形气理论视角下椎间盘退变的基因表达调控研究进展

李铁军, 刘家兴, 姜益常

【作者机构】 黑龙江中医药大学; 黑龙江中医药大学附属第一医院骨伤三科
【分 类 号】 R274.9
【基    金】 黑龙江省中医药科研项目(ZHY2023-220)。
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形气理论视角下椎间盘退变的基因表达调控研究进展

形气理论视角下椎间盘退变的基因表达调控研究进展

李铁军1 刘家兴2 姜益常2

1.黑龙江中医药大学,黑龙江哈尔滨 150040;2.黑龙江中医药大学附属第一医院骨伤三科,黑龙江哈尔滨 150040

[摘要] 椎间盘退变可引起椎间盘突出,产生疼痛、麻木的症状,影响人的生活质量,其复杂的发病机制仍未完全阐明。近年来,基于基因表达调控探究腰椎间盘退变机制的研究逐渐增多,但多集中于单一基因或信号通路,缺乏系统性机制探讨和理论串联。本文从形气理论视角,系统梳理椎间盘退变基因表达调控机制,指出组织结构损伤(形损)与功能衰退(气衰)相互影响的恶性循环是该病关键特征,为理解椎间盘退变提供结构-功能的双重解析框架。基因调控构成两者关联的分子基础,具有重要科研及临床价值。

[关键词] 形气理论;椎间盘退变;基因表达调控;中医药干预;细胞外基质

椎间盘退变是临床常见的脊柱疾病,其发病机制复杂,涉及结构破坏与功能紊乱的相互作用。根据《黄帝内经》,中医形气理论强调“形”与“气”间,即形态与功能间存在动态平衡[1]。该理论为笔者理解椎间盘退变中的“形损”与“气衰”提供重要的理论框架。椎间盘退变的分子机制及基因表达调控与椎间盘的退变密切相关。退变患者的miRNA-199-5p表达水平显著高于健康对照组,提示该分子可能作为评估椎间盘退变的生物标志物[2]。现代分子生物学的进展也提供新视角。核因子κB(nuclear factor κB,NF-κB)的过度激活可促进椎间盘细胞的凋亡,并抑制其糖酵解过程,从而加重椎间盘退变[3]。这种机制与形气理论中的“气伤痛”相呼应,强调气的充足与功能的维持对组织健康的重要性。

在基因调控的框架下,形气理论启发创新性治疗路径。调控关键基因表达,有望实现椎间盘组织的修复再生。中药补气效应,被认为能优化线粒体性能,提升细胞能量代谢效率,该观点与现代生物医学认知高度契合[4]。两者的融合,不仅开拓临床干预新思路,而且为中西医整合发展奠定重要基石。

1 形气理论的由来与中医理论基础

1.1 《黄帝内经》中形气理论的原文与阐释

《黄帝内经》是中国传统医学的经典著作,在全文中多次提到有关“形”和“气”的论述[5]。《黄帝内经》中的形气理论,以“形为体,气为用”为核心,构建中医的整体观念和辨证施治法则,指导临床诊断、治疗与养生实践。形气理论的本质是古代朴素系统论思想在医学中的体现,强调结构与功能的不可分割性。《素问·阴阳应象大论》曰:“阳化气,阴成形。”从阴阳哲学高度概括形与气的本质,即气为功能,形为物质。阳推动无形的气生成与运行,阴促进有形物质的凝聚与结构形成,即气由阳化生,形由阴合成,故阴阳两者的关系映射形与气的关系。

1.2 形与气的生理和病理关系

在生理层面:①形气互根,形为气之根,气为形之用。形为气之根,形生养气,即脏腑、经络等有形结构是化生和储存气的场所。②形气互用,包括气以养形和形以载气两个方面。气以养形,如卫气温煦肌肤,营气濡养血脉;形以载气,指脏腑形体是气化活动的载体。③形气相任,包括协调则寿、失衡则病两个方面。《灵枢·寿夭刚柔》曰:“形与气相任则寿,不相任则夭。”表示形盛需气足,形瘦需气敛。

在病理层面:①形气互损,包括形病及气和气病及形两个方面。形病及气,指形体损伤阻碍气机运行,导致气滞或气虚,《素问·举痛论》曰:“血泣则气去。”气病及形,指气机失调(如肝郁气滞)引发形体病变(如乳腺增生、甲状腺结节、黄韧带肥厚、间盘突出等)。②形气失衡,失衡则病包括形生气、气胜形和形气俱衰3个方面。《灵枢·根结》曰:“形气不足,病气有余,是邪胜也,急泻之。”即形气失衡的体现。③寒热致病对形气两者关系的影响。寒邪具有阻碍气血运行的特点,易侵袭人体有形之体(如肌肉、筋骨),导致形体病变(如痹痛、肿胀),而热邪扰乱气机升降,易耗散人体无形之气(如阳气、津液),导致功能紊乱(如气虚、津亏)。

1.3 形气理论与退变的关系

①形气失衡是退变的基础。首先,形与气相互依存,《灵枢·寿夭刚柔》曰:“形与气相任则寿,不相任则夭。”若一方过盛或不足,则导致疾病发生。退变本质是形气长期失衡的结果,如“形胜气者夭”指形体虽存但气机衰弱,无法濡养组织,引发骨骼、肌肉等退行性病变。其次,气衰则形枯。《素问·玉机真脏论》曰:“大骨枯槁,大肉陷下……其气动形,期六月死。”该段描述气脱形败末期,形失气养则骨骼枯槁、肌肉萎缩,对应退行性病变如骨质疏松、肌肉萎缩等。②气滞血瘀与退变的恶性循环。《素问·阴阳应象大论》曰:“气伤痛,形伤肿。故先痛而后肿者,气伤形也;先肿而后痛者,形伤气也。”气伤,即功能失调,则气血雍滞不通则痛;形伤,指形体受损,形体受损后血瘀水停则肿胀,包括外伤淤血肿胀、水肿等。气机阻滞引发疼痛,久则影响血行,形成血瘀肿胀,故“先痛后肿,气伤形也”;形体损伤(如跌打瘀肿)压迫气机运行,导致继发性气滞疼痛(如骨折后局部肿痛加重),故“先肿后痛,形伤气也”。“形”和“气”受到损伤后,可影响气血运行,久之则气血瘀滞、气机不畅,无法养形,形体衰败,阳气枯竭,最终导致退变的发生。

2 形气理论框架下的腰椎间盘退变机制

2.1 形损:椎间盘结构破坏的分子机制

椎间盘结构破坏的分子机制涉及细胞外基质稳态失衡、炎症反应、细胞死亡及异常信号通路的激活等多方面因素。①细胞外基质降解:椎间盘退变的核心表现为胶原纤维网络破坏和蛋白聚糖流失。基质金属蛋白酶和分泌型锌依赖性金属蛋白酶是一类具有血小板反应蛋白基序的去整合素金属蛋白酶家族,该家族酶活性增强,直接降解Ⅱ型胶原基因和聚集蛋白聚糖,导致髓核水合能力下降和纤维环力学强度降低[6]。②炎症因子驱动:白细胞介素-1β 和肿瘤坏死因子-α通过激活NF-κB信号通路,上调基质金属蛋白酶表达,并抑制细胞外基质合成基因如Ⅱ型胶原蛋白α1链和聚集蛋白聚糖,加速基质分解。同时,炎症微环境促进神经血管异常侵入,加剧结构破坏[7]。③细胞死亡与衰老:氧化应激通过诱导DNA损伤和线粒体功能障碍,激活p53/JNK信号通路,进一步促进细胞凋亡和基质降解[8]。④机械信号异常:异常力学负荷通过Wnt/β-catenin和MAPK信号通路扰乱细胞-基质相互作用,抑制整合素介导的细胞外基质重塑,导致纤维环层状结构断裂[9]

2.2 气虚:功能紊乱的分子病理

当路易小体中的α 突触核蛋白出问题时,可扰乱多个重要细胞功能(如突触、线粒体、废物清理系统),同时错误地激活DNA修复和炎症信号[10]。这种分子特征被称为路易体相关聚集体分子功能障碍特征,在帕金森病患者和小鼠模型中均保守存在。①溶酶体系统异常在蛋白质稳态失衡中起重要作用,帕金森病相关基因富亮氨酸重复激酶2突变可破坏溶酶体完整性,导致α 突触核蛋白清除障碍,形成病理性聚集[11]。②血管系统的分子病理表现为血管重塑异常,包括外膜增厚性重塑和内膜增生性重塑的动态失衡,其分子机制包括血流动力学改变引发的Wnt/βcatenin、TGF-β 和PI3K/Akt等信号通路异常[12]。血-脑屏障功能障碍则通过血管炎症和信号转导异常加剧神经退行性病变[13]。气衰作为一种标志性状态,反映代谢失衡与炎症反应间存在复杂的互作关系。在椎间盘退变的研究中,深入探讨这种互作关系,有助于为新型治疗策略的开发提供理论基础[14]

3 基因表达调控在形气失衡中的作用

3.1 炎症与自噬相关基因的调控

炎症和自噬与椎间盘退变相关。研究显示,自噬作为细胞代谢的重要调节机制,可通过清除受损细胞器和异常蛋白减轻炎症反应,但其在椎间盘退变中的具体作用仍存在复杂性[15]。独活寄生汤可通过调控mTOR信号通路依赖性自噬延缓大鼠腰椎间盘的退变进程,增强腰椎间盘髓核细胞内自噬能力[16]。该机制与肠道炎症模型中观察到的自噬抑制现象类似,即病原体刺激下自噬基因表达下调,益生菌则通过激活自噬相关基因(autophagy-related gene,ATG)5和ATG7等显著减少白细胞介素-6及白细胞介素-1β 等炎症因子的释放[17]。自噬的调控具有双向性,即适度激活可抑制NF-κB炎症信号通路,过度激活可诱导细胞凋亡。糖尿病肾病研究显示,移植炎症因子1通过miR-34a/ATG4B轴抑制自噬,导致氧化应激和炎症因子积累,恢复自噬活性可缓解该现象[18]。椎间盘微环境内可能存在类似的芳香烃受体依赖型自噬调控机制,该网络失衡可能导致基质金属蛋白酶表达异常[19]。类固醇治疗抵抗的炎症状态常与自噬功能缺陷直接关联,提示椎间盘退变过程中伴随的慢性炎症耐药现象。溶酶体自噬失活使细胞对炎症刺激的清除能力下降,导致炎症信号持续累积,且难以被常规抗炎药物阻断,故深入探究ATG5或ATG7基因干预的可行性显得尤为必要[20]

3.2 基质代谢基因与生物力学失衡

基质代谢基因的调控与生物力学失衡,在椎间盘退变的研究中逐渐受到重视。细胞外基质合成的关键基因Ⅱ型胶原蛋白α1链和聚集蛋白聚糖表达水平与细胞外基质稳态密切相关。研究显示,炎症因子白细胞介素-1β 可通过抑制Nrf2/HMGB1轴,导致Ⅱ型胶原蛋白α1链和聚集蛋白聚糖表达下调,同时激活NF-κB信号通路加速细胞外基质降解[21]。随着年龄增长,椎间盘的生物力学特性变化可显著影响细胞代谢活动,导致基质代谢基因的表达调控失衡[22]。随着基质刚度增加,人髓核细胞形态变为铺展状,F-肌动蛋白排列增强,激活血清反应因子和转录增强子相关结构域转录因子,进而抑制人髓核细胞特异性基因表达,并促进纤维化表型,最终导致基质合成能力下降[23]

4 中医药干预:调和形气的多靶点策略

4.1 调节基因表达,修复“形损”

基于形气理论,以杜仲、骨碎补为代表的补肾活血类方剂,在调控椎间盘细胞外基质代谢相关基因方面作用显著[24]。其活性成分能干预胞内信号传导,进而影响参与细胞外基质合成与降解过程的基因表达,最终促进椎间盘组织的修复与再生。涉及机制如下:①细胞外基质代谢平衡调节:椎间盘退变进程中,纤维环和髓核组织内细胞外基质合成与降解失衡是关键的结构破坏因素。退变椎间盘内差异表达的基因呈现显著下调趋势,提示这些因子可能成为修复细胞外基质的潜在干预靶点[25]。②炎症反应及细胞凋亡抑制:椎间盘退变组织内,协同抑制血管内皮生长因子与p53,能减轻新生血管长入及细胞外基质过度分解,延缓退变进程[26]。中药活性成分大黄素通过阻断NF-κB信号通路,改善细胞外基质代谢失衡,延缓退变的效应,依赖于低密度脂蛋白受体相关蛋白1介导的信号调控机制[27]。③力学信号与分子调控网络:机械应力与生化信号的协同作用深刻影响细胞外基质稳态。实验显示,特定强度的流体剪切力(1.8 dyn/cm2)能通过miR-143-3p/ERK5/KLF4信号轴,促进Ⅱ型胶原蛋白α1链和聚集蛋白聚糖的分泌,提示力学微环境在调控椎间盘细胞功能中的核心地位[28]。④线粒体质量控制与免疫调节:线粒体自噬相关基因Tomm家族在退变椎间盘组织中表达上调;通过激活线粒体自噬,显著下调Tomm20/Timm23表达,改善椎间盘结构及细胞外基质合成,提示其具备作为诊断标志物和治疗靶点的潜在价值[29]

4.2 改善微环境,恢复“气化”

依据中医理论,维持健康需依赖“气”的正常流转与代谢。腰椎间盘结构退变及突出常与局部微环境变化紧密关联,故优化该环境、重建“气化”过程至关重要。当前提升退变椎间盘微环境及恢复其功能的研究已取得显著成果。采用单细胞微凝胶封装技术,能有效抑制焦亡发生,有助于线粒体功能稳定,最终强化细胞抵抗氧化损伤的潜力[30]。特定生物材料,如双网络水凝胶微球,通过持续释放镁离子,改善椎间盘高度及含水状态[31]。外泌体及其携带的微RNA能通过影响细胞凋亡、炎症应答及血管新生等过程重塑椎间盘微环境,开辟无细胞治疗的新途径[32]。在中医药领域,抗炎和促血管生成具有显著效果。研究显示,气功可通过主动调节自主神经系统的活动,诱导产生一种“和谐平静”的生理状态,减少副交感神经活动、加快心率,同时增强整体RR间期调节,提示“气”的调控通过节律性激活与放松机制,促进生理系统的动态平衡[33]。研究显示,黄芪丹参的主要成分黄芪甲苷及丹参酮ⅡA能促进退变椎间盘髓核细胞中miR-223-5p高表达,进而抑制髓核细胞炎症反应,减轻髓核细胞细胞外基质的降解,抑制髓核细胞凋亡,减缓椎间盘退变[34]。补气药物中,党参-白术有效成分能上调退变椎间盘组织中细胞外基质的表达,抑制炎症因子及基质金属蛋白酶的合成,从而达到延缓椎间盘退变的作用[35]

5 未来研究方向

5.1 基因编辑与中医药协同治疗

①基因编辑与中医药结合。其核心在于通过精准调控基因表达或代谢通路,优化中药活性成分的生物合成,揭示中药治疗机制的分子基础[36]。研究显示,透骨草中PlCYP81Q38基因的敲除抑制木脂素合成,导致前体松脂醇积累,同时上调木质素合成相关基因表达,揭示代谢网络反馈调控机制[37]。②结合生物信息学筛选中药作用靶点。通过对脊痛消胶囊的网络药理学分析,可得出该药物的活性靶点及信号通路,通过网络药理学分析脊痛消胶囊治疗腰椎间盘突出症的治疗靶点,结合实验验证脊痛消胶囊对JNK/MAPK信号通路的调控作用[38]。③基因编辑优化药用植物种质资源。通过线粒体基因组测序如天山雪莲和土茯苓属,揭示基因水平转移与代谢适应性进化特征,为分子育种提供遗传标记[39]。基因编辑技术正从“解析机制”向“精准调控”阶段发展,通过与中医药理论的深度结合,有望实现从药材品质提升到个性化治疗方案的革新。

5.2 多组学整合分析

多组学综合分析,特别是联合应用转录组、蛋白质组及代谢组学技术,在阐释形气理论方面起重要作用。在椎间盘退变研究中,整合代谢组与蛋白质组数据,于患者脑脊液内识别出关联神经病理性疼痛、炎症反应及髓鞘形成的分子特征[40]。进一步揭示,C-型凝集素域家族11成员A基因通过促使炎症介质神经鞘胚素及特定血清代谢物(X-12731、X-18901)表达上调而加剧椎间盘退变进程,该过程涉及软骨细胞功能障碍与炎症通路的激活[41]。结合基因组学、转录组学及蛋白质互作网络的系统生物学方法,成功筛选出与椎间盘退变高度关联的核心基因,如BUB1b、细胞周期蛋白B1。BUB1b在肺腺癌中已被证明可稳定Nrf2信号通路,抑制铁死亡,从而增强细胞存活能力[42];细胞周期蛋白B1作为调控G2/M期转换的关键因子,其在椎间盘退变中可能因异常机械应力或炎症刺激而上调,最终诱发髓核细胞增殖失控或凋亡失衡[43]。整合多组学数据为治疗干预开辟新途径。佛波醇-12-肉豆蔻酸酯-13-乙酸酯诱导蛋白1分子通过促进凋亡及加速细胞外基质降解,加剧内质网应激介导的椎间盘退变[44]。多组学整合分析通过系统解析椎间盘退变相关的分子互作网络、遗传易感因素与代谢紊乱,为发展新型诊断工具及制订个体化治疗策略奠定坚实的理论基础。

5.3 人工智能融合形气理论在椎间盘退变诊疗中的创新运用

人工智能是近年来的研究热点,其与中医形气理论的交叉融合,为椎间盘退变的精准诊疗开辟新路径。①人工智能驱动的定量评估与分型诊断。高精度影像分析:上海中医药大学团队开发的深度学习算法BianqueNet,基于磁共振成像图像实现椎间盘退变的自动量化评估。该模型通过语义分割网络提取椎间盘内信号差异、高度塌陷等参数,结合年龄、性别等因素构建分级标准,显著提升诊断的一致性与效率[45]。病理分型优化:福建研究团队提出加权集成迁移学习模型“小波分解与循环图像变异性网络”,可自动分层识别椎间盘膨出、突出和脱出类型,准确率达96.25%。该技术解决传统诊断依赖医师经验导致的误差问题,为个体化治疗提供数据支撑[46]。②智能技术赋能形气协同治疗。机器人精准施治:艾灸机器人穴位定位准确率可达96.7%且具有安全性,通过该设备联合推拿手法,可增强腰椎间盘突出症的效果[47]。多模态数据整合:人工智能系统结合影像学、步态分析及软组织张力数据,动态评估脊柱“形”(结构曲度)与“气”(功能状态)的实时变化。如智能脊柱系统通过传感器监测腰椎旋转角度,预警早期失代偿风险[48]。未来需深化“形气互参”智能模型,整合多组学数据,构建退变代偿与失代偿的预测阈值,进一步推动形气理论在人工智能领域的指导作用。

6 小结

本文以形气理论作为框架研究椎间盘的退变机制和干预措施,对未来研究方向进行前瞻性探索,还创新性地将目前围绕单一基因、单一通路的基础实验研究,运用中医形气理论进行串联,将椎间盘退变机制具象化。但具有一定的局限性,如中医理论不够明晰、所列方向大多缺乏椎间盘模型的验证及形气理论的椎间盘退变模型的建立难题等,这些缺陷有助于帮助学者研究椎间盘退变提供方向。中医药理论是伟大的知识宝库,需要不断地去发掘、验证、实践,持续推动医学进步,为生命保驾护航。

利益冲突声明:本文所有作者均声明不存在利益冲突。

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Research progress on gene expression regulation of intervertebral disc degeneration from the perspective of form and qi theory

LI Tiejun1 LIU Jiaxing2 JIANG Yichang2

1.Heilongjiang University of Chinese Medicine,Heilongjiang Province,Harbin 150040,China;2.the Third Department of Orthopedics and Traumatology,the First Affiliated Hospital of Heilongjiang University of Chinese Medicine,Heilongjiang Province,Harbin 150040,China

[Abstract] Intervertebral disc degeneration can lead to disc herniation,causing symptoms such as pain,and numbness,affecting people’s quality of life,its complex pathogenesis is still not fully understood.In recent years,research on the mechanism of lumbar disc degeneration based on gene expression regulation is gradually increasing,but it mostly focuses on a single gene or signaling pathway,lacking systematic mechanism exploration and theoretical connection.This article systematically reviews gene expression regulation mechanism of intervertebral disc degeneration from the perspective of form and qi theory,points out the vicious cycle of tissue structure damage(form damage)and functional decline(qi decline)is the key feature of this disease,providing a dual analytical framework of structure-function for understanding intervertebral disc degeneration.Gene regulation constitutes molecular basis of the association between the two,and has important scientific and clinical value.

[Key words] Form qi theory;Intervertebral disc degeneration;Gene expression regulation;Traditional Chinese medicine and pharmacy intervention;Extracellular matrix

[中图分类号] R274.9

[文献标识码] A

[文章编号] 1673-7210(2025)09(a)-0179-06

DOI: 10.20047/j.issn1673-7210.2025.25.33

[基金项目] 黑龙江省中医药科研项目(ZHY2023-220)。

[作者简介] 李铁军(1987-),男,黑龙江中医药大学2024级中医骨伤科学专业在读博士研究生,主要从事中医骨伤科常见病的诊疗和研究工作。

[通讯作者] 姜益常(1961-),男,硕士,二级教授,主要从事中医骨伤科疾病的临床诊疗、教学和科研工作。

(收稿日期:2025-06-08)

(修回日期:2025-07-11)

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