椎間盤退變模型技術進展

黃振超等

[摘 要] 椎間盤退變是多種因素長期慢性刺激椎間盤，從而引起的椎間盤結構穩定性下降，逐步緩慢發生相關變化的反應過程。通過對動物退變椎間盤模型的研究，可以為人椎間盤退變疾病的研究提供重要手段。隨著動物模型制作手段不斷豐富及控制指標精確程度不斷提高，動物所模擬人椎間盤退變模型相似度有了顯著提高，因此動物造模在椎間盤退變性疾病的研究中將具有更為廣闊的發展前景。本文就近年來各種常用椎間盤退變模型的研究進展作一綜述。

[關鍵詞] 椎間盤退變；動物模型：生物力學；損傷

中圖分類號：R681.57 文獻標識碼：B 文章編號：2095-5200（2014）03-032-04

[Abstract] Intervertebral disc degeneration is a variety of factors， long-term and chronic stimulation of intervertebral disc， intervertebral disc structure stability decreased due to the reaction process， gradually change. Through the study of the animal model of degenerative intervertebral disc， study for the human intervertebral disc degeneration diseases provide an important means of. As the animal model making means continuously enriched and control index of accurate degree raise constantly， the simulated animal intervertebral disc degeneration model similarity has been significantly improved， thus making animal model has a broad prospect in the research the degenerative disc disease. This article reviews the progress in recent years a variety of commonly used animal model of intervertebral disc degeneration.

[Key words] degeneration of intervertebral disc；animal model；biomechanics；injury

前言

椎間盤退行性疾病是中老年人的常見病和多發病，流行病學顯示其發病正在逐年上升，并有年輕化趨勢[1] 。國內外關于椎間盤退變的病因和發病機制并未完全明確，因此也沒有滿意的治療方法。流行病學研究顯示雖然很多成年人不存在椎間盤退變臨床表現，但通過影像及病理學能發現實際退變改變。借助動物模型可研究椎間盤細微結構，自身力學性能以及外力負荷等相關因素的改變是如何導致椎間盤退變出現。同時對動物椎間盤退變模型的深入研究對臨床預防治療人椎間盤退變具有積極意義。

1 自發性椎間盤模型

自發性椎間盤退變是指存在特殊遺傳病理基礎的動物，通過改變飲食習慣、影響動物行為等系統方法導致椎間盤發生退行性病變。目前用于實驗研究較為多見的是地中海沙鼠（Mediterranean sand rat） 。Silberberg等[2]認為生活在地中海地區的沙鼠，由于長年進食含鹽量高的食物，相對非地中海地域的老鼠來說，特別容易發生椎間盤退變。退變主要包括髓核細胞凋亡、軟骨終板骨化、纖維環分解破裂以及骨贅增生等方面變化。這主要由于高鹽飲食導致沙鼠椎間盤營養缺失，繼而引發椎間盤退變。最接近人的靈長類動物由于其生理構造與人類相似，因此，在動物模型中也經常會使用靈長類動物復制椎間盤退變模型。在借助現代影像學檢查方法的幫助下，Platenberg發現靈長類動物中的狒狒在生長年齡超過14歲后，椎間盤可逐漸表現出自發性退變改變，而這種改變與人的椎間盤退變情況是相似的。

2 繼發性椎間盤模型

2.1 基因技術介導的椎間盤模型

由于現代科學技術的不斷進步，椎間盤動物模型制作及研究在更細微的層面上取得很大進步。以新興的基因技術為例，通過在微觀層面上進行基因修改或去除，形成特定椎間盤模型，為椎間盤模型研究提供了新手段及思路。唐淼等[3]發現TNF-a能夠引起腰椎間盤退變，并且和退變有時效和量效關系。Studer等[4]用IL-6及其可溶性受體（sR）作用于離體的人退變髓核組織，使得退變髓核蛋白聚糖合成減少，降解增多，IL-1、PGE-2的合成增多。Sahlman等[5]發現出現椎體終板增厚骨化，纖維環破裂、髓核細胞凋亡等退變表現的小鼠，大部分都存在表達膠原的相關基因缺失。Kimura等[6]發現椎間盤退變的加速與小鼠Ⅸ型膠原基因改變存在密切的聯系。注射各種生長因子、生長因子基因轉染、細胞移植和抑制細胞內相關信號傳導通路等，在動物實驗已經取得逆轉椎間盤退變的效果[7]。

2.2 尾部椎間盤模型

Lindblom[8]在1957年構建世界最早的機械性椎間盤退變模型。通過彎曲并固定大鼠尾巴，發現凹側纖維環逐漸破裂，髓核突出，并發生退變，指出椎間盤退變是在慢性壓力負荷下出現的病理性反應過程?？紤]到動物尾部椎間盤加壓的操作較為簡便，同時對周圍組織正常結構損害和功能的限制較小，目前尾部椎間盤的研究已覆蓋了大、小鼠和牛等大部分動物。研究結果顯示在連續給予椎間盤軸向應力作用下，會出現椎間隙狹窄、椎體間結構失穩、骨贅增生；同時可觀察到編碼蛋白多糖和Ⅱ型膠原的基因表達明顯降低。

2.3 雙足直立椎間盤模型

雙足直立椎間盤退變模型是指通過特殊手段使動物保持直立狀態，改變脊柱的生物力學狀態， 椎間盤因承受持續的壓應力而逐漸發生退行性改變。這與人類椎間盤退變的機理是大致相同的。Cassidy 等[9]提供了較為經典的的動物模型制備方法： 將出生2-3天的大鼠進行前肢結扎，并注意預防感染，待經過1個月左右的哺乳期后，開始正常飲食飼養，通過飲食的調節使大鼠后肢站立進食，并形成條件反射。14個月后行放射學檢查發現截肢大鼠腰椎發生楔形改變， 存在明顯的椎間盤退變表現。免疫組化提示大鼠肌肉纖維出現轉化， 直立狀態的形成導致了肌肉纖維在體內重新分布，最明顯的就是維持直立的肌肉纖維數量顯著增加，而其他非必要肌肉中直立作用肌肉明顯減少。

2.4 壓力負荷椎間盤模型

目前已用于建立椎間盤退變模型的動物包括鼠、兔、犬、羊、豬、猴以及狒狒等十余種，多采用爬行動物作為實驗模型，其最大缺點是誘導的IVDD未體現出重力這一最主要的致退變因素的作用[10]。要保持椎間盤功能、特性及成分在正常范圍內，則需要給予椎間盤穩定而且適量的機械力學負荷。力學負荷的過度或缺乏最終都會引起椎間盤退變，前者可引起髓核細胞凋亡、分解酶活性增加，后者容易出現蛋白含量減少。Iatridis等[11]使用外固定器械從大鼠椎間盤兩側的椎體向中間給予椎間盤持續的壓力，通過長時間觀察發現椎間盤水分丟失、膠原纖維減少，影像學發現椎間盤高度降低、軟骨終板鈣化。Kroeber等[12]將外固定器材應用于兔的椎間盤，成功造出兔椎間盤退變的模型，影像學見椎間隙狹窄，纖維環破碎，骨贅增生。

2.5 脊柱失穩椎間盤模型

通過相關手段破壞脊柱及周圍原本穩定的組織結構，使脊柱穩定性喪失，生物力學狀態改變， 從而誘發椎間盤的退變，達到動物造模目的。以下組織受損容易造成脊柱的失穩：關節突關節、棘突、橫突、椎旁肌等。Miyamoto 等[13]建立了小鼠的脊柱失穩椎間盤模型，主要是咬除棘突組織并同時松解椎旁肌肉組織，對模型行免疫組化及影像學檢查發現骨贅增生，纖維結締組織形成，纖維環破碎。Wada 等[14]通過電流刺激兔頸背部肌肉，促使兔頸部反復屈伸，久之就形成頸椎不穩，出現纖維環分層、骨贅形成椎間盤退變表現。

2.6 手術損傷椎間盤模型

Key等[15]最早應用手術刀損傷纖維環來誘發動物椎間盤退變模型.此后該法被廣泛采用和改進。Osti 等[16]提出一種有效制造椎間盤退變模型的方法，通過外科手段，破壞椎間盤的前側及外側部分，不涉及內層纖維環及髓核。通過18個月觀察，幾乎所有椎間盤均出現不同程度的退變。由此作者得出結論：纖維環外層的損傷是導致椎間盤退變的重要因素。Lipson等[17]通過使用相同的方法構建了兔椎間盤退變模型。通過免疫組化研究發現：椎間盤損傷后水分、蛋白多糖等含量會存在一個快速丟失過程，雖然椎間盤成份能很快恢復， 但會逐漸出現椎間盤成份再度丟失。目前使用針穿刺椎間盤來構建退變模型也是常用方法，主要是通過手術分離頸部前面軟組織，清楚暴露椎間盤表面前方，并用針穿刺纖維環，達到破壞椎間盤目的。這種方法可行性在于使椎間盤退變過程相對緩慢，更符合人椎間盤緩慢退變的規律，使椎間盤退變的研究更加合理化。

2.7 化學損傷椎間盤模型

木瓜蛋白酶是一種水解酶，由于其具有溶解椎間盤髓核，卻不影響周圍組織的特性，因此出現將木瓜蛋白酶作為制造退變椎間盤模型有效手段的趨勢。Roberts S 等[18]在蛋白水解N-胰島素-木瓜蛋白酶混合物的培養基中培養牛尾椎間盤組織，經過3周后發現椎間盤中央異染性丟失、糖胺聚糖含量下降。該種模型的優點是創傷小、操作簡單、副作用少，但存在不能很好地模擬蛋白聚糖丟失的典型改變，藥物的劑量不能得到精確控制等缺點。Hoogendoorn等[19-20]將軟骨素酶ABC注入山羊椎間盤，成功建立退變模型，并于2008再次實驗證實了其建立椎間盤退變模型的重復性好。Oegema等[21]研究發現，退變的椎間盤組織中纖維蛋白增多，且多以片段形式存在。Greg Anderson等[22]研究發現，注射纖維結合蛋白片段建立椎間盤退變模型可較好地模擬椎間盤退變的過程。

2.8 營養缺乏椎間盤模型

通過阻礙終板營養路徑的方法達到制作椎間盤退變模型目的。由于椎間盤組織本身沒有血供，其主要是通過終板鄰近組織浸潤和終板外周血管的支持獲取營養，因此通過破壞終板即能達到椎間盤退變目的。Hutton 等[23]將骨水泥注入椎體一側或雙側軟骨終板下，經過70 周后發現椎間盤腫脹、纖維環破裂、髓核細胞凋亡以及椎間隙變窄等椎間盤退變。Iwahashi 等[24]發現將大鼠每日定時置于煙霧環境中，椎體終板附近血管芽的密度下降、管腔狹窄，最終導致蛋白多糖和膠原含量降低。

3 總結

椎間盤退變動物模型研究根本目的在于模擬人椎間盤的退變以助于研究人員揭示人椎間盤退變的發生機制[25]。目前椎間盤退變研究存在周期長、難度大、成功率低、可重復性差、造模繁瑣、死亡率高、實驗動物價格昂貴等限制。近年來基因技術和分子生物學的應用，極大促進了椎間盤動物模型制作的精確性。通過動物模型復制人類疾病來促進醫學科學發展是現在，也是未來始終進行的一項重要課題，對椎間盤退變的研究中，動物椎間盤模型必將展現出更為顯著的優勢。

參 考 文 獻

[1] 王凱，魯厚根.椎間盤退變模型的研究進展[J].醫學綜述，2013，19（1）：117-119.

[2] SILBERBERG R.The vertebral column of diabetic sand rats （psammomys obesus）.[J].Exp Cell Biol，1988，56（4）：217-20.

[3] 唐淼，陳惠德，張文芽，等.TNF-α、IL-1β在退變頸椎間盤的表達和意義[J].安徽醫藥，2011，15（2）：194-196.

[4] STUDER R K，VO N，SOWA G，et al.Human nucleus pulposuscells react to IL-6：independent actions and amplification ofresponse to IL-1 and TNF-a[J].Spine（Phila Pa 1976），2011，36（8）：593～599.

[5] Sahlman H， Inkinen R， Hirvonen T，et al. Col2al Ⅱ collagen gene inactivation in mice can lead to premature ossification of the vertebral endplates and disc degeneration. Spine， 2006，26（23）：2558-2565.

[6] Kimura T，Nakata K，Tsumaki N，et al. Progressive articular cartilage and intervertebral disc degeneration： Experimental studies on collagen gene mutation Ⅸ transgenic mice [J].Int Orthop，2007，20（3）：177-181.

[7] 周德華 李志軍 張元智.促進椎間盤退變的細胞因子的相關研究[J].中國傷殘醫學，2014（4）：297.

[8] LINDBLOM K.Intervertebral-disc degeneration considered as a pressure atrophy.[J].Journal of Bone and Joint Surgery： American Volume，1957（4）：933-45.

[9] CASSIDY J D，YONG-HING K，KIRKALDY-WILLIS W H，et al.A study of the effects of bipedism and upright posture on the lumbosacral spine and paravertebral muscles of the wistar rat.[J].Spine （Philadelphia， 1976），1988，13（3）：301-8.

[10] 吳鵬波，胡振武，馬衛華，等.椎間盤退變機制研究進展[J].咸寧學院學報（醫學版），2010，24（2）：175-177.

[11] Iatridis JC， Mente PL， Stokes IA， et al. Compression induced changes in intervertebral disc properties in a rat tail model[J].Spine， 2010， 24（10）： 996-1002.

[12] Kroeber MW， Unglaub F， Wang H， et al. A new animal model of disc degeneration treatment programs can be used to stimulate disc regeneration research [J].Spine， 2008， 27（23）： 2684- 2690.

[13] MIYAMOTO S，YONENOBU K，ONO K.Experimental cervical spondylosis in the mouse.[J].Spine （Phila Pa 1976），1991，16（10 Suppl）：495-500.

[14] WADA E，EBARA S，SAITO S，et al.Experimental spondylosis in the rabbit spine. overuse could accelerate the spondylosis.[J].Spine （Phila Pa 1976），1992，17（3 Suppl）：1-6.

[15] KEY J A，FORD L T.Experimental intervertebral-disc lesions.[J].Journal of Bone and Joint Surgery： American Volume，1948（3）：621-30.

[16] Osti OL， Vernon- Roberts B， Fraser RD. Through experimental studies in animal models to clarify the relationship between the annulus tear with disc degeneration [J].Spine， 2007， 15（8）： 665- 676.

[17] Lipson SJ， Muir H.Proteoglycans in experimental intervertebral disc degeneration[J].Spine， 1981， 6（3）： 194- 210.

[18] Roberts S，Menage J，Sivan S，et al. Bovine explant model of degeneration of the intervertebral disc[J]. BMC Musculoskeletal Disord，2008，120（9）：24.

[19] Roel J. Hoogendoorn，Paul I. Wuisman，Theo H. Smit，et al.Experimental intervertebral disc degeneration induced by chondroitinase abc in the goat[J].Spine （Phila Pa 1976），2007，32（17）：1816-1825.

[20] HOOGENDOORN R J W，HELDER M N，KROEZE R J，et al.Reproducible long-term disc degeneration in a large animal model.[J].Spine （Philadelphia， 1976），2008，33（9）：949-954.

[21] OEGEMA T R，JOHNSON S L，AGUIAR D J，et al.Fibronectin and its fragments increase with degeneration in the human intervertebral disc.[J].Spine （Philadelphia， 1976），2000，25（21）：2742-7.

[22] GregAndersonD，Li，X，TannouryT，etal.Afibronectinfragmentstimulatesintervertebal discdegenerationinvivo[J].Spine（ PhilaPa1976）， 2003，28（ 20） ：2338-2345.

[23] Hutton WC，Murakami H，Li J，et al. Research on the impact of nutrition pathway blocking disc dog [J].J Spinal Disord Tech，2004，17（1）：53-63.

[24] Iwahashi M，Matsuzaki H，Tokuhashi Y， et al. By nicotine leads to disc degeneration in the rabbit matrix to illustrate smoking can cause disc degeneration [J].Spine，2009，27（13）：1396-1401.

[25] 夏冬冬，林勝磊，王向陽. 兔椎間盤退變模型的研究進展[J].中國周脊柱脊髓雜，2013，23（6）：556-559.