骨桥蛋白(OPN)促进软骨终板干细胞向髓核内归巢及其力生物学机制研究

The homeostasis maintenance system of intervertebral disc activates the exogenous and endogenous stem cells to maintain the number of viable and functional cells in disc. The damage of this system has been regarded as a key step of disc degeneration. Our group study confirmed the cartilage endplate-derived stem cells (CESCs) in the stem cell of intervertebral disc, involves in the maintenance of steady-state system in the degenerated disc. Recent studies found cell mechanical properties (cell stiffness, nucleus stiffness) play a key role in the stem cell homing, but whether cell mechanical properties of CESCs play roles in nucleus pulposus homing function is not clear. We found that degenerative nucleus pulposus tissue has a chemotactic effect of osteopontin (OPN), which could regulate mechanical properties of CESCs and the nucleus pulposus homing. Interfering mechanical properties of CESCs can inhibit the OPN-mediated CESC homing. Based on previous work, we plan to use in vitro and in vivo models to study OPN regulating mechanical properties of CESCs and explore integrin β1-FAK-ERK1/2 pathways in regulating CESCs mechanical characteristics and its roles in homing. This study will reveal the role of OPN for CESCs to nucleus pulposus homing function and biological mechanisms, provide new ideas for the prevention and treatment of lumbar intervertebral disc degeneration.

椎间盘内稳态的破坏是椎间盘退变的关键，我们前期研究证实软骨终板干细胞（CESCs）在退变过程中向髓核归巢，参与椎间盘内稳态的维持。最近研究发现细胞力学特性（细胞刚度、细胞核刚度）在干细胞归巢中发挥关键作用，但是否在CESCs髓核归巢中发挥作用尚不清楚。我们预实验发现退变髓核组织中骨桥蛋白（OPN）可调节CESCs力学特性并趋化CESCs归巢，干扰CESCs力学特性可抑制OPN介导的CESCs归巢，且该过程中integrin β1-FAK-ERK1/2信号通路激活。我们提出：OPN通过激活该通路，调控CESCs力学特性影响其归巢。本研究拟基于前期基础，研究OPN对CESCs力学特性的调控作用，并探索integrin β1-FAK-ERK1/2信号通路在OPN调节CESCs力学特性及其归巢中的作用，有望揭示OPN促进CESCs向退变髓核归巢的作用及机制，为防治椎间盘退变提供新思路。

椎间盘退变是导致腰痛的主要原因之一。在磁共振成像上，除了椎间盘信号强度改变、椎间盘高度降低外，许多患者同时伴有终板软骨退变（Modic改变），具体表现为终板的水肿、钙化及硬化。但既往对髓核退变与终板退变的相互作用关系并无深入研究。本项目通过体外使用TNF-α刺激终板软骨细胞（EPCs），体内构建终板下微骨折模型，从而模拟临床上终板退变的病理改变，并进一步探索终板退变对髓核的影响及当中潜在的作用机制。通过细胞实验发现，随着TNF-α刺激浓度的升高，EPCs衰老加剧、细胞增殖能力减弱，而骨桥蛋白（OPN）的表达水平也呈浓度依赖性地升高。将TNF-α处理后的EPCs培养上清液用于培养髓核细胞（NPCs），实验结果表明，NPCs增殖能力、基质合成代谢能力减弱，基质降解酶表达升高。值得注意的是，在TNF-α刺激的EPCs中伴有NF-κB信号通路的激活，抑制NF-κB信号可以减轻EPCs细胞衰老及NPCs基质降解。进一步研究发现，在TNF-α刺激的EPCs中敲低OPN的表达可以抑制NF-κB信号、降低细胞衰老标志物水平；而过表达OPN可以模拟TNF-α效果，激活NF-κB信号、升高细胞衰老标志物水平。此外，通过收集终板炎患者的临床样本及建立动物模型我们也发现，在退变的终板组织中，OPN及衰老标志物表达升高，NF-κB信号激活。据此，我们推断，退变的终板组织中OPN表达升高，激活EPCs的NF-κB信号通路，促进了EPCs衰老及衰老相关分泌表型（SASP），而SASP通过旁分泌效应可以进一步促进髓核的退变，包括NPCs增殖减弱、分解代谢增强。因此，本项目解释了终板退变与髓核退变的相互作用关系，并提出了以OPN/NF-κB信号通路作为干预的潜在靶点，为临床治疗椎间盘退变所致的腰痛提供了新的见解。