补肾活血方通过调控Wnt/β-catenin信号轴上下游信号的转导防治椎间盘退变的机制研究

Low back pain is a serious clinical problem and often related to intervertebral disc (IVD) degeneration. The mechanism responsible for this disease remains unknown. Interleukin-1 (IL-1) is a cytokine which plays an important role in inflammation and disc degeneration. β-catenin is a central molecule of canonical Wnt signaling and plays a key role in disc function. In preliminary studies, we found that IL-1 up-regulated chemokines, such as Ccl2, Ccl3 and Ccl5 in human disc cells. IL-1 induces β-catenin nuclear translocation in chondrocytes. β-catenin protein levels are also significantly up-regulated in disc tissues from patients with disc degeneration. To determine the function of β-catenin in disc cells and disc degeneration, we have generated and analyzed β-catenin conditional activation mice (β-catenin(ex3)Col2ER). These mice display severe defects in disc tissues, including extensive osteophyte formation, severe disorganized annulus fibrosus (AF) and nucleus pulposus (NP) tissues and up-regulation of MMPs in disc cells. These findings laid a strong foundation for further investigation of the role of β-catenin signaling in IL-1-induced chemokine regulation and disc degeneration. Based on preliminary findings we hypothesize that IL-1 causes disc degeneration partially through activation of β-catenin→chemokines→MMPs signaling pathway in disc cells. To test this hypothesis, we propose two specific aims. In Aim 1, we will determine the role β-catenin in IL-1-induced chemokines and MMPs regulation. In Aim 2, we will determine if deletion of Ccr1 will reverse defects observed in disc tissues of β-catenin(ex3)Agc1ER mice. Our proposed studies will provide novel insights into mechanisms of IL-1 and β-catenin signaling in disc cells and in the development of disc degeneration.

椎间盘退变是引起腰痛的最主要原因。基质金属蛋白酶（Matrix metalloproteinases，MMPs）是降解椎间盘细胞外基质，引起椎间盘退变的最重要的蛋白酶。IL-1在椎间盘退变过程中扮演重要角色，其表达上调会导致椎间盘内MMPs的生成增加。前期研究表明Wnt/β-catenin信号通路通过调节MMPs在椎间盘退变进程中起关键作用。以上结果强烈提示IL-1→Wnt/β-catenin→MMPs这一信号转导系统在椎间盘退变时发挥重要作用。我们研究发现补肾活血方能有效改善椎间盘退变的病理变化。但其具体的作用靶点需要深入探究。因此，我们假设补肾活血方通过调控椎间盘细胞内IL-1→Wnt/β-catenin→MMPs信号转导系统起到防治椎间盘退变的作用。本项目借助转基因和基因敲除模式动物，对该假设进行研究，以期初步阐明补肾活血方的作用靶点，为进一步探索补肾活血方起效的物质基础奠定基础。

腰痛是造成巨大社会经济负担，严重影响患者生活质量的重大公共卫生问题。引起腰痛的原因很多，其中椎间盘退变被认为是腰痛的最主要原因，对腰痛的发生起关键作用。众多研究强烈提示IL-1→Wnt/β-catenin→MMPs这一特定信号转导系统在椎间盘退变时发挥重要作用，是椎间盘退变的分子机制和途径之一。前期研究发现，补肾活血方用于椎间盘源性腰痛的治疗，疗效显著，且能有效改善椎间盘退变的病理变化。但其具体的作用靶点、效应环节及起效的物质基础均需要深入探究。本研究借助影像学、组织病理学及分子生物学等方法，对其进行了较为深入的探索，发现外源性IL-1能引起小鼠椎间盘退变，促进β-catenin 的表达，从而激活椎间盘内Wnt/β-catenin信号通路活性，增加MMPs的生成，降解椎间盘基质，抑制Ⅱ型胶原和蛋白聚糖的合成，且有剂量依耐性。补肾活血方能通过抑制IL-1活性，有效改善上述现象。抑制β-catenin基因活性后，外源性IL-1引起椎间盘退变的病理改变减轻，MMPs的表达下调，Ⅱ型胶原和蛋白聚糖的合成增加。补肾活血方能有效改善β-catenin基因激活小鼠椎间盘退变的病理表现，并能降低β-catenin活性，下调MMPs的表达，促进Ⅱ型胶原和蛋白聚糖的合成。初步阐明了IL-1→Wnt/β-catenin→MMPs信号转导系统在椎间盘退变中的作用，证实补肾活血方通过调控IL-1→Wnt/β-catenin→MMPs信号系统起防治作用。本项目的成果可望进一步揭示椎间盘退变的发病机制，为寻找治疗椎间盘退变的有效方法提供新理论和新靶点，同时初步阐明补肾活血方的效应环节和作用靶点，有助于发现其起效的物质基础，提高其疗效，进一步丰富“肾虚腰痛”的致病理论。本项目以寻求能缓解疼痛和修复椎间盘退变的有效药物为最终目的，直接针对腰痛这一迫切需要解决的重大公共卫生问题而展开，具有显著的经济和社会效益，应用前景广阔。本项目的研究模式可用于探索更多中药和方剂的作用机理，为中医药的现代化研究提供新思路、新方法，有助于促进中医药的发展，具有重要的理论意义和应用价值。