基于酸碱微环境调控的腰椎间盘退变修复新技术的建立及其机制研究

Several in vitro studies indicate that there are associations between intervertebral disc degeneration and its pH microenvironment, but there is no corresponding in vivo study to confirm, and the specific mechanism is still unclear. In the previous studies, our team invented the minimally invasive intervertebral approach named “disc shunt” in which we improved the pH value of the intervertebral disc microenvironment. With animal experiments and small-scale clinical trials, Disc shunt effectively promoted the degeneration of disc repair, significantly relieved the patient's lower back pain. Based on above results, the project will focus on the combination of intervertebral disc degeneration and pH microenvironment. We will further develop the research, and analyze how the changes of acid-base microenvironment work on disc degeneration and its specific mechanism. We plan to induce the nucleus pulposus cells, intervertebral disc tissues and miniature pigs as the research materials, and investigate the influence of pH microenvironment change on the intervertebral disc function and metabolism，as well as intracellular signaling pathways via the levels of molecular, cell, tissue and in vivo. Based on the discovery in pilot trials, we will explore the feasibility of sodium hydroxide exchange (NHE) inhibitors as potential therapeutic targets. Finally，we may establish a way to remodel disc pH microenvironment based on NHE target, and provide a new idea of minimally invasive therapy for intervertebral disc degeneration.

一些体外研究发现细胞酸碱微环境与椎间盘退变之间存在着某些关联，但目前尚未有相应地体内研究证实，且具体作用机制亦未见报道。在前期研究中，项目组独创性地建立微创椎间盘分流的方式，改善了椎间盘内环境的酸碱度。经过动物实验和小规模的临床验证，有效地促进退变椎间盘的修复，明显缓解患者的腰背部疼痛。基于此，本项目围绕椎间盘退变和酸碱微环境这一结合点，深化前期的研究结果，全面分析和探索酸碱微环境变化对腰椎间盘退变修复的影响及其具体作用机制。我们拟以髓核细胞、椎间盘组织以及小型猪为研究对象，从分子、细胞、组织以及动物整体水平等多方面深入开展酸碱微环境变化对椎间盘的功能和代谢以及细胞内信号通路的研究。结合预实验中的发现，探讨钠氢交换体（NHE）抑制剂作为潜在治疗靶点的可行性，以期最终建立基于NHE靶点的重塑椎间盘酸碱微环境的微创治疗方法，为腰椎间盘退行性疾病的治疗提供新思路。

一些体外研究发现细胞酸碱微环境与椎间盘退变之间存在着某些关联，但目前尚未有相应地体内研究证实，且具体作用机制亦未见报道。在前期研究中，项目组独创性地建立微创椎间盘分流的方式，改善了椎间盘内环境的酸碱度。经过动物实验和小规模的临床验证，有效地促进退变椎间盘的修复，明显缓解患者的腰背部疼痛。基于此，本项目围绕椎间盘退变和酸碱微环境这一结合点，深化前期的研究结果，全面分析和探索酸碱微环境变化对腰椎间盘退变修复的影响及其具体作用机制。通过体外实验模型可以发现酸性环境显著影响髓核细胞的生长状态，致使髓核细胞的增殖率降低，凋亡比例升高，并出现染色质加深，核固缩，裂变等标志性凋亡形态。同时酸性环境通过增加髓核细胞内与pH改变相关的细胞膜表面通道ASIC3的基因表达影响髓核细胞功能从而加重髓核细胞退变，表现为与细胞外基质降解和炎症相关的基因表达升高而与细胞外基质合成相关的基因表达下降，并且自噬相关基因表达的升高以及髓核细胞内自噬斑点的增多提示线粒体可能在酸性环境下髓核细胞凋亡过程中发挥重要作用。而在利用阿米洛利，AISC3特异性的抑制剂APETx2和ASIC3 siRNA各自阻断ASIC3的表达后，均可有效延缓酸性环境下髓核细胞的退变，维持其增长，减少其凋亡，并可减少炎症因子以及胞外基质降解酶的表达，保护髓核细胞外基质。与此同时，酸敏感通道的抑制亦可挽救酸性环境下髓核细胞的线粒体功能，通过维系凋亡相关蛋白bcl2与BAX的平衡，维持其膜电位水平，减少细胞色素c向胞外释放从而避免引发caspase诱导的凋亡级联反应，最终延缓髓核细胞退变。本研究通过构建酸性环境下髓核细胞的退变模型，阐述了酸敏感通道调控髓核细胞功能以及通过线粒体介导的凋亡途径致使髓核细胞退变的过程和具体分子调控机制，这为未来开发椎间盘诊治的药物提供了新的靶点和方向。