腰椎间盘退变模型研究进展

第十一章腰椎间盘退变模型研究进展上海第二医科大学附属第九人民医院骨科侯筱魁腰椎间盘突出症的基本病理变化是椎间盘的退变。

退变蕴涵了两方面的涵义：一方面为组织衰老，即随年龄而出现的改变的积累；另一方面，退变是指随着细胞或组织的退行性病理改变而出现的生物化学的改变，进而引起组织物理特性的衰变，并最终表现为功能的破坏和丧失。

在今天，对腰椎间盘退变及由其而引起的下腰痛的关注，已不仅仅局限于医学领域，更逐渐成为一个严峻的社会问题。

据统计，70%的成年人在一生当中都经历过下腰痛的折磨。

目前已知许多因素都与椎间盘退变有关，包括遗传、环境、年龄、慢性长期负重、强体力劳动、肥胖、吸烟、酗酒、糖尿病等等，都被发现能够加速椎间盘的退变。

此外，退变也可继发于某些外科操作，如脊柱内固定、长节段融合、后路突出髓核摘除，经皮融核或激光减压有时也会诱发腰背痛和神经症状。

最近的实验研究焦点已经把目光放在了对未来的退变性椎间盘疾病的处理上。

建立一种可靠而容易重复的椎间盘退变模型而实现对其的系统研究是非常必要的。

本章通过对文献的复习和归纳，对于目前的腰椎间盘退变模型的建立方法和相关研究做一总结。

第一节实验动物的要求及选择首先，医学科研中应用的实验动物应该具备以下完整的资料：①品种、品系及亚系的确切名称；②遗传背景或其来源；③微生物检测状况；④合格证书及合格的饲育条件等。

根据不同的实验目的，应当选择相应的合适的实验动物。

人类属于陆生脊椎动物门，相应的脊椎疾病动物模型的选择也必然局限于此范围内。

椎间盘退变的模型动物应该具备类似人类脊椎的解剖和生理特点，建立的模型应该与人类的椎间盘退变相似和具有可比性。

而模型的可重复性和能够模拟再现人类疾病的客观规律也是基本要求。

目前已经使用并证实效果确切的椎间盘退变模型动物包括鼠、兔、羊、猪、狗、猴等。

鼠尾椎间盘常被用以制作退变模型，缘于其操作容易，对动物的损伤不大，但其对于人类的腰椎间盘疾病的代表性尚需商榷。

兔等个体较大的动物脊柱结构与人类更具有相似性，是目前广泛使用的模型动物。

其椎间盘体积较大，进行各种操作和检查较方便，但通常均须行体内手术，对动物损伤较大。

灵长类动物是人类的近亲，其解剖生理特点与人类最为近似，如恒河猴（rhesus monkey）、狒狒等，是最理想的椎间盘退变的模型动物。

但是囿于经济因素，其应用受到了相当的限制。

第二节椎间盘退变模型的建立方法目前所使用的椎间盘退变模型的建立方法，宏观上可以分为两大类，即自发性和诱发性椎间盘退变模型。

而后者从脊柱和椎间盘结构是否完整上，又可再分为两大类：直接破坏脊柱和椎间盘结构抑或是通过脊柱外方法来诱导椎间盘退变的发生。

一、自发性椎间盘退变模型Platenberg发现，超过14岁的灵长类动物狒狒均可出现自发性的椎间盘退变，并从MRI表现和组织病理学证实其非常类似于人类的椎间盘退变，而认为其是极佳的椎间盘退变模型动物。

Hansen（1952）首次观察了软骨发育不良犬的椎间盘的改变。

许多作者观察了针尾鼠（pintail mouse）和沙鼠(Psammomys obesus)的自然发生的腰椎间盘的改变，发现其均可出现与年龄相关的椎间盘退变，且107退变发生率高。

退变特点类似于人类椎间盘退变的表现，包括：髓核的破裂；纤维环的撕裂；髓核突出进入或穿过软骨终板形成Schmorl结节以及韧带的钙化等。

这些动物作为模型在一定程度上减少了人为因素的影响。

尤其是沙鼠，已经资料证实，在18个月时约50%的个体会发生明显的椎间盘退变。

沙鼠已作为一种优良的椎间盘退变模型动物被广泛选用。

二、诱发性椎间盘退变模型⒈脊柱外方法诱发椎间盘退变希望通过不破坏脊柱或椎间盘的解剖结构的单纯脊柱外方法建立椎间盘退变的模型，则必须改变脊柱的力学环境，使椎间盘受到异常的应力刺激，才能够诱发椎间盘的退变。

现有的此类模型均通过此原理来达到建立模型的目的。

切除刚出生的SD或Wistar大鼠的两前肢及尾部，能够存活的幼鼠在成长过程中仅依靠两后肢直立行走，即为ｂｉｐｅｄａｌｒａｔ，其腰椎负重明显增加，完全改变的力学环境和不均衡应力刺激诱发了腰椎间盘的退变，甚至脊柱的侧凸。

Iatridis（1999）使用机械设备造成一种良好控制的负荷环境，对SD大鼠鼠尾分组行单纯性制动和慢性持续轴向负荷刺激，每隔两2周对于椎间盘厚度、角松弛性、轴向和角顺应性等进行体内生物力学测定，共观察8周。

发现两组动物的椎间盘厚度、轴向顺应性和角松弛性均减小，但是慢性持续负荷组的生物力学改变出现较早且数量大。

8周时，慢性持续负荷组动物椎间盘的蛋白多糖成分明显增高。

作者认为，慢性的持续应力刺激可以改变椎间盘的机械特性和生化成分，诱发了椎间盘退变的发生。

但是这种退变与人类脊椎间盘的退变相比有其相似性和不同性。

扭转应力损伤也是椎间盘退变的先决因素。

Hadjipavlou（1998）描述了一个扭转应力损伤造成的兔椎间盘退变模型。

对照组兔接受了软组织松解术或者囊切开和小关节面切除术，而实验组则接受了手术以及急性的30°扭转应力的腰椎损伤。

作者发现，单纯手术组并没有出现椎间盘的退变，而接受了扭转应力的动物则表现出了明显的退变。

还有学者利用特殊的装置将大鼠尾巴折弯成U形并固定，持续观察后发现，在U形鼠尾的凹侧部分椎间盘发生了退变，而凸侧则未发生明显的改变。

２．破坏脊柱或椎间盘结构诱发椎间盘退变通过破坏脊柱或椎间盘的解剖结构来诱发椎间盘退变，效果直接。

其又可根据对椎间盘结构的保留完整与否分为两类。

（１）不直接损伤椎间盘结构：Miyamoto（1990）通过钝性剥离大鼠颈椎旁肌，切除全颈椎的棘上和棘间韧带，成功诱导了重复性好的颈椎病动物模型。

国内的施杞等亦使用此方法，建立了颈椎间盘退变的模型并进行了相关的研究。

但这种方法目前尚未见报道应用在腰椎间盘退变的模型上。

通过切除一侧或双侧的小关节，同样可以引起脊柱的应力不均衡和抗旋转能力下降。

Sullivan在同一水平切除了兔腰椎双侧小关节的上关节突，引起了脊柱的旋转不稳定而诱发了椎间盘的退变。

Markus（2001）使用一种可产生弹簧加压作用的外固定装置，其4根不锈钢针脚可经皮从后方平行于椎间隙插入兔的L4及L5椎体。

对选择节段所施加的轴向压力可以达到2.4MPa，大概相当于5倍的动物体重。

加压时间分别为1、14和28天。

这种力学负荷实际上是压力、剪切力以及弯曲力矩的复合体。

组织学观察发现，14天后，固定的椎间隙高度即出现明显狭窄，椎体终板骨硬化，而固定节段的邻近节段则未出现明显的形态学和组织学改变。

（２）直接破坏椎间盘结构：通过对椎间盘结构的直接损伤和破坏来诱发退变，是目前应用最为广泛的建立椎间盘退变模型的方法。

①损伤纤维环方法：目前所使用的损伤纤维环方法种类繁多。

损伤纤维环的手术方法如下：按手术入路分为前方入路经腹、后方入路经椎板切除、前外或后外侧经腹膜外入路等；根据损伤部位可以分为前部正中、前外侧、后部正中、后外侧，前2个部位是最为常用和首选的损伤部位；根据损伤的方式又可分为刀割、开窗、刺伤、切除、刮擦伤等。

对文献的复习可以发现，以平行于终板方向的刀割法最为常用。

Key于1948年首次应用破坏纤维环的方法，成功地观察到了椎间盘退变的发生。

在Key方法的基础上，1990年V olvo奖获得者Osti进行了一个经典的实验，他在羊腰椎纤维环外侧部，做平行和邻近终板的108横行切开，控制切开深度在5mm，即纤维环的外2/3层，而保留了内层纤维环和髓核的完整。

在随后的组织学检查中发现，尽管手术并未破坏内层纤维环和髓核，而且外层纤维环的切口可以自行愈合，但术后4个月以后均可见内层纤维环的破裂和髓核的突出。

Lipson（1980）通过切除兔腰椎间盘的腹侧纤维环，直接造成了椎间关节失稳和髓核的突出，即出现了明显的骨赘形成等脊柱退行性变。

②损伤髓核法：髓核由于它的黏弹性特点和变形能力，在椎间盘承受外力时，可以起到吸收、振荡和向各方向分散力的作用。

这样就避免了椎间盘在某一方向过多受力而引起纤维环的破裂、终板的骨折，甚至椎体的压缩。

而在脊柱做前屈、后伸和旋转运动时，髓核又可作为运动的支柱起到类似轴承的作用。

髓核的结构一旦破坏，椎间盘吸收和分散外力的作用消失，必然迅速诱发退变。

Okuma和Nomura（2000）以穿刺针从纤维环前侧部进入，吸出髓核，诱导建立了兔的椎间盘退变模型。

组织学观察发现：术后2周，髓核内含有空泡细胞的数量减少；4周时，纤维环纤维出现蜿蜒样改变；8周时，可见纤维环已失去正常结构，髓核的细胞外基质浓缩；24周时，纤维环均出现破裂及变形的板层状纤维，内层纤维环与髓核的界限模糊，软骨样细胞的数量增加并开始成团状聚集在髓核及纤维环的交界区域。

Sato（2001）等介绍了经皮纤维环钻孔使用吲哚青绿（indocyanine green，ICG）燃料增强激光汽化髓核来达到间盘减压目的，从而诱发兔椎间盘的退变。

向髓核内注射药物融核，已在临床上用于治疗腰椎间盘突出症，类似的方法同样也可诱发动物椎间盘的退变。

向椎间盘内注射透明质酸酶（hyaluronidase）、木瓜凝乳蛋白酶(chymopapain)、软骨素酶ABC （chondroitinase ABC）、胶原酶（collagenase）等，均已在动物模型上证实可以达到有效融核的目的，且部分已获得了广泛的临床应用。

但是动物实验大多集中在化学融核（chemonucleolysis）的效果、并发症、作用时间、剂量等以临床应用为目的的研究上。

Norcross等（2002）在大鼠鼠尾的近侧2个椎间盘内注射软骨素酶ABC（chondroitinase ABC），2周后发现注射药物的椎间隙高度明显下降，生物力学参数（硬度、hysteresis、畸形）均明显升高。

组织学检查则证实椎间盘退变，蛋白多糖含量、髓核细胞数量均明显下降。

虽然融核后将不可避免地发生椎间盘的继发退变，但却少有以此来作为建立椎间盘退变模型的方法。

因为髓核内注射的药物均会引起椎间盘生物化学性质的改变，并不利于在退变模型基础上进一步的研究和生化检测等。

更为直接的方法是：直接模拟人椎间盘髓核摘除术的手术过程行髓核摘除而诱发椎间盘退变。

Hasegawa（2000）为研究年龄因素与退变的椎间盘周围及临近神经根发生病理改变的相关性，进行了犬的实验研究。

他模拟人的髓核摘除手术，将犬的多个腰椎节段椎板切开，行全椎间盘摘除术。

但是大部分行髓核摘除术诱发的模型与人类髓核摘除术不同的是，手术多是经前方腹膜外入路，切开前方纤维环后，摘除髓核。

由于其对于椎间盘结构造成了彻底破坏，且对动物创伤较大，手术方法标准难以统一，因而并不常用。

③损伤软骨终板法：通过椎体钻一斜行的孔洞直达软骨终板和髓核来制作椎间盘退变模型。