中华骨科杂志 2006年3月第26卷第3期 ChinJOrthop,March2006,Vol.26,No.3
作者单位:100035 北京积水潭医院脊柱外科
下腰痛正日益成为严重影响人体健康的一种疾病,
60%~80%的成年人均经历过不同程度的下腰痛[1]。在发达国
家,下腰痛是失业甚至致残的首要病因。腰椎间盘退变是下
腰痛产生的主要原因,有关椎间盘源性下腰痛的病理过程及
治疗
方法
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的研究近年有了新的进展。
椎间盘退变的病理过程和机制
一、椎间盘退变的形态学演变
正常椎间盘由中心的髓核、外层的纤维环及二者之间的
过渡区构成。成纤维细胞和软骨样细胞镶嵌于细胞外基质之
中。成纤维细胞主要集中于纤维环外侧;软骨样细胞集中于
纤维环内侧、过渡区及髓核内。椎间盘内含有大量胶原分子,
其中Ⅰ型胶原占纤维环胶原干重的 70%、占髓核胶原干重的
20%,主要起传递椎间盘内张力的作用。髓核的主要胶原成分
是Ⅱ型胶原,软骨样细胞游离其间,其他还有大量的蛋白多
糖分子,蛋白多糖分子通过与水分子结合保持髓核内的水
分。椎间盘的上下方是由透明软骨构成的终板,椎间盘内无
血供,其营养供应和代谢产物排出均通过终板扩散[2,3]。
椎间盘退变最初的形态学
表
关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf
现为髓核脱水、纤维环撕裂
及软骨终板裂隙形成。随之发生软骨终板下骨硬化,孔隙变
小,椎间盘与椎体髓腔内营养成分交换受阻,椎间盘内酸性
物质聚集,基质降解产物堆积,进一步加重孔隙堵塞,形成恶
性循环,从而导致髓核和纤维环退变。椎间盘退变的晚期表
现为失水的椎间盘弹性减小,椎间高度下降。随着纤维环裂
隙的增大,逐渐失去对髓核的包容,可能导致髓核脱出[4,5]。
MRI显示椎间盘退变可分为多个阶段:退变早期纤维环
撕裂导致椎间盘内出现高信号区;椎间盘形态萎缩;椎间盘
脱水,中心区在 T2像呈低信号改变;椎间高度下降、失稳;椎
间盘完全退变,“黑椎间盘”表现及骨赘形成[6]。临床上应根据
不同的退变阶段制定相应的治疗方案。
二、细胞外基质与炎性递质在椎间盘退变过程中的变化
与作用
在椎间盘退变初期,纤维环和髓核细胞密度增加,但细
胞间缝隙连接明显减少。晚期,突出椎间盘内由凋亡基因Fas
配体介导的细胞凋亡和椎间盘退变有关[7,8]。
(一)细胞外基质:蛋白多糖是椎间盘内重要的一类细胞
外基质,由核心蛋白和糖胺多糖构成,后者与水分子共价结
合,具有很强的储水能力。蛋白多糖使椎间盘具有了黏弹性
和较好的抗压能力[9]。而蛋白多糖合成数量和质量下降,使储
水能力降低,影响了代谢产物的扩散,导致椎间盘退变。
除蛋白多糖外,椎间盘力学和结构的稳定性还依赖胶原
纤维,胶原纤维的相互交联决定了椎间盘的抗张力强度。胶
原纤维在椎间盘退变过程中其结构和含量都经历了较大的
变化。早期Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ型胶原含量在正常分布区内均有
不同程度增多,提示在退变早期椎间盘存在一过性修复反
应。随退变进展,胶原成分改变,髓核内出现Ⅰ、Ⅳ和Ⅹ型胶
原,软骨终板丧失了Ⅱ型胶原表达[10]。胶原成分的改变说明
髓核内软骨样细胞表型发生变化,可能失去了软骨特征而出
现骨化现象。
近年研究发现,发生编码聚集蛋白聚糖(Aggrecan)基因
变异使蛋白多糖核心蛋白链短缩的人群,临床上更易发生多
节段椎间盘退行性变[11],表明椎间盘退变与遗传有关。
(二)炎性递质:在突出椎间盘内有多种炎性递质,如
NO、IL-1、IL-6、TNF-α、PGE2及MMPs等,其附近的血管内有
IgM和 IgG的表达[12,13],可见椎间盘突出同样经历了炎症过
程。
三、生长因子在椎间盘退变过程中的作用
生长因子是一类低分子量蛋白,可刺激细胞有丝分裂、
分化及细胞外基质合成。表皮生长因子 (epidermalgrowth
factor,EGF)和转化生长因子 (transforminggrowthfactor,
TGF)协同作用可诱导退变椎间盘细胞的再生,胰岛素样生长
因子(insulin-likegrowthfactor,IGF)对髓核基质合成有中度
刺激作用,成纤维细胞生长因子 (fibroblastgrowthfactor,
FGF)对退变的纤维环和过渡区细胞的增殖分化均有明显的
刺激作用[14,15]。Gruber等[16]发现体外IGF和血小板衍生生长
因子(platelet-derivedgrowthfactor,PDGF)联合使用可抑制
退变椎间盘细胞的凋亡。此外,Takegami等[17]的研究发现外
源性重组人成骨蛋白-1(osteogenicprotein-1,OP-1)可促进
椎间细胞合成蛋白多糖,同时可逆转 IL-1引起的椎间盘退
变。由此可见,生长因子对退变椎间盘细胞有不同程度的保
护和正性调控作用,为基因治疗提供了理论基础和实验依
据。
四、椎间盘退变与疼痛
退变椎间盘的髓核由胶原或蛋白多糖构成的同源结构
变为含胶原碎片、液体、甚至气体的非同源混合物。孤立的纤
维环碎片或终板碎片有时可进入松弛的椎间盘混合物内部,
当身体处于某些活动体位时,这种孤立的碎片就可能成为主
要负重区,从而引起急性疼痛。有学者将椎间盘内这些松散
的碎片,形象地比喻为“鞋内石子”,即为“鞋内石子假说”。这
一假说可以解释某些急性腰痛患者可以通过手法按摩获得
疼痛缓解的现象,因为按摩在某些情况下可将局部高负荷区
转移,同时也可解释退变程度与疼痛症状不完全相符的现
椎间盘源性下腰痛的研究进展
·综述·
吕学敏 田伟 刘波 李勤
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象[18]。
诊 断
急性椎间盘突出一般容易诊断,而慢性椎间盘源性下腰
痛的诊断往往非常困难。研究表明椎间盘在MRI、CT上的表
现并不总是和症状一致,存在症状和影像表现分离的现象。
腰椎间盘 MRI高信号区(HIZ)的表现对诊断椎间盘源性下
腰痛有一定的特异性,但临床研究显示很多无症状患者也存
在HIZ,因此HIZ只能作为一个辅助诊断指标。目前为止,椎
间盘造影术仍是诊断椎间盘源性下腰痛相对可靠和准确的
方法,椎间盘造影术包括了造影过程中患者的主观症状、推
入造影剂的量和阻力的大小及影像学检查评价等部分。但由
于来源于骨盆区和腰椎的痛觉传入纤维在皮质定位上相近,
对很多患者来说难以区分造影剂诱发的疼痛和源于骶髂关
节部位的疼痛,对多节段退变者更难以识别责任节段,所以
影响了椎间盘造影的可靠性与特异性[19]。研究和完善一种更
为可靠和特异的诊断系统也是未来脊柱外科领域研究的重
点。
治疗方法与进展
一、经皮椎间盘减压
经皮椎间盘减压是采用微创技术对责任椎间盘进行减
压或去神经支配的一类治疗手段,主要适用于椎间盘退变不
太严重、纤维环完整性尚未完全破坏的患者。治疗手段包括:
化学融核、经皮髓核吸除、椎间盘内激光切除髓核、椎间盘内
射频消融及椎间盘内电热疗法等。有研究表明这类方法对退
变早期的椎间盘可降低椎间盘内压力、缓解疼痛,是介于椎
间融合术和保守治疗之间的一类治疗方法,具有一定的疗
效,但各有其局限性[20]。
采用木瓜凝乳酶类的化学融核法已有 40多年历史,曾
一度被用于治疗椎间盘突出引起的放射性疼痛。由于酶类物
质易引起软骨终板破坏、出血、过敏等较严重的并发症,目前
已较少使用[21]。
椎间盘内射频消融是近年发展起来的一项新技术,其原
理是通过高频变化电极破坏髓核结构,对椎间盘去神经支
配,减少椎间盘痛觉感受器冲动的传入。但椎间盘神经分布
复杂,插入的直针系统很难毁损纤维环后壁广泛分布的痛觉
感受器;相反,过高的热量会导致邻近组织损伤。因此,对于
射频消融的热量参数、针的定位及临床疗效尚须进一步研
究[22]。
椎间盘内电热疗法同样是通过热效应对椎间盘去神经
支配。其缓解疼痛的机制包括:高温毁损痛觉感受纤维,刺激
外层纤维环发生愈合反应,去除可能长入椎间盘的小血管及
改变纤维环内纤维成分等[23]。主要适用于经保守治疗无效、
影像学提示椎间盘退变不严重、直腿抬高试验阴性、突出小
于 3mm、不伴椎管狭窄或椎间不稳的患者[24]。Karasek等[25]
报告,椎间盘内电热疗法可使60%~70%的患者症状缓解。对
于年龄较小、单节段退变的患者,该手术可有效推迟甚至避
免椎间融合术。
二、椎间融合术
自从Albee1911年首次报告椎体后路融合术以来,椎间
融合的术式和使用的器械不断改进。20世纪40年代末,Lane
和More报告了经前路椎间植骨融合治疗椎间盘源性下腰痛
36例,将前路椎间融合术(ALIF)首次应用于椎间盘源性下腰
痛的治疗,现已成为一种
标准
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手术。50年代,Cloward首次系
统报告了后路椎间融合术(PLIF)治疗椎间盘源性下腰痛,经
不断的发展和完善,PLIF也成为一种标准手术。在PLIF的基
础上,又发展出了经椎间孔椎间融合术(TLIF)。TLIF技术仍
坚持环绕脊柱 360°固定的理念,对神经的侵扰更小,对一些
有特定适应证的病例其疗效优于PLIF。
由于椎间融合器械的使用和推广,椎间cage融合器和椎
弓根钉杆系统逐渐取代了单纯植骨融合技术和单纯钉板系
统,椎间融合率大幅度提高。目前,椎间融合术已成为治疗椎
间盘源性下腰痛的金标准,但此三种技术各有其优缺点。
PLIF需经椎管放置椎体间 cage,通过 cage支撑和后方
椎弓根螺钉及连接杆的锁定达到椎间融合的目的。因为需要
切除椎板经椎管入路,所以 PLIF对神经根有明显的牵拉,易
造成术后根性疼痛。切除椎板后硬膜外粘连及瘢痕的形成易
对神经造成压迫,严重者甚至需再次手术翻修[26]。
TLIF是在 PLIF基础上发展起来的改良后路椎间融合,
经单侧椎间孔植入椎间融合器,无须进入椎管,避免了神经
根的牵拉、缩小了手术范围。但 TLIF无法解决椎管内压迫,
适用范围相对较小[27]。
ALIF经椎前入路,可避免硬膜和神经根周围的瘢痕形
成,保护后柱结构的完整性。但由于缺乏后方钉杆系统的支
撑,容易发生椎间融合器下沉,椎间高度丢失,导致神经根管
狭窄等并发症。目前,由于椎间融合器的改进及骨诱导材料
的使用,ALIF的融合率已明显提高,融合器的下沉率也大幅
降低[28]。
尽管椎间融合技术是目前治疗椎间盘源性下腰痛的金
标准,其手术技术和器械设计也日臻完善,但高融合率并不
一定代表治疗的高成功率。临床长期随访结果显示,在融合
良好的病例中仍有相当比例的患者症状并未改善。而且,椎
间融合术中晚期并发的邻近节段病也是脊柱外科医生必须
面对的难题之一[29,30]。
三、动力稳定系统的概念与应用
如前所述,使用椎间融合的目的在于通过固定活动节段
消除疼痛。但在临床随访中很多学者发现疼痛缓解程度和融
合率并不完全相关,一些假关节形成甚至脱钉、断杆的患者
疼痛反而缓解。并不是只有阻止节段活动才能缓解下腰痛,
活动节段的相对稳定在控制疼痛中所起的作用可能更重要。
因此,通过植入物产生一个相对正常的腰椎负载模式,分担
退变椎间盘的载荷,同时尽量保留节段活动度,才是相对理
想的治疗方式。动力稳定系统就是在这种理念下设计的,它
通过控制腰椎不正常的活动,保持节段生理载荷的传递,达
到缓解疼痛并预防邻近节段退变的目的。
在设计上,动力稳定系统可分为棘突间牵拉装置、棘突
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间韧带缚扎装置、经椎弓根螺钉韧带装置及经椎弓根螺钉的
半坚强固定系统。其中,棘突间牵拉装置和韧带缚扎装置主
要通过支撑棘突或以异体韧带缚扎棘突达到分担椎间盘载
荷的目的。经椎弓根螺钉韧带装置经历了 Henrygraft、Dy-
nesys系统的发展,直至 FASS系统,现已日趋成熟。FASS系
统在韧带和螺钉之间增加了支撑杆,支撑杆对椎间盘后方的
直接撑开作用降低了椎间盘后方载荷;而韧带的拉力通过支
撑杆传递,成为对椎间盘前方的牵开力,降低了前方载荷,克
服了直接使用韧带不能分担椎间盘后方载荷的缺点。目前
AO组织正对其长期疗效进行深入的随访和研究[31,32]。
半坚强固定系统也称为软性稳定系统,主要通过改变连
接杆形状使固定节段保留一定的活动度。DSS-Ⅰ系统椎弓根
螺钉间的连接杆呈“C”形,DSS-Ⅱ系统的连接杆呈螺旋形。这
两种固定系统正处于实验研究阶段,尚未正式应用于临床[33]。
四、人工椎间盘置换术
由于椎间融合存在多种难以避免的缺陷,所以植入人工
椎间盘假体,在不牺牲脊柱节段活动度的前提下治疗椎间盘
源性下腰痛成为一种理想的治疗术式。在椎间盘退变早期,
很多学者尝试使用人工髓核植入。从最初的不锈钢球形髓核
假体到硅胶球形假体,直至由聚乙烯包被的水凝胶 PDN假
体,髓核假体经历了近 40余年的发展,在材料和设计上逐渐
接近髓核的生物力学特性。目前,在髓核假体中研究最多使
用最广泛的是PDN假体,有报告显示其成功率可达 91%[6]。
但髓核假体要求椎间盘纤维环完整,否则容易造成假体脱
出,在很大程度上限制了假体的应用范围。
理想的全椎间盘置换(totaldiscreplacement,TDR)应能
保持椎体生理状态下的活动度,使压应力通过椎间盘传递,
避免椎体后柱异常活动,可在体内长期留存。早期由 Depuy
公司设计的Acroflex人工椎间盘是由钛金属板和聚烯烃橡胶
构成的三明治结构。这类假体由于橡胶髓核不能耐受脊柱的
压应力和剪切应力而易发疲劳碎裂[34]。目前,临床研究使用
的椎间盘假体材料类似于髋、膝假体,以钴-铬金属板和聚乙
烯衬垫构成。其中SBCharite和Prodisc假体目前已通过美国
FDA验证[35,36],预计不久将在全球范围内广泛应用。在设计
上,Prodisc假体内衬是以聚乙烯头臼结构构成,假体间限制
性较大。SBCharite假体内衬以双凸面聚乙烯构成,假体间限
制性较小。
目前的研究认为,人工椎间盘假体的并发症除与前路手
术有关的血管损伤、逆行性射精、深静脉血栓外,与植入物相
关的短期并发症主要包括假体位置不佳、内衬脱出、移位、椎
体骨折及术后根性痛等,其发生与手术技术、假体设计、病例
选择密切相关;与植入物相关的长期并发症主要包括假体材
料力学失败、骨溶解、假体下沉、进行性关节突关节炎等。随
假体设计工艺及材料的不断改进,材料本身的力学失败可在
很大程度上得以避免,但由骨溶解引发的假体下沉是 TDR
远期失败的一个更重要的原因[37]。与髋、膝关节置换一样,骨
溶解是TDR长期植入后的一个主要问题。
由于 TDR本质是半关节置换,脊柱后方的关节突关节
载荷模式必然受到影响,因此容易并发进行性关节突关节
炎,限制性高的假体可能对预防关节突关节炎有一定作用。
和椎间融合相比,TDR作为一种新的技术,更符合人体
生理环境。因此,随相关配套技术的不断完善,TDR也许会取
代椎间融合成为治疗椎间盘源性下腰痛新的“金标准”。但目
前尚无足够证据证实其疗效优于椎间融合,且 TDR的适用
范围也明显小于椎间融合。
五、基因治疗
如前所述,椎间盘退变首先由细胞外基质成分发生变化
开始,主要表现为蛋白多糖合成减少、含水量下降、胶原成分
改变。通过转基因治疗使细胞内合成相关基质蛋白的基因重
新编码蛋白质,从而在根本上治疗椎间盘退变。有治疗潜力
的基因分为结构基因和调节基因,如Ⅱ型胶原或 Aggrecan基
因。由于基质蛋白种类较多且需要量大,所以待转基因不止
一种,在实际操作中缺乏可行性。调节基因是编码某些细胞
因子或转录因子的基因,如编码BMP蛋白的基因。这些细胞
因子既可直接调控细胞分泌多种基质蛋白,又可通过旁分泌
作用于邻近细胞从而放大其作用效果。因此,目前转基因治
疗主要选择调节基因。
可刺激椎间盘细胞外基质合成的基因有 BMP-7基因及
调控BMP表达的上游基因LMP-1。在基因转入的手段上,腺
相关病毒转染可使目的基因稳定表达,无论体内和体外实验
都有较好的稳定性[17,38,39]。
基因治疗椎间盘退变尚处于早期的实验阶段,在基因和
载体的选择方面、安全性和稳定性的验证方面都缺乏足够的
实验依据。但可以肯定,基因和细胞水平治疗椎间盘源性下
腰痛将是以后临床和基础研究的重点方向之一。
参 考 文 献
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(本文编辑:万瑜)
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