椎間盤退變的基礎(chǔ)研究與進(jìn)展

椎間盤退變的基礎(chǔ)研究與進(jìn)展

劉維鋼兵團(tuán)醫(yī)院骨科中心1可編輯版椎間盤的生理、生化、生物力學(xué)特征

椎間盤是連接于各椎體的纖維軟骨盤，由髓核、纖維環(huán)、上、下軟骨終板構(gòu)成。椎間盤的主要成分是水、膠原和蛋白多糖，水分約占８０％。膠原是體內(nèi)最豐富的蛋白質(zhì)，正常情況下纖維環(huán)中含有６０％Ⅱ型膠原和４０％Ⅰ型膠原。Ⅰ型膠原抗張力強，主要分布在纖維環(huán)外層；Ⅱ型膠原對抗壓縮力，主要分布在髓核內(nèi)。2可編輯版椎間盤的生理、生化、生物力學(xué)特征蛋白多糖是椎間盤中主要的大分子結(jié)構(gòu)：包括硫酸軟骨素、硫酸角質(zhì)素和透明軟骨素三種糖胺多糖分子，它們的主要作用是保持正常椎間盤水分、電離子濃度及滲透壓，維持正常代謝和均勻分布椎間盤應(yīng)力。椎間盤的大部分結(jié)構(gòu)無直接血供，盤內(nèi)細(xì)胞只能從周圍血管經(jīng)椎間盤基質(zhì)靠必需的溶質(zhì)彌散獲取營養(yǎng)。椎體終板周圍滲透壓較低，并隨著年齡的增長而下降。3可編輯版軟骨板：1、透明軟骨構(gòu)成，平均厚度1毫米，多微

孔，是髓核水分及代謝產(chǎn)物通路。2、無神經(jīng)，無血管組織，無疼痛，不能修

復(fù)。4可編輯版纖維環(huán)：1、由在上、下軟骨板的周圍由呈同心層排列

的纖維組織組成。2、纖維環(huán)各層呈斜行和環(huán)形交錯重疊，前側(cè)

及兩側(cè)較厚，后側(cè)較薄。5可編輯版髓核：

為彈性膠狀物質(zhì)，由粘多糖蛋白復(fù)合體、硫酸軟骨素和大量水分構(gòu)成。水分出生時占90%，18歲80%，70歲70%，隨年齡增大，髓核纖維化程度增加，彈性及張力減退。6可編輯版椎間盤血供：胎兒時來自椎體及相鄰組織，12歲后血管閉鎖，不參與營養(yǎng)供應(yīng)，使椎間盤成為無血運組織。營養(yǎng)供應(yīng)主要依靠軟骨終板本身的半滲透膜作用，進(jìn)行營養(yǎng)代謝。7可編輯版椎間盤退變病因8可編輯版椎間盤退變(IVDD)在臨床上往往表現(xiàn)為頸椎病、椎管狹窄、脊柱節(jié)段不穩(wěn)、腰腿痛、椎間盤突出等病癥，據(jù)認(rèn)為是頸、腰椎病發(fā)生發(fā)展的根本原因。椎間盤退變主要表現(xiàn)為椎間盤基質(zhì)蛋白聚糖和水分含量減少及膠原蛋白成分改變，并繼發(fā)一系列病理性改變，是導(dǎo)致頸椎病、腰腿疼痛的主要原因，并嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。9可編輯版

椎間盤是人體組織最早發(fā)生退行性改變的部位。許多學(xué)者已就IVDD的病因進(jìn)行探討，但其確切的病因目前仍不明確。20世紀(jì)60年代起，國內(nèi)外學(xué)者致力于椎間盤退變病因的研究，許多學(xué)者認(rèn)為椎間盤退變是多種因素共同作用的結(jié)果。

10可編輯版影響IVDD主要因素1、營養(yǎng)代謝2、生物力學(xué)3、細(xì)胞凋亡4、細(xì)胞因子5、降解酶6、其它11可編輯版椎間盤營養(yǎng)供應(yīng)減少椎間盤細(xì)胞營養(yǎng)成分的減少是椎間盤退變的一個基本因素。椎間盤營養(yǎng)供應(yīng)主要有二：一是終板途徑。二是纖維環(huán)(AF)途徑。在缺氧環(huán)境中硫酸軟骨素（CS）合成明顯減少，導(dǎo)致蛋白聚糖聚合體解聚、含量減少、成分構(gòu)成發(fā)生變化，是導(dǎo)致椎間盤退變的重要機(jī)制之一。12可編輯版椎間盤營養(yǎng)供應(yīng)減少隨著年齡的增長，軟骨終板逐漸變薄，軟

骨終板的血管數(shù)目逐漸減少，血流減慢淤

積，PG含量減少，終板逐漸鈣化。軟骨終

板為椎間盤的營養(yǎng)通路，其鈣化將影響椎

間盤的生理過程。軟骨終板逐漸鈣化將阻

礙營養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)，并阻礙椎間盤代謝廢

物的排除。13可編輯版椎間盤營養(yǎng)供應(yīng)減少通道的阻塞可能是細(xì)胞營養(yǎng)不足、基質(zhì)合成下降導(dǎo)致髓核退變的緣故。隨著椎間盤營養(yǎng)的降低、乳酸堆積、pH值降低、細(xì)胞代謝功能障礙，加速了細(xì)胞的死亡，最終導(dǎo)致椎間盤退變。因此，軟骨終板鈣化

引起的椎間盤營養(yǎng)供應(yīng)減少可能是啟動椎

間盤退變的關(guān)鍵因素。14可編輯版生物力學(xué)機(jī)制生物力學(xué)因素在IVDD中作用突出。首先異

常的應(yīng)力可直接損傷IVD結(jié)構(gòu)，Kuga等進(jìn)

行脊柱功能單位疲勞應(yīng)力試驗發(fā)現(xiàn)纖維環(huán)

易于發(fā)生破裂，然而更重要的是力學(xué)因素

可通過影響IVD組織的生物學(xué)特性，導(dǎo)致IVD生物力學(xué)性能改變及其細(xì)胞代謝紊亂。

并且在持續(xù)壓應(yīng)力作用下，髓核發(fā)生蠕變

、應(yīng)力下降。15可編輯版生物力學(xué)機(jī)制椎間盤的主要生物力學(xué)功能是維持椎間隙高度，對抗壓縮力并使相鄰兩椎體的相對活動限制在很小的無痛范圍。異常的機(jī)械負(fù)荷是椎間盤退變的病因之一，尤其是與工作相關(guān)的力學(xué)因素及外傷一直被視為椎間盤退變的主要致病因素。16可編輯版生物力學(xué)機(jī)制陳立等研究表明，異常生物力學(xué)環(huán)境下，

則可直接導(dǎo)致終板PG聚合體解聚、含量

減少、成分構(gòu)成發(fā)生變化，是導(dǎo)致椎間

盤退變的重要機(jī)制之一；研究還發(fā)現(xiàn)，

在異常應(yīng)力下，終板的血管分布明顯減少

，使得細(xì)胞外環(huán)境氧合及葡萄糖等營養(yǎng)物

質(zhì)減少，這可能是異常應(yīng)力導(dǎo)致終板加速

退變的重要機(jī)制。17可編輯版細(xì)胞凋亡椎間盤活性細(xì)胞減少及隨之而來的細(xì)胞外基質(zhì)合成減少和成分改變，是導(dǎo)致IVDD的病理基礎(chǔ)，而椎間盤細(xì)胞過度凋亡是導(dǎo)致椎間盤細(xì)胞減少的直接原因。Ha等研究發(fā)現(xiàn)，椎間盤脫出患者椎間盤細(xì)胞凋亡率達(dá)74.3%，椎間盤突出者為42.8%，而正常對照組僅為28%。Stanic等研究證實，退變椎間盤標(biāo)本(包括髓核與終板細(xì)胞)中椎間盤細(xì)胞凋亡率高達(dá)53%-73%；18可編輯版細(xì)胞凋亡隨著椎間盤退變的進(jìn)展，尤其是細(xì)胞數(shù)量

的減少，有不同程度的細(xì)胞凋亡發(fā)生。凋

亡等因素可引起終板及其軟骨下骨髓血管

的分布減少、管腔變細(xì)，導(dǎo)致椎間盤內(nèi)營

養(yǎng)減少及代謝產(chǎn)物瘀積，使椎間盤內(nèi)的pH

值、氧分壓、滲透壓等因子異常變化。19可編輯版細(xì)胞凋亡目前認(rèn)為椎間盤細(xì)胞凋亡最重要的始動因

素為椎間盤過度載荷。金明煦等首次發(fā)現(xiàn)

切除的退變椎間盤中有Fas/APO-1蛋白較

高表達(dá)。隨后Park等研究提示椎間盤細(xì)胞

可通過Fas/FasL途徑發(fā)生凋亡。目前發(fā)現(xiàn)

白介素－1β轉(zhuǎn)化酶（ICE）是細(xì)胞凋亡的核

心酶。20可編輯版細(xì)胞因子研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞因子是通過影響椎間盤內(nèi)

膠原和PG含量而參與椎間盤退變過程。與

椎間盤退變最相關(guān)的細(xì)胞因子有白介素(IL)-1、IL-6、IL-18、腫瘤壞死因

子(TNF)-α、轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)-β

、骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)、一氧化氮(NO)等。21可編輯版細(xì)胞因子1.IL-1作為炎癥介質(zhì)，具有細(xì)胞破壞能力。IL-1可通過促進(jìn)PG的降解而參與椎間盤

退變過程。IL-1可通過改變MMP的生物

活性及抑制基質(zhì)中PG的合成而作用于椎間

盤退變過程。2.IL-6也是重要的炎癥介質(zhì)，可刺激炎癥細(xì)

胞的聚集、激活和其他炎癥介質(zhì)的釋放，促進(jìn)椎間盤退變的炎癥過程。22可編輯版細(xì)胞因子3.NO是一種氣體生物信使分子，可快速透過生物膜擴(kuò)散，在心腦血管調(diào)節(jié)，神經(jīng)、免疫調(diào)節(jié)等方面發(fā)揮著十分重要的生物學(xué)作用。目前有許多研究證實，NO作為一種新型介質(zhì)在椎間盤退變過程中起著重要作用。NO參與椎間盤退變過程主要體現(xiàn)在兩個方面，即影響椎間盤炎癥進(jìn)程和影響椎間盤細(xì)胞外基質(zhì)的正常代謝。NO可在原位誘導(dǎo)椎間盤細(xì)胞調(diào)亡，促使椎間盤內(nèi)細(xì)胞數(shù)進(jìn)一步減少，造成椎間盤基質(zhì)成分減少從而加速其退變過程。23可編輯版降解酶間盤是體內(nèi)最大的無血運組織，低氧時細(xì)

胞無氧代謝增加，乳酸清除減少，乳酸儲

積，細(xì)胞外環(huán)境pH減低，體內(nèi)試驗證實

退變間盤內(nèi)的pH介于5.7-6.3。這不僅

損害細(xì)胞的新陳代謝，影響細(xì)胞的生物合

成功能，還為基質(zhì)蛋白酶發(fā)揮細(xì)胞外蛋白

水解酶作用，使椎間盤基質(zhì)分解加速，導(dǎo)

致椎間盤退變。24可編輯版降解酶基質(zhì)酶是椎間盤退變的中間環(huán)節(jié)，其中最

重要的基質(zhì)降解酶是中性蛋白酶，可分為

兩大類，基質(zhì)金屬蛋白酶（Matrixmetalloproteinases，MMPs）和絲氨酸蛋白酶

（serineproteinases，SP）：基質(zhì)金屬蛋

白酶是分解細(xì)胞外基質(zhì)的關(guān)鍵酶類，幾乎

能降解細(xì)胞外基質(zhì)的所有成分，是一類結(jié)

構(gòu)中含有Zn2+

、Ca2+

的蛋白水解酶。25可編輯版降解酶最近研究表明在椎間盤組織的破壞過程中

，除基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)外，組織蛋白

酶(Cathepsins)也是能夠降解膠原和粘蛋

白的蛋白水解酶。研究表明Cathepsins

在骨性關(guān)節(jié)炎和類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎的關(guān)節(jié)軟骨

的破壞過程中起作用，然而，關(guān)于在椎間

盤退變中的作用的研究還較少。26可編輯版其他因素除上述因素外，IVDD還與其他眾多因素，如相關(guān)遺傳基因的多態(tài)性和突變性、髓核組織的自身免疫原性、個體年齡、職業(yè)、是否吸煙等相關(guān)。目前研究較多的是遺傳因素，尤其是遺傳基因的確定方面。Videman等對75對男性單卵雙胎的5年隨訪研究發(fā)現(xiàn)，職業(yè)提舉和業(yè)余運動對椎間盤退變影響甚微，而遺傳因素占據(jù)發(fā)病原

因中的主導(dǎo)地位。27可編輯版總結(jié)綜上所述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)荷對椎間盤基質(zhì)的影響。28可編輯版總結(jié)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。29可編輯版椎間盤退變治療30可編輯版退變椎間盤的基因治療基因治療是通過轉(zhuǎn)基因的方法，維持正常椎間盤細(xì)胞群種的表型和數(shù)量，增強細(xì)胞合成髓核內(nèi)蛋白多聚糖和Ⅱ型膠原的能力，從而延緩和逆轉(zhuǎn)椎間盤退變。要實現(xiàn)此目標(biāo)，一是轉(zhuǎn)導(dǎo)能夠增強髓核細(xì)胞生物學(xué)活性的外源性基因來促進(jìn)合成代謝功能；二是轉(zhuǎn)導(dǎo)能夠抑制細(xì)胞外基質(zhì)降解的基因來阻止分解代謝的過程。31可編輯版椎間盤退變細(xì)胞治療廣義的細(xì)胞治療包括體外培養(yǎng)椎間盤細(xì)胞

移植，結(jié)合組織工程的椎間盤細(xì)胞移植。

非椎間盤細(xì)胞移植，結(jié)合基因工程的細(xì)胞

移植。目前研究的熱點主要是間質(zhì)干細(xì)胞移植、

自體軟骨細(xì)胞移植及髓核細(xì)胞移植。32可編輯版1、間質(zhì)干細(xì)胞移植Sakai等在兔椎間盤退變模型中注入由膠原基質(zhì)包裹的間質(zhì)干細(xì)胞。4周后，這些間質(zhì)干細(xì)胞仍存活，相應(yīng)的椎間盤內(nèi)蛋白多糖含量增加。隨后的研究發(fā)現(xiàn)，自體間質(zhì)干細(xì)胞植入退變椎間盤后能夠誘導(dǎo)其向髓核細(xì)胞分化并增加蛋白多糖和Ⅱ型膠原的含量，同時能夠部分改善椎間盤高度和椎間盤的水合作用。由此，可以推斷間質(zhì)干細(xì)胞植入后能夠分化成髓核細(xì)胞或者促進(jìn)

原有髓核細(xì)胞的再生。33可編輯版2、自體軟骨細(xì)胞移植2002年的一項前瞻、隨機(jī)、對照性研究表明，相對于單純的椎間盤摘除術(shù)，椎間盤摘除后再植入自體椎間盤軟骨細(xì)胞更為安全、有效。Meisel等認(rèn)為通過自體椎間盤軟骨細(xì)胞移植能夠使椎間盤獲得生物代謝和機(jī)械力學(xué)功能的完整性。他們開展了一項命名為“歐洲椎間盤”的前瞻、隨機(jī)、多中心的臨床試驗，目標(biāo)是評價自體椎間盤軟骨細(xì)胞移植的遠(yuǎn)期效果。表明自體軟骨細(xì)胞移植是有效的。34可編輯版3、髓核細(xì)胞移植目前可行的辦法有兩種：(1)激活髓核細(xì)胞使其產(chǎn)生更多的細(xì)胞外

基質(zhì)；(2)重新植入髓核細(xì)胞，從而增加基質(zhì)含

量。認(rèn)為髓核細(xì)胞的培養(yǎng)應(yīng)該分兩個階段

第一個階段是數(shù)量的擴(kuò)增；

第二階段則是細(xì)胞表型表達(dá)能力的增強。35可編輯版分子治療目前，椎間盤退變的生物療