椎间盘退变相关影响因素研究进展

陈平综述 云文科，李志军审校

综 述

椎间盘退变相关影响因素研究进展

陈平综述 云文科，李志军审校

椎间盘退变；发病机制；治疗

椎间盘退变(intervertebral disc degeneration，IDD)为多种因素综合影响所致，患者长期过高或过低压力负荷都可作为IDD病因之一[1]。有报道表明，软骨终板发生钙化所引发椎间盘营养物质供应下降可能为启动IDD的关键性因素。而椎间盘在老化或营养物质供应异常时，由椎间盘细胞所合成的部分细胞因子对细胞活性及细胞之间的信息交流产生一定影响[2]，最终促使细胞凋亡。内环境发生变化之后能够激活处于潜伏态的降解酶，促使椎间盘基质发生分解，形成IDD。本文对IDD影响因素作一综述如下。

1 正常椎间盘工作机制

从分子水平而言[3]，软骨型细胞所合成II型胶原、蛋白多糖和非胶原蛋白等共同形成髓核基质和脊柱软骨终板。I、II型胶原纤维通常经成纤维型细胞而合成，两者共同构成纤维环。椎间盘中的大量蛋白多糖经透明质酸链形成聚合物，多糖基质吸水性促使髓核有流体静力学性质，促使其于纤维环中可承受一定压力负荷。同时，多糖基质亦会不断被酶降解，形成旧基质降解、新基质合成和更新状态。

2 椎间盘退变发生机制

若基质状态产生变化，则椎间盘较易发生退变。无论从宏观水平还是微观水平研究，椎间盘发生结构改变及缺陷均为IDD主要形式，然而此类情况往往是因基质成分发生改变或椎间盘发生功能性损害造成。那么IDD主要影响因素究竟有哪些，国内外学者均有所研究，综合起来大致有下面几种因素。

2.1 生物力学因素 椎间盘在生物力学上主要功能为维持人体椎间隙高度，将相邻椎体活动限于很小无痛范围。而异常性机械负荷则可引发IDD，特别是和工作有关力学因素和外伤均为导致IDD的致病性因素。压力负荷直接影响椎间盘基质形成以及细胞活性。缺乏负荷以及静止性压力负荷都可减少椎间盘中软骨终板蛋白聚糖(PG)，从而影响椎间盘整体性代谢，因此不适当压力将促进椎间盘加速老化，对细胞代谢及表达产生影响，最终破坏椎间盘结构基础[4]。有研究亦证实IDD发病和生物力学有一定联系[5，6]。生物力学因素主要包含震动、扭转和压缩等作用，其中震动对人体椎间盘营养供应和新陈代谢等方面形成不利影响，尤其是震动频率和腰椎共振频率(即4～6 Hz)相等时，此种影响非常明显[7]。这就支持了流行病学表明的卡车、公交车以及拖拉机等司机椎间盘病变率较高这一结论。扭转活动可让纤维环1/2胶原纤维处在紧张状态，另1/2则为松弛状态，若胶原纤维拉伸长度大于静止长度4%时，有关胶原纤维才可能发生损伤，这在脊椎发生轴向旋转大于3°时才可能发生，因关节面不能限制保护旋转力，导致纤维环破裂[8]。适当压缩力对椎间盘而言有益，负荷是一种促使椎间盘内基质运转的刺激物，其可诱导形成金属蛋白酶以及一氧化氮。然而过度负荷则会伤害椎间盘，从而形成IDD。

2.2 营养供应因素 营养供应下降造成营养成分减少是IDD一个基本性因素。由于椎间盘为人体中最大无血管组织，正常成人的腰椎间盘正中细胞离最近处血供部位约8 mm，而纤维环外层处细胞自其四周软组织血管和穿入纤维环外缘稀疏的毛细血管内汲取营养[9]。髓核及纤维环内层处细胞养分供应则依赖更为复杂的通路，即营养物质由穿入人体软骨板毛细血管内弥散开来，并且跨越软骨终板，之后穿越致密性椎间盘基质，到达髓核及纤维环内层处细胞。IDD发生退变的原因与缺乏营养供应有关[10]，而其营养主要经终板途径以及纤维环途径在被动扩散作用下得到。伴随机体老化，可对其供应营养的血管数量慢慢变少，此外，软骨终板钙化情况亦会阻碍有关营养物质供应，造成营养不足，乳酸堆积，进一步使pH值下降，细胞代谢产生障碍，促进细胞死亡而引发IDD。

2.3 细胞过度凋亡 椎间盘细胞发生过度凋亡可直接导致椎间盘活力减弱，有报道表明，IDD标本中，椎间盘细胞有60%以上的凋亡率[11]。椎间盘细胞在退变之前呈规律排列，且髓核大小无明显变化，但伴随IDD进展，特别是细胞数量不断减少，进一步加速细胞凋亡，引起终板和软骨骨髓血管分布减少，导致管腔变细，使营养减少，代谢物质淤积，氧分压以及渗透压等因子发生显著变化。此外，有学者发现，凋亡有关因子(Fas)在特定情况下会向细胞发出凋亡信号，以促使细胞凋亡，破坏椎间盘中细胞外基质完整性，最终产生IDD[12]。Fan等[13]亦报道细胞凋亡不仅在多类组织以及器官发育时发挥组织稳态的维持性作用，还和肿瘤及退行性病症等发生和发展有着密切联系。

2.4 酶活性变化 椎间盘基质内一般存在基质代谢酶系统，可于中性pH条件下对基质成分实施降解，对其有拮抗作用的为降解酶类抑制剂，此二者可维持基质代谢平衡。以往认为基质酶为IDD中间环节，而中性蛋白酶是最为重要的基质降解酶。有报道表明，基质成分发生改变可促使椎间盘在力学特征上丧失，造成基质酶和其抑制剂在数量和活性上平衡打破[14，15]。例如I型胶原对II型胶原进行取代，产生III型胶原。此外，髓核PG型聚合体下降以及PG含量下降，造成水合作用明显下降等，均可促使IDD发生生化改变。

2.5 细胞因子 有研究证实，细胞因子可通过对椎间盘中胶原及PG含量产生影响而参与到IDD过程，与IDD最为相关的一些细胞因子主要含白细胞介素IL-1、IL-6、转化生长型因子(TGF-β)、骨形态发生型蛋白(BMP)及一氧化氮等[16～19]。其中IL-1可通过巨噬细胞和软骨细胞，以及成纤维细胞和破骨细胞形成， IL-1是一种炎性介质，具有细胞破坏性能力，通过改变基质内PG合成对IDD产生作用。IL-6源自骨髓基质型细胞、单核细胞、巨噬细胞、骨髓瘤细胞以及成骨细胞，其亦为重要炎性介质，能够对炎性细胞产生刺激而激活和促进其他类炎性介质产生释放，对IDD炎性过程有促进作用。有报道亦表明IL-6在突出椎间盘内表达水平显著高于正常者[20]。TGF-β则可促使椎间盘的间充质产生细胞增殖及分化，对于脊柱发育以及分化产生重要作用。有研究表明IDD早期，TGF-β能够促使细胞外基质合成，减轻退行性变化的程度。而到IDD晚期，因成纤维细胞在数目上增加，受其刺激形成I、III型胶原，加重变性程度。在对兔椎间盘模型有关研究中发现，BMP2和BMP7于损伤之后3～6周降低，在12～14周则逐渐增加，之后停留于损伤前近似水平，表明BMP可能为IDD的调节因子。一氧化氮作为生物信使分子，能够迅速穿透生物膜进行扩散，在心脑血管的调节和神经、免疫调节方面可以发挥重要生物学作用。其参与IDD过程，一是对椎间盘炎性反应有关进程造成影响，二是对椎间盘细胞外基质正常代谢形成影响。其可在原位促使细胞凋亡，导致椎间盘基质成分改变，加速退变过程。

2.6 年龄因素 随着年龄的增长椎间盘会出现组织衰老的改变，但不是所有的椎间盘会发生退变；组织的衰老是随着年龄增长出现改变的积累，椎间盘衰老通常仅表现为形态解剖学的变化。而椎间盘的退变，是随着细胞和组织大分子物质退行性的病理改变而出现的整个或部分椎间盘组织物理和化学特性的进行性变化。过去人们基于对人类和动物实验观察认为椎间盘退变的高危因素主要与年龄有关，而现在认为退变的发生既不依赖于年龄，又不完全依赖于环境因素，最终表现为功能的破坏和受限，引起一系列临床症状。通过对人流行病学的研究发现：(1)从青春期到中年后期，椎间盘退变的发生率与年龄之间呈直线关系；(2)老年退行性变化几乎到达“饱和”状态，特别是症状性椎间盘退变的发生率与年龄的关系呈现一个倒“U”形分布，即症状性椎间盘退变的高发生率在中年；(3)不同脊柱节段症状性椎间盘退变发生率不同。

2.7 遗传因素 遗传因素在椎间盘退变的发病中具有很重要的作用[21，22]，有学者观察到某些狗的物种很早即可自发地发生椎间盘退变和突出，而其他物种椎间盘退变出现很晚。研究发现，人类双胞胎中脊柱僵硬和退变的发生部位及病变程度有很大的相似性，显示这些相似性是由遗传因素所决定的。有学者应用MR技术对20对双胞胎椎间盘的变化进行观察发现，在信号强度、椎间盘狭窄程度、椎间盘突出，以及终板的变化方面，腰椎间盘退变在20对双胞胎之间表现出高度的一致性，这种高度的一致性难以单纯用年龄因素来解释。遗传因素在椎间盘退变中究竟会发挥多大的作用以及作用的确切机制目前仍不清楚，但可以确定的是椎间盘退变在病因学上很少是由单纯的遗传因素或环境因素引起的，而是受到遗传因素影响的脊柱结构和形态最终影响了脊柱的生物力学特性，使得椎间盘更易于受到环境因素的作用。

3 椎间盘退变的治疗方案

临床上IDD治疗方案已经不仅限于椎间盘摘除、人工椎间盘以及人工髓核等手段。由于此3种治疗方案临床已运用多年，在此不再赘述，目前IDD还有生物学治疗手段，已在重组蛋白和基因治疗，以及组织工程等方面均取得进展。但IDD程度不同，则生物学治法亦不尽相同。研究表明，在IDD发病机制仍不十分明确的情况下，以生物学治法更加微创、安全、有效。

3.1 早期生物学疗法 在IDD早期，病变椎间盘细胞发生轻度受损，其基质的分泌功能仅轻度降低，将生长因子(TGF-β1、IGF-1、EGF等)注入椎间盘中，促进其分泌有关蛋白多糖亦或是注射有关蛋白酶类抑制剂，抑制对蛋白基质分解，从而维持椎间盘形态和功能，缓解IDD症状细胞因子[23]。

3.2 中期生物学疗法 在IDD中期，由于椎间盘细胞发生进一步损害，基质分泌水平进一步降低，降解过程加速，此时细胞仍有分泌功能，因此对此阶段治疗，可导入基因以达到促使基质形成，缓解基质降解等目的。1997年,以lacZ基因或人IL-1 Ra型基因逆病毒载体型转染至体外培养牛软骨终板型细胞，取得成功，由此揭开IDD以基因治疗序幕。值得一提的是，IDD治疗时，腺病毒载体是常用载体，可发挥重要作用。

3.3 晚期生物学疗法 在IDD晚期，椎间盘细胞损害急速加剧，基质分泌能力基本丧失，有关基质降解继续加速，但病变依旧限于髓核内。此阶段在治疗时，细胞移植以及组织工程等是比较理想的方案，抑制及减缓IDD产生。国外有报道表明，同时培养纤维环及髓核细胞，虽无法排除脊索细胞有关作用可能性，但仍促使髓核细胞的基质合成，缓解IDD病变速度。总体而言，IDD医学和生物学治疗已取得良好势头，并逐渐发展下去。虽然生物学疗法广泛应用于临床还仍需广大医务人员努力，但不可否认，其将对IDD的治疗产生深远影响。

4 展 望

脊柱退变正常情况下会伴随人类自然衰老进程，但与之相比，IDD退变程度迅速加快加重，对于人类身体健康产生重要影响和威胁。IDD形成原因长期以来被广大学者深入研究，所达成一致的观点是IDD为多因素共同参与和影响的综合性病症，通常由多类机制进行共同作用而引发。

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内蒙古自然科学基金项目(No.2012MS1149)

010059 呼和浩特，内蒙古医科大学研究生学院2011级临床外科专业研究生(陈平)；武警内蒙总队医院骨外科(云文科)； 内蒙古医科大学解剖教研室(李志军)

10.3969 / j.issn.1671-6450.2014.04.038

2013-10-15)