高强度聚焦超声对离体兔腰椎间盘的生物学效应

刘正,侯树勋,任东风

(解放军总医院第一附属医院骨科,北京 100037)

椎间盘源性腰痛是指椎间盘内各种病变(如退变、终板损伤)刺激椎间盘内疼痛感受器所引起的腰痛,不伴有神经根症状,无神经受压或节段活动过度的放射学证据,可引起受累腰椎节段功能的丧失[1,2]。

近年来,对椎间盘源性腰痛认识的逐步提高,产生了各种各样的治疗方式,分为保守治疗和手术治疗两种。前者包括心理治疗、卧床、牵引、按摩、药物治疗(非甾体类抗炎药、肌松药)、腰围固定、理疗、L2神经根封闭等[3]。后者包括微创手术,如经皮激光椎间盘减压术、椎间盘内电热疗法、椎间盘射频消融术等;以及开放手术,如椎间盘切除椎间Cage及椎板融合术、假体置换术(人工椎间盘和髓核置换)等[4]。但微创手术毕竟仍存在创伤,可能出现神经损伤、穿刺针道感染、椎间盘炎及等离子刀头断裂、IDET工作头断裂的可能[5,6]。

高强度聚焦超声 (high intensity focus ultrasound, HIFU)是一种利用高强度超声波束在体内聚焦,在焦点区域形成 60℃以上的高温,通过热效应、机械效应和空化效应等,从而对目标区域内的病变组织作选择性损坏,而对焦点周围组织没有明显影响的超声治疗技术[7]。它是一种真正意义上的无创治疗技术。本文旨在探讨 HIFU对椎间盘组织的生物学效应,为进一步临床应用 HIFU治疗椎间盘源性腰痛提供基础理论支持。

1 资料与方法

1.1 兔离体脊柱标本制作 6只纯种新西兰大白兔由重庆医科大学实验动物中心提供,雌雄不分,体重 2～2.5 kg。将实验兔处死后,剥离胸腰骶段脊柱标本(L1S1),剔除脊柱前方、侧方肌肉,暴露 L1～S1椎间盘前缘。

1.2 实验方法 实验操作采用重庆海扶技术有限公司生产的CZF超声仪,均在23℃左右的室温下完成。HIFU超声设为频率为9.6 M Hz、脉冲1 000 Hz、剂量5W、焦距4 mm。15 min内对6例脊柱(暴露于空气中)给予HIFU干预,将超声发射头(直径 4 mm)紧贴 L1～S1椎间盘前方,开启超声,每组分别持续3、6、9、12、15、18 min。此过程中,将微型热电偶针从侧方正中央插入椎间盘,分别测量纤维环与前方髓核交界处、HIFU焦点处、纤维环与后方髓核交界处和脊髓前表面处的温度,此四个位置距椎间盘前表面在 L1～2、L2～3、L3～4分别约为1.5、4、6、8mm,在 L4～5、L5S1则约为 2、4、7、9mm。

1.3 实验观察指标 a)高强度聚焦超声辐照的时间。b)四个监测点与超声头表面的距离。c)四个监测点的温度。

2 结 果

高强度聚焦超声照射椎间盘的过程中,随着照射时间的延长,测量部位的温度逐渐升高,并且升高的速度逐渐下降。照射 12min后,前方纤维环与髓核交界处、后方纤维环与髓核交界处温度大于 50℃,能维持6 min以上;HIFU焦点即髓核中心处焦点大于80℃,能维持6 min以上;同水平脊髓温度不超过 30℃(见表1～4)。

表1 前方纤维环与髓核交界处温度(℃)

3 讨 论

表2 HIFU焦点处温度(℃)

表3 纤维环与后方髓核交界处温度(℃)

表4 脊髓前缘处温度(℃)

3.1 椎间盘源性腰痛的发病机制 传统观点认为,椎间盘源性腰痛的病因为突出的椎间盘对硬脊膜囊和神经根的机械压迫,但这并不能满意地解释椎间盘源性疼痛的临床和病理表现。随后研究发现,髓核、软骨板以及纤维环的深层没有神经纤维支配,神经末梢仅分布于椎间盘前后的纵韧带及外层1/3纤维环。Coppes等[8]证实,正常人椎间盘SP免疫反应性神经纤维存在于纤维环的表层,而退变椎间盘的纤维环深层和髓核组织中也出现 SP阳性神经纤维。分布在椎间盘的神经末梢大部分是无髓纤维,在椎间盘内间质变化时传递疼痛信号。其次,椎间盘退变或损伤过程中可产生大量炎症介质或退变产物,这些化学物质对敏感神经纤维的刺激可引起疼痛。Burke等[9]发现,椎间盘源性下腰痛患者病变椎间盘内炎症介质含量非常高,炎症介质作用于窦椎神经末端的伤害感受器可直接导致电生理变化引起疼痛,或使其超敏。再次,腰椎间盘内层纤维环破裂后,沿着肉芽组织长入纤维环内层的窦椎神经,易受到来自于髓核的机械和化学因素刺激,出现椎间盘源性腰痛[10]。最后,椎间盘内机械压力的变化也是椎间盘源性腰痛的病因之一。目前认为,退变的椎间盘内炎性介质的含量增高,使窦椎神经末端的伤害感受器处于超敏状态,对机械压力的痛阈下降,在轻微的机械压力刺激下,就可产生神经冲动[11]。

3.2 HIFU治疗机制 HIFU对组织最重要的效应是瞬间热效应,即当高强度超声波束在人体组织内传播时,有序的声波震动能量逐步转化为无序的分子热运动能量,这种能量在超声波聚焦点处温度瞬间升高(在0.5～1.0 s内骤升至 65～100℃)[7]。因此,HIFU治疗腰椎间盘源性疼痛的机制与椎间盘内热疗(Intradiscal electrothermal therapy,IDET)类似,其作用机理有两个假说[12]：a)对纤维环的热疗可以破坏椎间盘内的神经伤害感受器,达到止痛目的;b)使纤维环内胶原纤维变性收缩,封闭纤维环裂隙,从而加固椎间盘结构。此外,HIFU可以使髓核变性萎缩,在减少介质释放的同时,消除椎间盘不稳定因素及缓解了椎间盘对神经组织的机械刺激和压迫。

分布于椎间盘的神经纤维末梢,多数为无髓神经纤维或微小髓鞘神经纤维,对于热损伤比胶原纤维更敏感[13]。有文献证明,在 42～45℃时神经组织会发生不可逆的损害,而在椎间盘内热疗过程中,于纤维环外 1/3给予 45～50℃,持续20s即可灭活纤维环上的神经感受器,而持续4～5 min基本接近完全灭活[14,15]。椎间盘内温度超过50℃时,纤维环胶原蛋白的三股螺旋结构开始出现断裂,胶原组织发生固缩,凝固纤维环的病变部位使向内生长的肉芽组织发生变性、固缩,灭活受累的微神经来达到消除症状的目的[16]。

本实验中,使用 HIFU从前方定点照射兔离体腰椎间盘,在椎间盘前方、后方纤维环处温度可达50℃甚至更高,维持6min,完全能够灭活椎间盘纤维环外1/3的神经伤害感受器,同时使纤维环内胶原纤维变性收缩,封闭纤维环裂隙,增加椎间盘的稳定性;HIFU焦点处温度可达80℃,维持6 min,可使髓核组织溶解、变性、固缩,缓解椎间盘内压力,减少椎间盘内炎性介质的释放,缓解或消除椎间盘源性疼痛。

此外,由于 HIFU在空气中的热传导性差,实验中脊髓前表面处温度明显低于后方纤维环处温度,也低于正常生理温度,初步证明 HIFU对脊髓的安全性。但离体脊柱与在体脊柱状态不同,前者脊髓与后纵韧带之间是空气,后者则是脑脊液。因此,HIFU对脊髓的热效应还需进一步实验研究。

3 结 论

本实验初步说明,高强度聚焦超声定点照射椎间盘时,在椎间盘内可以提供足够高的温度来灭活伤害感受器以及促使髓核组织溶解、变性、固缩,可以将其作为椎间盘源性腰痛的潜在治疗方法进一步研究。

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