椎间盘退变模型技术进展

黄振超等

[摘 要] 椎间盘退变是多种因素长期慢性刺激椎间盘，从而引起的椎间盘结构稳定性下降，逐步缓慢发生相关变化的反应过程。通过对动物退变椎间盘模型的研究，可以为人椎间盘退变疾病的研究提供重要手段。随着动物模型制作手段不断丰富及控制指标精确程度不断提高，动物所模拟人椎间盘退变模型相似度有了显著提高，因此动物造模在椎间盘退变性疾病的研究中将具有更为广阔的发展前景。本文就近年来各种常用椎间盘退变模型的研究进展作一综述。

[关键词] 椎间盘退变；动物模型：生物力学；损伤

中图分类号：R681.57 文献标识码：B 文章编号：2095-5200（2014）03-032-04

[Abstract] Intervertebral disc degeneration is a variety of factors， long-term and chronic stimulation of intervertebral disc， intervertebral disc structure stability decreased due to the reaction process， gradually change. Through the study of the animal model of degenerative intervertebral disc， study for the human intervertebral disc degeneration diseases provide an important means of. As the animal model making means continuously enriched and control index of accurate degree raise constantly， the simulated animal intervertebral disc degeneration model similarity has been significantly improved， thus making animal model has a broad prospect in the research the degenerative disc disease. This article reviews the progress in recent years a variety of commonly used animal model of intervertebral disc degeneration.

[Key words] degeneration of intervertebral disc；animal model；biomechanics；injury

前言

椎间盘退行性疾病是中老年人的常见病和多发病，流行病学显示其发病正在逐年上升，并有年轻化趋势[1] 。国内外关于椎间盘退变的病因和发病机制并未完全明确，因此也没有满意的治疗方法。流行病学研究显示虽然很多成年人不存在椎间盘退变临床表现，但通过影像及病理学能发现实际退变改变。借助动物模型可研究椎间盘细微结构，自身力学性能以及外力负荷等相关因素的改变是如何导致椎间盘退变出现。同时对动物椎间盘退变模型的深入研究对临床预防治疗人椎间盘退变具有积极意义。

1 自发性椎间盘模型

自发性椎间盘退变是指存在特殊遗传病理基础的动物，通过改变饮食习惯、影响动物行为等系统方法导致椎间盘发生退行性病变。目前用于实验研究较为多见的是地中海沙鼠（Mediterranean sand rat） 。Silberberg等[2]认为生活在地中海地区的沙鼠，由于长年进食含盐量高的食物，相对非地中海地域的老鼠来说，特别容易发生椎间盘退变。退变主要包括髓核细胞凋亡、软骨终板骨化、纤维环分解破裂以及骨赘增生等方面变化。这主要由于高盐饮食导致沙鼠椎间盘营养缺失，继而引发椎间盘退变。最接近人的灵长类动物由于其生理构造与人类相似，因此，在动物模型中也经常会使用灵长类动物复制椎间盘退变模型。在借助现代影像学检查方法的帮助下，Platenberg发现灵长类动物中的狒狒在生长年龄超过14岁后，椎间盘可逐渐表现出自发性退变改变，而这种改变与人的椎间盘退变情况是相似的。

2 继发性椎间盘模型

2.1 基因技术介导的椎间盘模型

由于现代科学技术的不断进步，椎间盘动物模型制作及研究在更细微的层面上取得很大进步。以新兴的基因技术为例，通过在微观层面上进行基因修改或去除，形成特定椎间盘模型，为椎间盘模型研究提供了新手段及思路。唐淼等[3]发现TNF-a能够引起腰椎间盘退变，并且和退变有时效和量效关系。Studer等[4]用IL-6及其可溶性受体（sR）作用于离体的人退变髓核组织，使得退变髓核蛋白聚糖合成减少，降解增多，IL-1、PGE-2的合成增多。Sahlman等[5]发现出现椎体终板增厚骨化，纤维环破裂、髓核细胞凋亡等退变表现的小鼠，大部分都存在表达胶原的相关基因缺失。Kimura等[6]发现椎间盘退变的加速与小鼠Ⅸ型胶原基因改变存在密切的联系。注射各种生长因子、生长因子基因转染、细胞移植和抑制细胞内相关信号传导通路等，在动物实验已经取得逆转椎间盘退变的效果[7]。

2.2 尾部椎间盘模型

Lindblom[8]在1957年构建世界最早的机械性椎间盘退变模型。通过弯曲并固定大鼠尾巴，发现凹侧纤维环逐渐破裂，髓核突出，并发生退变，指出椎间盘退变是在慢性压力负荷下出现的病理性反应过程。考虑到动物尾部椎间盘加压的操作较为简便，同时对周围组织正常结构损害和功能的限制较小，目前尾部椎间盘的研究已覆盖了大、小鼠和牛等大部分动物。研究结果显示在连续给予椎间盘轴向应力作用下，会出现椎间隙狭窄、椎体间结构失稳、骨赘增生；同时可观察到编码蛋白多糖和Ⅱ型胶原的基因表达明显降低。

2.3 双足直立椎间盘模型

双足直立椎间盘退变模型是指通过特殊手段使动物保持直立状态，改变脊柱的生物力学状态， 椎间盘因承受持续的压应力而逐渐发生退行性改变。这与人类椎间盘退变的机理是大致相同的。Cassidy 等[9]提供了较为经典的的动物模型制备方法： 将出生2-3天的大鼠进行前肢结扎，并注意预防感染，待经过1个月左右的哺乳期后，开始正常饮食饲养，通过饮食的调节使大鼠后肢站立进食，并形成条件反射。14个月后行放射学检查发现截肢大鼠腰椎发生楔形改变， 存在明显的椎间盘退变表现。免疫组化提示大鼠肌肉纤维出现转化， 直立状态的形成导致了肌肉纤维在体内重新分布，最明显的就是维持直立的肌肉纤维数量显著增加，而其他非必要肌肉中直立作用肌肉明显减少。

2.4 压力负荷椎间盘模型

目前已用于建立椎间盘退变模型的动物包括鼠、兔、犬、羊、猪、猴以及狒狒等十余种，多采用爬行动物作为实验模型，其最大缺点是诱导的IVDD未体现出重力这一最主要的致退变因素的作用[10]。要保持椎间盘功能、特性及成分在正常范围内，则需要给予椎间盘稳定而且适量的机械力学负荷。力学负荷的过度或缺乏最终都会引起椎间盘退变，前者可引起髓核细胞凋亡、分解酶活性增加，后者容易出现蛋白含量减少。Iatridis等[11]使用外固定器械从大鼠椎间盘两侧的椎体向中间给予椎间盘持续的压力，通过长时间观察发现椎间盘水分丢失、胶原纤维减少，影像学发现椎间盘高度降低、软骨终板钙化。Kroeber等[12]将外固定器材应用于兔的椎间盘，成功造出兔椎间盘退变的模型，影像学见椎间隙狭窄，纤维环破碎，骨赘增生。

2.5 脊柱失稳椎间盘模型

通过相关手段破坏脊柱及周围原本稳定的组织结构，使脊柱稳定性丧失，生物力学状态改变， 从而诱发椎间盘的退变，达到动物造模目的。以下组织受损容易造成脊柱的失稳：关节突关节、棘突、横突、椎旁肌等。Miyamoto 等[13]建立了小鼠的脊柱失稳椎间盘模型，主要是咬除棘突组织并同时松解椎旁肌肉组织，对模型行免疫组化及影像学检查发现骨赘增生，纤维结缔组织形成，纤维环破碎。Wada 等[14]通过电流刺激兔颈背部肌肉，促使兔颈部反复屈伸，久之就形成颈椎不稳，出现纤维环分层、骨赘形成椎间盘退变表现。

2.6 手术损伤椎间盘模型

Key等[15]最早应用手术刀损伤纤维环来诱发动物椎间盘退变模型.此后该法被广泛采用和改进。Osti 等[16]提出一种有效制造椎间盘退变模型的方法，通过外科手段，破坏椎间盘的前侧及外侧部分，不涉及内层纤维环及髓核。通过18个月观察，几乎所有椎间盘均出现不同程度的退变。由此作者得出结论：纤维环外层的损伤是导致椎间盘退变的重要因素。Lipson等[17]通过使用相同的方法构建了兔椎间盘退变模型。通过免疫组化研究发现：椎间盘损伤后水分、蛋白多糖等含量会存在一个快速丢失过程，虽然椎间盘成份能很快恢复， 但会逐渐出现椎间盘成份再度丢失。目前使用针穿刺椎间盘来构建退变模型也是常用方法，主要是通过手术分离颈部前面软组织，清楚暴露椎间盘表面前方，并用针穿刺纤维环，达到破坏椎间盘目的。这种方法可行性在于使椎间盘退变过程相对缓慢，更符合人椎间盘缓慢退变的规律，使椎间盘退变的研究更加合理化。

2.7 化学损伤椎间盘模型

木瓜蛋白酶是一种水解酶，由于其具有溶解椎间盘髓核，却不影响周围组织的特性，因此出现将木瓜蛋白酶作为制造退变椎间盘模型有效手段的趋势。Roberts S 等[18]在蛋白水解N-胰岛素-木瓜蛋白酶混合物的培养基中培养牛尾椎间盘组织，经过3周后发现椎间盘中央异染性丢失、糖胺聚糖含量下降。该种模型的优点是创伤小、操作简单、副作用少，但存在不能很好地模拟蛋白聚糖丢失的典型改变，药物的剂量不能得到精确控制等缺点。Hoogendoorn等[19-20]将软骨素酶ABC注入山羊椎间盘，成功建立退变模型，并于2008再次实验证实了其建立椎间盘退变模型的重复性好。Oegema等[21]研究发现，退变的椎间盘组织中纤维蛋白增多，且多以片段形式存在。Greg Anderson等[22]研究发现，注射纤维结合蛋白片段建立椎间盘退变模型可较好地模拟椎间盘退变的过程。

2.8 营养缺乏椎间盘模型

通过阻碍终板营养路径的方法达到制作椎间盘退变模型目的。由于椎间盘组织本身没有血供，其主要是通过终板邻近组织浸润和终板外周血管的支持获取营养，因此通过破坏终板即能达到椎间盘退变目的。Hutton 等[23]将骨水泥注入椎体一侧或双侧软骨终板下，经过70 周后发现椎间盘肿胀、纤维环破裂、髓核细胞凋亡以及椎间隙变窄等椎间盘退变。Iwahashi 等[24]发现将大鼠每日定时置于烟雾环境中，椎体终板附近血管芽的密度下降、管腔狭窄，最终导致蛋白多糖和胶原含量降低。

3 总结

椎间盘退变动物模型研究根本目的在于模拟人椎间盘的退变以助于研究人员揭示人椎间盘退变的发生机制[25]。目前椎间盘退变研究存在周期长、难度大、成功率低、可重复性差、造模繁琐、死亡率高、实验动物价格昂贵等限制。近年来基因技术和分子生物学的应用，极大促进了椎间盘动物模型制作的精确性。通过动物模型复制人类疾病来促进医学科学发展是现在，也是未来始终进行的一项重要课题，对椎间盘退变的研究中，动物椎间盘模型必将展现出更为显著的优势。

参 考 文 献

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