腰椎间盘退变：组织工程修复及生物力学评价

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.37.022

摘要/Abstract

摘要：

背景：目前腰椎间盘退变的临床治疗方法主要包括保守治疗、传统手术治疗、微创手术治疗，目的是缓解症状，其治疗远期效果不能令人十分满意。而致力于生物学功能恢复的治疗方法逐渐引起人们的重视，但其临床应用还遥遥无期。

目的：就目前腰椎间盘退变的组织工程修复及生物力学研究进展进行综述。

方法：由第一作者检索至2014年12月为止的PubMed数据(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/PubMed)，以“intervertebral disc degeneration，clinical treatment，biological treatment，tissue engineering， biomechanics，repair，progress”为英文检索词。计算机初检得到100余篇文献，阅读标题和摘要进行初筛，排除重复及不相关的报道，最终40篇英文文献符合纳入标准。

结果与结论：尽管治疗椎间盘退变的方案多种多样，但椎间盘退变的治疗对临床医生和基础研究者来说仍然是一个巨大的挑战。目前临床上尚无完美的治疗方法，各方法需注意其适应证及长期随访评价。基于种种原因，椎间盘退行性疾病的生物学治疗方案变得越来越热门，为椎间盘退变的治疗提供了有希望的前景。到目前为止，虽然已经从动物试验中获得了大量的体内实验数据，但许多问题目前还远没有解决。其他挑战还涉及到一般组织工程学方法的各个方面，例如细胞、细胞因子和支架等。在这些研究中，以肝素功能化壳聚糖水凝胶、细胞因子、干细胞联合为基础的髓核组织工程，对髓核再生来说具有值得期待的前景。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

关键词: 组织构建, 骨组织工程, 椎间盘退变, 临床治疗, 生物学治疗, 组织工程学, 生物力学, 修复, 研究进展, 组织工程

Abstract:

BACKGROUND: At present, the clinical treatment of lumbar disc degeneration mainly includes conservative treatment, traditional surgery and minimally invasive surgery. The therapeutic purpose is to relieve symptoms, but the long-term effect is not very satisfactory. Therapeutic methods focusing on biological functional recovery have been concerned gradually, but the clinical application is far in sight.

OBJECTIVE: To review the advances in the treatment of lumbar disc degeneration regarding tissue-engineered repair and biomechanics.

METHODS: PubMed database was searched by the first author for relevant articles published before December 2014 using the keywords of “intervertebral disc degeneration, clinical treatment, biological treatment, tissue engineering, biomechanics, repair, progress” in English. A total of 100 articles were searched initially and finally, 40 articles were included in result analysis.

RESULTS AND CONCLUSION: Although the therapeutic schemes are varied, the treatment of intervertebral disc degeneration is a great challenge for clinicians and basic researchers. Currently there is no perfect clinical treatment, and indications corresponding to various therapies should be paid attention as well as long-term follow-up evaluation. For various reasons, the biological treatment for intervertebral disc degenerative disease is becoming more and more popular, providing a promising prospect for the treatment of intervertebral disc degeneration. So far, large amounts of data have been obtained from animal experiments, but there are still many problems to be solved. Other challenges also involve the all aspects of general tissue engineering methods, such as cells, cytokines and scaffolds. In these studies, the nucleus pulposus tissue engineering based on the combination of heparin-functionalized chitosan hydrogel, cytokines and stem cells exhibits a promising prospect.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

Key words: Lumbar Vertebrae, Intervertebral Disk Degeneration, Biomechanics, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

董视师，李景峰，周逸驰，查圆瑜，金伟. 腰椎间盘退变：组织工程修复及生物力学评价[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(37): 6024-6030.

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图/表（结果） 1

2.1 保守治疗保守治疗是椎间盘退变的基本治疗方法，大多数的患者通过保守治疗，病情可得到缓解或治愈。保守治疗主要包括卧床休息，限制弯腰活动，牵引，硬膜外腔封闭，物理治疗(电刺激、超声波、热疗等)及中医药治疗^[4]。其中，卧床休息是保守治疗的基础，对于严重疼痛急性发作的患者，推荐两至三周的绝对卧床休息，非类固醇抗炎药作为卧床休息的辅助治疗，硬膜外类固醇药物注射治疗作为保守治疗的一部分也有成功报道，对没有神经症状的患者保守治疗短期到长期的疗效较好。保守治疗的适应证：①初次发作，病程短的患者。②病程虽长，症状和体征较轻的患者。③经影像学检查，椎间盘突出较小者。④由于全身基础疾病或局部皮肤病，不能耐受手术者。⑤不同意手术的患者。综合以上策略治疗腰椎间盘退变，恢复腰椎的生物力学平衡和生物化学平衡，降低神经根的压迫，可提高疗效降低复发率。
2.2 传统手术治疗当非手术治疗失败，就应该考虑手术治疗。手术治疗适用于下列情况：①病情重，有广泛严重下肢肌力减弱、感觉减退及马尾神经损害者。②伴有较重的腰椎管狭窄。③合并腰椎峡部不连及脊椎滑脱者、较重的退变性滑脱、节段性失稳和腰椎管狭窄者。④对突出的髓核钙化骨化者、较重的高位腰椎间盘突出症、极外侧腰椎间盘突出症、伴有软骨板破裂、原位复发的腰椎间盘突出，适应证应适当放宽。传统的手术治疗方法包括椎板间开窗或扩大开窗、半椎板切除、全椎板切除、融合手术和椎间盘置换。目前，临床上应用较多的为椎板间开窗或扩大开窗和融合治疗(图1)。传统手术治疗一般短期疗效可，随着时间的进展将导致进一步的退变。手术的目的不是治愈，而是解除症状。手术既不能终止导致椎间盘突出的病变过程，也不能使腰部恢复到以前的状态。
2.3 微创手术治疗微创手术治疗包括椎间盘镜、椎间孔镜、经皮椎间盘切吸术、经皮低温等离子射频消融髓核成形术、髓核化学溶解术等。本病区已开展椎间孔镜技术，采用局部麻醉，具有创伤小、患者痛苦少、出血少、手术时间短、恢复快、对脊柱稳定性影响小、术后并发症少、费用低廉、住院时间短等优点，容易被患者接受，有广阔的发展前景。目前，本病区已采用椎间孔镜技术治疗多例原发及复发腰椎间盘突出症患者，均取得良好疗效，患者满意度高。本文就目前椎间孔镜技术的技术特点、适应证和疗效作一总结。

2.3.1 技术特点目前临床最常用的椎间孔镜技术是经Kambin安全三角区进入椎间盘内行椎间盘内减压(Yeung endoscopic spine，YESS)和经椎间孔进入椎管内直接行神经根松解和减压(transforaminal endoscopic spine system，TESSYS)^[5-^6]。椎间孔镜YESS技术由Yeung等^[5^]于1998年提出，它继承了后外侧穿刺技术的优点，并可以在内镜直视下切除椎间盘，但这项技术采用“由内向外”切除椎间盘的方式，通过降低椎间盘内的压力进而减轻椎间盘的突出，属于间接减压。2003年Hoogland等^[6^]介绍了一种新的椎间孔镜手术方式，他们根据YESS技术存在的不足，制作了一套配有不同直径环锯的椎间孔镜系统，通过后外侧入路应用环锯切除部分关节突来扩大椎间孔，工作套管及椎间孔镜系统可以通过扩大的椎间孔进入椎管内，可以通过椎间孔镜在椎管内直接接触并切除突出的椎间盘组织，此技术被概括为“由外向内”的减压技术，属于直接减压，操作空间位于椎管内给TESSYS技术带来很大的优势，并可配套使用激光或双极射频对纤维环进行修补、成形术，这便是TESSYS技术。在设计理念上，YESS技术强调先行椎间盘内减压；而TESSYS技术强调直接行椎管内的椎间盘摘除。在操作技术上，YESS手术的工作套管经Kambin三角区进入椎间盘内；而TESSYS手术的工作套管经已扩大成形的椎间孔直接进入椎管内。手术操作过程中，YESS手术首先所见是椎间盘内组织，减压过程中仅能看见手术视野顶部的后纵韧带；而TESSYS手术直视下可见突入或脱入椎管内的椎间盘组织，减压后可见椎管内的神经根和硬脊膜囊。YESS和TESSYS的技术特点不同，因此根据腰椎间盘突出的类型和部位正确选择不同的手术方式是保证手术成功的关键^[7]。

2.3.2 适应证与腰椎间盘镜下髓核摘除术相比椎间孔镜YESS技术切口更小，对椎旁肌及脊柱骨质结构的破坏更小，由于操作空间位于椎间盘内，YESS技术难以处理脱出、游离的椎间盘组织，对于中央型腰椎间盘突出疗效有限，包容型及韧带下型椎间盘突出是YESS技术的最佳手术适应证。由于TESSYS技术是在椎管内进行椎间盘切除操作，可以在硬膜前间隙内切除突出和游离的椎间盘，与YESS技术由内向外间接减压相比，TESSYS技术是由外向内直接减压，有明显的优势，适用于各种类型的腰椎间盘突出，而且TESSYS技术入路靠近椎间孔下缘，减少了手术损伤出口根的风险，需要注意的是行椎间孔成形术过程中，环钻有可能会进入椎管损伤硬脊膜、血管和神经根，为了避免这种情况发生，需要在X射线透视引导下进行操作，在X射线前后位透视下以上、下椎弓根内缘连线为停旋环钻的界线。应用椎间孔镜TESSYS技术可以处理所有类型的腰椎间盘突出，但治疗伴有椎管狭窄和钙化的中央型腰椎间盘突出仍有一定困难。与后外侧型突出不同，中央型突出的位置位于椎管前方中央处，准确而到位的置入工作通道就显得尤为重要，对伴有椎管狭窄的患者应用TESSYS 镜技术时，会出现工作通道置入困难的情况，不能到达致压物位置，导致突出或游离的髓核切除不彻底，术后症状改善不明显，也增加了复发的风险。椎间盘突出伴有钙化者选择本术式也应慎重，微创是本手术方式的一大优势，但其缺点在于工作空间狭小，处理钙化组织困难大。钙化的纤维环及髓核组织质地较硬，其直径一旦大于椎间孔镜的工作通道内径便难以取出，当遇到这种情况时，经验是用髓核钳钳夹突出钙化组织连同椎间孔镜一同于工作套管中取出，但反复行此操作也会增加神经损伤的风险。德国Joimax公司提供的椎间孔镜器械中配有一套专门处理椎管狭窄的工具，包括镜下镜下骨凿、镜下尖锥以及镜下用环锯等，可于镜下切除椎管内增生骨质，将增生钙化的纤维环从终板上打掉并取出，但此操作对术者要求较高，操作繁琐，加之椎管狭窄或纤维环钙化进一步缩小了操作空间，在椎管内对镜下术野以外的组织进行切割等操作无疑加大了神经血管损伤的风险。椎间孔镜TESSYS技术在处理 L₅-S₁椎间盘突出时常常受到髂嵴高度的制约，髂嵴过高会阻挡工作通道入路，导致手术失败，此时可改行后路椎间盘镜治疗。TESSYS技术可以通过椎间孔扩大成型处理伴有椎间孔狭窄的腰椎间盘突出，但对椎间隙已经发生明显狭窄的病例处理效果欠佳。由此可见，严格掌握手术适应证是手术成功的关键和疗效的保障。
2.3.3 疗效分析由于具有微创优势，同时又适用于所有类型的腰椎间盘突出，显微外科镜下髓核摘除术很快便成为腰椎间盘突出症外科治疗的“金标准”。在2002 年Yeung等^[5]总结了307例应用椎间孔镜YESS技术治疗的病例，术后优良率可达89.3%。Hoogland等^[8]对262 例术后复发性腰椎间盘突出症患者行椎间孔镜技术治疗并随访2年，术后患者优良率达85.71%，术后11例复发，复发率为4.62%。Shin等^[9]应用椎间孔镜技术治疗41例开放手术后复发的患者，随访16个月，总体优良率为90.2%。本病区临床病例疗效分析将后续陆续报道。
但是必须清楚地认识到，椎间孔镜技术作为一种新的微创技术，应用其治疗腰椎间盘突出症创伤小，并发症少，短期内疗效肯定(图2)，远期疗效还有待于进一步观察与研究。
2.4 生物学治疗非手术治疗和手术治疗都不能很好的解决椎间盘固有功能的丢失，因此，非手术治疗和手术治疗没能成功的再生或者治愈退变的椎间盘组织。基于这个原因，腰椎间盘退行性疾病的生物学治疗方案变得越来越热门。行之有效的方案主要有：组织培养、纤维环修复和髓核组织工程学方法。
2.4.1 组织培养椎间盘退变是一个由许多因素导致的复杂的过程，纤维环和髓核共同导致其发生。目前，许多培养方案被采用，包括静态环境、动力载荷状态等^[10-11]。在退变的静态模型中，7 d之后，许多生化位点的复制水平以及DNA含量显著下降。由于椎间盘在体内是动力载荷的，培养系统必须设计成在培养过程中能够引起轴向应变。在低压力环境下细胞可存活，然而在高度压力环境下，细胞活力显著下降。这种现象在椎间盘营养物质缺乏时也能够观察到。高频负荷与低频负荷和营养物质缺乏相比，更能显著影响细胞活力和退变标记分子。完整的椎间盘培养可能为椎间盘退变的原因及成功的组织工程治疗提供解释。虽然这些培养系统不能够用于检测新材料的生物学相容性，但可比较处于不同条件下的椎间盘是否能增加描述的准度和精度。
2.4.2 纤维环修复纤维环有许多作用，包括维持液体流动来帮助密封髓核以及承受脊柱扭转和弯曲所带来的负荷。当纤维环破损时，这些功能就会中断。许多研究者已经聚焦于生产一个人工纤维环，能够有效的包含更加流动的髓核，但没能很好的考虑纤维环的其他物理需要。由于纤维环的高度有序的、多层的结构，纤维环修复的方法集中在能够模拟正常纤维环结构的纤维，包括静电纺丝纤维、蚕丝、其他天然纤维及小肠黏膜下层^[12-19]。由PCL制作的静电纺丝纤维是高度非均质的和黏弹性的，当种植了纤维环细胞后，静电纺丝纤维支架的机械性能也是多层的和反向排列的^[12]。这种排列方式与平行模式相比有更高的平衡模式。多孔渗水蚕丝支架使纤维环细胞附着，且促使Ⅰ型胶原蛋白合成。此外，这些多孔渗水蚕丝支架用RGD肽修正后能够促进细胞生长，且能促进胶原纤维和糖胺聚糖合成^[13]。当种植细胞后，糖胺聚糖和胶原含量增加，4周之后压缩系数也随之增加^[14]，蚕丝和纤维蛋白的结合已经用来创造有序的支架。此外，种植了骨髓间充质干细胞和轴向压缩支架的纤维环表型标记分子的基因表达有显著增加^[15]。其他天然材料，例如胶原纤维和壳聚糖也被研究过^[16]。藻酸盐/壳聚糖是湿纺，冻干用来制作可使纤维环细胞增长的纤维支架^[17]。由去矿物质骨基质制作而来的种植有纤维环细胞的胶原纤维蛋白凝胶显示其生化合成增加和形状精确^[18]。在一项体内研究中，种植了自体纤维环细胞的去端肽胶原在激光刺激后，注入有缺陷的兔的纤维环后，这种含细胞的支架在作用12周后可显著降低椎间盘高度的丢失^[19]。在纤维环修复方面，大家对材料选择有共识，聚焦于例如静电纺丝聚合物和蚕丝等纤维材料。许多纤维环修材料被设计成组织工程组件，很少像去端肽胶原样致力于仅仅修复纤维环的破损。这很可能是将来的重要目标，且预示着即使是纤维环针尖一样的破口可导致严重的椎间盘退变。

2.4.3 髓核组织工程学髓核组织的缺失会导致椎间盘塌陷，以至于椎间盘内部不能够充分承受压力和抵抗应力。髓核的治疗致力于替换丢失的组织，从而使椎间盘能够适当的承受压力。髓核组织工程学一般聚焦于两种方法：微创注射疗法和置入支架。

注射疗法可选择材料填充^[20-21]，或者单纯的细胞注射治疗方法^[22]。每种注射疗法都有许多材料和细胞来源，包括人造材料、天然材料、细胞因子、成熟的自体细胞和干细胞。为了修复退变的髓核组织，移植的细胞一定要能产生蛋白聚糖，胶原蛋白和其他基质蛋白^[23]。椎间盘中央部位的细胞和软骨细胞能够正常的产生以上这些蛋白，使这些细胞能够用来修复椎间盘。此外，过去数十年干细胞研究的发展，为成人骨髓间充质干细胞应用于髓核组织工程提供了广阔的前景^[24-26]。对骨髓间充质干细胞的研究由Friedenstein^[27]和他的同事们于40多年以前开始。到目前为止，大家已广泛认同骨髓间充质干细胞能够分化为多种不同的间叶组织，包括软骨细胞、成骨细胞和脂肪细胞，取决于骨髓间充质干细胞所处的生物环境。骨髓间充质干细胞能够从多种成人组织中获得，例如骨髓、松质骨、关节软骨、肌肉和动物脂肪。此外，在髓核组织工程中应用脂肪干细胞作为种子细胞应用于髓核细胞的修复再生已有大量文献报道^[28-29]。
椎间盘细胞代谢由许多不同的生长因子调节，这些细胞因子通过旁分泌或者自分泌发挥作用。这些细胞因子能够促进特定细胞外基质成份的合成，例如蛋白聚糖，能够一直分解代谢，或者增加合成代谢和减弱分解代谢。细胞因子能够通过无修饰的或者嵌入式的蛋白的传递来应用于髓核组织再生，还可以通过载体和以细胞为基础的基因疗法所带来的持续营养提供来应用于髓核组织再生。过去的研究报道过生长因子的有效作用，例如转化生长因子β、胰岛素样生长因子1、血小板源性生长因子、骨形态发生蛋白7、骨形态发生蛋白2、骨形态发生蛋白12、成纤维细胞生长因子2/碱性成纤维细胞生长因子及生长分化因子5^[30-34]。这些生长因子往往与细胞一起被用来促使椎间盘细胞外基质的沉积。
组织工程中的支架能帮助细胞维持在希望的位置，且能提供适当的机械性能和生物化学信号。在髓核组织工程中，多种多样的生物材料已经被用来制造支架，例如壳聚糖/羟丁基壳聚糖、藻酸盐、胶原蛋白/去端肽胶原、明胶、透明质酸、多磷酸钙盐、poly-D、L-交酯(右旋聚乳糖)、去矿物质骨基质及小肠黏膜下层^[19]。可注射支架已经用于手术后增强髓核组织，因为其微创操作和简便易行。随着硅胶高弹体于1974年首次应用于椎间盘置换，许多可注射的生物材料应运而生，例如透明质酸、纤维蛋白、弹性蛋白样多肽、Ⅰ型胶原纤维、藻酸盐和壳聚糖^[35]。事实上，一些研究已经表明使用壳聚糖/甘油磷酸盐水凝胶作为支架来保持牛的髓核细胞的活力和功能，且甚至在缺乏分化媒介的情况下，能够诱导人骨髓间充质干细胞分化为髓核样细胞^[36]。功能化是提升支架性能的一个有效的方法。由于支架能够结合生长因子，例如骨形态发生蛋白、碱性成纤维细胞生长因子、血管内皮生长因子、肝素功能化支架能够隔绝和保护这些生长因子。到目前为止，许多方法被用来肝素功能化，已发表的文献提倡组织工程中肝素功能化支架的多功能性^[37-39]。
组织工程中的支架能帮助细胞维持在希望的位置，且能提供适当的机械性能和生物化学信号。在髓核组织工程中，多种多样的生物材料已经被用来制造支架，例如壳聚糖/羟丁基壳聚糖、藻酸盐、胶原蛋白/去端肽胶原、明胶、透明质酸、多磷酸钙盐、poly-D、L-交酯(右旋聚乳糖)、去矿物质骨基质及小肠黏膜下层^[19]。可注射支架已经用于手术后增强髓核组织，因为其微创操作和简便易行。随着硅胶高弹体于1974年首次应用于椎间盘置换，许多可注射的生物材料应运而生，例如透明质酸、纤维蛋白、弹性蛋白样多肽、Ⅰ型胶原纤维、藻酸盐和壳聚糖^[35]。事实上，一些研究已经表明使用壳聚糖/甘油磷酸盐水凝胶作为支架来保持牛的髓核细胞的活力和功能，且甚至在缺乏分化媒介的情况下，能够诱导人骨髓间充质干细胞分化为髓核样细胞^[36]。功能化是提升支架性能的一个有效的方法。由于支架能够结合生长因子，例如骨形态发生蛋白、碱性成纤维细胞生长因子、血管内皮生长因子、肝素功能化支架能够隔绝和保护这些生长因子。到目前为止，许多方法被用来肝素功能化，已发表的文献提倡组织工程中肝素功能化支架的多功能性^[37-39]。

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引言

材料方法

讨论

尽管治疗椎间盘退变的方案多种多样，其治疗有效的文献也屡见报道，但椎间盘退变的治疗对临床医生和基础研究者来说仍然是一个巨大的挑战。目前，临床上尚无完美的治疗方法，各方法需注意其适应证，各治疗方法仍有其存在的合理性，需有长期随访评价。且各种治疗方法都是整体治疗过程中的一个环节，并非孰优孰劣，国际共识腰椎间盘突出症的阶梯疗法为根据病情发展的阶段，相应采取不同手段治疗，依次采用的保守治疗、微创手术及切开手术治疗方法的综合。保守治疗作为治疗椎间盘退变的可靠方法，易受患者依从性影响，且随着退变的逐渐加重，许多病例仍需进一步治疗。传统手术仅适用于合并其他重度椎管狭窄等脊柱退行性疾病的病例。临床上使用较多脊柱融合手术降低脊柱的活动范围，可能导致进一步的邻近节段椎间盘的退变。目前临床上较推崇的仍是微创治疗，以椎间孔镜为例，椎间孔镜技术方便、直接的解除压迫，不破坏脊柱的稳定性，其短期疗效已被广泛肯定^[5，8-9]，但长期疗效有待进一步研究。基于以上种种原因，椎间盘退行性疾病的生物学治疗方案变得越来越热门，为椎间盘退变的治疗提供了有希望的前景。到目前为止，虽然已经从动物试验中获得了大量的体内实验数据，但许多问题目前还远没有解决。例如，在成年兔子和啮齿类动物身上，有潜力分化成为髓核细胞的脊索细胞终身存在于其椎间盘中，人椎间盘脊索细胞仅仅存在于胚胎发育时期，并且出生之后不久就消失。退变椎间盘髓核区域的营养供应差，因为该区域无血管。营养缺乏毫无疑问将妨碍置入髓核移植物的细胞特性和功能，为髓核组织工程中的营养供应带来特殊的挑战^[26]。其他挑战还涉及到一般组织工程学方法的各个方面，例如细胞、细胞因子和支架等。在这些研究中，以肝素功能化壳聚糖水凝胶、细胞因子、干细胞联合为基础的髓核组织工程，对髓核再生来说具有值得期待的前景。中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程