肌成纤维细胞在椎间盘纤维化及退变过程中的作用研究

Intervertebral disc degneration is assoicated with back pain but its etiology is not clear. We found that disc degeneration in human and animal models involves fibrotic events, including an upregulation of collagen I deposition and later on fibronectin，and a significant increase in collagen fibril diameter and stiffness at nano-structural levels. Myofibroblasts play a central role in fibrosis and our preliminary data suggest that the myofibroblasts are involved in disc degneration. In this study, we postulate that the change in collagen fibril characteristics in response to disc fibrosis and presence of myofibroblasts can severely impact on the disc progenitor cells that serve to maintain IVD homeostasis，and anti-fibrosis therapy may assist disc regeneration via the control of collagen fibril characteristics in the NP. We aim to confirm the presence of myofibroblasts in degenerated IVD, examine the relationship between the presence of myofibroblasts in non degenerated, early and late stage degenerated IVD (fibrotic) IVD, and the collagen fibril properties, in a way to study how collagen fibrils with altered biomechanical properties may affect progenitor function in the IVD. This is the first study to interrogate the relationship between myofibroblast activity and IVD degeneration. The understanding of such relationship may uncover relevant pathways in disc degeneration and ways to prevent its progression, and the findings from this project may provide insights into how the progenitor cells can be modulated in fibrotic microenvironments.

椎间盘退变与后腰痛有关，但病因至今不明。我们在退变的动物和人体椎间盘中发现纤维化改变，包括I型胶原蛋白和纤维连接蛋白沉积增加，以及胶原纤维直径和硬度的改变。肌成纤维细胞是组织纤维化中的关键细胞，而我们的前期研究表明椎间盘退变与纤维化有关。 我们推断肌成纤维细胞引发的胶原纤维的改变影响椎间盘祖细胞修复，最终导致祖细胞活性的丢失和椎间盘的严重退变。而抗纤维化治疗通过影响髓核中胶原纤维的构成来再生椎间盘。本研究将通过研究退变椎间盘与肌成纤维细胞的关系，和纤维化基质对髓核祖细胞的影响，进而揭示肌成纤维细胞在椎间盘纤维化中的作用。这是首次对肌成纤维细胞与椎间盘退变关系的研究，将揭示退变的信号传导，为纤维化微环境对髓核祖细胞的影响提供新见解，为阻断退变提供新治疗手段。

全世界范围内，腰痛是导致生活障碍的共同原因。其产生和椎间盘退变密切相关。尽管椎间盘退变的产生和恶化的原因有待阐述，可以确信的是遗传，力学和微环境因子等多因素均有参与。之前，我们在椎间盘退变病人的组织样本以及动物模型中，发现了明显的纤维化。组织纤维化与肌成纤维细胞密切相关。在这项研究中，我们旨在解析活化的肌成纤维细胞在椎间盘退变中的作用。我们利用病人的组织样本，以及椎间盘退变动物模型，展开了退变与肌成纤维细胞活性的相关性研究。同时采用细胞示踪的方法，利用转基因小鼠模型研究肌成纤维细胞的起源。最后，通过体外实验探讨了纤维化胞外基质对祖细胞的作用。. 在 >10个的病人的椎间盘组织中，涵盖了中度至重度退化，我们检测到了纤维化和肌成纤维细胞标记物的表达，证实了椎间盘退变与纤维化，以及肌成纤维细胞的相关性。我们检测并验证了MMP12（一种促纤维化蛋白，参与其他组织的纤维化）作为椎间盘退变的新标记物。进一步，我们发现在啮齿动物尾椎间盘穿刺损伤，或注射博莱霉素均能诱导退变，并伴随髓核纤维化。有趣的是，利用Foxa2-Cre重组策略，我们对转基因小鼠的髓核细胞进行了谱系追踪，发现在损伤模型中，类肌成纤维细胞可源于脊索细胞。另外我们在髓核中发现了属于单核细胞谱系，可以表达CD11b的细胞。这类细胞可表达肌成纤维细胞的标记物。综上，研究表明局部（脊索细胞）和非局部细胞（CD11b表达细胞）均能转化为肌成纤维细胞。另外，MMP12可以降解双糖链蛋白聚糖，其产物可以刺激髓核祖细胞表达肌成纤维细胞的标记物，表明椎间盘细胞在其刺激下，产生肌成纤维细胞样分化。. 综上，这项研究表明髓核纤维化是椎间盘退变的重要的病理构成。肌成纤维样细胞可能来源于椎间盘的局部和非局部，并受胞外基质的降解产物的诱导形成。此研究突显了感知损伤并产生应答的机制在椎间盘退变中的重要性，为退变的起源和控制提供了重要见解，从而有助于治疗腰痛。