椎间盘退变的基础研究进展(一)

椎间盘退变的基础研究进展(一)作者：李宝俊关晓明丁文元椎间盘退变是机体退变的一部分，此进程可以引起一些轻微或自限性症状。

目前认为脊柱疼痛多与椎间盘退变有关。

治疗方法包括保守治疗和手术治疗两类，保守治疗即口服消炎镇痛药物或者物理治疗等；手术治疗的方法包括脊柱椎间融合术和椎间盘置换髓核成形术等。

但目前几乎所有的治疗方法都是为了改善患者的症状，很少从改变椎间盘组织已经出现异常的生物学不平衡性的角度来探讨合适的治疗方法。

目前，分子水平上椎间盘退变的系列研究结果指出引起椎间盘源性下腰痛的主要原因是生物学微环境的不平衡问题。

本文从基础医学的角度对椎间盘退变过程及其相关的变化作一综述如下。

1正常椎间盘组成及其退变过程中生化组成的不平衡正常椎间盘位于上下椎体终板之间，呈圆柱状。

椎间盘的外层被纤维环组织包围着，内层是呈胶冻状的髓核组织〔1、2〕，其内含软骨细胞和胶原纤维网结构，髓核含水量约80％，并且含有丰富的蛋白黏多糖，具有弹性和膨胀性。

正常状态下椎间盘特异的生物学机理可以有效的将脊柱轴向的负荷转变为椎间盘外层纤维环的张力，这样可以在微观上基本保证脊柱基本功能单位的运动功能。

在椎间盘开始出现退变的同时，位于内层的髓核组织的水分开始逐步丢失，在椎体运动时，内层的髓核组织对外层纤维环的流体压力较正常时的压力大。

在长时间的超大压力作用下，纤维环的内层开始退变，产生放射状的裂纹，严重者可以直接破裂到外层的纤维环。

在椎间盘组织退变的同时，软骨终扳同样开始退变，出现部分骨化。

有学者认为，椎间盘的退变始于软骨终板的退变〔3〕，椎间盘的生物化学成分中富含水、胶原、蛋白多糖等，是椎间盘发挥生物功能的物质基础，而软骨终板是供应椎间盘营养的平台，由于椎间盘的营养大部分来自于终板组织，这种骨化的出现直接影响到了椎间盘的营养供给。

尽管渐进性的椎间盘退变过程可以对椎间盘的生物学功能产生巨大的影响，但在椎间盘源性下腰痛的过程中椎间盘的生物化学变化可能起到一个很重要的作用。

这些生物化学的变化包括来自椎间盘的炎症介质和细胞因子的产生和释放，包括、、、、TNF-α、NO等，在椎间盘退变过程中起到重要作用。

另外纤维环内的血管向心性生长，椎间盘外周神经末梢的刺激性生长等也是椎间盘退变的重要生物化学改变。

有作者〔4〕通过对雌性兔的椎间盘组织行病理学形态观察，同时进行蛋白多聚糖含量测定，发现TNF-α能够引起腰椎间盘退变且和退变有时效和量效关系。

有作者〔5〕对NO和一氧化氮合酶（NOS）在椎间盘退变过程中的含量及表达进行了研究，发现软骨终板随着时间的延长而逐渐钙化，实验组较对照组钙化明显，实验组各组NO含量及NOS含量较对照组明显增加（P＜0.05）。

表明NO及NOS在椎间盘退变过程中含量明显增加，提示NO及NOS在椎间盘退变过程中起到了重要作用。

2椎间盘退变的生物学治疗随着椎间盘退变的分子生物学机理越来越明晰，椎间盘的再生策略越来越受到人们的关注〔6、7〕。

由于椎间盘的再生能力有限，生长因子、基因或细胞移植技术在修复损伤的椎间盘基质上是研究的重点〔8〕。

近年来，随着分子生物等相关基础学科的飞速发展，基因治疗逐步成为一种切实可行的重要治疗手段〔9〕。

骨诱导蛋白（LMP21）为骨分化过程中一必要的调节因子，实验研究证实其在体的基因转移可以促进脊柱的融合。

Boden等〔10〕研究显示如果将腺病毒介导的LMP21的cDNA转染至单层培养的兔腰椎间盘细胞中，可以得到相应的蛋白聚糖合成量显著增加，并且，随着LMP21蛋白的表达，被培养的椎间盘髓核细胞的表型也发生相应的变化。

有作者〔11〕通过采用体外细胞培养技术，将兔骨髓间充质干细胞自骨髓中分离、纯化和培养，成功传代进行纯化后并在干预下植入兔退变椎间盘的模型中，分别于2、4、6、8周测定蛋白多糖含量和胶原的含量变化，结果显示干预下的兔间充质干细胞移植到退变椎间盘后可以在一定时间内增加蛋白多糖和胶原的含量，从而延缓椎间盘退变。

因而目前认为使用细胞因子抑制剂或者增强剂，基因分子水平的干预及细胞移植或组织移植存在很大的发展潜力，为退变性椎间盘的治疗提供了很大的选择空间。

3椎间盘退变的病理生理过程及相关研究椎间盘是一种纤维软骨样组织，细胞数量少，细胞外基质丰富，基质主要包括水、蛋白多糖、胶原和非胶原蛋白，构成细胞分布的支架。

椎间盘组织的髓核区域目前认为至少存在2种不同形态的细胞：一种外形小而圆，与软骨细胞类似；第2种细胞外形较大，有一个液泡状的囊，内含糖原沉积物〔12〕。

第2种细胞被认为是脊索的退变产物〔13〕，在电镜下观察其超微结构层次，发现第2种髓核细胞内包含有大量的胞质空泡和高尔基体，提示这类细胞可能与蛋白合成过程有关；同时作者发现这些细胞内部的线粒体很少见，可能主要是由于其生长的微环境中氧气缺乏，此时细胞的新陈代谢主要以厌氧代谢途径为主有关。

在儿童时期的人体内，脊索细胞数目的降低速度很快，导致在成人的椎间盘细胞内这些细胞相对缺乏。

直到目前，依然没有发现值得信赖的鉴别髓核细胞和脊索细胞的标志物〔14、15〕。

但是，最近一些组合的细胞标志物可以用于鉴别髓核细胞的表型〔16〕。

Rajpurohit等〔16〕发现2种不同的低氧诱导因子（HIF）细胞亚型：和，这种因子与及标记物一起表达，可以将髓核细胞和其他邻近的组织细胞相区别〔20〕。

随年龄的增长，椎间盘软骨板钙化，血管减少，终板细胞凋亡增加〔17〕，李小川〔18〕等对20例经手术治疗的腰椎间盘突出症的病人的髓核组织，应用逆转录PCR（）和免疫印记方法检测退变腰椎间盘组织中Fas及Fasl基因的表达，并通过抗Fas抗体诱导椎间盘细胞凋亡，研究发现，人类退变腰椎间盘组织中存在大量凋亡的软骨细胞，凋亡是退变椎间盘组织中活性细胞减少的主要因素。

退变性椎间盘内正常活力细胞减少，胶原构成改变。

退变椎间盘主要病理改变为椎间盘细胞数量减少及椎间盘基质的蛋白聚糖的结构、功能、含量和类型的改变。

有研究证实，退变时椎间盘中蛋白多糖、糖胺聚糖含量明显下降，纤维环中Ⅰ、Ⅱ型胶原比例升高，退变椎间盘中蛋白多糖和胶原的比率下降，蛋白多糖减少使含水量减少，髓核纤维化程度加重，椎间盘形状和体积发生变化，吸收和分散压力负荷的能力下降，机械性能发生改变。

此时分子水平的椎间盘组织内部的形态学特点也出现一些改变。

成年后，脊索细胞消失并代以软骨型细胞，蛋白多糖合成下降，蛋白多糖的吸水性可以使椎间盘组织内部保持高水压状态，维持椎间盘高度、蛋白多糖浓度也决定了椎间盘的渗透性，影响营养成分的吸收和利用。

因而椎间盘组织中内环境的失衡也是导致椎间盘退变的重要原因之一。

正常椎间盘组织中髓核细胞的生长处于偏酸性同时缺氧和营养供给较差的环境中，这种环境通常被认为是人体内最恶劣的环境之一。

椎间盘的组成结构可以适合椎间盘的正常功能。

髓核组织无血液供应，使得其新陈代谢主要依赖葡萄糖〔19〕。

正常的椎间盘组织内pH值为6.9～7.2；由于代谢产物的影响，椎间盘内部的pH值可以降低到6.1以下。

在高酸性的环境下，椎间盘细胞产生基质蛋白的能力受到很大的限制〔11〕。

椎间盘细胞为了能够在这种轻度酸性和缺氧的环境中生存，出现了很高程度的分化〔20〕。

在这样的微环境下椎间盘细胞的信号传导是通过特异的信号传导通路完成的〔21〕。

在椎间盘内，椎间盘细胞的浓度相对很小，约占椎间盘容量的1％左右。

如此低浓度的椎间盘细胞正好适应了椎间盘的营养供给，压制了细胞的增殖。

有研究者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。

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。

有研究者试图在成年狗的模型上表达出整个椎间盘及其终板组织的退变过程。

尽管技术上可行，但是此研究的结果很令人失望。

一般认为在4个月的时候蛋白多糖合成与降解的速率失衡，髓核外观开始变化。

Katsuura等〔22〕在狗的动物模型上行椎间盘切除后植入冷冻保存的同种异体椎间盘。

作者观察到适度的椎间盘结构在短时间内可以保存，随着时间的延长，椎间盘退变也加快，与Frick等的研究类似。

这些发现可能是由于通过Nishimura等〔23〕的方法很难保证冷藏细胞的活性。

这些研究者还比较了冷藏的髓核细胞植入已经取出髓核组织的兔的椎间盘体内进行细胞活体培养的研究结果。

作者发现新鲜的椎间盘组织及其冷藏的椎间盘组织与人工的椎间盘组织相比，他们可以使得椎间盘组织的退变过程相对减慢，新鲜的椎间盘组织较冷藏的可以更好的维持椎间盘的高度。

Luk等〔24〕将椎间盘组织连同终板结构一起移植入14只恒河猴的脊椎间隙内发现虽然可以出现成功愈合的结果，但愈合后椎间盘的高度在随访2个月时就出现了不同程度的丢失，随访到12个月的时候，原来丢失的椎间盘高度可以得到部分重建，只有少部分的椎间盘组织出现了退行性改变。

总之，椎间盘细胞的生物学特性很复杂，很难在目前的条件下寻求对已经出现退变的椎间盘组织进行完整的修复。

椎间盘细胞移植方面的研究目前依然处于起步状态，有很多问题亟需解决，主要包括找到合适的修复细胞类型，判断在椎间盘组织修复的过程中是否需要细胞支架，或者细胞支架是否有益于椎间盘组织修复后的愈合等。

此外，如何营造适合于细胞和蛋白多糖增生的合适微环境，哪个或者哪些生长因子或基因可以用来提高植入的椎间盘细胞的生物学的性能等都需要进一步的研究。