巨噬细胞及其极化在黄韧带肥厚中的作用研究进展

 巨噬细胞及其极化在黄韧带肥厚中的作用研究进展

姜成1,2, 杨俊辉1,2 ,王伟1,2, 黄春明2【通讯作者】

1.广东医科大学（广东湛江524000）；2.广东医科大学附属高州医院（广东高州525000）

【摘要】黄韧带肥厚会导致腰椎管狭窄进而引起一系列临床症状，关于黄韧带肥厚的病因的研究相对较少，具体机制尚不清楚。巨噬细胞作为炎症中的重要细胞，在黄韧带肥厚中的作用已有人体标本、动物模型及细胞实验相关的研究，但其在黄韧带肥厚中所发挥的具体机制仍不清楚，本文主要介绍国内外有关巨噬细胞及其极化在黄韧带肥厚中作用的相关研究进展。

【关键词】黄韧带；黄韧带肥厚；巨噬细胞

腰椎管狭窄症（Lumbar Spinal Stenosis，LSS）可以引起神经源性跛行的临床综合征，好发于40岁以上的中年人，同时也是65岁以上患者中最常见的脊椎病变之一。在美国，本病每年的治疗费用高达数百亿美元，给国家及人民造成了极大经济负担，同时LSS也是老年人下腰和四肢疼痛、行走障碍和其他形式残疾的常见原因，这对人们的生活质量造成了极大的困难。腰椎管狭窄的发病率相对较高，在普通人群中的发病率为11%，其病因复杂多样，包括先天性狭窄、小关节、椎间盘退行性病变等，而连接椎体并覆盖椎管后壁的黄韧带(Ligamentum Flavum，LF)肥大，使椎管间隙变窄，从而压迫神经，被认为是LSS的原因之一。因此研究黄韧带肥厚的病因从而解决LSS所带来的负担是必要的。其中巨噬细胞作为慢性炎症及纤维化中的重要细胞，研究发现其在黄韧带肥厚中有着重要作用。因此，本文就巨噬细胞及其极化在黄韧带肥厚中的研究进展予以概述。

1.黄韧带

1.1黄韧带解剖

LF起于C2，止于S1，分节存在，为脊椎椎管后壁的一部分，左右各一个，包括四个面，分别为：上、下、外侧及内侧。而其四个面则分别附着在：上附在上位椎板前之下的一半；下面紧贴着下位椎板的后面以及上缘；外侧LF附着部最远可附着到椎间关节囊，向内侧则一直延伸到中线椎板形成棘突处，与棘间韧带相毗邻。两侧LF在脊柱椎管后缘中线区域相互融合，中央的空隙可以使连接内部静脉和后方的脊髓管与外静脉丛的静脉通过，但同时亦小部分LF出现连续无空隙情况，中线为小缺口但不融合的情况也存在。LF附着之处按其组织学特征可分为四大区，即纤维区，纤维软骨区，含矿物质区和骨区。从LF纤维区至骨区的部分可以看作是一个逐渐骨化的过程，这也是LF骨化的内在物质基础。从组织学构造角度来看，LF是由弹性纤维、胶原蛋白纤维、嗜银纤维和基质构成，当中以胶原蛋白纤维和弹性纤维总量最多，弹性纤维的比例可达60 %-80%，因此LF几乎完全呈现出弹性特性。Naehemson的研究成果中，首先证明了LF的应力-移位变化曲线与弹性纤维很类似。这一特性具有重大的生理学意义。它也能产生所谓“预张力”（pre-tension），也因此减少了LF本身在脊椎管内伸展时，会发生弯曲而后凸入椎管挤压脊髓的可能性。两种纤维虽然处于不同层次上，但同种纤维彼此平行，两种不同纤维的方向彼此交叉。当拉伸时，两种纤维会因剪刀式的闭合方式而变为互相平行。LF的这些组织学特征决定了它特殊的柔韧性：即当它被牵拉时,可因延展而变长变薄；当上下椎板彼此接近时，其也可短缩，此改变可避免LF产生褶皱而突入脊柱椎管内。

1.2黄韧带肥厚

黄韧带的厚度及其病理变化会随着年龄的增长而增长，研究发现随着年龄的增长，LF的弹性纤维减少，而胶原纤维增加。进一步的解剖染色等实验，也证明了LF肥大既可以是由于正常弹力层的加厚，也可以是由于异常胶原层增厚所致。对黄韧带肥厚的成因已有不少研究成果，其中导致黄韧带肥厚的危险因素有机械应力、年龄、糖尿病、腰椎间盘突出症及肥胖。作为炎症所导致的纤维化，参与黄韧带肥厚的炎症因子包括转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β)、基质金属蛋白酶（Matrix metalloproteinases，MMPs）、白细胞介素-6 (interleukin 6，IL-6)、microRNAs、生长因子、溶血磷脂酸（lysophosphatidic acid，LPA）及其他炎症因子。另有研究发现巨噬细胞在黄韧带肥厚中也有着关键作用。对于黄韧带肥厚的病因虽然已有一些研究，但其具体原因仍不甚清楚，因此有待进一步研究。

2.巨噬细胞及其极化

19世纪末期，埃利·梅茨尼科夫(Elie Metcnikoff)首次提出了关于巨噬细胞的描述，并假设这些吞噬细胞通过他称之为“先天免疫”的过程而影响发育、确保体内的平衡并保护宿主免受感染。之后的研究认为巨噬细胞有着先天免疫反应和获得性免疫反应功能，并且Mosser DM等人描述了巨噬细胞的三个功能：宿主防御、伤口愈合和免疫调节。随着研究的进展，20世纪90年代，人们发现脂多糖(LPS)、干扰素(IFN)γ及细胞因子IL-4可以诱导巨噬细胞表达不同类型的基因。在极化过程中，区分了两个主要的群体。由LPS激活活化的巨噬细胞被命名为“经典激活的巨噬细胞”，而IL-4刺激活化的巨噬细胞被命名为“交替激活的巨噬细胞”。而后 Alberto Mantovani等人总结用M1表示“经典激活的巨噬细胞”，使用M2作为经典M1以外的各种巨噬细胞激活形式，基于M2巨噬细胞在II型反应、免疫调节和组织重塑中的普遍参与。称这三种明确定义的M2形式为：由IL-4或IL-13诱导形成的M2a；由IC和Toll样受体(TLR)或IL-1R激动剂诱导形成的M2b；以及由IL-10和糖皮质激素诱导形成的M2c。其中M1巨噬细胞有很强的促炎特性；M2a巨噬细胞可以促进组织修复；M2b巨噬细胞可以抑制急性炎症反应；M2c巨噬细胞可以抑制炎症反应和刺激血管生产。

3.巨噬细胞与黄韧带肥厚

正常黄韧带是由70%的弹性蛋白和30%胶原蛋白组成，肥厚的黄韧带中弹性纤维断裂、紊乱，胶原组织过度增生、增厚、紊乱。由于瘢痕通常是炎症过程的终末阶段，因此有了黄韧带肥厚是炎症结果导致的假设。为了研究黄韧带肥厚中的细胞浸润的炎性细胞的存在和组成，并阐明炎症与韧带肥大和纤维化改变的出现之间的关系，Löhr M等人进行了相关研究。研究结果表明：免疫组化结果显示肥厚的人黄韧带标本中以巨噬细胞浸润为主，同时伴有大量成纤维细胞的产生，未见B淋巴细胞，仅有少量T淋巴细胞，此结果表明黄韧带肥厚过程是一种慢性的、非特异性的炎症反应；其中还可见新生的血管组织。巨噬细胞和血管内皮细胞都有高强度的转化生长因子-β的表达，这被认为是最有效的促进细胞外胶原沉积的因素。因此，肥厚的黄韧带中的炎症可能在肥大的传播中起关键作用，但当黄韧带肥厚发展到最终阶段，即以瘢痕形成为特征，没有弹性成分时，炎症就会消失。Amudong A等人通过对30例（15例肥厚黄韧带，15例非肥厚黄韧带）人黄韧带标本的研究进一步证实，肥厚患者的成纤维细胞染色阳性率明显高于无肥厚患者。同样，黄韧带肥厚患者的TGF-b免疫反应性分级明显高于非肥厚患者。 Moon HJ等人通过将LF细胞及巨噬细胞在不同条件下体外培养后发现：LF细胞与巨噬细胞样细胞相互作用，产生除转化生长因子-β1外的血管生成相关因子。活化的LF细胞暴露于巨噬细胞后，可影响血管生成相关因子的诱导，提示炎症反应过程中纤维化和瘢痕形成是LF肥大的主要病理机制。

为了验证巨噬细胞在黄韧带肥厚中的作用，有学者设计了动物黄韧带肥厚模型进行实验，该研究团队在进行对人黄韧带标本染色的同时，利用针刺小鼠黄韧带进行微损伤造模后进行研究，该实验发现人类肥厚的黄韧带中有巨噬细胞的浸润，小鼠模型中损伤区黄韧带首先出现大量巨噬细胞浸润，而后随着巨噬细胞的消退出现了大量成纤维细胞的增加，最终导致黄韧带肥厚，本实验结果间接证明小鼠模型中巨噬细胞激活成纤维细胞与LF肥大有关。此实验对研究黄韧带肥厚提供了很好的动物模型。黄韧带肥厚可能是损伤后炎症的结果，但机械应力对其产生的影响也是有的，通过设计了动物模型进行机械刺激对黄韧带肥厚的影响进行研究发现：机械刺激可以使黄韧带明显肥厚，而机械刺激后并未见到有巨噬细胞等炎症细胞的浸润，这说明机械刺激对于黄韧带肥厚是一个单独的危险因素。

对于巨噬细胞在黄韧带中的作用既有人标本的研究又有动物模型的研究都证实了巨噬细胞有着明显的促进黄韧带肥厚作用，另外根据一项细胞实验结果表明：将黄韧带与巨噬细胞一起培养结果显示促炎的M1型巨噬细胞明显增多，抗炎的M2巨噬细胞明显减少。这说明两类不同功能的巨噬细胞在黄韧带肥厚中起着不同的作用，但还需要更进一步的动物模型等实验来验证此结果。有趣的是，在一项关于腰椎管狭窄症患者黄韧带疼痛和感觉神经支配的研究中发现：在LSS中，LF显示出感觉神经过度支配的迹象，但没有炎症或细胞增殖的迹象。这与之前的关于巨噬细胞在黄韧带肥厚中有明显促进作用的结果不相同，笔者认为可能是此标本的黄韧带退变已经处于晚期，炎症已然消退，只有大量胶原纤维的堆积。

4.结语

巨噬细胞作为重要的炎症细胞，在慢性炎症中发挥着重要作用。通过对黄韧带肥厚标本的研究发现其正常的主要成分弹性纤维被大量胶原替代。通过人黄韧带标本染色、动物模型等研究发现黄韧带肥厚中有巨噬细胞的浸润，但是在黄韧带肥厚晚期巨噬细胞则消失了，而同时出现成纤维细胞，这在一定程度上说明巨噬细胞前期浸润黄韧带后激活成纤维细胞而造成黄韧带肥厚。但巨噬细胞可以极化为有着不同作用的分型，通过细胞培养发现黄韧带肥厚可能与促炎的M1型巨噬细胞增多，而抗炎的M2型巨噬细胞减少有关，但具体情况还需要动物模型等实验加以证实。因此巨噬细胞在黄韧带肥厚中有着重要作用，但其极化后的各种分型对黄韧带的肥厚作用尚不可知，所以还需进一步研究加以证实。

参考文献：

[1]Ma H,Hai B,Yan M,et al. Evaluation of Effectiveness of Treatment Strategies for Degenerative Lumbar Spinal Stenosis: A Systematic Review and Network Meta-Analysis of Clinical Studies[J].World Neurosurg, 2021,152:95.

[2]Jensen RK,Jensen TS,Koes B,et al.Prevalence of lumbar spinal stenosis in general and clinical populations:a systematic review and meta-analysis[J].Eur Spine J,2020,29(9):2143.

[3]刘泽祥,孙卓然,李危石.腰椎黄韧带特点以及黄韧带肥厚病理机制的研究进展[J].中国脊柱脊髓杂志,2020,30(09):838.

[4]Sun C,Zhang H,Wang X,et al.Ligamentum flavum fibrosis and hypertrophy:Molecular pathways,cellular mechanisms,and future directions[J].FASEB J,2020,34(8):9854.

[5]Nikovics K, Favier AL.Macrophage Identification In Situ[J]. Biomedicines,2021,9(10).

[6]Löhr M, Hampl JA,Lee JY,et al.Hypertrophy of the lumbar ligamentum flavum is associated with inflammation-related TGF-β expression[J].Acta Neurochir (Wien),2011,153(1):134.

[7]Amudong A,Muheremu A,Abudourexiti T.Hypertrophy of the ligamentum flavum and expression of transforming growth factor beta[J]. J Int Med Res,2017,45(6):2036.

[8]Saito T,Yokota K,Kobayakawa K,et al. Experimental Mouse Model of Lumbar Ligamentum Flavum Hypertrophy[J].PLoS One, 2017,12(1):e0169717.

[9]林伟文,凌华军,钟思龙,等.细胞因子bFGF和NF-κB在腰椎黄韧带肥厚中的表达及意义[J].海南医学,2019,30(7):824.

[10]Benditz A,Sprenger S,Rauch L,et al.Increased pain and sensory hyperinnervation of the ligamentum flavum in patients with lumbar spinal stenosis[J].J Orthop Res,2019,37(3):737.

[11]Moon HJ,Park YK,Ryu Y,et al.The angiogenic capacity from ligamentum flavum subsequent to inflammation:a critical component of the pathomechanism of hypertrophy[J].Spine(Phila Pa 1976), 2012,37(3):E147.

[12]Mantovani A, Sica A,Sozzani S,et al. The chemokine system in perse forms of macrophage activation and polarization[J].Trends Immunol,2004,25(12):677.

[13]宮甜甜,黄少刚,张玥,等.巨噬细胞的极化及功能调控[J].解剖学报, 2017,48(01):106.

[14]吴秀华,郑文洁.巨噬细胞极化[J].中华临床免疫和变态反应杂志, 2017,11(02):161.

【作者简介】姜成（1994.11-），男，汉族，甘肃省会宁县人，广东医科大学硕士研究生在读，主要研究方向：骨外科。

【通讯作者】黄春明（1931.03-），男，汉族，江西赣州市人，本科学历，广东医科大学教授、硕士生导师，广东医科大学附属高州医院、高州市人民医院副院长、纪委书记、主任医师，主要研究方向：脊柱及关节外科。