椎間盤(pán)退變模型的研究進(jìn)展

楊松波，高春華，龐曉東，李端明，楊 洪，彭寶淦

椎間盤(pán)退變性疾病是脊柱外科的常見(jiàn)病和多發(fā)病，多見(jiàn)于中老年患者，隨著近年來(lái)人們生活和工作方式的改變，此類(lèi)疾病呈年輕化趨勢(shì)。椎間盤(pán)退變是一個(gè)非常復(fù)雜的生物學(xué)過(guò)程，導(dǎo)致退變的因素也有多種，但目前確切病因和病理生理機(jī)制仍不是十分清楚［1-2］。因此需建立一種理想的椎間盤(pán)退變實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型，這對(duì)深入研究其退變的病理過(guò)程及有效評(píng)價(jià)人為干預(yù)因素的影響意義重大。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分析和比較，就椎間盤(pán)退變動(dòng)物模型的研究方法及進(jìn)展進(jìn)行綜述。

近年來(lái)，動(dòng)物模型的種類(lèi)和造模方法越來(lái)越多，主要分為2 大類(lèi):體內(nèi)動(dòng)物模型和體外動(dòng)物模型。體內(nèi)動(dòng)物模型是指通過(guò)干預(yù)、誘發(fā)椎間盤(pán)退變，根據(jù)影像學(xué)、形態(tài)學(xué)、生物化學(xué)和組織學(xué)等的變化，動(dòng)態(tài)觀察椎間盤(pán)退變的病理過(guò)程。體外椎間盤(pán)退變模型是指在體外培養(yǎng)的細(xì)胞和器官模型，此模型多用于短期的實(shí)驗(yàn)觀察，實(shí)驗(yàn)結(jié)果論證能力弱。因此建立良好的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c造模動(dòng)物的大小、種類(lèi)，以及造模時(shí)間有重要關(guān)系。目前制備椎間盤(pán)退變模型的動(dòng)物主要有小鼠、大鼠、兔、羊、狗及靈長(zhǎng)類(lèi)等［3］。

1 體內(nèi)椎間盤(pán)退變模型

1.1 應(yīng)力干預(yù)模型

Goff 最早于1957年通過(guò)手術(shù)截去大鼠雙前肢來(lái)構(gòu)建雙足動(dòng)物模型，強(qiáng)迫大鼠直立而改變其脊柱的生物力學(xué)，從而使其腰椎受力負(fù)荷增加，使椎間盤(pán)發(fā)生退變，由于倫理因素，這種模型不被支持。Barbir 等［4］通過(guò)將大鼠尾巴固定并改變屈曲角度，并在特定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行影像學(xué)檢查，發(fā)現(xiàn)尾椎椎間盤(pán)出現(xiàn)退變，證實(shí)椎間盤(pán)退變程度與應(yīng)力改變有關(guān)。Korecki等［5］和Hwang 等［6］研究表明直接壓力的增大或減小，導(dǎo)致椎間盤(pán)中的應(yīng)力重新分配，對(duì)鄰近椎體施壓時(shí)，髓核內(nèi)的壓力增高，隨之纖維環(huán)張力增大，當(dāng)外力持續(xù)存在并超過(guò)髓核所耐受的壓力時(shí)，髓核內(nèi)容積將減少，其余壓力被分到內(nèi)層纖維環(huán)上，從而出現(xiàn)椎間盤(pán)退變。Stokes 等［7］在回顧性研究中指出許多研究模型僅考慮了機(jī)械性干預(yù)的壓力和活動(dòng)強(qiáng)度對(duì)椎間盤(pán)的影響，而忽略了所應(yīng)用的裝置本身也會(huì)降低椎間盤(pán)的活動(dòng)性，這恰恰也是導(dǎo)致椎間盤(pán)退變的重要因素。

1.2 手術(shù)損傷模型

此類(lèi)動(dòng)物模型分為直接損傷和間接損傷。直接損傷主要是對(duì)纖維環(huán)和終板生理結(jié)構(gòu)破壞致椎間盤(pán)退變。Melrose 等［8］通過(guò)對(duì)羊的纖維環(huán)針刺損傷，發(fā)現(xiàn)椎間盤(pán)蛋白多糖減少。Sobajima 等［9］通過(guò)對(duì)兔的纖維環(huán)針刺損傷，發(fā)現(xiàn)椎間盤(pán)內(nèi)脊索細(xì)胞、髓核細(xì)胞發(fā)生組織學(xué)改變。Adams 等［10］通過(guò)損傷鄰近軟骨終板，使髓核內(nèi)壓力降低和椎間盤(pán)壓力重新分布，從而導(dǎo)致椎間盤(pán)退變。

間接損傷主要是通過(guò)手術(shù)破壞棘上、棘間韌帶，椎旁肌肉和棘突等致椎間盤(pán)發(fā)生退變。Wang 等［11］通過(guò)剝離椎旁肌肉，咬除棘突，構(gòu)建脊柱失穩(wěn)模型，術(shù)后6～12 個(gè)月發(fā)現(xiàn)軟骨細(xì)胞增生，纖維環(huán)破裂，髓核皺縮等。彭寶淦［12］通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)脊柱責(zé)任節(jié)段融合后，雖然不會(huì)影響腰椎的運(yùn)動(dòng)范圍，但增加了臨近運(yùn)動(dòng)節(jié)段的生物學(xué)應(yīng)力，從而加速了鄰近節(jié)段椎間盤(pán)的退變。

1.3 化學(xué)損傷模型

Zhou 等［13］和Hoogendoorn 等［14］分別向羊椎間盤(pán)內(nèi)注入5-溴脫氧尿核苷和硫酸軟骨素酶，均導(dǎo)致椎間盤(pán)退變。Mao 等［15］在鼠尾椎椎間盤(pán)內(nèi)注射不同劑量的PPS 溶液，4周后的影像學(xué)及免疫組織化學(xué)均提示椎間盤(pán)退變。通過(guò)上述對(duì)比，無(wú)論注射何種化學(xué)物質(zhì)，均將引發(fā)椎間盤(pán)不可逆的退變。化學(xué)損傷模型雖然有手術(shù)微創(chuàng)、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，但不能完全模擬退變椎間盤(pán)中蛋白聚糖丟失的典型變化，且注射藥物可能影響生化檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

1.4 營(yíng)養(yǎng)障礙模型

大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)障礙是椎間盤(pán)退變的重要原因之一，于是探討椎間盤(pán)營(yíng)養(yǎng)障礙的修復(fù)和干預(yù)有重要意義。Krebs 等［16］通過(guò)對(duì)羊的多節(jié)段椎體進(jìn)行成形術(shù)，術(shù)后12 個(gè)月發(fā)現(xiàn)相應(yīng)節(jié)段椎間盤(pán)退變，但此實(shí)驗(yàn)未證明椎體成形術(shù)對(duì)椎間盤(pán)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸關(guān)系。Hutton 等［17］通過(guò)將骨水泥注入到實(shí)驗(yàn)椎間盤(pán)的相鄰椎體內(nèi)，制作血液供應(yīng)障礙模型，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)椎間盤(pán)退變。Holm 等［18］制作豬椎間盤(pán)營(yíng)養(yǎng)阻斷模型，此實(shí)驗(yàn)嚴(yán)重影響了相鄰終板的血液供應(yīng)，但椎間盤(pán)未發(fā)生退變。

1.5 基因敲除模型

基因模型著重強(qiáng)調(diào)的是遺傳相關(guān)因素對(duì)椎間盤(pán)退變的影響，但由于機(jī)體有自我調(diào)節(jié)和修復(fù)的功能，所以可能會(huì)自我誘發(fā)或忽視其他因素的影響。Boyd等［19］通過(guò)制作Ⅸ型膠原基因缺失的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停Y(jié)果顯示鼠椎間盤(pán)退變，并與人類(lèi)椎間盤(pán)退變有相似性。Hamrick 等［20］通過(guò)研究對(duì)鼠的GDF8 基因的敲除，結(jié)果示椎間盤(pán)發(fā)生信號(hào)改變。此類(lèi)模型研究較少，還有待進(jìn)一步的深入探討和研究。

1.6 吸煙模型

Uei 等［21］通過(guò)使小鼠在特定環(huán)境下被動(dòng)吸煙，2周后發(fā)現(xiàn)椎間盤(pán)出現(xiàn)纖維化，髓核水分丟失及結(jié)構(gòu)紊亂等變化。Nemoto 等［22］對(duì)鼠的被動(dòng)吸煙的研究提示吸煙可能與椎間盤(pán)退變有關(guān)，停止吸煙后椎間盤(pán)基質(zhì)中的纖維連接和蛋白聚糖水平有所恢復(fù)，但不能恢復(fù)到正常水平，證明戒煙后椎間盤(pán)在一定程度上有所恢復(fù)，但部分改變不可逆。

2 體外椎間盤(pán)退變模型

2.1 單層培養(yǎng)模型

劉瑞平等［23］發(fā)現(xiàn)將兔椎間盤(pán)髓核細(xì)胞傳至第5 代會(huì)發(fā)生顯著退變，主要功能基質(zhì)mRNA 水平表達(dá)和含量顯著下降，Ⅰ型膠原顯著升高，有退變?yōu)槔w維細(xì)胞的趨勢(shì)。Preradovic 等［24］通過(guò)進(jìn)行人髓核細(xì)胞的單層培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)Ⅰ型膠原mRNA 表達(dá)水平降低，Ⅱ型膠原蛋白聚糖mRNA 水平保持穩(wěn)定。Allon等［25］通過(guò)研究進(jìn)行了干細(xì)胞和髓核細(xì)胞的培養(yǎng)。

2.2 三維培養(yǎng)模型

Wan 等［26］通過(guò)采用較為先進(jìn)的二維彈性支架材料模擬內(nèi)外層纖維環(huán)，證明二相支架有良好的機(jī)械強(qiáng)度和生物相容性。Yuan 等［27］發(fā)現(xiàn)在兔椎間盤(pán)NP 細(xì)胞三維培養(yǎng)中，見(jiàn)細(xì)胞形態(tài)變圓，形成多聚細(xì)胞群，并且在細(xì)胞間及其周?chē)纬杉?xì)胞外基質(zhì)成分，利用免疫組化的方法檢測(cè)出Ⅰ型和Ⅱ型膠原存在，此方法優(yōu)于傳統(tǒng)的單層細(xì)胞培養(yǎng)。Sato 等［28］把兔椎間盤(pán)細(xì)胞在瓊脂中進(jìn)行三維培養(yǎng)，結(jié)果顯示蛋白多糖合成無(wú)差異，細(xì)胞外基質(zhì)合成增多。

2.3 椎間盤(pán)組織培養(yǎng)模型

Chan 等［29］通過(guò)研究表明牛尾椎椎間盤(pán)與人類(lèi)腰椎椎間盤(pán)相似，牛尾的肌肉組織保持著牛尾椎椎間盤(pán)承受一定的壓力，俯臥位壓力與人腰椎椎間盤(pán)壓力大致相同，因此牛尾椎椎間盤(pán)是研究人類(lèi)腰椎椎間盤(pán)的常用模型。Roberts 等［30］和Haschtmann等［31］分別將牛和兔椎間盤(pán)進(jìn)行了體外培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的代謝活動(dòng)類(lèi)似于體內(nèi)動(dòng)物模型，但實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性差。

3 結(jié)語(yǔ)及展望

綜上所述，椎間盤(pán)的動(dòng)物模型常用于研究椎間盤(pán)退變的發(fā)病機(jī)制、神經(jīng)傳導(dǎo)通路及各類(lèi)臨床治療手段的有效性。以上介紹的體內(nèi)、外動(dòng)物模型均存在局限性，目前尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)的及完全模擬人類(lèi)椎間盤(pán)退變的動(dòng)物模型，用動(dòng)物模型復(fù)制人類(lèi)疾病是促使醫(yī)學(xué)發(fā)展的重要途徑和手段，因此應(yīng)根據(jù)不同的研究目的去選擇適合該研究的動(dòng)物模型。

各類(lèi)動(dòng)物模型的局限性主要有:①研究結(jié)果可能因飼養(yǎng)動(dòng)物的種類(lèi)、大小、環(huán)境等不同而產(chǎn)生差異。②模型的誘導(dǎo)方法比較單一，無(wú)法完全模擬人類(lèi)椎間盤(pán)退變的各種因素。③各種建模動(dòng)物的年齡和干預(yù)措施較為局限，研究結(jié)果的可信度尚待進(jìn)一步驗(yàn)證。④各類(lèi)動(dòng)物的解剖存在差異，可能會(huì)導(dǎo)致研究結(jié)果不一致。⑤椎間盤(pán)退變是個(gè)慢性過(guò)程，部分動(dòng)物模型是一種急性椎間盤(pán)退變模型，無(wú)法完全模擬人類(lèi)慢性退變椎間盤(pán)存在的營(yíng)養(yǎng)丟失、膠原分解、基質(zhì)破壞及細(xì)胞凋亡等變化。但隨著近年來(lái)各種椎間盤(pán)退變模型的研究和進(jìn)展，總結(jié)出以下建模時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題:①模擬重復(fù)性好。②符合椎間盤(pán)退變的客觀規(guī)律。③造模動(dòng)物經(jīng)濟(jì)、便利，符合道德倫理。④造模動(dòng)物的解剖和生理特點(diǎn)盡可能與人類(lèi)相似。

構(gòu)建更為理想的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)椎間盤(pán)退變的發(fā)病機(jī)制和臨床研究有非常重要的意義，需要我們這一代甚至幾代醫(yī)學(xué)工作者不懈的努力及長(zhǎng)期深入的探索。

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