纖維環(huán)修復(fù)的動物實(shí)驗(yàn)與臨床研究的現(xiàn)狀

李貴謙，韋華璞，張世進(jìn)，陳前芬，施冬冬*

(1解放軍第923醫(yī)院骨科，廣西 南寧；2廣西醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院，廣西 南寧)

0 引言

纖維環(huán)(Annulus fibrosus，AF)是包繞在椎間盤外圍的結(jié)構(gòu)，主要由膠原蛋白組成(I型和II型膠原纖維占干重的60%)[1]，它就像一個密閉的容器，通過產(chǎn)生靜水壓力抵抗脊柱軸向負(fù)荷，保護(hù)著里面的髓核[2]。當(dāng)椎間盤承受的壓力過載后，破壞了纖維環(huán)的完整性，髓核通過破裂口疝出，當(dāng)其后方的神經(jīng)根受到壓迫時，引起LDH[3]。臨床常用的治療是單純髓核摘除術(shù)來緩解疼痛，早在2003年，我國每年開展該手術(shù)就達(dá)到120人次/百萬[4]，但即使在孔鏡這樣的微創(chuàng)操作下術(shù)后再突出率也高達(dá)10%[5]，國外的文獻(xiàn)報道復(fù)發(fā)率甚至超過了15%[6]。目前多數(shù)研究已明確認(rèn)定有效的纖維環(huán)修復(fù)可以顯著改善LDH的手術(shù)結(jié)果，不僅可提供物理屏障降低再疝率，改善生物力學(xué)，還有可能成為椎間盤再生研究策略的一部分，因此越來越受到人們重視。本文將簡要探討纖維環(huán)修復(fù)與基礎(chǔ)和臨床的關(guān)聯(lián)并分享相關(guān)進(jìn)展。

1 動物實(shí)驗(yàn)研究

現(xiàn)有的文獻(xiàn)報告中動物模型可以很好的進(jìn)行體內(nèi)纖維環(huán)修復(fù)，其中主要包括了研究天然生物材料支架、基于干細(xì)胞的修復(fù)、膠原蛋白凝膠填充等技術(shù)。隨著組織工程技術(shù)的興起，為了更好的完成組織再生修復(fù)功能，組織工程支架應(yīng)在結(jié)構(gòu)和功能上更好的模擬細(xì)胞外基質(zhì)。而膠原廣泛存在于人體內(nèi)，為各種組織提供強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，是骨的細(xì)胞外基質(zhì)的主要有機(jī)成分。

1.1 小動物實(shí)驗(yàn)

小動物纖維環(huán)實(shí)驗(yàn)主要包括兔子和鼠模型，造模的方式主要包括單獨(dú)穿刺、穿刺去除髓核以及纖維環(huán)切開術(shù)。早在2003年，日本的學(xué)者[7]將同種異體的椎間盤細(xì)胞接種在具有膜密封的透明膠原蜂窩狀支架上，然后移植到受體兔的椎間盤中，術(shù)后12周，未治療的受損椎間盤和經(jīng)無細(xì)胞治療的椎間盤喪失了椎間盤高度的50%，而異基因纖維環(huán)細(xì)胞負(fù)載的支架組喪失了椎間盤高度的20%。無細(xì)胞支架的組織學(xué)切片顯示較小的細(xì)胞浸潤和細(xì)胞外基質(zhì)產(chǎn)生，而載有細(xì)胞的支架的切片顯示，纖維環(huán)細(xì)胞能夠在植入部位增殖并產(chǎn)生細(xì)胞外基質(zhì)，其細(xì)胞外基質(zhì)含量與完整對照相似，從而驗(yàn)證了同種異體纖維環(huán)細(xì)胞可以存活且具有軟骨樣增殖活性。將種子細(xì)胞與纖維環(huán)修復(fù)支架共培養(yǎng)后植入纖維環(huán)破口，借助植入細(xì)胞的再生長使纖維環(huán)破口得到生物學(xué)修復(fù)的方式主要集中于支架的制備、種子細(xì)胞的獲取、微環(huán)境的優(yōu)化等方面。2014年以來，Grunert等[8-10]發(fā)表了三項(xiàng)研究，即使用可注射的高密度膠原蛋白與核黃素交聯(lián)，以修復(fù)鼠尾椎間盤中穿刺損傷的纖維環(huán)，與受損未經(jīng)治療的對照相比，該療法可在術(shù)后18周內(nèi)減輕脊柱退行性改變；與正常椎間盤相比，交聯(lián)組的僅細(xì)胞外基質(zhì)輕微減少，無椎間盤退變的跡象。因?yàn)楹它S素可以改善高密度膠原蛋白的剛度，對修復(fù)纖維環(huán)起到積極作用，其中纖維環(huán)部分修復(fù)是由纖維帽橋接缺損完成。國內(nèi)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，用地塞米松磷酸鈉溶液將同種異體骨髓來源的間充質(zhì)干細(xì)胞注射到兔的椎間盤中，或者移植同種異體脂肪干細(xì)胞，可以起到改善受損纖維環(huán)修復(fù)的效果[11-12]，以及新起的脫細(xì)胞方案研究[13-14]，這兩種細(xì)胞療法的優(yōu)勢都是能夠很容易的在臨床實(shí)施，但缺點(diǎn)是從他們的結(jié)果來看，效果似乎并不那么令人滿意。在小動物實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)使用組織學(xué)切片來鑒定對修復(fù)策略的免疫學(xué)反應(yīng)時，由于體內(nèi)時間短，可能未觀察到明顯的纖維環(huán)修復(fù)。

1.2 大動物實(shí)驗(yàn)

大動物模型主要在牛、豬、羊等體內(nèi)完成，通常將纖維環(huán)進(jìn)行穿刺損傷或切開再修復(fù)。近年來，生物分子和生物材料策略修復(fù)的研究成為熱點(diǎn)，人們對利用生長因子或干細(xì)胞移植對椎間盤退變進(jìn)行早期干預(yù)以補(bǔ)充病變組織的再生能力。有學(xué)者在綿羊椎間盤損傷模型中，將300μg骨形態(tài)發(fā)生蛋白注射到纖維環(huán)中，發(fā)現(xiàn)可以改變椎間盤組織的生長環(huán)境，減少細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的丟失[15]。骨形態(tài)發(fā)生蛋白在胚胎發(fā)育中起著重要的作用，臨床上常用來增強(qiáng)脊柱融合，有遺傳證據(jù)表明它在人類脊椎發(fā)育中起著重要的作用，或許它可以作為椎間盤再生修復(fù)研究的一個方向。Pennicooke等[16]在Grunert研究的基礎(chǔ)上，利用膠原蛋白和核黃素溶液修復(fù)了綿羊腰椎的纖維環(huán)破損，與未治療的受損椎間盤相比，膠原蛋白修補(bǔ)的椎間盤增加了髓核T2的弛豫時間，不過平均健康弛豫時間明顯長于經(jīng)治療的椎間盤，從這看來，未來的研究將需要闡明修復(fù)技術(shù)和隨訪時間在組織學(xué)和放射學(xué)相關(guān)方面的作用。有研究[17]表明凝膠等修復(fù)材料可用于修復(fù)纖維環(huán)缺損，雖然可以恢復(fù)部分力學(xué)扭轉(zhuǎn)范圍改變，但單獨(dú)應(yīng)用時難以取得理想的效果。相比較而言，直接縫合與凝膠封堵一樣僅僅完成了物理修復(fù)，不能實(shí)現(xiàn)再生生物醫(yī)學(xué)的修復(fù)理念，但直接縫合在大動物實(shí)驗(yàn)中更具有優(yōu)勢。纖維環(huán)損傷后僅有最外層 1/3 的纖維環(huán)組織能夠通過瘢痕形成的方式緩慢愈合。在動物縫合修補(bǔ)實(shí)驗(yàn)的研究中，楊洋等[18]取小牛腰椎標(biāo)本制成50個脊柱功能節(jié)段，每個節(jié)段均在纖維環(huán)上作一10mm橫切口。按照不同修復(fù)方法隨機(jī)平均分為5組：粘合劑組、常規(guī)U型縫合組、改良荷包縫合組、粘合劑+U型縫合法組及粘合劑+改良荷包縫合組，然后進(jìn)行纖維環(huán)抗靜水壓強(qiáng)度測試及疲勞測試，根據(jù)各組的泄露壓力和極限轉(zhuǎn)數(shù)來評價其修復(fù)效果，最后得出，應(yīng)用粘合劑+改良荷包縫合法處理纖維環(huán)切口，具有較高的生物力學(xué)強(qiáng)度。王宇鵬等[19]探討縫合法及醫(yī)用纖維蛋白粘合劑法修復(fù)山羊腰椎間盤纖維環(huán)缺損的效果，發(fā)現(xiàn)縫合組修復(fù)處細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)優(yōu)于粘合組、對照組，說明直接縫合法優(yōu)于粘合法。雖然直接修復(fù)可恢復(fù)和維持椎間盤的微環(huán)境，但不能起到促進(jìn)椎間盤再生的目的，對深層纖維環(huán)的修復(fù)作用有限。

上面描述的動物研究共同表明，使用生物修復(fù)策略可以在動物模型中實(shí)現(xiàn)成功的環(huán)形修復(fù)。雖然大型動物的機(jī)械性能研究不足，但是評估力學(xué)的研究表明，可以通過修復(fù)纖維環(huán)來恢復(fù)椎間盤完整的性能。理論上理想的動物模型來源是牛、豬、羊等哺乳動物，但是這些較為大型的動物費(fèi)用高、麻醉困難，難以大量應(yīng)用。鼠類小型實(shí)驗(yàn)動物的腰椎過小，進(jìn)行椎間盤髓核穿刺纖維環(huán)縫合技術(shù)難度較大。新西蘭大白兔雖為爬行動物不能完全模擬人類直立行走的腰椎間盤退變突出，但其飼養(yǎng)容易、腰椎間盤大小適中、麻醉簡單，造模的可行性好，重復(fù)性強(qiáng)，是目前建立腰椎間盤髓核突出纖維環(huán)縫合較為理想的動物模型。

2 臨床研究

腰椎髓核摘除術(shù)在臨床廣泛開展多年，已成為治療腰椎間盤突出癥的常規(guī)術(shù)式，術(shù)后多數(shù)患者癥狀可以改善，但復(fù)發(fā)率及二次手術(shù)率較高。椎間盤的節(jié)段性融合或假體置換，為改善癥狀提供了令人滿意的短期結(jié)果，但這些技術(shù)創(chuàng)傷大、費(fèi)用高，并且當(dāng)脊柱的生物力學(xué)特性改變時，也會對鄰近的水平產(chǎn)生潛在的不利影響[20]。已有的研究包括雙極射頻消融進(jìn)行纖維環(huán)皺縮成型術(shù)、醫(yī)用明膠海綿封閉纖維環(huán)切口、人工硬脊膜填充覆蓋纖維環(huán)破損處、自體筋膜移植修補(bǔ)缺口、纖維環(huán)縫合術(shù)等在術(shù)中嘗試將纖維環(huán)破口直接縫合或粘合，為修復(fù)纖維環(huán)提供了經(jīng)驗(yàn)，但顯然，臨床上更需要一種破壞性較小的再生療法來修復(fù)纖維環(huán)[8,21,22]。單純的摘除術(shù)對破損的纖維環(huán)一般不做處理，此時纖維環(huán)的完整性被破壞，隨著時間的推移，椎間隙變窄，椎間盤退變加重，穩(wěn)定性就會越來越差。大量文獻(xiàn)的系統(tǒng)回顧表明，單純髓核摘除手術(shù)有較高二次疝出風(fēng)險，需要進(jìn)一步的手術(shù)治療[23,24]，纖維環(huán)的缺損使椎間盤不再處于密閉環(huán)境，纖維環(huán)內(nèi)壓力、血運(yùn)等一系列微環(huán)境改變均不利于椎間盤的修復(fù)和再生[6,25]。有效的纖維環(huán)修復(fù)可以顯著改善LDH的手術(shù)結(jié)果，因此，纖維環(huán)修復(fù)技術(shù)不僅可提供物理屏障降低再疝率，改善生物力學(xué)，還有可能成為椎間盤再生研究策略的一部分。2013年，Bailey等[21]采用Xclose縫合摘除髓核的纖維環(huán)，纖維環(huán)修復(fù)組再突出率低于對照組，但長期隨訪無統(tǒng)計學(xué)差異，這種縫合方式臨床上現(xiàn)在已經(jīng)較為少用。經(jīng)典的髓核摘除術(shù)其難點(diǎn)在于椎板間開窗后操作界面明顯受限，常規(guī)手術(shù)器械難以進(jìn)入骨窗內(nèi)進(jìn)行修補(bǔ)操作。其次，纖維環(huán)切開時多采用矩形切口，切開后缺損較大，張力大縫合困難，縫合后纖維環(huán)愈合效果不佳。有學(xué)者探討微創(chuàng)小切口髓核摘除合并纖維環(huán)修補(bǔ)治療腰椎間盤突出癥的臨床療效，回顧性分析了92例腰椎間盤突出癥患者，根據(jù)手術(shù)方式分為小切口髓核摘除合并纖維環(huán)修補(bǔ)組和單純髓核摘除組，每組46 例，記錄兩組患者術(shù)前、術(shù)后2周及術(shù)后6、12、18個月的腰腿痛恢復(fù)情況，兩組手術(shù)時間、術(shù)中出血量、手術(shù)并發(fā)癥等無差異性，手術(shù)前后JOA評分以及MacNab標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行療效評定，微創(chuàng)小切口髓核摘除合并纖維環(huán)修補(bǔ)可獲得良好的近期臨床效果，纖維環(huán)修補(bǔ)組的復(fù)發(fā)率(2.17%)明顯低于對照組(10.29%)，有效降低了腰椎間盤突出癥術(shù)后復(fù)發(fā)及再次手術(shù)的風(fēng)險。隨著脊柱微創(chuàng)技術(shù)發(fā)展，顯微內(nèi)鏡也運(yùn)用到了纖維環(huán)縫合，顯微內(nèi)窺鏡下椎間盤髓核摘除纖維環(huán)縫合術(shù)治療LDH操作簡便、安全可行，可獲得滿意的臨床療效，在嚴(yán)格把握適應(yīng)證的條件下，可有效降低術(shù)后復(fù)發(fā)率及再手術(shù)率[26-28]。雖然內(nèi)鏡技術(shù)中出血量、術(shù)后臥床時間及恢復(fù)時間、住院時間方面優(yōu)于傳統(tǒng)開窗手術(shù)，但小切口摘除髓核組織，可以在直視下進(jìn)行，其手術(shù)操作空間大，視野清晰，學(xué)習(xí)曲線和難度較微創(chuàng)手術(shù)降低。而微創(chuàng)手術(shù)，不管是椎間孔鏡還是椎間盤鏡，其通道狹小，不利于縫合器械的操作，學(xué)習(xí)曲線較高，器械較貴，不利于在基層醫(yī)院開展。劉燦坤等[29-30]認(rèn)為小切口髓核摘除術(shù)可達(dá)到手術(shù)野足夠的暴露，便于纖維環(huán)缺損的修復(fù)，且不影響腰椎的穩(wěn)定， 是目前治療LDH有良好效果和較小創(chuàng)傷手術(shù)方式之一。

3 小結(jié)

隨著動物實(shí)驗(yàn)和臨床研究的更新改善，LDH手術(shù)外科技術(shù)逐漸提高。相應(yīng)的纖維環(huán)修復(fù)對LDH手術(shù)患者復(fù)發(fā)率的影響開始受到廣泛重視。作為臨床脊柱外科醫(yī)生，充分認(rèn)識，理解纖維環(huán)修復(fù)的相關(guān)概念及干預(yù)手段，開展與基礎(chǔ)、神經(jīng)外科、影像科以及康復(fù)科的多學(xué)科討論，可以幫助我們更好的調(diào)整治療方案，最終目的是實(shí)現(xiàn)再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展理念。我們需要認(rèn)識到臨床上需要一種破壞性較小的再生療法來修復(fù)纖維環(huán)，雖然現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)證據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以提供臨床修復(fù)纖維環(huán)的要求，但我們應(yīng)該更加努力的開拓纖維環(huán)修復(fù)的探索研究，尋求多中心、多領(lǐng)域的合作是闡明纖維環(huán)修復(fù)的未來方向。