《細胞》子刊：刷新認知！中國科學家揭示脊柱健康的“剛柔并濟”之道

*僅供醫學專業人士閱讀參考

脊柱是支撐軀體的骨骼框架，具有維持軀體直立姿態的重要功能。

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”，甚至將其轉化為維持自身健康積極信號的呢？

近日，陸軍軍醫大學陸軍特色醫學中心甘翼搏/賀健/劉鵬團隊，聯合解放軍總醫院第五醫學中心劉兵團隊，在Cell Reports上發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域，發現并定義了一種名為“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“剛柔并濟”平衡的細胞與分子機制，更突破了椎間盤細胞來源的傳統認知，為理解脊柱健康、開發全新的力學干預療法防治腰背痛提供了全新視角。

傳統觀點認為，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現，在承受較高生理性負荷的區域（如人類腰骶部、小鼠骶尾交界處），椎間盤會發展出一種截然不同的狀態。

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。

研究人員還發現，“膠原化”與經典的“柔性”椎間盤并存，共同實現了脊柱生物力學中“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，展現了椎間盤的生物學結構。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），象征著這一新發現的堅固結構，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現——椎間盤通過“膠原化”與經典狀態的協同，實現了骨骼系統中力量與柔韌之間的動態、優雅平衡。

值得注意的是，“膠原化”表現出高度的物種保守性和明確的時空規律。在小鼠高應力部位，“膠原化”的發生率高達82.9%。在人類中的發現更具啟示性：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，而發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。傳統認知中，髓核由脊索細胞演化而來。但本研究發現，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域，并主導了這一結構的形成。

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，結果發現膠原化的出現概率大幅降低，證實機械負荷是驅動因素。

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、發生機制及其人鼠高度保守性

總的來說，這一研究首次系統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”——即通過精準調控力學信號通路（如靶向TRPV4）或利用內源性祖細胞，來早期干預椎間盤的“健康加固”程序，從而開發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