2021年2月5日

硅内建模有助于椎间盘健康和疾病的综合研究

庞培法布拉大学-巴塞罗那

脊柱由24节脊椎骨组成，为躯干提供轴向支撑，并保护穿过中央腔的脊髓。椎骨由椎间盘连接。这些圆盘是高度水合的，灵活的和高度耐机械。它们使柱子具有灵活性，并在日常活动中起到减震器的作用，如走路、跑步和在撞击情况下，如跳跃。

这些独特的特征是由椎间盘的组织组成和结构造成的。在其中心，有一种凝胶状物质，称为髓核(NP)。它被纤维软骨包围，即纤维环(AF)，纤维环横向限制NP，并在内部产生高流体压力，从而机械地稳定椎间盘，就像充气轮胎一样。NP的上下是软骨薄层(软骨终板，CEP)，它将NP和椎骨AF的内部部分分开。这些软骨层调节脊椎骨和NP之间的水和重要生物分子的交换，从而有助于椎间盘的力学和功能性生物调节。

最近发表在该杂志上的一项研究生物信息学提出了一个利用实验知识研究椎间盘的模型，并首次采用系统生物学中的网络建模解决方案，模拟NP细胞暴露在三维多因子生化环境下的细胞行为。这项研究由隶属于UPF信息与通信技术部门(DTIC)的BCN医疗技术研究中心的成员进行，UPF博士生Laura Baumgartner是文章的第一作者，在该研究的合著者Jérôme Noailly的指导下。

硅内建模研究椎间盘退变

椎间盘退变的定义是逐渐失去水分和结构，从而丧失功能。它不同于椎间盘的自然老化，其症状发作较早，对劳动力有严重影响。它是慢性腰痛的主要危险因素，而慢性腰痛又会导致残疾。

椎间盘的进行性退化包括微观病变的累积，很可能是由局部细胞活性的(长时间)改变引起的，而局部细胞活性对保持组织完整性至关重要。导致这种细胞活性变化的因素尚不完全清楚，似乎是由多种机械和生化刺激的相互作用引起的，这限制了体内或体外的探索。这种知识的缺乏意味着治疗使人衰弱的腰痛无法解决根本问题，因此主要集中在疼痛控制上，具有高度可变和短期效果。

硅内建模特别有吸引力，因为它允许集成不同刺激对暴露在三维多因素环境中的髓核细胞的影响。它还提供了测试大量可能的退化情况的机会，这些情况可能解释临床病例的巨大变异性，这是通过进行实验是不可能的。

正如Laura Baumgartner详细解释的那样，“本研究中使用的硅内建模是基于代理的模型，以4000个髓核细胞作为代理，模拟1mm³的体积。通过在椎间退变事件中可能受到影响的组织的各种成分的信使RNA的表达来估计髓核中的细胞活性:形成聚集蛋白聚集物和I型、II型和III型胶原蛋白的中央蛋白聚糖，以及降解组织的两种蛋白酶，基质蛋白酶-1 (MMP-3)和ADAMTS，对聚集蛋白具有特殊的亲和力。”炎症细胞和非炎症细胞的数值。此外，通过不同的生化特征来估计细胞活力。这种细胞活动的调节将决定椎间盘组织组成的演变及其保持完整性、保持水分和充分发挥其作用的能力。

这种先进的模型，其第一个结果已经得到验证，首次提供了预测风险因素的可能性，如影响椎间盘细胞营养的代谢问题，可能导致其过度活动的炎症系统失调问题，或形态或机械风险因素等等。

这项研究在探索椎间盘及其转化以更好地治疗大量背部疼痛问题方面开辟了一个新的领域。这一潜力将在新的欧洲项目Disc4All (H2020-MSCA-ITN-ETN-2020 GA: 955.735)中进行深入探索，该项目由Jérôme Noailly协调，于2020年底开始，其中将进行15篇论文，重点是椎间盘退变机制的综合描述，并利用这些描述对患者进行分层，最终目标是找到新的治疗靶点。

提高对椎间盘再生的认识

今年1月，同一作者与国际参与者在《国际分子科学杂志》上发表了一篇论文，广泛回顾了先前关于椎间盘再生的病理生理学和先进策略的工作。它提供了一个集成的分析，目前的知识多尺度函数和调节椎间盘在健康和疾病方面，潜在的再生策略，以及可能为先进疗法的发展提供支持的硅内模型。