椎间盘退变的新机制：Zn2+-ZIP8信号轴介导髓核细胞外基质降解

The core pathologic change in disc degeneration is the metabolic imbalance of extracellular matrix (ECM) regulated by the Matrix metalloproteinases(MMPs) produced by nucleus pulposus (NP) cells. The biological effects of MMPs rely on the intracellular Zn2+ level, which is demonstrated in the cartilage; However, the effect in disc remain inclusive. The ZIP and ZNP family regulate the intracellular Zn2+ level. In the preliminary experiments, we found that NP cells mainly expressed ZIP8 and Zn2+-ZIP8 was involved in the increase of MMPs induced by the IL-1β, but it remained unknown that how Zn2+-ZIP8 axis regulated the level of MMPs and ECM, as well as the disc degeneration. Based on results of preliminary experiments, we intended in the study: 1) analyze the effect and mechanism of Zn2+-ZIP8 axis on the expression of MMPs and ECM bu using the inflammatory stimulations and flexcell mechanic loading on NP cells via luciferase report analysis, RNAi technology, over-expression and 3D culture;2) establish a model of spinal instability in rats to further investigate and validate the effect of Zn2+-ZIP8 on disc degeneration in vivo. Our study will help in exploring a new mechanism of disc degeneration and in proving the scientific evidence and new target in treatment of disc degeneration.

椎间盘退变病理改变是细胞外基质代谢的失平衡，而这主要由髓核细胞表达的金属蛋白酶进行调节。Zn2+是参与金属蛋白酶生物学作用的主要金属离子，但是在椎间盘退变中的作用未见报道。调节Zn2+细胞内流的是细胞膜上的ZIP和ZNP蛋白家族。预实验发现髓核细胞膜上主要表达ZIP8蛋白，并且Zn2+-ZIP8信号轴介导了IL-1β（常用体外模型）作用下金属蛋白酶的升高，提示Zn2+-ZIP8信号轴可能通过促进金属蛋白酶的水平和活力升高导致细胞外基质降解来参与椎间盘退变。在前期研究的基础上，拟在体外通过炎症因子刺激和Flexcell应力加载并使用荧光素酶报告基因、RNAi、过表达转染和三维培养等方法分析Zn2+-ZIP8信号轴调控金属蛋白酶和基质的作用以及具体机制，在体内通过建立脊柱不稳退变模型进行进一步验证，意在探索一种新颖的介导椎间盘退变的机制，为椎间盘退变的预防治疗和康复提供新的理论基础和策略。

椎间盘退变是一个较为常见的疾病，且近年来有逐渐年轻化的趋势，因此探究其发病机制以及治疗方法是极为重要的。椎间盘退变的最重要病理改变是细胞外基质代谢的失平衡，而这一过程主要由髓核细胞表达的金属蛋白酶进行调节。锌离子参与构成金属蛋白酶的锌指结构，锌指结构是维持金属蛋白酶生物学作用的重要金属离子。参与调节髓核细胞锌离子稳态的蛋白主要是ZIP和ZNP蛋白家族，分别负责锌离子的内向和外向转运。我们研究了髓核细胞中主要负责锌离子内向转运的蛋白，并用药物和力学刺激在体外模拟了椎间盘退变的生理病理状态，通过调节锌离子转运蛋白的表达观察其对椎间盘退变过程的影响。我们的结果表明：髓核细胞膜上表达量最高的ZIP家族蛋白是ZIP8，并且Zn2+-ZIP8信号轴介导了IL-1β和应力刺激作用下金属蛋白酶的升高，提示Zn2+-ZIP8信号轴可能通过促进金属蛋白酶的水平和活力升高导致细胞外基质降解来参与椎间盘退变。通过对结果的分析，我们认为，ZIP8表达量增加以及胞内游离锌离子浓度升高可能是髓核细胞衰老的一种标志，并且介导了金属蛋白酶的升高以及细胞外基质的降解，靶向敲低ZIP8的表达水平可有效抑制衰老髓核细胞中金属蛋白酶的表达从而延缓椎间盘的退变进程。目前椎间盘退变性疾病的治疗方式主要为手术，我们的研究可以为椎间盘退变的防治提供新的思路和策略。