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椎间盘退行性改变与力学因素关系的研究进展

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・58・ 脊柱外科杂志,2009年2月,第7卷第1期J Spinal Surg,Februai+20o9,Vol 7,No 1 ・综述・ 椎间盘退行性改变与力学因素关系的研究进展 吴亚俊,朱悦 【关键词】椎问盘;生物力学;脊柱疾病;综述文献 【中图分类号】R 681.53 【文献标识码】A【文章编号】1672—2957(2009)0l一0058—03 椎间盘退变性疾病是临床常见的严重危害人群 健康的疾病,研究椎间盘退变的机制和逆转方法是 治疗椎间盘退变性疾病的主要策略。很多因素与椎 间盘退变有关,包括遗传因素,力学因素,环境因素, 年龄和性别因素等。近年来许多研究表明力学因素 与椎问盘退变有着密切关系。学者们通过研究静态 压力、动态压力、渗透压和牵拉等力学因素对椎问盘 组织代谢和形态结构的影响,探寻力学环境对椎间 盘组织的代谢和形态功能的作用规律,并尝试用改 善椎间盘力学环境的方法来促进椎问盘组织的再生 修复,在实验研究和动态固定的临床应用中观察到 了令人鼓舞的结果,这些发现将有助于寻找治疗椎 间盘退变及其相关疾病的有效方法。 1 机械压力与椎间盘组织代谢和形态结构的关系 1.1 静态压力对椎间盘组织的作用 许多学者对静态压力与椎问盘组织代谢和形态 结构的关系进行了研究。Lotz等 ¨用鼠尾加压模型 进行动物体内研究。结果显示随着压力的增大,内 层和中层纤维环排列紊乱程度增加,凋亡细胞比例 增高;最高压力水平下,聚集蛋白聚糖表达降低,髓 核细胞数量也显著减少;停止加压1个月后,椎问盘 组织结构没有完全恢复。Handa等 j研究静态水压 对人椎间盘细胞基质合成和基质金属蛋白酶(ma. trix metalloproteinase,MMP)产生的影响,发现较低 压力(0.3 MPa)使髓核细胞和内层纤维环蛋白多糖 合成增加,内层纤维环金属蛋白酶组织抑制因子.1 (tissue inhibitor of matal10pr0teinases,TIMP一1)的合 成也明显增多;而较高压力(3 MPa)明显地抑制了 内层纤维环蛋白多糖的合成,且明显刺激髓核 MMP 3的产生。其他学者的体外研究也观察到相 作者简介:吴亚俊(1981一),博士在读,医师 作者单位:110001 辽宁,中国医科大学附属第一医院骨科 通信作者:朱悦zhuyuedr@163.con 似的结果,这些结果表明适当的压力水平能促进合 成代谢,而较高的压力明显促进分解代谢,增加细胞 凋亡,加速椎问盘退变 。 静态压力对椎间盘组织代谢的影响与作用时间 相关。Omlor等 利用兔腰椎加压模型进行研究, 发现随着时间的延长,椎间盘组织发生重塑,在28 d 后,椎问盘出现明显的退变,停止加压28 d后,椎间 盘退变仍然存在。故认为兔腰椎加压模型可以作为 研究椎问盘退变的动物模型。Ishihara等 进行体 外研究,观察不同大小、不同作用时间的压力对牛和 人椎问盘组织的蛋EJ多糖合成的影响。结果显示在 短时间(20 S)作用下,较低压力(2.5 MPa)促进合 成代谢,而较高压力(7.5 MPa)则抑制合成代谢;在 长时间(2 h)作用下时,所有压力均抑制合成代谢。 此研究也表明静态压力对椎间盘组织的作用与压力 大小和持续时间存在相关性。 1.2动态压力对椎间盘组织的作用 Mactean等 利用鼠尾加压模型研究动态压力 对椎间盘组织的作用。结果显示在高强度(1 MPa) 压力下,无论是高频还是低频加载时纤维环组织分 解基因都明显上调,而髓核组织在低频(0.01 Hz) 刺激时合成基因表达增高,高频(1 Hz)刺激时分解 基因表达增高。Walsh等 也用鼠尾模型进行动物 体内研究,得到相似的结果。Neidlinger等 研究不 同强度动态水压对椎间盘细胞基因表达的影响,结 果显示较低压力增加了人椎间盘细胞I型胶原和聚 集蛋白聚糖的表达,对MMP没有影响;较高压力降 低所有合成蛋白基因表达,其中聚集蛋白聚糖降低 明显,并且增加人椎问盘细胞MMP.1、3、13表达。 对牛椎间盘细胞的研究也有相似结果。以上几项研 究显示动态压力的大小影响椎间盘组织的代谢和结 构,合适强度的动态压力可诱导合成代谢,防止椎间 盘退变。 其他学者就动态压力频率和作用时间对椎间盘 脊柱外科杂志,2009年2月,第7卷第1期J Spinal Surg,Febru 组织的影响进行研究。Ching等 ,Ⅲ 利用鼠尾加压 模型研究不同频率的动态加压对椎问盘形态结构和 组织成分的影响,结果显示静态加载组椎间盘高度 降低明显大于其他组,而1.5 Hz频率加载组的高度 降低最小。静态加压导致总蛋白多糖成分明显减 少,但在动态加载组无此现象。Kasra等… 研究不 同频率的动态水压对三维培养的猪椎问盘细胞的作 用,结果显示在5 Hz时,细胞合成蛋白速率减低,降 解增多。MacLean等¨ 利用鼠尾模型来研究不同 作用时间同一载荷对椎问盘mRNA表达的影响,结 果显示在纤维环中,I、Ⅱ型胶原、MMP一3、MMP.13 的mRNA水平随着时间增加而升高;在髓核中,聚 集蛋白聚糖、ADAMTs4、MMP.3和MMP.13在加载 2 h后增加最多,其中聚集蛋白聚糖和MMP一13在加 载4 h后mRNA减低到对照水平。这些研究表明动 态压力的频率和作用时间也对椎间盘组织代谢产生 明显的影响,合适的频率和作用时间对维持椎问盘 组织正常代谢和形态结构十分重要。 2渗透压对椎间盘组织代谢的影响 人体椎间盘髓核组织渗透压高于大多数其他组 织,且一天中其变化可达25%。较高的渗透压环境 对维持椎问盘组织正常代谢和形态功能有重要作 用。Wuertz等 将人和小牛的椎问盘细胞置于I 型胶原基质中,分别在低渗、等渗、高渗环境中进行 三维培养,并加载一定的压力或应变。结果显示人 椎问盘髓核细胞与纤维环细胞的聚集蛋白聚糖和Ⅱ 型胶原表达都随渗透压升高而增加,高渗透环境使 2种细胞的I型胶原表达受到抑制。同一压力在不 同渗透条件下可抑制或促进基因表达。研究表明渗 透压不但影响椎间盘细胞代谢,且影响椎间盘细胞 对力学刺激的反应,这提示在研究力学因素与椎间 盘细胞病理变化时不能忽视渗透压条件。 3牵拉对椎间盘退变的作用 由于力学因素与椎问盘退变关系密切,因而学 者尝试用改变椎间盘力学环境的方法来促进退变椎 间盘的再生修复,从而治疗椎问盘退变。椎问盘退 变常存在椎间隙变窄,因此学者对退变椎间盘进行 牵拉,研究该方法对椎问盘退变的作用。 Kroeber等¨ 的课题组围绕动态牵拉对椎间 盘退变的作用进行了系列研究。研究者使用外部加 压装置对新西兰大白兔腰椎施加压力,28 d后成功 诱导椎问盘退变。然后对退变椎间盘进行动态牵 ・59・ 拉,牵拉力大小为120 N,持续28 d结果显示28 d 的轴向加压导致椎间盘高度降低、纤维环结构紊乱 以及纤维环和终板细胞凋亡增加。而28 d动态牵 拉后,之前的改变都得到逆转,只是受牵拉椎间盘的 活动性比单纯加压椎间盘小。通过28 d动态牵拉, 椎间盘MRI信号得到明显恢复,并且基质中I、Ⅱ 型胶原基因表达上调,核心蛋白多糖(decorin)、二 聚糖(biglycan)表达增加。28 d的轴向加压使椎间 盘内压力明显降低,而在28 d动态牵拉后,椎间盘 内压力虽然没有恢复到正常水平,但也没有进一步 下降。研究者认为轴向动态牵拉可以促进退变不太 严重的椎间盘再生修复,且这一过程可能在细胞水 平上进行。但是该研究的加压和牵拉是在一定时间 段进行的,而是否在长时间受压导致严重退变的椎 问盘中仍然能促进其退变逆转有待进一步研究。 4动态固定对椎间盘退变的作用 动态固定是近年来提出的新固定理念,在不融 合情况下稳定固定节段,并保持一定活动性,承载脊 柱负荷,从而恢复脊柱节段正常活动方式和载荷分 布 。 目前,许多动态内固定装置可减轻椎问盘负荷, 起到动态“牵拉”作用。在置入棘突间撑开器后,固 定节段椎问盘内压力在直立和后伸位置明显降 低¨ ;动态中和固定系统(dynamic neutralization system,Dynesys)在侧弯和后伸时能够明显降低固 定节段椎间盘内压力 ;杠杆辅助的软固定系统 (fulcrum—assisted soft stabilization system,FASS)通 过连杆的支撑作用能够降低固定节段椎问盘压 。 临床应用结果显示出动态固定减缓椎问盘退变 的征象。Specchial2 报道,使用Dynesys固定的患 者椎间盘髓核MRI信号改变表现出组织水分增多 的征象。这与Guehring等¨ 动态牵拉退变椎间盘 后MRI的信号改变相似。Putzier等 对髓核摘除 后使用和未使用Dynesys固定的患者进行研究,经 过34个月随访,结果显示在使用Dynesys固定组其 椎间盘退变没有进展。在另一项关于腰椎管狭窄症 减压后Dynesys固定手术研究中,经26个月随访发 现固定节段椎间盘高度没有下降 J。 5展 望 目前基础研究结果显示力学环境对椎间盘代谢 和形态结构有明显的影响,合适的条件可以防止甚 至逆转间盘的退变,临床应用中也观察到动态固定 ・60・ 脊柱外科杂志,2009年2月,第7卷第1期J Spinal Surg,February 2009。v0l 7.N0 1 抑止椎间盘退变的征象,这些发现为椎间盘退变及 其相关疾病的治疗提供了有意义的线索。但目前尚 有一些问题需要进一步解决:大多数的研究都是基 于动物的组织细胞或模型而进行的,其结果对于人 类的参考价值有待于证实;目前尚没有关于研究椎 间盘退变与力学因素的大型动物模型,动态固定对 椎间盘退变的确切作用仍然未知;临床上缺乏具有 理想生物力学性能的动态固定系统。如果利用理想 的动态固定装置确实能够促进椎问盘退变的修复, 同其他生物学方法结合,将为椎间盘退变引起的腰 椎疾病提供有效的治疗方法。 参考文献 [1] kotz JC,Colliou OK,Chin JR,et a1.Compression—induced de— generation of the intervertebral disc:an in vivo mouse model and ifnite—element study[J].Spine,1998,23(23):2493—2506. [2] Handa T,Ishir L hara H,Ohshi[ma H,etrL  a1.Effects of hydrostatic pressure on matirx syntB hesis and nmtM rix metlaloproteinase produc— tion in the human lumbar intelwertebral disc[J].Spine,1997, 22(10):1085—1091. [3] Wang DL,Jiang SD,Dai LY.Biologic response of the interverte— bral disc to static and dynamic compression in vitro[J].Spine, 2007,32(23):2521—2528. [4] Omlor GW,Lorenz H,Engelleiter K,et a1.Changes in gene ex- pression and protein distirbution at different stages of mechanically induced disc degeneration—an in vivo study on the New Zealand white rabbit[J].J Orthop Res,2006,24(3):385—392. [5] Ishihara H,McNally DS,Urban JP,et a1.Effects of hydrostatic pressure on matirx synthesis in different regions of the interverte— bral disk[J].J Appl Physiol,1996,80(3):839—846. [6] Maclean JJ,Lee CR,Alini M,et a1.Anabolic and catabolic mR. NA levels of the intervertebral disc vary with the magnitude and frequency of in vivo dynamic compression[J].J Orthop Res, 2004,22(6):1193—1200. [7] Walsh AJ,Lotz JC.Biological response of the intervertebral disc to dynamic loading[J].J Biomech,2004,37(3):329—337. [8] Neidlinger—Wilke C,Wiirtz K,Urban JP,et a1.Regulation of gene expression in intervertebral disc cells by low and high hydro— static pressure[J].Eur Spine J,2006,15 Suppl 3:¥372—378. [9] Ching CT,Chow DH,Yao FY,et a1.The effect of cyclic COB- pression on the mechanical properties of the inter—vertebral disc: an in vivo study in a rat tail model[J].Clin Biomech(Bristol, Avon),2003,18(3):182—189. [10] Ching CT,Chow DH,Yao FY,et a1.Changes in nuclear compo— sition following cyclic compression of the intervertebral disc in an in vivo rat-tail model[J].Med Eng Phys,2004,26(7):587— 594. Kasra M,Merryman WD,Loveless KN,et a1.Frequency re一 sponse of pig intervertebral disc cells subjected to dynamic hydroI static pressure[J].J Orthop Res,2006,24(10):1967—1973. MaeLean JJ,RoughIcy PJ,Monsey RD,et a1.In vivo interverte— bral disc remodeling:kinetics of mRNA expression in resporme to a single loading event[J].J Orthop Res,2008,26(5):579— 588. Wuertz K,Urban JP,Klasen J,et a1.Influence of extmeellulra osmolarity and mechanical stimulation on gene expression of inter- vertebral disc cells[J].J Orthop Res,2007,25(11):1513— 1522. Kroeber M,Unglaub F,Guehring T,et a1.Effects of controlled dynamic disc distraction Off degenerated intervertebral discs:an in vivo study on the rabbit lumbar spine model[¨.Spine, 2005,30(2):181—187. [15] Unglaub F,Guehring T,Omlor G,et a1.Contorllde distraction as a therapeutic option in moderate degeneration of the interverte— bral disc。an in vivo study in the rabbit—spine model[J].z Orthop Ihre Grenzgeb,2006,144(1):68—73. 【l6] Guehring T,Unglnab F,Lorenz H,et a1.Intradiseal presaure measurements in normal discs,compressed dicss and compressed discs treated with axial posterior dics distraction:an experimental study on the rabbit lumbar spine model[J] Eur Spine J,2006. 15(5):597—604. [17] 刘洋,袁文.脊柱非融合技术生物力学机制[J].脊柱外科 杂志,2007,5(4):248—251. [18] Swanson KE,Lindsey DP,Hsu KY,et a1.The effects of an in. tempinous implant on intervertebral disc presures¨].Spine, 2003,28(1):26—32. [I9] Bellini CM,Galbusera F,Raimondi MT,et 1a.Biomeehanies of the lumbar spine after dynamic stabilization[J].J Spinal Disord Tech,2007,20(6):423—429. [20] Schmoelz W,Huber JF,Nydegger T。et a1.Influence of a dy. namic stbailisation system on load beating of a bridged dics:all in vitro study of intardiseal pressure[J].Eur Spine J,2006,15 (8):1276—1285. [21] Sengupta DK,Mulholland RC.Fulcrum assisted soft stabilization system:a new concept in the surgical treatment of degenerative low back pain[J].Spine,2005,30(9):1019—1029. [22] Specchia N.Dynamic neutralization of the lumbar spine call help the disc repaiirng process[c].Presentation at the 4th Dynesys Meeting,Austira,2004. [23] Putzier M,Schneider SV,Funk JF,et a1.The surgical treatment of the lumbar disc prolapse:nueleotomy with additional transpe- dicular dynamic stabilization versus nucleotomy laone[J].spine, 2005,30(5):El09一ll4. [24] Schnake KJ,Schaeren S,Jeanneret B.Dvnamic stabiliaztion in addition to decompression for lumbar spinal stenosis wiht degeuer- ative spondylolisthesis[J].Spine,2006,31(4):442—449. (收稿日期:2008—09—03) (本文编辑徐瑾) 

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