2.1   纤维环的结构与功能   纤维环的含水量为65%-90%，还包括50%-70%干质量的胶原蛋白、10%-20%干质量的蛋白多糖及其他蛋白(如弹性蛋白等)[4]。它由15-25个高度有序的片层结构按同心圆式排列组成，这些片层结构里的胶原纤维相对于横切面以28°-44°交替有序排列[5]，相邻片层之间还存在细胞外基质相互作用，导致纤维环具有非线性、各向异性及黏弹性，使得椎间盘能承受各个方向的应力，保留椎间盘运动单元的功能，从而维持脊柱的稳定性[6]。 基于纤维环结构及细胞的差异，又可将其进一步分为内部纤维环和外部纤维环[4]。内部纤维环以纤维连接于上、下软骨终板，而外部纤维环通过锚定结构连于上、下椎体，并且部分纤维嵌入前纵及后纵韧带，可限制脊柱前屈、后伸、侧弯和旋转的过度运动[7]。在机械方面，内部纤维环承受更高的来自髓核组织的静水压力，而外部纤维环承受更高的来自外界的拉力，这对细胞外基质的合成和转化有着重大影响，导致Ⅰ型胶原的含量由内而外逐渐增多，而Ⅱ胶原呈相反趋势[8]。这种独特的分布使得在脊柱负重导致髓核产生压力的情况下，纤维环可吸收来自髓核变形传向环壁的压力，在生理范围内分散脊柱的负荷，维持脊柱的正常活动。在纤维环组成中，虽然弹性蛋白只占纤维环干质量的2%，但其具有强大的伸缩能力既可以缓冲来自脊柱负荷的压力，又负责将椎间盘在负荷后恢复至原有形态，在脊柱活动及稳定性方面发挥重要作 用[7]。由于后层纤维环薄弱，且与后纵韧带连接松弛，导致纤维环病变常在此发生。当纤维环受损后，其引起的炎症反应会使得纤维环成分发生改变，椎间盘内环境紊乱，进而影响椎间盘的生物力学性能，导致椎间盘应力分布不均匀、小关节载荷加重、运动节段活动范围增大等，最终加剧椎间盘退变和脊柱不稳[9]。因此，可以通过减少颈腰前屈活动、控制体质量减轻纤维环后外侧壁所承受的压力[10-11]，还可以通过锻炼增强肌肉核心力量，维持脊柱的活动度及稳定性[12]。 2.2   纤维环损伤的机械修复 2.2.1   纤维环缝合术   缝合是将缺损组织连接起来最简单直接的方法。在腰椎间盘突出手术中，当摘除突出的髓核组织后对纤维环进行缝合已在某些医院开展。张爱军[13]将83例腰椎间盘突出症患者分为39例观察组(内窥镜下髓核摘除+纤维环缝合术)与44例对照组(单纯内窥镜下髓核摘除术)，随访2年发现，观察组1例复发，对照组5例复发；两组术后椎间隙高度均有下降，但无统计学差异。此现象说明，术中对纤维环破口进行缝合后可以防止髓核组织再突出，降低复发率，但缝合后的纤维环并没有恢复原有的状态，对稳定性的维持尚有不足，且未进行脊柱运动范围及影像学调查研究，缺乏说服力。这与国外一些研究者意见一致，LONG 等[2，14]认为缝合并不能恢复椎间盘内的压力，运动节段生物力学的测试或MRI信号强度方面并无数据报道，无法提供足够的生物力学依据，没有充足证据表明缝合可以成功防止髓核摘除术后椎间盘退变的进展。因为缝合也仅是对于纤维环外层而言，其内层通常难以深入，所以仅表现为外层连接有一层薄弱的纤维环组织，缺乏全层组织提供关键的生物力学性能，因此难以维持较长时间。除此之外，现有观察纤维环缝合的病例都是短期随访，没有长期随访的数据，所以其长期效果仍是未知数[15]。同时，缝合本身也会对纤维环造成针刺损伤及边缘永久性的拉伸，这可能引起额外的纤维环撕裂、加速椎间盘退变过程[16]。综上所述，缝合技术虽然被发现能够降低复发率，但在其他方面未显示出明显优越性，尤其是无法还原纤维环的完整结构，从而难以恢复脊柱的生物力学，而且长期效果未知，所以单纯缝合已不再是研究重点，并不会被推荐广泛应用。 2.2.2   纤维环成形器   目前市面上应用的纤维环植入物有Close及Barricaid装置，但Xclose、Inclose由于疗效不佳或技术复杂，难以在临床应用已被市场淘汰[17]。TRUMMER等[18]报道Barricaid装置能够预防髓核组织再突出、降低关节突关节的压力；PARKER等[19]进行了为期2年的多中心前瞻性队列研究，结果显示采用Barricaid装置进行纤维环修复未出现复发性椎间盘突出，且能较好地维持椎间盘高度、改善1年的腰腿痛及腰背残疾率。然而，Barricaid装置需经邻近椎骨锚定固定，这可能引起终板损伤及锚定部位骨赘的形成。最为重要的是，Barricaid仅能封堵纤维环的缺口，不能重塑纤维环缺损部分，无法促进组织的再生，难以维持运动节段的生物力学，所以并未得到广泛认可和使用。 2.2.3   射频热凝术   纤维环射频热凝疗法在保守治疗和更有创的手术治疗之间提供了一种治疗选择，能够使局部的胶原纤维、肉芽组织及神经纤维发生变性，从而达到闭合裂隙、重塑纤维环的目的[1，15]。金钟等[20]对120例腰椎间盘突出症患者实施了侧后路经皮椎间孔镜下椎间盘髓核摘除+纤维环射频热凝术，结果显示总有效率为95%，术后6个月随访腰腿痛目测类比评分较术前明显改善，但疗效评判单一，且缺乏影像学证据，运动节段再突出复发及生物力学等的情况不得而知，长期效果无法判断。ASSIETTI等[21]对50例精心挑选的行射频热凝治疗的盘源性腰痛患者进行为期2年的随访，从中发现该疗法只对轻度纤维环撕裂患者实现了持久的症状改善，对完全纤维环撕裂的患者无效，这与其治疗机制相符合。此外，该治疗方法并不能有效延缓椎间盘退变的进展，不能排除以后进行大范围脊柱手术的可能性[15]。综上，射频热凝疗法具有狭小的适应证，远期疗效结果未知，需探索更为有效的方法修复再生纤维环。 2.3   损伤纤维环的生物修复与再生   由于机械修复的有限与不足，现如今许多研究者将重点集中于纤维环生物方面的修复再生治疗，基于多学科的联合，旨在恢复纤维环原有的功能。 2.3.1   凝胶技术   凝胶材料应该具备高粘连强度、高失效应变，并尽可能匹配更多的纤维环特性，以成功修复缺损，而不产生应力集中[2]。首先，无论是天然生物凝胶还是合成凝胶，均必须具备较好的粘连强度，以抵制负荷时椎间盘内的压力，防止髓核组织再次突出。现使用的天然生物凝胶对纤维环力学性能的恢复十分有限，所以常采用其他化学材料与其交联，例如京尼平、核黄素等以提高其修复后的力学性 能[22]。京尼平因具有较低的细胞毒性及生物稳定性，已被用于食品染料，现被广泛用于关节软骨及椎间盘组织工程的研究[23]。CRUZ等[23]通过调整京尼平交联密度发现，该凝胶可以达到正常纤维环的压缩及剪切性能，但远不及正常纤维环的拉伸性能。其他一些研究者也报道，京尼平交联纤维蛋白水凝胶能够部分恢复功能性脊柱单元的生物力学[14，24]，在超过生理水平的应变下仍能黏附于纤维环组织，提示该材料作为纤维环缺损的密封剂有着很好的前景。核黄素交联凝胶结构已被证明能提高凝胶材料的机械强度，并且能保持软骨细胞及成纤维细胞的高活力[25-26]。GRUNERT等[26]用可注射的核黄素交联高密度胶原凝胶治疗大鼠纤维环针刺样损伤，结果显示该法抑制了椎间盘的退变，但仅外层纤维环得到修复，未能完整修复纤维环，椎间盘的机械性能得以部分保留。PENNICOOKE等[27]将核黄素交联的高密度胶原凝胶注入绵羊纤维环损伤(3.2 mm钻孔)处，发现椎间盘高度、Pfirrmann评分并未明显改善，生物力学较差，说明单独使用凝胶尚不能满足大型动物纤维环缺损的修复。因此，需要评估凝胶的生物安全性、相容性及力学性能，全面权衡其生物力学指标。LONG等[2]通过检索文献发现较少研究进行严格的力学测试，以评估水凝胶和天然纤维环组织之间的生物力学相容性，为此，他们确定了人体内脊柱生物力学及纤维环材料特性的相关指标，以筛选适合的水凝胶。但目前仅限于理论水平，并未实施有关试验进行验证，未来可采用大型动物例如猴、猩猩等进行实验，并确定是否在体内高水平的脊柱负荷下凝胶可以留在原位并密封椎间盘，直至纤维环能够充分自我修复。 随着再生理念的发展，仅仅使用凝胶难以完全修复再生纤维环。如今许多研究者将细胞载入凝胶中，展现出更好的结果。MORIGUCHI等[28]将纤维环细胞种植于核黄素交联高密度胶原凝胶，后注射至大鼠纤维环针刺样损伤处，与脱细胞凝胶相比，纤维环损伤修复的能力得到提高，更好地恢复了椎间盘高度，延缓了椎间盘的退变；而且充满细胞的凝胶发生重构，并与天然纤维环组织融合，而脱细胞凝胶被宿主细胞高度浸润，结构杂乱无序，说明凝胶与细胞结合的方法能够产生细胞外基质，为纤维环再生提供了有利条件。但此研究未能提及该方法可以修复再生内部深层的纤维环，而且并未追踪显示植入纤维环细胞的存活、增殖及迁移，尚不能直接评论植入纤维环细胞的具体作用，因此还需进一步研究。HUSSAIN等[29]将间充质干细胞种植于高密度胶原凝胶，后注射至绵羊纤维环缺损(3 mm×1 mm)处，6周时发现凝胶在位，未出现感染、血清瘤、医院性终板损伤等并发症，得到与上述研究相同的结果。但该研究观察时间较短，长期结果未知，且纤维环缺损较大，未进行有关力学测试，其生物力学性能存在疑问。BOWLES等[30]报道了接种绵羊纤维环细胞的可注射胶原凝胶，尽管他们的初步结果成功使胶原蛋白沿圆周方向对齐，但无法模拟相邻薄片中纤维的交替角度，说明要想借助凝胶与细胞恢复天然纤维环高度有序的结构，仍十分困难。从中可以看出，将细胞载入凝胶的治疗方法有着不错的前景，对于在椎间盘退变早期微小的纤维环损伤，应用可注射的凝胶技术尤其是凝胶与细胞的复合体，可以促进纤维环的修复再生，可为组织工程技术提供帮助。但该技术仍存在以下问题：植入细胞的命运及其作用机制仍未明确，需进一步阐述；无法保证纤维环全层修复，且无法恢复纤维环天然结构；动物与人体存在差异，大型动物实验中未进行生物力学测试，长期效果存疑，不能用于临床；未明确适应证，例如纤维环缺损大小，仍需努力探索。 2.3.2   组织工程   组织工程包括3个主要组成部分：支架、细胞、生物活性因子。简单来说，纤维环组织工程是基于细胞+支架、生物活性因子+支架或细胞+生物活性因子+支架构建的，通过微创方式植入纤维环，诱导纤维环缺损组织的再生。其最终目标是实现直接的机械稳定性和允许自然组织的长期形成[15]。 支架：支架在纤维环组织工程中扮演着重要的角色，其应具有良好的机械性能、生物相容性、生物降解性以及方便向植入部位递送等特点[15]。由于支架必须承受施加在脊柱上的力，特别是在弯曲、扭转时，所以用于修复纤维环组织的支架必须具备足够的抗压和抗拉等良好的力学性能。支架的另一个基本特性是具备良好的生物性能，具有适合细胞穿透和生长的孔隙率[31]。目前支架的材料大致可以分为天然生物材料和人工合成材料，天然生物材料具有良好的生物相容性和低细胞毒性，人工合成材料具有良好的力学性能、无免疫原性。单一材料用作支架的制备必定存在一定缺陷，未来将进一步着重于复合材料的研究，以满足支架的多重特性。HELEN等[32]将聚D，L-丙交酯与生物玻璃结合形成一个新的生物支架，该支架降低了聚D，L-丙交酯降解所带来的细胞毒性，并改善细胞附着力，维持纤维环细胞表型，促使细胞外基质的产生以引导组织重构。除此之外，还可以通过调节聚D，L-丙交酯的浓度和温度控制支架的力学反应和降解速率。从中可以看出，复合材料可以解决单一材料的某些不足，有着广阔的研究前景。 为了使支架具有良好的生物力学性能，必须模拟纤维环高度定向的天然结构。因静电纺丝技术能制造定向排列的微纤维和纳米纤维，被越来越多地用于支架的构建[33]。GLUAIS等[34]制备了排列整齐与随机排列的电纺聚己内酯微纤维支架，在体外经单轴拉伸实验发现两者杨氏模量及失效应变存在显著差异，排列整齐的聚己内酯支架具有更好的力学性能；在体内实验中将支架植入羊纤维环外侧缺损 (5 mm×2 mm)处，4周后发现支架均在位，无任何移位，只有一个随机排列的聚己内酯支架表面部分剥脱。此现象说明支架具有一定的稳定性，但是观察时间较短、样本量较小，且未对植入支架进行力学测试，在脊柱高负荷下支架是否在位仍不确定。还有研究者将静电纺丝技术与3D打印技术相结合，例如KANG等[35]将静电纺丝法制备的聚己内酯纳米纤维片插入3D熔融沉积成型微纤维中构建一个多层结构的支架，模拟了纤维环的天然结构，与单聚己内酯支架相比，该支架在拉伸模量、抗破坏强度等方面显著提高，对支架稳定性的维持起到积极作用，但未在体内实验进行验证，后续需完善研究。无论是机械修复还是注射凝胶等技术，均报道仅外部纤维环得到修复，所以支架必须穿过全层纤维环，促进整个纤维环的修复，但在内部纤维环中促进细胞外基质的产生和排列比重构外部纤维环更加困难。HEGEWALD等[16]将支架种植于羊缺损的纤维环内部(3.5 mm×3.5 mm)，并用缝线固定，2周后发现支架固定在位，内部纤维环得到修复，但并未进行长期负荷后支架稳定性的观察，且植入过程难度较大，易造成邻近纤维环的损伤。因此还需优化实验，探索简便植入支架的方法，减少对正常纤维环组织的损伤，并观察长期负荷下支架的生物稳定性。除此之外，支架还需具有恰当的孔隙率来适合细胞的生长，但支架的孔隙率和强度是两种相反的属性，需要达到一种平衡，既适合细胞生长又能承受相应的负荷，其中减少对高孔隙率需求的方法包括促进支架结构内细胞的传递[31]。WANG等[31]比较静态培养、间歇离心培养与动态培养技术，发现动态培养组细胞数量更多、分布更均匀、浸润更深入。相似的结果也在VOLKMEr 等[36]的研究中发现，这些研究表明，动态生物反应器培养可能是涉及低孔隙率支架组织工程的首选方法。综上，支架用于纤维环的修复具有广阔的前景，但在结构模拟、力学稳定、植入方法及生物相容性等方面还需大量实验探索，尚缺乏有效公认方案。 细胞：若想要实现纤维环的长期愈合，必须通过细胞介导细胞外基质的合成与重构。经研究发现，负载细胞的方法使得纤维环再生潜力显著提高[17]。目前，用于纤维环修复再生的细胞主要有纤维环细胞和干细胞。纤维环细胞擅长合成再生所需的细胞外基质成分，但数量较少、获取困难，难以从人体本身获得；而且更为重要的是，纤维环至少含有内层或外层两类细胞，无法将内外层细胞准确分离并植入到各自特定的区域[37]。现阶段，纤维环细胞的研究主要在体外或动物体内进行。体外实验发现纤维环细胞表型容易丢失，尤其是2D培养[38]。在3D培养过程中，CHOU等[39]也发现内外层纤维环细胞均表现为圆形软骨样细胞形态，均高表达Ⅱ型胶原，这与纤维环细胞的特性不符。为此，许多研究者进行探索，YANG等[40]发现通过阴离子二羟基低聚物增强支架表面材料的极性，可维持纤维环细胞的表型；VOLKMER等[36]将聚D，L-丙交酯与生物玻璃结合形成支架，维持了外层纤维Ⅰ型胶原及内层纤维Ⅱ型胶原的表达。因此，通过适当的支架及方法可以保留纤维环细胞的特征，但由于支架众多、方法不一，难以形成一套公认的方案，且在脊柱高负荷下，细胞表型是否发生变化、如何变化也需实验来进一步阐述。 最常用于纤维环修复再生治疗的干细胞为骨髓间充质干细胞，它来源广泛、获取简单，具有出色的增殖、迁移及分化能力，但如何使它定向分化为纤维环细胞仍是棘手的问题。由于纤维环细胞缺乏特异性的标记物，植入的骨髓间充质干细胞是否分化为纤维环细胞仍不确定。DU等[41]在研究中将Ⅰ型胶原、CD146、MKX、平滑肌蛋白22α作为纤维环细胞特异性的标记物，但并未被广泛认可。SOBAJIMA等[42]将骨髓间充质干细胞移植于正常兔椎间盘中，24周后发现其位于内层纤维环，并呈现出正常纤维环纺锤样形态，可见骨髓间充质干细胞在纤维环修复再生方面具有很大的潜力。为了精确获得纤维环细胞，TSAI等[43]以2∶1的比例将纤维环细胞与干细胞共培养，采用动态加压的方法促进其定向分化，获得了较满意的结果。除此之外，支架表面的拓扑结构、力学性能、机械刺激等对细胞的分化也存在着一定影响[44-45]。目前，通过将细胞种植于支架避免了注射时细胞渗漏的发生，降低了异位骨化的风险。现已有研究报道非脊柱相关的间充质干细胞用于其他医疗的风险，如肿瘤生长、严重的免疫反应，尽管这些在纤维环生物再生修复研究中没有报道[45]，但仍需重视，应阐明机制，保证临床使用的安全性。因此需要多方面研究，用实验进行验证，获得较好的解决策略。相对于干细胞而言，祖细胞的分化更具有明确性，可以诱导其向纤维环细胞分化，但这在体内实验尚未进行验证，可作为今后潜在研究方向。 2.3.3   生物活性因子   生物活性因子参与纤维环组织工程的构建可触发信号通路反应，促进关键基因表达及细胞增殖、向靶向区域迁移与细胞外基质的合成[15]。常用的生物活性因子包括转化生长因子β1、骨形态发生蛋白、转录因子 SOX-9、胰岛素样生长因子1、血小板衍生因子、碱性成纤维生长因子、成骨蛋白1等，在组织工程中均展现出良好的潜力。许多研究证明，转化生长因子β1能够维持支架上纤维环细胞的表型，并且促进纤维环细胞的增殖和细胞外基质的合成，在组织重塑中起到了关键的作用[33，41]。WEI等[46]将骨形态发生蛋白13注入损伤的羊纤维环中，发现骨形态发生蛋白13通过促进胶原蛋白及基质的合成来诱导缺损组织的愈合，但在12个月后发现愈合的纤维环组织排列紊乱，说明不能仅用生物活性因子修复再生纤维环，需要与支架工程相结合。还有学者将2种及以上生物因子相结合，例如CHO等[47]联合骨形态发生蛋白2和转化生长因子β1应用于猪的纤维环治疗，与单一生物因子相比，联合治疗通过提高蛋白聚糖、降低基质金属蛋白酶1，促进纤维环的修复。基于这一理念，富血小板血浆因含有多种生物活性因子也被广泛用于纤维环损伤的研究，并且被证实能够增加纤维环细胞数量及基质的合成，促进纤维环的愈合[48]。综上，生物活性因子可用作早期纤维环损伤的治疗，但其半衰期较短，如何确保在其降解前已形成大量细胞外基质尚未报道，通过与支架相结合的组织工程技术可在一段时间内持续释放生物活性因子[49]，但尚未研究如何在两者之间取得平衡。不同生物活性因子之间修复再生纤维环的作用强弱也未进行比较，后续仍需大量实验，统一方案。 2.4   其他治疗   纤维环生物修复再生治疗还包括基因治疗和生物补片技术。基因治疗通过将功能基因导入靶细胞来恢复蛋白质的产生，可以在体外进行短暂或永久转染，然后将转染的细胞植入受损纤维环。虽然基因治疗在促进细胞外基质合成和重组方面具有巨大潜力，但目前尚不能精确控制基因表达，在再生方面还有所欠缺，需继续深入研究[17，50]。生物补片修复较大缺损纤维环具有一定潜力，MCGUIRE等[51]首先报道了从脱细胞的心包组织中制备多层斜交胶原蛋白补片，它具有与正常纤维环可比的结构和力学性能，并且能够支持纤维环细胞的生存和增殖，表明其具有再生能力。但是该种方法尚不能完整填补纤维环的缺损，缺乏相应的固定技术，未进行疲劳测试难以了解其长期效果，而且并未对照种子细胞来源对生成的基质沉积及细胞表型进行评估，所以生物补片技术仍存在许多缺陷，有待实验研究改善。 "