人體應(yīng)力與椎間盤退變性腰痛關(guān)系

(南華大學(xué)附屬第一醫(yī)院疼痛科，湖南 衡陽 421001)

椎間盤退變(intervertebral disc degeneration,IDD)性腰痛是臨床中的常見病、多發(fā)病，全球范圍有近80%的人在一生中曾受其困擾[1]。國內(nèi)外學(xué)者對IDD性腰痛進(jìn)行了研究，其主要原因是椎間盤內(nèi)承受異常的壓縮應(yīng)力所致已經(jīng)得到共識[2-3]。IDD性腰痛多因久坐椎間盤長期處于一個持續(xù)壓縮應(yīng)力造成腰椎間盤局部纖維環(huán)、髓核等組織細(xì)胞發(fā)生退變及周圍毛細(xì)血管及細(xì)胞間液的循環(huán)障礙[4]。臨床上用反相的軸向牽引治療IDD性腰痛，使椎間盤內(nèi)負(fù)壓增加，突出的椎間盤向性回納，減小了對脊髓、神經(jīng)的壓迫，恢復(fù)了周圍血管、組織細(xì)胞的血管微循環(huán),其治療效果明顯[5-6]。

1 壓縮應(yīng)力對椎間盤的影響

壓縮應(yīng)力與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)，在實驗研究中模擬異常體位的壓縮應(yīng)力構(gòu)建IDD動物模型有直立位加壓、屈曲位加壓、環(huán)繞加壓以及外固定器械加壓等多種不同途徑構(gòu)建了IDD動物模型。

(1)直立位加壓 模擬人類的直立行走姿勢，選取四肢行走的動物長期保持直立位，使椎間盤受壓縮應(yīng)力增加，從而導(dǎo)致IDD。Cassidy，等[7]將大鼠截去雙前肢，通過訓(xùn)練，6周后實驗組大鼠適應(yīng)站立和直立行走，14個月后處死，行影像學(xué)檢測(L4-S1)發(fā)現(xiàn)實驗組所有實驗組大鼠下腰椎均出現(xiàn)楔形變，其中有4只有椎間盤退變的影像學(xué)證據(jù)-L6/S1椎間隙變窄，5只出現(xiàn)了腰骶椎椎間盤突出。Liang，等[8]在將大鼠去前肢后裝入特制盒里，用食物和水誘導(dǎo)大鼠保持站立位，5個月后，通過與對照組進(jìn)行對比研究發(fā)現(xiàn)直立位大鼠C4/5椎間盤纖維環(huán)出現(xiàn)裂紋、椎間隙高度下降，基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)-13, MMP-3, 蛋白多糖酶-2水平顯著高于對照組，而II型膠原及蛋白多糖相應(yīng)的mRNA水平顯著低于對照組，7個月后，實驗組除了存在上述變化之外，X型膠原蛋白mRNA水平也較對照組顯著升高，從而得出結(jié)論：直立位加速腰椎IDD。隨著科學(xué)的發(fā)展，更深入研究椎間盤退變，Bai，等[9]采用了椎體較大的兔子進(jìn)行造模，將24只新西蘭大白兔分為實驗組、對照組各12只，將實驗組的大白兔置于特制的直立套管中，使兔處于直立，造模周期為14周，每天直立時間為6小時，對照組大白兔不做特殊處理，每4周行影像學(xué)檢查，采集椎間盤退變的影像學(xué)證據(jù)，14周后處死，取兔L6/7椎間盤行病理學(xué)分析，與對照組對比研究后發(fā)現(xiàn)，14周后實驗組腰椎間盤磁共振T2象強度減弱、I型膠原蛋白表達(dá)水平顯著升高、II型膠原和聚集蛋白聚糖的表達(dá)水平顯著降低；同時還出現(xiàn)了髓核纖維化的病理學(xué)改變。

(2)屈曲位加壓 在20世紀(jì)90年代發(fā)現(xiàn)在從事彎腰前屈拾重物的職業(yè)人群中椎間盤退變發(fā)生率較高[10]。國內(nèi)外學(xué)者通過屈曲加壓的方法構(gòu)建了動物IDD模型。Court，等[11]用一種裝置將小鼠尾椎某節(jié)段屈曲固定，1周后發(fā)現(xiàn)凹側(cè)椎間隙高度明顯下降、纖維環(huán)死亡細(xì)胞數(shù)增多，II型膠原蛋白基因的表達(dá)受到抑制，從退變相關(guān)的基因表達(dá)層面說明了屈曲位加壓能夠成功構(gòu)建IDD模型；熊勇，等[12]選用日本大耳兔進(jìn)行造模，將兔子頸部用特殊布套固定為屈曲60°，每天4小時，持續(xù)3個月，處死后取出C4/5、C5/6椎間盤組織進(jìn)行觀察，不僅從組織學(xué)角度觀察到了細(xì)胞水平的退變，其結(jié)果退變椎間盤纖維環(huán)排列雜亂,腫脹或斷裂, 甚至可見微小裂隙, 軟骨終板的關(guān)節(jié)軟骨鈣化加厚,軟骨細(xì)胞退變, 髓核輕度固縮；而且從細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)觀察到椎間盤組織軟骨細(xì)胞有核仁邊聚,線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腫脹,還有較多空泡變性。

(3)環(huán)繞加壓 Sakai，等[13]為研究退變椎間盤微環(huán)境的細(xì)胞反應(yīng)以及骨髓干細(xì)胞(bone marrow-derive cells，BMCs)在無血管組織-椎間盤中的遷移情況，將鼠尾環(huán)繞成圓，并用鋼絲固定，處于圓周中的各個椎間盤受到不同程度的壓縮應(yīng)力，出現(xiàn)了不同退變程度的IDD變化。

(4)外固定器械加壓 Hirata，等[14]通過體外固定器械可控應(yīng)力對大白兔椎間盤的壓縮應(yīng)力軸向作用IDD構(gòu)建。王琦，等[15]自行設(shè)計制作的兔腰椎間盤加壓裝置, 通過兩根 1.5 mm直徑克氏針在冠狀面分別經(jīng)皮橫穿腰椎椎體， 在椎間盤上施加最大為10 kg軸向壓力。對 L3 -L6行 1個或相鄰 2個節(jié)段的椎間盤進(jìn)行軸向加壓。在露出皮膚的不銹鋼連桿上安裝加壓裝置, 通過調(diào)節(jié)加壓裝置上彈簧的長度來設(shè)定所需壓力。術(shù)后動物單獨放入籠內(nèi), 自由活動及進(jìn)食, 常規(guī)給予青霉素 4 ×106U肌注, 每天 1次, 連續(xù) 3次, 待其飲食活動基本恢復(fù)方可與其它動物混合飼養(yǎng)。術(shù)后每天調(diào)整彈簧長度以維持對椎間盤壓力, 每周更換彈簧以減少彈簧變形對彈性系數(shù)的影響。結(jié)果出現(xiàn)兔腰椎間盤第4周中度退變，第5周重度退變。外固定器械可控壓縮應(yīng)力軸向作用在大白兔的腰椎上成功構(gòu)建了IDD模型。

2 牽脹應(yīng)力對椎間盤退變影響

實驗研究用軸向壓縮應(yīng)力使正常椎間盤發(fā)生退變，臨床中用相反的軸向牽張應(yīng)力使退變的椎間盤發(fā)生逆轉(zhuǎn)治療IDD性腰痛明顯緩解。Alejandro，等報道[16]：對20例的IDD性腰痛患者，用動態(tài)固定的牽張應(yīng)力進(jìn)行治療。結(jié)果患者6月后核磁共振檢查出現(xiàn)IDD逆轉(zhuǎn)的椎間盤髓核再水化現(xiàn)象，1年后腰椎間盤恢復(fù)正常。本院脊柱外科2013年開始用同樣的方法治療IDD性腰痛26例，臨床療效明顯，6月后核磁共振檢查IDD也出現(xiàn)了椎間盤髓核逆轉(zhuǎn)的再水化。用動態(tài)固定的牽張應(yīng)力撐開退變的椎間盤，以微動的軸向牽張應(yīng)力使退變的椎間盤向心性回納，椎間隙增寬，減少了對椎間盤內(nèi)壓縮應(yīng)力，為IDD逆轉(zhuǎn)椎間盤髓核再水化創(chuàng)造了條件。動態(tài)固定的牽張應(yīng)力治療IDD性腰痛使IDD髓核再水化臨床中得到證實。因此，軸向牽張應(yīng)力對椎間盤內(nèi)負(fù)壓影響到椎間盤內(nèi)髓核組織細(xì)胞，而逆轉(zhuǎn)退變的椎間盤髓核再水化。

3 存在問題與展望

椎間盤是脊柱中一個獨特的結(jié)構(gòu)，由軟骨終板、髓核、纖維環(huán)構(gòu)成，具有緩沖震蕩、分配壓力、承受張應(yīng)力等生物力學(xué)功能[17]。正常的椎間盤在直立位加壓、屈曲位加壓以及環(huán)繞加壓的三種途徑構(gòu)建了IDD模型，外固定器械可控壓縮應(yīng)力軸向作用也構(gòu)建了IDD模型，相反的軸向牽引和動態(tài)固定的牽張應(yīng)力治療IDD性腰痛得到緩解，而且退變的椎間盤髓核出現(xiàn)了再水化，這也就證明了人體椎間盤退變和退變的椎間盤髓核再水化與生物應(yīng)力的大小有直接關(guān)系，那么，IDD性腰痛的預(yù)防和治療與生物應(yīng)力的大小也有直接關(guān)系。目前小鼠和兔子的IDD模型，由于椎體、椎間盤小，它的解剖和生理特征與人類相比，缺乏較高的相似和可比性，而且重復(fù)性差，可調(diào)控性也低，只能做一些離體的基礎(chǔ)研究，不能結(jié)合臨床來研究生物應(yīng)力的大小對IDD變化的影響。

目前，臨床中用軸向牽引和動態(tài)固定的牽張應(yīng)力治療IDD性腰痛出現(xiàn)了明顯治療效果，它只是一種宏觀的臨床現(xiàn)象，但是與其相對應(yīng)的椎間盤內(nèi)微觀變化不清楚。因此，需要選擇一個椎體、椎間盤大，解剖及生理特征與人類的相似，可比性較高，重復(fù)性好，可調(diào)控性高的大動物來研究軸向牽引和動態(tài)固定的牽張應(yīng)力對IDD變化影響，探討其椎間盤內(nèi)微觀的變化規(guī)律。與小鼠和兔子相比, 山羊椎間盤和人類椎間盤有較高相似性和可比性[18]，而且山羊性情溫和，檢查方便，飼養(yǎng)要求不高，椎體大，是研究動態(tài)內(nèi)固定治療IDD性腰痛較理想大動物模型。雖然山羊的椎間盤缺乏象人類直立行走的自然體重，有學(xué)者自行設(shè)計制作羊腰椎間盤加壓裝置,用于可控應(yīng)力器械模擬與人類相同的軸向壓縮應(yīng)力構(gòu)建IDD模型，有一定可行性[15]。假設(shè)研制一種可控應(yīng)力器械給山羊腰椎間盤施加軸向壓縮應(yīng)力誘導(dǎo)IDD構(gòu)建，在IDD構(gòu)建完成以后，就原有的可控應(yīng)力器械上，將軸向壓縮應(yīng)力轉(zhuǎn)換成一種相反的軸向牽張應(yīng)力繼續(xù)誘導(dǎo)IDD模型，模擬臨床中動態(tài)固定的牽張應(yīng)力使退變的椎間盤髓核再水化構(gòu)建也是可行的。這樣預(yù)期能為動態(tài)固定山羊腰椎間盤IDD再水化的實驗研究提供一種新的模型，通過影像學(xué)和組織細(xì)胞學(xué)、免疫組化觀察，尋找其椎間盤內(nèi)微觀的變化規(guī)律。用可控牽張應(yīng)力從不同途徑作用于山羊椎間盤的基礎(chǔ)研究，有望于尋找動態(tài)固定的牽張應(yīng)力作用于退變的椎間盤髓核再水化的微觀變化規(guī)律。即一定牽張應(yīng)力在多長時間內(nèi)發(fā)生髓核再水化，而在一定時間段里退變的椎間盤用多大的牽張應(yīng)力發(fā)生髓核再水化。應(yīng)用這一研究理論調(diào)控人體的生物應(yīng)力作用大小和生物應(yīng)力作用時間來預(yù)防和治療IDD性腰痛，從而改變?nèi)梭w椎間盤生物應(yīng)力大小和作用時間，為預(yù)防和治療IDD性腰提供一種新思路。