椎间盘退行性变

椎间盘退行性变相关综述 引言 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 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 IDD 启动的关键性因 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 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 从分子水平而 言 正常椎间盘的软骨 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 椎问盘中的大量蛋 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 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 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 ID D 特别 是和 工作有关 力学 因素 和外伤均为导致 ID D 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问盘加速老化 对细胞代谢及表达产生影 响 最终破坏椎间盘结构基础 j 有研究亦证 实 ID D 发病 和生 物力学有 一定 联系 J 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 H z 相等时 此种影响非常明显 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 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 ID D 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 m m 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 J 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 穿人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 ID D 发生退变 的原 因与缺乏营养供应有关 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 ID D 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 ID D 标本 中 椎间盘细胞有 60 以上的凋亡率 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 ID D 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 Ip D Fan 等 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 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 ID D 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 ID D 发生生化改变 5 细胞因子 有研 究证实 细 胞 因子 可通 过对 椎 问盘 中胶原及 PG 含量产生影响而参与到 ID D 过程 与 ID D 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 TG F B 骨形 态发 生 型蛋 白 BM P 及 一氧 化 等 其中 IL l 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 一 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 ID D 产生作用 IL 6 源 白骨髓基质型细胞 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 ID D 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 TG F B 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 ID D 早期 TG F B 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 B M P2 和 BM P7 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 BM P 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 ID D 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 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 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 l 有学者 观察 到某 些狗的物 种很早 即可 自发地发 生椎问盘退变和突出 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 M R 技术对 20 对 双胞胎椎问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 2O 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 参考文献 1 杨豪 王建儒 郑召民 等 椎 间盘 源性 腰痛 发 病机 制 的研究 进展 J 中华医学杂志 2013 93 19 15 14 1516 2 K e pler C K P 0 n n ap p an R K T a n no u ry C A et a1 T h e m o lec u lar b asisof intervertebral disc degeneration J Spine J 20 13 13 3 3 184 30 3 Gopal D HoAL Shah A ta1 Molec u lar b asis of in terve rte b ral discdegeneration J A dv Exp M ed B iol 2012 8 12 114 133 4 王善正 王宸 芮云峰 等 椎间盘退变的生物学治疗 从 基础研究 到临床应用 J 中华 I 临床 医师杂志 2012 17 17 5181 5184 5 Inoue N A lejandro A O rias E B iom echanics of intervertebral disk degeneration J Lumbar Intervertebral D isc D egeneration 2011 42 4 487 499 6 H ow ard S M a sud a K Ino u e N Interverteb ra l disc deg en eration biolo gi ca l and biom echaniea l factors J J Orth Sci 2006 11 5 54 1 552 7 K irzn er Y M arc olo n go M B h atia S K A dvan ces in b iom ateria l s for th etreatment ofintervertebraldisc degeneration J J Long Term Ef t M edIm plants 2012 22 1 73 84 8 H risto va G I Jarzem P O u ellet JA et a 1 C alcif i c ati o n in h u m an in tervertebra l disc degeneration and scoliosis J J Orth Res 2011 29 12 1 8 8 8 18 9 5 9 U rb an JP Sm ith S Fai rb ank JC N utr i tion of the interverteb ral disc J Spine Phjla P a 1976 2004 29 23 2700 2709 1 0 G ru n h age n T W ilde G S ou k a n e D M et a1 N u tr i en t su pp ly an d in te rve ebra l disc m etabolism J J B one JointSurg Am 2006 88 2 30 3 5 11 O h Y M E u n JP T h e relatio n sh i p b etw een sagittal spino p elv ic p aram eters a nd th e de gree of lu m b ar in te rv erteb ra l disc deg en eration in you ng a duh patients with low grade spondylolytic spondylolisthesis J B one Joint J 20 13 95 B 9 1239 1243 12 黄崇友 臧 晓方 能军 等 退变腰椎 间盘组织 细胞凋亡 相关蛋 白酶 C aspase 10 的表 达研 究 J 现 代 生 物 医学 进 展 20 12 12 23 4 5 17 4 5 2 0 13 F an D Sh a o Z W L i L X C ell death in in terve rte b ra l disc dege neratio n J A poptosis 20 13 18 7 777 785 14 R odrigu es P into R R ich ar d son S M H o ylan d JA et a1 Iden tif i c atio n ofn ov el n uc leu s p ulpo su s m a rk e rs In te rsp ec ies va r i ation s an d im p lic atio n sfor cell based therapiesfor intervertebral disc degeneration J B oneJoint R es 20 13 2 8 169 178 15 邹碌 张琦 黄国付 等 基质金属 蛋 白酶在 腰椎 间盘 退变 中作 用 的研究进展 J 中国康 复 2013 28 1 63 66 16 A k yo l S E raslan B S E ty em ez H et a 1 C atab olic ey tok in e ex pre ssio n sinpatientsw ith degenerative disc disease J T urk N eurosurg 2010 20 4 492 4 99 17 C h a dde rdo n R C S h im er A L G ilbe rtson L G e t a1 A dva n ce sin g en etherapy f o