椎間盤退變的基礎(chǔ)研究進(jìn)展

1、椎間盤退變的基礎(chǔ)研究進(jìn)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(jī)體退變的一部分，此進(jìn)程可以引起一些輕微或自限性癥狀。目前認(rèn)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(xué)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(xué)微環(huán)境的不平衡問題。本文從基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的角度對(duì)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(xì)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(xué)機(jī)理可以有效的將脊柱軸向的負(fù)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(yùn)動(dòng)功能。 在椎間盤開始出現(xiàn)退變的同時(shí)，位于內(nèi)層的髓核組織的水分開始逐步丟失，在椎體運(yùn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)層的髓核組織對(duì)外層纖維環(huán)的流體壓力較正常時(shí)的壓力大。在長時(shí)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(yán)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(shí)，軟骨終扳同樣開始退變，出現(xiàn)部分骨化。有學(xué)者認(rèn)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(xué)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(yīng)椎間盤營養(yǎng)的平臺(tái)，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(jìn)性的椎間盤退變過程可以對(duì)椎間盤的生物學(xué)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(xué)變化可能起到一個(gè)很重要的作用。這些生物化學(xué)的變化包括來自椎間盤的炎癥介質(zhì)和細(xì)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(xué)改變。有作者4通過對(duì)雌性兔的椎間盤組織行病理學(xué)形態(tài)觀察，同時(shí)進(jìn)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(shí)效和量效關(guān)系。有作者5對(duì)NO和一氧化氮合酶（NOS）在椎間盤退變過程中的含量及表達(dá)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)軟骨終板隨著時(shí)間的延長而逐漸鈣化，實(shí)驗(yàn)組較對(duì)照組鈣化明顯，實(shí)驗(yàn)組各組NO含量及NOS含量較對(duì)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(xué)治療 隨著椎間盤退變的分子生物學(xué)機(jī)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(xì)胞移植技術(shù)在修復(fù)損傷的椎間盤基質(zhì)上是研究的重點(diǎn)8。近年來，隨著分子生物等相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科的飛速發(fā)展，基因治療逐步成為一種切實(shí)可行的重要治療手段9。骨誘導(dǎo)蛋白（LMP21）為骨分化過程中一必要的調(diào)節(jié)因子，實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)其在體的基因轉(zhuǎn)移可以促進(jìn)脊柱的融合。Boden等10研究顯示如果將腺病毒介導(dǎo)的LMP 21的cDNA轉(zhuǎn)染至單層培養(yǎng)的兔腰椎間盤細(xì)胞中，可以得到相應(yīng)的蛋白聚糖合成量顯著增加，并且，隨著LMP21蛋白的表達(dá)，被培養(yǎng)的椎間盤髓核細(xì)胞的表型也

6、發(fā)生相應(yīng)的變化。有作者11通過采用體外細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)，將兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞自骨髓中分離、純化和培養(yǎng)，成功傳代進(jìn)行純化后并在TGF1干預(yù)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(yù)下的兔間充質(zhì)干細(xì)胞移植到退變椎間盤后可以在一定時(shí)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(rèn)為使用細(xì)胞因子抑制劑或者增強(qiáng)劑，基因分子水平的干預(yù)及細(xì)胞移植或組織移植存在很大的發(fā)展?jié)摿?，為退變性椎間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(xì)胞數(shù)量少，細(xì)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(xì)胞分布的支架。椎間盤組織的髓核區(qū)域目前認(rèn)為至少存在2種不同形態(tài)的細(xì)胞：一種外形小而圓，與軟骨細(xì)胞類似；第2種細(xì)胞外形較大，有一個(gè)液泡狀的囊，內(nèi)含糖原沉積物12。第2種細(xì)胞被認(rèn)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(xì)胞內(nèi)包含有大量的胞質(zhì)空泡和高爾基體，提示這類細(xì)胞可能與蛋白合成過程有關(guān)；同時(shí)作者發(fā)現(xiàn)這些細(xì)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(shí)細(xì)胞的新陳代謝主要以厭氧代謝途徑為主有關(guān)。 在兒童時(shí)期的人體內(nèi)，脊索細(xì)胞數(shù)目的降低速度很快，導(dǎo)致在成人的椎間盤細(xì)胞內(nèi)這些細(xì)胞相對(duì)缺乏。直到目前，依然沒有發(fā)現(xiàn)值得信賴的鑒別髓核細(xì)胞

8、和脊索細(xì)胞的標(biāo)志物14、15。但是，最近一些組合的細(xì)胞標(biāo)志物可以用于鑒別髓核細(xì)胞的表型16。Rajpurohit等16發(fā)現(xiàn)2種不同的低氧誘導(dǎo)因子（HIF）1細(xì)胞亞型：HIF1和HIF1，這種因子與GLUT1及MMP2標(biāo)記物一起表達(dá)，可以將髓核細(xì)胞和其他鄰近的組織細(xì)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(xì)胞凋亡增加17，李小川18等對(duì)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(yīng)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(dá)，并通過抗Fas抗體誘導(dǎo)椎間盤細(xì)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(xì)胞，凋亡

9、是退變椎間盤組織中活性細(xì)胞減少的主要因素。退變性椎間盤內(nèi)正?；盍?xì)胞減少，膠原構(gòu)成改變。退變椎間盤主要病理改變?yōu)樽甸g盤細(xì)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(shí)，退變時(shí)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(fù)荷的能力下降，機(jī)械性能發(fā)生改變。此時(shí)分子水平的椎間盤組織內(nèi)部的形態(tài)學(xué)特點(diǎn)也出現(xiàn)一些改變。 成年后，脊索細(xì)胞消失并代以軟骨型細(xì)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(dǎo)致椎間盤退變的重要原因之一。 正常椎間盤組織中髓核細(xì)胞的生長處于偏酸性同時(shí)缺氧和營養(yǎng)供給較差的環(huán)境中，這種環(huán)境通常被認(rèn)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(yīng)，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(xì)胞產(chǎn)生基質(zhì)蛋白的能力受到很大的限制11。 椎間盤細(xì)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(xì)胞的信號(hào)傳導(dǎo)是通過特異的信號(hào)傳導(dǎo)通路完成的21。在椎間盤內(nèi)，椎間盤細(xì)胞的濃度相對(duì)很小，約占椎間盤容量的1左右。如此低濃度的椎間盤細(xì)胞正好適應(yīng)了椎間盤的營養(yǎng)供給，壓制了細(xì)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(dǎo)致椎間盤細(xì)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(fù)荷能力下降；（3）機(jī)械負(fù)荷對(duì)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(xì)胞數(shù)量的減少和功能的降低，導(dǎo)致聚合蛋白聚糖和主膠原的進(jìn)行性減少。 有研究者試圖在成年狗的模型上表達(dá)出整

12、個(gè)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(rèn)為在4個(gè)月的時(shí)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(dòng)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(shí)間內(nèi)可以保存，隨著時(shí)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(xì)胞的活性。這些研究者還比較了冷藏的髓核細(xì)胞植入已經(jīng)取出髓核組織的兔的椎間盤體內(nèi)進(jìn)行細(xì)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(duì)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(gè)月時(shí)就出現(xiàn)了不同程度的丟失，隨訪到12個(gè)月的時(shí)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(xì)胞的生物學(xué)特性很復(fù)雜，