北京
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脊柱是支撐軀體的骨骼框架，具有維持軀體直立姿態(tài)的重要功能。
椎間盤是脊柱的關鍵組成部分，直立行走帶來的機械負荷，被視為人類腰背痛與脊柱退行性疾病的主要“元兇”。
然而，一個矛盾的現(xiàn)象是：漸進式的力學干預（如快步行走）卻被證實能有效降低腰背痛風險。那么，椎間盤究竟是如何處理這些“壓力”，甚至將其轉(zhuǎn)化為維持自身健康積極信號的呢？
近日，陸軍軍醫(yī)大學陸軍特色醫(yī)學中心甘翼搏/賀健/劉鵬團隊，聯(lián)合解放軍總醫(yī)院第五醫(yī)學中心劉兵團隊，在Cell Reports上發(fā)表的研究論文為我們揭開了謎底[1]。
他們首次在人與小鼠脊柱的高應力區(qū)域，發(fā)現(xiàn)并定義了一種名為“膠原化”（collagenesis）的全新椎間盤健康表型。這項研究不僅揭示了椎間盤主動適應有益機械應力、維持“剛?cè)岵逼胶獾募毎c分子機制，更突破了椎間盤細胞來源的傳統(tǒng)認知，為理解脊柱健康、開發(fā)全新的力學干預療法防治腰背痛提供了全新視角。
傳統(tǒng)觀點認為，椎間盤中心的髓核富含柔韌的蛋白聚糖，主要負責緩沖。
而這項研究通過多學科技術整合分析發(fā)現(xiàn)，在承受較高生理性負荷的區(qū)域（如人類腰骶部、小鼠骶尾交界處），椎間盤會發(fā)展出一種截然不同的狀態(tài)。
它的核心特征是髓核中II型膠原蛋白顯著富集，這賦予了它更強的抗壓縮和抗彎曲力學性能。研究團隊將這種狀態(tài)定義為“膠原化”。關鍵的是，這種“膠原化”并非病理退化。它不表達典型的退變標志物，并且能抵抗損傷后的纖維化。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，“膠原化”與經(jīng)典的“柔性”椎間盤并存，共同實現(xiàn)了脊柱生物力學中“柔”與“剛”的精密平衡，是椎間盤應對直立行走挑戰(zhàn)的積極適應策略。
上圖將小鼠脊柱藝術化地比擬為一株“翠竹”。其主干由真實的小鼠脊柱免疫熒光顯微圖像構成，展現(xiàn)了椎間盤的生物學結(jié)構。一束追光精準聚焦于根部的膠原化椎間盤（高表達II型膠原，呈白色），象征著這一新發(fā)現(xiàn)的堅固結(jié)構，為支撐直立姿勢提供了關鍵的力學基礎。相比之下，頂部的經(jīng)典柔性椎間盤（富含蛋白聚糖，呈黑色）則代表了脊柱原有的靈活與緩沖功能。整體設計將生物構造與自然意象相融合，形象地詮釋了本研究的核心發(fā)現(xiàn)——椎間盤通過“膠原化”與經(jīng)典狀態(tài)的協(xié)同，實現(xiàn)了骨骼系統(tǒng)中力量與柔韌之間的動態(tài)、優(yōu)雅平衡。
值得注意的是，“膠原化”表現(xiàn)出高度的物種保守性和明確的時空規(guī)律。在小鼠高應力部位，“膠原化”的發(fā)生率高達82.9%。在人類中的發(fā)現(xiàn)更具啟示性：空間上，越接近承受主要負荷的腰骶部，椎間盤的II型膠原表達越高；時間上，胚胎期（低負荷）未見膠原化，而該進程恰恰從嬰兒開始直立行走時啟動，并在成年期達到高峰。
這強烈提示，“膠原化”是椎間盤為適應“直立行走”這一進化挑戰(zhàn)，而發(fā)展出的關鍵力學適應程序，是與生俱來的保護機制。
更令人驚訝的是其細胞起源。傳統(tǒng)認知中，髓核由脊索細胞演化而來。但本研究發(fā)現(xiàn)，在“膠原化”的椎間盤中，脊索細胞消失了。取而代之的，是一群非脊索譜系、高表達PDGFRA、PROCR、PRRX1的椎間盤祖細胞。這群由該團隊前期鑒定的PROCR+細胞[2]，具有強大的干性和軟骨分化潛能。它們特異性地分布于膠原化區(qū)域，并主導了這一結(jié)構的形成。
那么，機械應力如何啟動這一“膠原化”程序？研究團隊通過構建尾部肌腱離斷模型來降低應力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)膠原化的出現(xiàn)概率大幅降低，證實機械負荷是驅(qū)動因素。
進一步的機制挖掘鎖定了機械敏感離子通道TRPV4。該通道在膠原化區(qū)域的細胞中高表達。在TRPV4基因敲除小鼠中，膠原化進程嚴重受損，II型膠原合成不足，力學性能顯著下降。這明確了TRPV4是感知機械應力、啟動下游膠原合成程序的核心分子開關。
膠原化椎間盤的多維度表型特征、發(fā)生機制及其人鼠高度保守性
總的來說，這一研究首次系統(tǒng)地描繪了椎間盤通過“膠原化”這一主動生理進程來適應和利用有益應力的全新圖景。該研究不僅是對椎間盤基礎生物學的重要更新，闡明了PROCR+祖細胞和TRPV4通道的核心作用，更重要的是為未來脊柱退行性疾病的防治開辟了新思路。
這項研究突破了以往主要關注“病理性應力如何導致退變”的范式，將科學焦點轉(zhuǎn)向了“生理性應力如何主動維護健康”。它提示我們，未來防治腰背痛的策略，或許不應只著眼于“減少損傷”，更可以著眼于“主動增強適應性保護”——即通過精準調(diào)控力學信號通路（如靶向TRPV4）或利用內(nèi)源性祖細胞，來早期干預椎間盤的“健康加固”程序，從而開發(fā)出全新的力學干預療法。
這項研究讓我們看到，進化賦予脊柱的，不只有脆弱的隱患，更有主動適應壓力的生命智慧。
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參考文獻：
[1]. He J, Huang S, Li Y, et al. Collagenesis orchestrates mechanoadaptive development and homeostasis of intervertebral discs. Cell Rep. 2026;45(3):117076. doi:10.1016/j.celrep.2026.117076
[2]. Gan Y, He J, Zhu J, et al.. Spatially defined single-cell transcriptional profiling characterizes diverse chondrocyte subtypes and nucleus pulposus progenitors in human intervertebral discs. Bone Res. 2021;9(1):37.
本文作者丨BioTalker
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