椎间盘退变的基础研究与进展

椎间盘退变的基础研究与进展刘维钢兵团医院骨科中心椎间盘的生理、生化、生物力学特征•椎间盘是连接于各椎体的纤维软骨盘，由髓核、纤维环、上、下软骨终板构成。椎间盘的主要成分是水、胶原和蛋白多糖，水分约占８０％。胶原是体内最丰富的蛋白质，正常情况下纤维环中含有６０％Ⅱ型胶原和４０％Ⅰ型胶原。Ⅰ型胶原抗张力强，主要分布在纤维环外层；Ⅱ型胶原对抗压缩力，主要分布在髓核内。椎间盘的生理、生化、生物力学特征•蛋白多糖是椎间盘中主要的大分子结构：包括硫酸软骨素、硫酸角质素和透明软骨素三种糖胺多糖分子，它们的主要作用是保持正常椎间盘水分、电离子浓度及渗透压，维持正常代谢和均匀分布椎间盘应力。椎间盘的大部分结构无直接血供，盘内细胞只能从周围血管经椎间盘基质靠必需的溶质弥散获取营养。椎体终板周围渗透压较低，并随着年龄的增长而下降。•软骨板：1、透明软骨构成，平均厚度1毫米，多微孔，是髓核水分及代谢产物通路。2、无神经，无血管组织，无疼痛，不能修复。•纤维环：1、由在上、下软骨板的周围由呈同心层排列的纤维组织组成。2、纤维环各层呈斜行和环形交错重叠，前侧及两侧较厚，后侧较薄。•髓核：为弹性胶状物质，由粘多糖蛋白复合体、硫酸软骨素和大量水分构成。水分出生时占90%，18岁80%，70岁70%，随年龄增大，髓核纤维化程度增加，弹性及张力减退。•椎间盘血供：胎儿时来自椎体及相邻组织，12岁后血管闭锁，不参与营养供应，使椎间盘成为无血运组织。营养供应主要依靠软骨终板本身的半渗透膜作用，进行营养代谢。椎间盘退变病因椎间盘退变(IVDD)在临床上往往表现为颈椎病、椎管狭窄、脊柱节段不稳、腰腿痛、椎间盘突出等病症，据认为是颈、腰椎病发生发展的根本原因。椎间盘退变主要表现为椎间盘基质蛋白聚糖和水分含量减少及胶原蛋白成分改变，并继发一系列病理性改变，是导致颈椎病、腰腿疼痛的主要原因，并严重影响患者的生活质量。椎间盘是人体组织最早发生退行性改变的部位。许多学者已就IVDD的病因进行探讨，但其确切的病因目前仍不明确。20世纪60年代起，国内外学者致力于椎间盘退变病因的研究，许多学者认为椎间盘退变是多种因素共同作用的结果。影响IVDD主要因素1、营养代谢2、生物力学3、细胞凋亡4、细胞因子5、降解酶6、其它椎间盘营养供应减少椎间盘细胞营养成分的减少是椎间盘退变的一个基本因素。椎间盘营养供应主要有二：一是终板途径。二是纤维环(AF)途径。在缺氧环境中硫酸软骨素（CS）合成明显减少，导致蛋白聚糖聚合体解聚、含量减少、成分构成发生变化，是导致椎间盘退变的重要机制之一。椎间盘营养供应减少•随着年龄的增长，软骨终板逐渐变薄，软骨终板的血管数目逐渐减少，血流减慢淤积，PG含量减少，终板逐渐钙化。软骨终板为椎间盘的营养通路，其钙化将影响椎间盘的生理过程。软骨终板逐渐钙化将阻碍营养物质的供应，并阻碍椎间盘代谢废物的排除。椎间盘营养供应减少•通道的阻塞可能是细胞营养不足、基质合成下降导致髓核退变的缘故。随着椎间盘营养的降低、乳酸堆积、pH值降低、细胞代谢功能障碍，加速了细胞的死亡，最终导致椎间盘退变。因此，软骨终板钙化引起的椎间盘营养供应减少可能是启动椎间盘退变的关键因素。生物力学机制•生物力学因素在IVDD中作用突出。首先异常的应力可直接损伤IVD结构，Kuga等进行脊柱功能单位疲劳应力试验发现纤维环易于发生破裂，然而更重要的是力学因素可通过影响IVD组织的生物学特性，导致IVD生物力学性能改变及其细胞代谢紊乱。并且在持续压应力作用下，髓核发生蠕变、应力下降。生物力学机制•椎间盘的主要生物力学功能是维持椎间隙高度，对抗压缩力并使相邻两椎体的相对活动限制在很小的无痛范围。异常的机械负荷是椎间盘退变的病因之一，尤其是与工作相关的力学因素及外伤一直被视为椎间盘退变的主要致病因素。生物力学机制•陈立等研究表明，异常生物力学环境下，则可直接导致终板PG聚合体解聚、含量减少、成分构成发生变化，是导致椎间盘退变的重要机制之一；研究还发现，在异常应力下，终板的血管分布明显减少，使得细胞外环境氧合及葡萄糖等营养物质减少，这可能是异常应力导致终板加速退变的重要机制。细胞凋亡•椎间盘活性细胞减少及随之而来的细胞外基质合成减少和成分改变，是导致IVDD的病理基础，而椎间盘细胞过度凋亡是导致椎间盘细胞减少的直接原因。Ha等研究发现，椎间盘脱出患者椎间盘细胞凋亡率达74.3%，椎间盘突出者为42.8%，而正常对照组仅为28%。Stanic等研究证实，退变椎间盘标本(包括髓核与终板细胞)中椎间盘细胞凋亡率高达53%-73%；细胞凋亡•随着椎间盘退变的进展，尤其是细胞数量的减少，有不同程度的细胞凋亡发生。凋亡等因素可引起终板及其软骨下骨髓血管的分布减少、管腔变细，导致椎间盘内营养减少及代谢产物瘀积，使椎间盘内的pH值、氧分压、渗透压等因子异常变化。细胞凋亡•目前认为椎间盘细胞凋亡最重要的始动因素为椎间盘过度载荷。金明煦等首次发现切除的退变椎间盘中有Fas/APO-1蛋白较高表达。随后Park等研究提示椎间盘细胞可通过Fas/FasL途径发生凋亡。目前发现白介素－1β转化酶（ICE）是细胞凋亡的核心酶。细胞因子•研究发现，细胞因子是通过影响椎间盘内胶原和PG含量而参与椎间盘退变过程。与椎间盘退变最相关的细胞因子有白介素(IL)-1、IL-6、IL-18、肿瘤坏死因子(TNF)-α、转化生长因子(TGF)-β、骨形态发生蛋白(BMP)、一氧化氮(NO)等。细胞因子1.IL-1作为炎症介质，具有细胞破坏能力。IL-1可通过促进PG的降解而参与椎间盘退变过程。IL-1可通过改变MMP的生物活性及抑制基质中PG的合成而作用于椎间盘退变过程。2.IL-6也是重要的炎症介质，可刺激炎症细胞的聚集、激活和其他炎症介质的释放，促进椎间盘退变的炎症过程。细胞因子3.NO是一种气体生物信使分子，可快速透过生物膜扩散，在心脑血管调节，神经、免疫调节等方面发挥着十分重要的生物学作用。目前有许多研究证实，NO作为一种新型介质在椎间盘退变过程中起着重要作用。NO参与椎间盘退变过程主要体现在两个方面，即影响椎间盘炎症进程和影响椎间盘细胞外基质的正常代谢。NO可在原位诱导椎间盘细胞调亡，促使椎间盘内细胞数进一步减少，造成椎间盘基质成分减少从而加速其退变过程。降解酶•间盘是体内最大的无血运组织，低氧时细胞无氧代谢增加，乳酸清除减少，乳酸储积，细胞外环境pH减低，体内试验证实退变间盘内的pH介于5.7-6.3。这不仅损害细胞的新陈代谢，影响细胞的生物合成功能，还为基质蛋白酶发挥细胞外蛋白水解酶作用，使椎间盘基质分解加速，导致椎间盘退变。降解酶•基质酶是椎间盘退变的中间环节，其中最重要的基质降解酶是中性蛋白酶，可分为两大类，基质金属蛋白酶（Matrixmetalloproteinases，MMPs）和丝氨酸蛋白酶（serineproteinases，SP）：基质金属蛋白酶是分解细胞外基质的关键酶类，几乎能降解细胞外基质的所有成分，是一类结构中含有Zn2+、Ca2+的蛋白水解酶。降解酶•最近研究表明在椎间盘组织的破坏过程中，除基质金属蛋白酶(MMPs)外，组织蛋白酶(Cathepsins)也是能够降解胶原和粘蛋白的蛋白水解酶。研究表明Cathepsins在骨性关节炎和类风湿关节炎的关节软骨的破坏过程中起作用，然而，关于在椎间盘退变中的作用的研究还较少。其他因素•除上述因素外，IVDD还与其他众多因素，如相关遗传基因的多态性和突变性、髓核组织的自身免疫原性、个体年龄、职业、是否吸烟等相关。目前研究较多的是遗传因素，尤其是遗传基因的确定方面。Videman等对75对男性单卵双胎的5年随访研究发现，职业提举和业余运动对椎间盘退变影响甚微，而遗传因素占据发病原因中的主导地位。总结•综上所述将椎间盘退变的原因归结为:(1)椎间盘软骨终板的退变以及髓核纤维化和水化程度的下降,导致椎间盘细胞营养和存活力的下降;(2)基质成分的降解和修饰,致使椎间盘形态和承受负荷能力下降;(3)机械负荷对椎间盘基质的影响。总结•虽然椎间盘退变性疾病的精确的病理生理过程仍不明确，但最终共同的表现都是椎间盘细胞数量的减少和功能的降低，导致聚合蛋白聚糖和主胶原的进行性减少。椎间盘退变治疗退变椎间盘的基因治疗•基因治疗是通过转基因的方法，维持正常椎间盘细胞群种的表型和数量，增强细胞合成髓核内蛋白多聚糖和Ⅱ型胶原的能力，从而延缓和逆转椎间盘退变。要实现此目标，一是转导能够增强髓核细胞生物学活性的外源性基因来促进合成代谢功能；二是转导能够抑制细胞外基质降解的基因来阻止分解代谢的过程。椎间盘退变细胞治疗•广义的细胞治疗包括体外培养椎间盘细胞移植，结合组织工程的椎间盘细胞移植。非椎间盘细胞移植，结合基因工程的细胞移植。•目前研究的热点主要是间质干细胞移植、自体软骨细胞移植及髓核细胞移植。1、间质干细胞移植•Sakai等在兔椎间盘退变模型中注入由胶原基质包裹的间质干细胞。4周后，这些间质干细胞仍存活，相应的椎间盘内蛋白多糖含量增加。随后的研究发现，自体间质干细胞植入退变椎间盘后能够诱导其向髓核细胞分化并增加蛋白多糖和Ⅱ型胶原的含量，同时能够部分改善椎间盘高度和椎间盘的水合作用。由此，可以推断间质干细胞植入后能够分化成髓核细胞或者促进原有髓核细胞的再生。2、自体软骨细胞移植•2002年的一项前瞻、随机、对照性研究表明，相对于单纯的椎间盘摘除术，椎间盘摘除后再植入自体椎间盘软骨细胞更为安全、有效。Meisel等认为通过自体椎间盘软骨细胞移植能够使椎间盘获得生物代谢和机械力学功能的完整性。他们开展了一项命名为“欧洲椎间盘”的前瞻、随机、多中心的临床试验，目标是评价自体椎间盘软骨细胞移植的远期效果。表明自体软骨细胞移植是有效的。3、髓核细胞移植•目前可行的办法有两种：(1)激活髓核细胞使其产生更多的细胞外基质；(2)重新植入髓核细胞，从而增加基质含量。认为髓核细胞的培养应该分两个阶段第一个阶段是数量的扩增；第二阶段则是细胞表型表达能力的增强。分子治疗•目前，椎间盘退变的生物疗法有很多，其中分子治疗就是利用一些大分子物质来阻止或逆转椎间盘细胞外基质的丢失。用于治疗椎间盘退变的分子物质已不再局限于传统的生长因子。目前至少有4种类型分子对退变椎间盘的修复有效果，包括抗基质降解蛋白、促有丝分裂剂、软骨形态生成蛋白和细胞内调节因子。•存在问题？1.椎间盘退变的定义尚未明确；2.各种评价椎间盘退变程度的方法都是按照定性来进行轻重排序，缺乏精确性。