水通道蛋白介导尼古丁诱导椎间盘退变的具体机制仍不清楚。本课题拟采用吸烟诱导大鼠椎间盘退变的动物模型，从组织学、细胞学、分子生物学水平上观察水通道蛋白在尼古丁介导椎间盘退变中的作用机制，并分析尼古丁作用于椎间盘退变的可能信号通路（Wnt，BMP 等），然后通过RNA干扰技术沉默AQP及过表达深入探讨抑制尼古丁诱导的椎间盘退变的机制，系统分析尼古丁在椎间盘退变中的作用机制，为阐明吸烟诱导椎间盘退变病理机制提供理论基础和实验依据，为防治椎间盘退变提供新思路。

研究背景与目的: 椎间盘退变及其继发的疾病是下腰痛最主要的病因，随着人口老龄化和工作方式的改变， 椎间盘退变相关疾病的发病率逐年升高， 且有年轻化趋势。 椎间盘退变是由多种因素导致的病理改变，目前具体机制尚不清楚。吸烟是椎间盘退变的风险因素之一，临床流行病学研究已经证实下腰痛和椎间盘退变与吸烟之间的相关性。尼古丁是烟草的主要成分之一，研究显示尼古丁可导致椎间盘退变。 尼古丁可使尼古丁周围微循环障碍，降低终板附近血管芽密度， 进而导致椎间盘营养匮乏。椎间盘退变的一个主要特征就是细胞外基质分解代谢增加。椎间盘发生退变时多种炎症因子的表达升高。炎症因子不仅可破坏细胞外基质稳态，引起氧化应激和衰老等多种作用加速椎间盘退变，还可诱导多种蛋白水解酶表达升高，加速椎间盘退变进程。然而，椎间盘退变与尼古丁摄入之间的关系还不明确，缺乏相关基础研究的证实。.研究方法：本研究通过体内和体外实验，揭示尼古丁在椎间盘退变中的病理生理过程，探讨尼古丁体内体外促进椎间盘退变的机制，并进一步探讨衰老在椎间盘退变中的作用，寻找防治椎间盘退变相关疾病提供理论依据和新的干预靶点。.结果：尼古丁能通过诱导髓核细胞衰老表型促进椎间盘退变。老衰老髓核细胞通过 SASP 分泌促炎因子和金属蛋白酶增加。雷帕霉素能抑制 P16INK4a表达，通过 STAT3 通路抑制衰老细胞髓核分泌促炎因子和金属蛋白酶。尼古丁能诱导 FOXO4 在髓核细胞中表达增加， FOXO4 在衰老的髓核细胞较年轻细胞高表达。 FOXO4-DRI 可安全有效地诱导衰老髓核细胞凋亡，恢复组织稳态。.结论:本研究对于不同退变程度的人腰椎间盘髓核细胞做出了全面的分析和论证，通过相关分析可知，尼古丁可引起椎间盘组织多种炎症因子表达增加，进而促进椎间盘退变，尼古丁引起椎间盘退变可能是通过 NF-κB和 MAPK信号通路起作用的。