2024盘点|脊柱外科高水平基础研究成果

摘要：近年来，随着单细胞测序技术以及生物信息学技术的普及和发展，学界对椎间盘发育、退变的认识达到了前所未有的高度。在此，我们从脊柱发育的新认识、椎间盘退变和盘源性腰痛发生的新机制、脊柱生物重建的新策略三个角度梳理了近年来学界在脊柱/椎间盘发育、退变和对椎间盘修复、重

近年来，随着单细胞测序技术以及生物信息学技术的普及和发展，学界对椎间盘发育、退变的认识达到了前所未有的高度。在此，我们从脊柱发育的新认识、椎间盘退变和盘源性腰痛发生的新机制、脊柱生物重建的新策略三个角度梳理了近年来学界在脊柱/椎间盘发育、退变和对椎间盘修复、重建方面的相关研究；同时，我们还总结了近年来应用各类测序深入解码椎间盘发育退变过程的新视角，以供读者参考、讨论。

2024年10月，来自Chan Zuckerberg Biohub（扎克伯格—陈计划资助的生物中心）的研究团队在Cell杂志发表了题为“A multimodal zebrafish developmental atlas reveals the state-transition dynamics of late-vertebrate pluripotent axial progenitors”的研究论文，提出了一个整合了单细胞测序时间序列数据和通过光片显微镜辅助的谱系重建的斑马鱼胚胎发育动态图谱，并开发了直观、易用的在线数据图谱（https://zebrahub.sf.czbiohub.org/），为研究脊柱、脊髓的发育再生提供了有益参考。

图1 Zebrahub——多模态斑马鱼发育图谱1

椎间盘髓核由脊索发育而来。2024年12月，来自英国The Francis Crick Institute的James Briscoe教授团队在Nature杂志发表了题为“Timely TGFβ signalling inhibition induces notochord”的研究论文。该研究通过对鸡胚胎进行单细胞测序，并基于此构建了脊索类器官：notoroids。该方法可稳健构建由体节和神经周围组织包覆的脊索细胞，且产生的脊索类器官具有体外调控神经管及体节发育的能力。

图2 通过单细胞转录组技术解析鸡胚躯干发育过程中不同细胞群体的分布和特征2

椎间盘髓核中细胞的发育来源、命运转归始终是学界研究的热点。

2024年6月，来自香港大学的Kathryn S.E. Cheah教授团队在Cell Reports杂志发表了题为“Progenitor-like cells contributing to cellular heterogeneity in the nucleus pulposus are lost in intervertebral disc degeneration”的研究论文。研究团队应用单细胞测序技术和生物信息学分析，发现Tagln+的髓核细胞是对髓核发育和稳态维持至关重要的祖细胞。

图3 Tagln+的髓核细胞对髓核发育和稳态维持至关重要3

椎间盘退变历来是脊柱外科基础研究领域的热点，近年来，学界围绕椎间盘细胞衰老的机制和干预，发表了大量重要成果。

2021年9月，来自Thomas Jefferson大学的Makarand V Risbud教授团队在Nature Communications杂志发表了题为“Long-term treatment with senolytic drugs Dasatinib and Quercetin ameliorates age-dependent intervertebral disc degeneration in mice”的研究型论文。发现“达沙替尼+槲皮素”治疗可显著改善小鼠年龄依赖的椎间盘退变进展。

图4 “D+Q”治疗显著改善小鼠年龄依赖的椎间盘退变4

2024年1月，来自华中科技大学医学院附属协和医院的杨操教授团队在The Journal of Clinical Investigation杂志发表了题为“Disassembly of the TRIM56-ATR complex promotes cytoDNA/cGAS/STING axis–dependent intervertebral disc inflammatory degeneration”的研究型论文。研究人员发现，共济失调毛细血管扩张RAD3相关蛋白（Ataxia-telangiectasia-mutated and Rad3-related protein, ATR）的缺乏，通过cGAS-STING轴依赖途径破坏基因组完整性并促进髓核细胞的炎性衰老。

那么，退变椎间盘如何诱发盘源性疼痛呢？正常情况下，椎间盘仅有纤维环外侧有神经血管支配，椎间盘退变过程中，受到各类不利因素影响，感觉神经末梢逐渐长入椎间盘软骨终板和内侧纤维环之中，成为盘源性腰痛产生的神经解剖学基础。近年来，多个研究团队关注到并致力于阐明其中的具体机制（Osteoarthritis Cartilage，20195等）。

2023年11月，来自美国Cedars-Sinai医学中心的Dmitriy Sheyn教授团队在Science Translational Medicine杂志发表了题为“Intervertebral disc human nucleus pulposus cells associated with back pain trigger neurite outgrowth in vitro and pain behaviors in rats”的研究型论文。发现腰痛病人椎间盘的部分髓核细胞中在退变环境的刺激下可转变为能诱发疼痛的细胞亚型，可以诱导神经末梢生长，为临床上治疗椎间盘源性腰痛开辟了新的思路。

图5 人椎间盘髓核细胞种群及其转录异质性与腰痛高度相关6

同期，来自约翰霍普金斯大学曹旭教授团队联合中山大学邹学农教授团队在Science Translational Medicine杂志发表了题为“Parathyroid hormone treatment partially reverses endplate remodeling and attenuates low back pain in animal models of spine degeneration”的研究型论文。发现甲状旁腺激素（PTH）治疗可诱导成骨和血管生成，并减少软骨终板的孔隙率，同时减少了炎症因子水平；逆转了腰痛相关行为学表型。

图6 PTH治疗可诱导成骨和血管生成，并减少软骨终板的孔隙率，维持腰椎不稳模型下的髓核、软骨终板高度7

在此基础上进一步探究，2024年6月曹旭教授团队在Elife杂志发表了题为“Senescence of endplate osteoclasts induces sensory innervation and spinal pain”的研究型论文。阐述了衰老破骨细胞可以通过介导Netrin-1和NGF的分泌来诱导多孔终板中感觉神经的长入。

图7 在腰椎不稳模型和老年小鼠模型的终板中观察到的大量SnOC，与终板退化和腰痛有关8

近年来，曹旭教授团队在软骨终板神经长入致腰痛的机制方面进行了大量研究，发表了系列成果（Nature Communication，20199等），有兴趣的读者可以进一步深入了解。

除关注盘源性腰痛椎间盘局部的研究外，还有大量学者关注了腰痛的全身反应和神经系统反应。

2022年5月，来自加拿大McGill大学的Luda Diatchenko教授团队在Science Translational Medicine杂志发表了题为“Acute inflammatory response via neutrophil activation protects against the development of chronic pain”的研究型论文。该团队研究人员对98名急性腰痛患者进行了三个月的追踪，发现从急性腰痛中恢复的患者身上具备更高的炎症反应水平。同时，研究人员发现完全阻断炎症反应可能反而会诱发急性腰痛转变为慢性腰痛。最后，研究结果还与英国生物银行（UK Biobank）研究中对50万人的单独调查结论相互印证：与服用扑热息痛或抗抑郁药的人相比，服用消炎药治疗腰痛的人在2到6年后出现持续慢性腰痛的可能性要高出75%。

图8 服用药物种类与腰痛持续时间的关系10

除中性粒细胞外，研究人员还关心慢性腰痛对中枢神经的影响。

2024年12月，来自德国Heidelberg大学的Herta Flor教授团队在Elife杂志发表了题为“A multisite validation of brain white matter pathways of resilience to chronic back pain”的研究型论文。发现：与持续性疼痛患者相比，腰痛痊愈患者右上内侧纵束（SLF）弥散加权成像（DWI）具有显著增高的各向异性分数（fractional anisotropy，FA），同时该值能预测疼痛严重程度的变化，提示SLF在DWI下的FA是预测慢性腰痛进展的可靠指标，具有临床转化的潜力。

图9 HC（健康人群）组、CBP（慢性腰痛）组、SBPr（亚急性腰痛恢复患者）组和SBPp（亚急性腰痛持续患者）组右上内侧纵束的DWI成像FA比较11

长期以来，大量研究聚焦应用组织工程办法对椎间盘各组分（主要是髓核、纤维环）进行单独修复、重建，忽视了椎间盘结构的整体性。

2018年11月，来自宾夕法尼亚大学的Robert L. Mauck教授团队率先做出突破，在Science Translational Medicine杂志发表了题为“Long-term mechanical function and integration of an implanted tissue-engineered intervertebral disc”的研究型论文。该团队应用BMSC和生物相容性材料开发了“终板改良的，椎间盘样，层板结构（endplate-modified Disc-like Angle Ply Structures, eDAPS）组织工程椎间盘”。部分突破了椎间盘各组分单独修复重建的局限性。

图10 eDAPS原位替换山羊颈椎12

随后，2021年1月，上海交通大学戴克戎院士团队在Bioactive Materials杂志发表了题为“A 3D-Bioprinted dual growth factor-releasing intervertebral disc scaffold induces nucleus pulposus and annulus fibrosus reconstruction”的研究型论文。该团队应用生物3D打印技术，将CTGF和TGF-β3分别复合在多巴胺纳米颗粒上，诱导在BMSC在3D空间内，分别分化为髓核样和纤维环样组织，初步实现了解剖结构正确的椎间盘生物一体化构建。

图11 应用生物3D打印一体化构建椎间盘的表征13

椎间盘由空间中组织结构各异、细胞构成不同的髓核、纤维环、软骨终板三部分构成。长期以来，学界缺乏对其中组织构成、细胞种类在三维空间内分布的详尽认识。近年来，随着空间组学、单细胞组学技术的普及和进步，大量研究团队开展了应用空间蛋白、转录组学，单细胞测序等先进技术解码椎间盘的发育、退变过程的相关研究，让学界对椎间盘的认识达到了前所未有的新高度。

2020年12月，来自香港大学的Danny Chan研究团队在Elife发杂志发表了题为“DIPPER, a spatiotemporal proteomics atlas of human intervertebral discs for exploring ageing and degeneration dynamics”的研究型论文。对来源于17位健康或退变人的椎间盘样本进行了蛋白组学分析，并采用了直观、简单的在线交互分析系统，在互联网上公开（http://www.sbms.hku.hk/dclab/DIPPER/），方便相关学者进一步研究。目前，DIPPER还与国内外其他作者合作，将其他研究的测序结果一并纳入该平台，方便研究人员查询。

图12 DIPPE研究的主要路径示意图14

2024年2月，来自厦门大学的许韧教授团队，联合基迪奥公司、华侨大学、西湖大学的研究团队，在Advanced Science杂志发表了题为“Characterization of the Nucleus Pulposus Progenitor Cells via Spatial Transcriptomics”的研究型论文。研究团队对出生后各阶段小鼠椎间盘进行了空间转录组分析，确认了在髓核外围区域的Ctsk+细胞高度参与了NP形态学的构建过程。

图13 该研究的主要路径示意图15

除上述空间蛋白组、转录组研究外，还有大量研究应用单细胞测序的研究发表。

2022年7月，来自美国Cedars-Sinai医学中心的Dmitriy Sheyn教授团队在iScience杂志发表了题为“Single-cell atlas unveils cellular heterogeneity and novel markers in human neonatal and adult intervertebral discs”的研究型论文。构建了人类新生儿和成人椎间盘的单细胞图谱，揭示了在新生儿和成人椎间盘中存在两个脊索样细胞亚群及其相关基因标记。

图14 应用单细胞测序对新生儿和成年人椎间盘细胞进行分析16

除上述比较新生儿和成年人椎间盘的单细胞测序研究外，2023年5月，来自中山大学的杨建荣、陈小舒教授团队，在iScience杂志发表了题为“Single-cell transcriptomics reveals heterogeneity and intercellular crosstalk in human intervertebral disc degeneration”的研究型论文。该项研究应用单细胞测序技术，详细对比了14份退变程度不同的人椎间盘样本。确认了椎间盘退变过程中的免疫细胞浸润情况，描绘了椎间盘退变过程中的细胞表型演化路径。

图15 该项研究的主要路径示意图和单细胞测序的主要结果17

进一步的，也有学者关注髓核、纤维环在退变过程中的病理生理学异同。

2024年2月，来自Scripps研究所的Martin K. Lotz教授团队在Advanced Science杂志发表了题为“Shared and Compartment-Specific Processes in Nucleus Pulposus and Annulus Fibrosus During Intervertebral Disc Degeneration”的研究型论文。该研究应用单细胞测序技术，比较了健康与退变椎间盘的细胞亚群差异，以深入探讨不同组织在疾病过程中的特异性变化。

图16 该研究纳入样本的基本情况18

也有学者联合应用单细胞测序技术和空间转录组技术。

2023年3月，中山大学附属第一医院苏培强教授联合厦门大学许韧教授团队，在Advanced Science杂志发表了题为“Spatiotemporal characterization of human early intervertebral disc formation at single-cell resolution”的研究型论文。研究人员联合应用单细胞测序技术和空间转录组技术，分析了人类（孕7-11周）和小鼠（受精后11.5-15.5天）早期椎间盘形成时期的脊柱标本。描绘了人类和小鼠早期椎间盘形成的时空转录调控图谱，并在小鼠谱系示踪Sox10+、Ctsk+等新椎间盘细胞亚型，阐明了椎间盘早期形成过程中各细胞亚型间的分子调控网络，发现了椎间盘微环境的候选调控因子。

图17 该研究的主要路径示意图19

总结

近年来，脊柱外科的基础研究发展迅猛，孵化了一大批重要的基础研究成果，进一步加深了学界对脊柱退变发生、进展和转归的本质认识。由于本文篇幅有限，还有很多重要、有意义的成果，不能一一在此列举。如读者有兴趣，可以与我们一同学习探讨。

主要参考文献

1.Lange M, Granados A, VijayKumar S, et al. A multimodal zebrafish developmental atlas reveals the state-transition dynamics of late-vertebrate pluripotent axial progenitors. Cell 2024.

2.Rito T, Libby ARG, Demuth M, Domart MC, Cornwall-Scoones J, Briscoe J. Timely TGFbeta signalling inhibition induces notochord. Nature 2024.

3.Tan Z, Chen P, Dong X, et al. Progenitor-like cells contributing to cellular heterogeneity in the nucleus pulposus are lost in intervertebral disc degeneration. Cell Rep 2024; 43(6): 114342.

4.Novais EJ, Tran VA, Johnston SN, et al. Long-term treatment with senolytic drugs Dasatinib and Quercetin ameliorates age-dependent intervertebral disc degeneration in mice. Nat Commun 2021; 12(1): 5213.

5.Park EH, Moon SW, Suh HR, et al. Disc degeneration induces a mechano-sensitization of disc afferent nerve fibers that associates with low back pain. Osteoarthritis Cartilage 2019; 27(11): 1608-17.

6.Jiang W, Glaeser JD, Kaneda G, et al. Intervertebral disc human nucleus pulposus cells associated with back pain trigger neurite outgrowth in vitro and pain behaviors in rats. Sci Transl Med 2023; 15(725): eadg7020.

7.Ling Z, Crane J, Hu H, et al. Parathyroid hormone treatment partially reverses endplate remodeling and attenuates low back pain in animal models of spine degeneration. Sci Transl Med 2023; 15(722): eadg8982.

8.Pan D, Benkato KG, Han X, et al. Senescence of endplate osteoclasts induces sensory innervation and spinal pain. Elife 2024; 12.

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12.Gullbrand SE, Ashinsky BG, Bonnevie ED, et al. Long-term mechanical function and integration of an implanted tissue-engineered intervertebral disc. Sci Transl Med 2018; 10(468).

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14.Tam V, Chen P, Yee A, et al. DIPPER, a spatiotemporal proteomics atlas of human intervertebral discs for exploring ageing and degeneration dynamics. Elife 2020; 9.

15.Chen Y, Zhang L, Shi X, et al. Characterization of the Nucleus Pulposus Progenitor Cells via Spatial Transcriptomics. Adv Sci (Weinh) 2024: e2303752.

16.Jiang W, Glaeser JD, Salehi K, et al. Single-cell atlas unveils cellular heterogeneity and novel markers in human neonatal and adult intervertebral discs. iScience 2022; 25(7): 104504.

17.Wang D, Li Z, Huang W, et al. Single-cell transcriptomics reveals heterogeneity and intercellular crosstalk in human intervertebral disc degeneration. iScience 2023; 26(5): 106692.

18.Swahn H, Mertens J, Olmer M, et al. Shared and Compartment-Specific Processes in Nucleus Pulposus and Annulus Fibrosus During Intervertebral Disc Degeneration. Adv Sci (Weinh) 2024: e2309032.

19.Zhou T, Chen Y, Liao Z, et al. Spatiotemporal Characterization of Human Early Intervertebral Disc Formation at Single-Cell Resolution. Adv Sci (Weinh) 2023: e2206296.

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