椎間盤退變的基礎(chǔ)研究進展

1、椎間盤退變的基礎(chǔ)研究進展 08-07-01 09:37:00 編輯：studa20 作者：李寶俊關(guān)曉明 丁文元椎間盤退變是機體退變的一部分，此進程可以引起一些輕微或自限性癥狀。目前認為脊柱疼痛多與椎間盤退變有關(guān)。治療方法包括保守治療和手術(shù)治療兩類，保守治療即口服消炎鎮(zhèn)痛藥物或者物理治療等；手術(shù)治療的方法包括脊柱椎間融合術(shù)和椎間盤置換髓核成形術(shù)等。但目前幾乎所有的治療方法都是為了改善患者的癥狀，很少從改變椎間盤組織已經(jīng)出現(xiàn)異常的生物學不平衡性的角度來探討合適的治療方法。目前，分子水平上椎間盤退變的系列研究結(jié)果指出引起椎間盤源性下腰痛的主要原因是生物學微環(huán)境的不平衡問題。本文從基礎(chǔ)醫(yī)學的角度對椎間

2、盤退變過程及其相關(guān)的變化作一綜述如下。 1 正常椎間盤組成及其退變過程中生化組成的不平衡 正常椎間盤位于上下椎體終板之間，呈圓柱狀。椎間盤的外層被纖維環(huán)組織包圍著，內(nèi)層是呈膠凍狀的髓核組織1、2，其內(nèi)含軟骨細胞和膠原纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)，髓核含水量約80，并且含有豐富的蛋白黏多糖，具有彈性和膨脹性。正常狀態(tài)下椎間盤特異的生物學機理可以有效的將脊柱軸向的負荷轉(zhuǎn)變?yōu)樽甸g盤外層纖維環(huán)的張力，這樣可以在微觀上基本保證脊柱基本功能單位的運動功能。 在椎間盤開始出現(xiàn)退變的同時，位于內(nèi)層的髓核組織的水分開始逐步丟失，在椎體運動時，內(nèi)層的髓核組織對外層纖維環(huán)的流體壓力較正常時的壓力大。在長時間的超大壓力作用下，纖維環(huán)的

3、內(nèi)層開始退變，產(chǎn)生放射狀的裂紋，嚴重者可以直接破裂到外層的纖維環(huán)。在椎間盤組織退變的同時，軟骨終扳同樣開始退變，出現(xiàn)部分骨化。有學者認為，椎間盤的退變始于軟骨終板的退變3，椎間盤的生物化學成分中富含水、膠原、蛋白多糖等，是椎間盤發(fā)揮生物功能的物質(zhì)基礎(chǔ)，而軟骨終板是供應椎間盤營養(yǎng)的平臺，由于椎間盤的營養(yǎng)大部分來自于終板組織，這種骨化的出現(xiàn)直接影響到了椎間盤的營養(yǎng)供給。盡管漸進性的椎間盤退變過程可以對椎間盤的生物學功能產(chǎn)生巨大的影響，但在椎間盤源性下腰痛的過程中椎間盤的生物化學變化可能起到一個很重要的作用。這些生物化學的變化包括來自椎間盤的炎癥介質(zhì)和細胞因子的產(chǎn)生和釋放，包括MCP1、IL1、IL

4、6、IL8、TNF-、NO等，在椎間盤退變過程中起到重要作用。另外纖維環(huán)內(nèi)的血管向心性生長，椎間盤外周神經(jīng)末梢的刺激性生長等也是椎間盤退變的重要生物化學改變。有作者4通過對雌性兔的椎間盤組織行病理學形態(tài)觀察，同時進行蛋白多聚糖含量測定，發(fā)現(xiàn)TNF-能夠引起腰椎間盤退變且和退變有時效和量效關(guān)系。有作者5對NO和一氧化氮合酶（NOS）在椎間盤退變過程中的含量及表達進行了研究，發(fā)現(xiàn)軟骨終板隨著時間的延長而逐漸鈣化，實驗組較對照組鈣化明顯，實驗組各組NO含量及NOS含量較對照組明顯增加（P0.05）。表明NO及NOS在椎間盤退變過程中含量明顯增加，提示NO及NOS在椎間盤退變過程中起到了重要作用。 2

5、 椎間盤退變的生物學治療 隨著椎間盤退變的分子生物學機理越來越明晰，椎間盤的再生策略越來越受到人們的關(guān)注6、7。由于椎間盤的再生能力有限，生長因子、基因或細胞移植技術(shù)在修復損傷的椎間盤基質(zhì)上是研究的重點8。近年來，隨著分子生物等相關(guān)基礎(chǔ)學科的飛速發(fā)展，基因治療逐步成為一種切實可行的重要治療手段9。骨誘導蛋白（LMP21）為骨分化過程中一必要的調(diào)節(jié)因子，實驗研究證實其在體的基因轉(zhuǎn)移可以促進脊柱的融合。Boden等10研究顯示如果將腺病毒介導的LMP 21的cDNA轉(zhuǎn)染至單層培養(yǎng)的兔腰椎間盤細胞中，可以得到相應的蛋白聚糖合成量顯著增加，并且，隨著LMP21蛋白的表達，被培養(yǎng)的椎間盤髓核細胞的表型也

6、發(fā)生相應的變化。有作者11通過采用體外細胞培養(yǎng)技術(shù)，將兔骨髓間充質(zhì)干細胞自骨髓中分離、純化和培養(yǎng)，成功傳代進行純化后并在TGF1干預下植入兔退變椎間盤的模型中，分別于2、4、6、8周測定蛋白多糖含量和膠原的含量變化，結(jié)果顯示TGF1干預下的兔間充質(zhì)干細胞移植到退變椎間盤后可以在一定時間內(nèi)增加蛋白多糖和膠原的含量，從而延緩椎間盤退變。因而目前認為使用細胞因子抑制劑或者增強劑，基因分子水平的干預及細胞移植或組織移植存在很大的發(fā)展?jié)摿Γ瑸橥俗冃宰甸g盤的治療提供了很大的選擇空間。 3 椎間盤退變的病理生理過程及相關(guān)研究 椎間盤是一種纖維軟骨樣組織，細胞數(shù)量少，細胞外基質(zhì)豐富，基質(zhì)主要包括水、蛋白多糖、

7、膠原和非膠原蛋白，構(gòu)成細胞分布的支架。椎間盤組織的髓核區(qū)域目前認為至少存在2種不同形態(tài)的細胞：一種外形小而圓，與軟骨細胞類似；第2種細胞外形較大，有一個液泡狀的囊，內(nèi)含糖原沉積物12。第2種細胞被認為是脊索的退變產(chǎn)物13，在電鏡下觀察其超微結(jié)構(gòu)層次，發(fā)現(xiàn)第2種髓核細胞內(nèi)包含有大量的胞質(zhì)空泡和高爾基體，提示這類細胞可能與蛋白合成過程有關(guān)；同時作者發(fā)現(xiàn)這些細胞內(nèi)部的線粒體很少見，可能主要是由于其生長的微環(huán)境中氧氣缺乏，此時細胞的新陳代謝主要以厭氧代謝途徑為主有關(guān)。 在兒童時期的人體內(nèi)，脊索細胞數(shù)目的降低速度很快，導致在成人的椎間盤細胞內(nèi)這些細胞相對缺乏。直到目前，依然沒有發(fā)現(xiàn)值得信賴的鑒別髓核細胞

8、和脊索細胞的標志物14、15。但是，最近一些組合的細胞標志物可以用于鑒別髓核細胞的表型16。Rajpurohit等16發(fā)現(xiàn)2種不同的低氧誘導因子（HIF）1細胞亞型：HIF1和HIF1，這種因子與GLUT1及MMP2標記物一起表達，可以將髓核細胞和其他鄰近的組織細胞相區(qū)別20。 隨年齡的增長，椎間盤軟骨板鈣化，血管減少，終板細胞凋亡增加17，李小川18等對20例經(jīng)手術(shù)治療的腰椎間盤突出癥的病人的髓核組織，應用逆轉(zhuǎn)錄PCR（RTPCR）和免疫印記方法檢測退變腰椎間盤組織中Fas及Fasl基因的表達，并通過抗Fas抗體誘導椎間盤細胞凋亡，研究發(fā)現(xiàn)，人類退變腰椎間盤組織中存在大量凋亡的軟骨細胞，凋亡

9、是退變椎間盤組織中活性細胞減少的主要因素。退變性椎間盤內(nèi)正?；盍毎麥p少，膠原構(gòu)成改變。退變椎間盤主要病理改變?yōu)樽甸g盤細胞數(shù)量減少及椎間盤基質(zhì)的蛋白聚糖的結(jié)構(gòu)、功能、含量和類型的改變。有研究證實，退變時椎間盤中蛋白多糖、糖胺聚糖含量明顯下降，纖維環(huán)中、型膠原比例升高，退變椎間盤中蛋白多糖和膠原的比率下降，蛋白多糖減少使含水量減少，髓核纖維化程度加重，椎間盤形狀和體積發(fā)生變化，吸收和分散壓力負荷的能力下降，機械性能發(fā)生改變。此時分子水平的椎間盤組織內(nèi)部的形態(tài)學特點也出現(xiàn)一些改變。 成年后，脊索細胞消失并代以軟骨型細胞，蛋白多糖合成下降，蛋白多糖的吸水性可以使椎間盤組織內(nèi)部保持高水壓狀態(tài)，維持椎間

10、盤高度、蛋白多糖濃度也決定了椎間盤的滲透性，影響營養(yǎng)成分的吸收和利用。因而椎間盤組織中內(nèi)環(huán)境的失衡也是導致椎間盤退變的重要原因之一。 正常椎間盤組織中髓核細胞的生長處于偏酸性同時缺氧和營養(yǎng)供給較差的環(huán)境中，這種環(huán)境通常被認為是人體內(nèi)最惡劣的環(huán)境之一。椎間盤的組成結(jié)構(gòu)可以適合椎間盤的正常功能。髓核組織無血液供應，使得其新陳代謝主要依賴葡萄糖19。正常的椎間盤組織內(nèi)pH值為6.97.2；由于代謝產(chǎn)物的影響，椎間盤內(nèi)部的pH值可以降低到6.1以下。在高酸性的環(huán)境下，椎間盤細胞產(chǎn)生基質(zhì)蛋白的能力受到很大的限制11。 椎間盤細胞為了能夠在這種輕度酸性和缺氧的環(huán)境中生存，出現(xiàn)了很高程度的分化20。在這樣的

11、微環(huán)境下椎間盤細胞的信號傳導是通過特異的信號傳導通路完成的21。在椎間盤內(nèi)，椎間盤細胞的濃度相對很小，約占椎間盤容量的1左右。如此低濃度的椎間盤細胞正好適應了椎間盤的營養(yǎng)供給，壓制了細胞的增殖。 有研究者將椎間盤退變的原因歸結(jié)為：（1）椎間盤軟骨終板的退變以及髓核纖維化和水化程度的下降，導致椎間盤細胞營養(yǎng)和存活力的下降；（2）基質(zhì)成分的降解和修飾，致使椎間盤形態(tài)和承受負荷能力下降；（3）機械負荷對椎間盤基質(zhì)的影響。 雖然椎間盤退變性疾病的精確的病理生理過程仍不明確，但最終共同的表現(xiàn)都是椎間盤細胞數(shù)量的減少和功能的降低，導致聚合蛋白聚糖和主膠原的進行性減少。 有研究者試圖在成年狗的模型上表達出整

12、個椎間盤及其終板組織的退變過程。盡管技術(shù)上可行，但是此研究的結(jié)果很令人失望。一般認為在4個月的時候蛋白多糖合成與降解的速率失衡，髓核外觀開始變化。 Katsuura等22在狗的動物模型上行椎間盤切除后植入冷凍保存的同種異體椎間盤。作者觀察到適度的椎間盤結(jié)構(gòu)在短時間內(nèi)可以保存，隨著時間的延長，椎間盤退變也加快，與Frick等的研究類似。這些發(fā)現(xiàn)可能是由于通過Nishimura等23的方法很難保證冷藏細胞的活性。這些研究者還比較了冷藏的髓核細胞植入已經(jīng)取出髓核組織的兔的椎間盤體內(nèi)進行細胞活體培養(yǎng)的研究結(jié)果。作者發(fā)現(xiàn)新鮮的椎間盤組織及其冷藏的椎間盤組織與人工的椎間盤組織相比，他們可以使得椎間盤組織的退變過程相對減慢，新鮮的椎間盤組織較冷藏的可以更好的維持椎間盤的高度。 Luk等24將椎間盤組織連同終板結(jié)構(gòu)一起移植入14只恒河猴的脊椎間隙內(nèi)發(fā)現(xiàn)雖然可以出現(xiàn)成功愈合的結(jié)果，但愈合后椎間盤的高度在隨訪2個月時就出現(xiàn)了不同程度的丟失，隨訪到12個月的時候，原來丟失的椎間盤高度可以得到部分重建，只有少部分的椎間盤組織出現(xiàn)了退行性改變。 總之，椎間盤細胞的生物學特性很復雜，