高強度聚焦超聲對離體兔腰椎間盤的生物學效應

劉正,侯樹勛,任東風

(解放軍總醫院第一附屬醫院骨科,北京 100037)

椎間盤源性腰痛是指椎間盤內各種病變(如退變、終板損傷)刺激椎間盤內疼痛感受器所引起的腰痛,不伴有神經根癥狀,無神經受壓或節段活動過度的放射學證據,可引起受累腰椎節段功能的喪失[1,2]。

近年來,對椎間盤源性腰痛認識的逐步提高,產生了各種各樣的治療方式,分為保守治療和手術治療兩種。前者包括心理治療、臥床、牽引、按摩、藥物治療(非甾體類抗炎藥、肌松藥)、腰圍固定、理療、L2神經根封閉等[3]。后者包括微創手術,如經皮激光椎間盤減壓術、椎間盤內電熱療法、椎間盤射頻消融術等;以及開放手術,如椎間盤切除椎間Cage及椎板融合術、假體置換術(人工椎間盤和髓核置換)等[4]。但微創手術畢竟仍存在創傷,可能出現神經損傷、穿刺針道感染、椎間盤炎及等離子刀頭斷裂、IDET工作頭斷裂的可能[5,6]。

高強度聚焦超聲 (high intensity focus ultrasound, HIFU)是一種利用高強度超聲波束在體內聚焦,在焦點區域形成 60℃以上的高溫,通過熱效應、機械效應和空化效應等,從而對目標區域內的病變組織作選擇性損壞,而對焦點周圍組織沒有明顯影響的超聲治療技術[7]。它是一種真正意義上的無創治療技術。本文旨在探討 HIFU對椎間盤組織的生物學效應,為進一步臨床應用 HIFU治療椎間盤源性腰痛提供基礎理論支持。

1 資料與方法

1.1 兔離體脊柱標本制作 6只純種新西蘭大白兔由重慶醫科大學實驗動物中心提供,雌雄不分,體重 2～2.5 kg。將實驗兔處死后,剝離胸腰骶段脊柱標本(L1S1),剔除脊柱前方、側方肌肉,暴露 L1～S1椎間盤前緣。

1.2 實驗方法 實驗操作采用重慶海扶技術有限公司生產的CZF超聲儀,均在23℃左右的室溫下完成。HIFU超聲設為頻率為9.6 M Hz、脈沖1 000 Hz、劑量5W、焦距4 mm。15 min內對6例脊柱(暴露于空氣中)給予HIFU干預,將超聲發射頭(直徑 4 mm)緊貼 L1～S1椎間盤前方,開啟超聲,每組分別持續3、6、9、12、15、18 min。此過程中,將微型熱電偶針從側方正中央插入椎間盤,分別測量纖維環與前方髓核交界處、HIFU焦點處、纖維環與后方髓核交界處和脊髓前表面處的溫度,此四個位置距椎間盤前表面在 L1～2、L2～3、L3～4分別約為1.5、4、6、8mm,在 L4～5、L5S1則約為 2、4、7、9mm。

1.3 實驗觀察指標 a)高強度聚焦超聲輻照的時間。b)四個監測點與超聲頭表面的距離。c)四個監測點的溫度。

2 結 果

高強度聚焦超聲照射椎間盤的過程中,隨著照射時間的延長,測量部位的溫度逐漸升高,并且升高的速度逐漸下降。照射 12min后,前方纖維環與髓核交界處、后方纖維環與髓核交界處溫度大于 50℃,能維持6 min以上;HIFU焦點即髓核中心處焦點大于80℃,能維持6 min以上;同水平脊髓溫度不超過 30℃(見表1～4)。

表1 前方纖維環與髓核交界處溫度(℃)

3 討 論

表2 HIFU焦點處溫度(℃)

表3 纖維環與后方髓核交界處溫度(℃)

表4 脊髓前緣處溫度(℃)

3.1 椎間盤源性腰痛的發病機制 傳統觀點認為,椎間盤源性腰痛的病因為突出的椎間盤對硬脊膜囊和神經根的機械壓迫,但這并不能滿意地解釋椎間盤源性疼痛的臨床和病理表現。隨后研究發現,髓核、軟骨板以及纖維環的深層沒有神經纖維支配,神經末梢僅分布于椎間盤前后的縱韌帶及外層1/3纖維環。Coppes等[8]證實,正常人椎間盤SP免疫反應性神經纖維存在于纖維環的表層,而退變椎間盤的纖維環深層和髓核組織中也出現 SP陽性神經纖維。分布在椎間盤的神經末梢大部分是無髓纖維,在椎間盤內間質變化時傳遞疼痛信號。其次,椎間盤退變或損傷過程中可產生大量炎癥介質或退變產物,這些化學物質對敏感神經纖維的刺激可引起疼痛。Burke等[9]發現,椎間盤源性下腰痛患者病變椎間盤內炎癥介質含量非常高,炎癥介質作用于竇椎神經末端的傷害感受器可直接導致電生理變化引起疼痛,或使其超敏。再次,腰椎間盤內層纖維環破裂后,沿著肉芽組織長入纖維環內層的竇椎神經,易受到來自于髓核的機械和化學因素刺激,出現椎間盤源性腰痛[10]。最后,椎間盤內機械壓力的變化也是椎間盤源性腰痛的病因之一。目前認為,退變的椎間盤內炎性介質的含量增高,使竇椎神經末端的傷害感受器處于超敏狀態,對機械壓力的痛閾下降,在輕微的機械壓力刺激下,就可產生神經沖動[11]。

3.2 HIFU治療機制 HIFU對組織最重要的效應是瞬間熱效應,即當高強度超聲波束在人體組織內傳播時,有序的聲波震動能量逐步轉化為無序的分子熱運動能量,這種能量在超聲波聚焦點處溫度瞬間升高(在0.5～1.0 s內驟升至 65～100℃)[7]。因此,HIFU治療腰椎間盤源性疼痛的機制與椎間盤內熱療(Intradiscal electrothermal therapy,IDET)類似,其作用機理有兩個假說[12]：a)對纖維環的熱療可以破壞椎間盤內的神經傷害感受器,達到止痛目的;b)使纖維環內膠原纖維變性收縮,封閉纖維環裂隙,從而加固椎間盤結構。此外,HIFU可以使髓核變性萎縮,在減少介質釋放的同時,消除椎間盤不穩定因素及緩解了椎間盤對神經組織的機械刺激和壓迫。

分布于椎間盤的神經纖維末梢,多數為無髓神經纖維或微小髓鞘神經纖維,對于熱損傷比膠原纖維更敏感[13]。有文獻證明,在 42～45℃時神經組織會發生不可逆的損害,而在椎間盤內熱療過程中,于纖維環外 1/3給予 45～50℃,持續20s即可滅活纖維環上的神經感受器,而持續4～5 min基本接近完全滅活[14,15]。椎間盤內溫度超過50℃時,纖維環膠原蛋白的三股螺旋結構開始出現斷裂,膠原組織發生固縮,凝固纖維環的病變部位使向內生長的肉芽組織發生變性、固縮,滅活受累的微神經來達到消除癥狀的目的[16]。

本實驗中,使用 HIFU從前方定點照射兔離體腰椎間盤,在椎間盤前方、后方纖維環處溫度可達50℃甚至更高,維持6min,完全能夠滅活椎間盤纖維環外1/3的神經傷害感受器,同時使纖維環內膠原纖維變性收縮,封閉纖維環裂隙,增加椎間盤的穩定性;HIFU焦點處溫度可達80℃,維持6 min,可使髓核組織溶解、變性、固縮,緩解椎間盤內壓力,減少椎間盤內炎性介質的釋放,緩解或消除椎間盤源性疼痛。

此外,由于 HIFU在空氣中的熱傳導性差,實驗中脊髓前表面處溫度明顯低于后方纖維環處溫度,也低于正常生理溫度,初步證明 HIFU對脊髓的安全性。但離體脊柱與在體脊柱狀態不同,前者脊髓與后縱韌帶之間是空氣,后者則是腦脊液。因此,HIFU對脊髓的熱效應還需進一步實驗研究。

3 結 論

本實驗初步說明,高強度聚焦超聲定點照射椎間盤時,在椎間盤內可以提供足夠高的溫度來滅活傷害感受器以及促使髓核組織溶解、變性、固縮,可以將其作為椎間盤源性腰痛的潛在治療方法進一步研究。

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