上海
脊柱是支撑躯体的核心骨骼结构，具有维持躯体直立姿态的重要功能。椎间盘（IVD）作为脊柱的关键组成部分，承载了直立姿势带来的机械应力负荷。然而，目前关于椎间盘在生长发育和机体运动过程中如何维持结构稳定性的机制仍不清晰。阐明机械应力调控椎间盘稳态的生物学过程，不仅有助于解析其力学适应性机制的分子基础，更将为建立基于生物力学的椎间盘防治策略提供重要理论支撑。
2026年3月12日，陆军军医大学大坪医院甘翼搏/贺健/刘鹏团队，联合解放军总医院第五医学中心刘兵团队，在Cell Reports发表题为Collagenesis orchestrates mechanoadaptive development and homeostasis of intervertebral disc的研究论文，在人与小鼠脊柱高机械应力区域发现并定义了一种新的椎间盘生理表型——胶原化（collagenesis）。通过整合组织学、影像学、生物力学及单细胞转录组学，系统解析了椎间盘胶原化的多维特征及其力学响应调控机制。
直立行走产生的应力负荷给骨骼系统带来了挑战，被认为是人类脊柱退行性疾病的主要诱因，常与腰背痛发生相联系。然而，最新临床研究数据表明渐进式力学干预可有效降低腰背痛复发风险，证实适度机械应力有利于保护脊柱功能。研究者通过构建小鼠脊柱有限元模型，发现运动过程中骶尾交界部位（Co3/4、Co4/5和Co5/6节段）的椎间盘受力增加，表现出一种全新的胶原化表型，其中髓核区域的II型胶原蛋白含量显著升高并显著增强其抗压缩/折弯的力学性能，有利于提高脊柱稳定性；而传统认识的经典椎间盘中髓核区域富含蛋白聚糖的，柔性较高，偏向于增强脊柱的灵活性。这两种椎间盘通过协同机制共同维持脊柱动态生物力学平衡。进一步研究发现，胶原化椎间盘低表达COL1、IL-1β、MMP3等病理标志物，说明胶原化是一种全新的生理表型而非退变。此外，胶原化椎间盘在针刺损伤下几乎不发生纤维化，表明其能抵抗创伤和退变，有利于保护脊柱健康。
胶原化椎间盘自小鼠出生后第7天开始出现，持续高表达II型胶原和低表达I型胶原。在小鼠骶尾交界的高应力负荷部位，胶原化椎间盘发生概率高达82.9%。值得注意的是，胶原化表型在人体椎间盘中存在高度保守的时空特征：在空间维度，越接近人体腰骶高应力区域，椎间盘中II型胶原的表达水平越高；在时间维度，胚胎期（低应力负荷）呈现非胶原化的分子特征，胶原化从人体开始直立行走即启动，在成年时期达到高峰。因此，胶原化是人体椎间盘适应直立行走的关键力学适应方式，在维持脊柱生理稳态中发挥重要作用。
传统认知中，椎间盘髓核主要由表达Tbxt的脊索细胞发育而来。研究者发现，胶原化椎间盘中完全缺失脊索细胞，取而代之的是一类PROCR阳性的椎间盘祖细胞。这一类新型椎间盘祖细胞亚群前期由该研究团队发现，具有跨物种保守的分子特征，高表达 Pdgfra、Prrx1等干性基因，在体内外均呈现较强的克隆形成与软骨分化潜能。研究者发现该细胞群体具有非脊索谱系特征，特异性分布于胶原化椎间盘中，提示该亚群是促进椎间盘发生胶原化的关键。
为解析胶原化的力学驱动机制，研究者设计了新生小鼠尾部肌腱离断模型以降低尾部运动带来的应力负荷，发现该模型显著降低胶原化椎间盘的发生频率，证实尾部运动产生的机械应力是胶原化椎间盘发生的必要条件。机制研究发现，TRPV4离子通道在胶原化椎间盘的细胞中呈现高表达，TRPV4基因敲除小鼠胶原化椎间盘中II型胶原合成显著受阻，力学性能降低，证实了TRPV4介导的机械感知在椎间盘胶原化中的重要介导作用。
综上，该研究提出并阐述了胶原化是椎间盘响应机械应力维持稳态的重要生理机制。区别于以往研究大多聚焦于病理角度探讨机械应力如何负面调控椎间盘退变，本研究关注生理范围机械应力对椎间盘功能的正向作用。该发现不仅是椎间盘力学调控领域的新进展，还为开发基于力学调控的椎间盘防治策略提供了重要理论根据。
图1.研究示意图
陆军军医大学大坪医院/西部战区总医院贺健博士后和黄莎实验员为本文的共同第一作者。陆军军医大学大坪医院甘翼搏副教授、贺健博士后、刘鹏教授以及解放军总医院第五医学中心刘兵研究员为本文共同通讯作者。该研究得到了协和医学院血液病研究所兰雨研究员和陆军军医大学大坪医院陈林研究员、谢杨丽研究员、妇产科郑秀惠主任医师、影像科郭宇副主任技师以及重庆卜睿仿科技有限公司刘吉明高级工程师的大力支持和帮助。
https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(26)00154-3
制版人： 十一
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