腰椎间盘退变的机制

【关键词】  腰椎间盘退变

 腰椎间盘突出是骨科的常见病，疼痛是常见的症状，然而其产生退变的病理机制尚不清楚。椎间盘的退变过程不仅仅表现为形态学上的变化，更伴随着腰椎间盘的组织学与生化性质的系统性改变，如椎间盘组织中蛋白多糖和水含量的降低、胶原类型的转换、各种降解酶活性的升高以及炎症递质的释放等。这一系列的变化构成了盘源性腰痛和相应神经根病变的物质基础［1～3］。

    1  退变椎间盘组织中的致炎物质及作用

    1.1  组胺、5-羟色胺和前列腺素

    组胺和5-羟色胺是最重要的炎症递质，是局部组织在炎症反应的标志物。它们是炎症早期阶段引起微血管扩张和细静脉通透性增加的主要递质，两者又都是致痛物质。5-羟色胺在脊髓损伤的继发性反应中起着重要作用，引起血管收缩、血小板聚集，从而影响局部脊髓血流，导致脊髓中央出血性坏死；同时可引起自由基的形成，脂质过氧化增加。彭宝淦等［4］在动物实验研究中指出：退变椎间盘中血管活性胺类含量明显高于正常对照组，说明退变腰椎间盘中存在炎症反应。Saal等［5］通过培养正常鼠椎间盘髓核细胞发现，正常髓核细胞有基础性炎症性细胞因子的分泌，但当与脂多糖共同培养时，这些因子大量分泌。Kang等［6］的研究发现，退变椎间盘细胞比正常椎间盘细胞在体外培养时能产生更多的化学因子。这些研究说明椎间盘退变本身具有启动和促进炎症反应的作用。

    1.2  磷脂酶A2(phospholipase，PLA2)

    PLA2是炎症部位细胞膜产生前列腺素和白三烯的限速酶。PLA2是局部炎症的启动物质，它可在炎症部位使细胞膜水解花生四烯酸，产生前列腺素E(脂肪环氧化产物)和白三烯(5-脂肪氧化酶产物)等一系列具有强烈致炎和致痛作用的花生四烯酸代谢产物。PLA2是人体内重要的炎症递质和致痛物质，具有神经毒性作用，因此它是局部组织炎症的特殊标记物。Rannou等［7］采用荧光酶解物法检测PLA2的活性，证实IL-β能抑制椎间盘组织中蛋白多糖的聚集，促进纤维环产生PLA2，并引起II型PLA2的剂量依赖式分泌。在损伤性外力作用下，高水平的PLA2从结构薄弱的退变纤维环或破裂的椎间盘中漏逸到邻近组织的可能性很大。PLA2可通过直接刺激神经根引起化学性神经根炎。

    1.3  细胞因子

    在退变突出的椎间盘组织中有大量的细胞因子，尤其是TNF-α、IL-1、IL-6等炎性细胞因子存在。退变的椎间盘组织可以自发地产生相当数量的TNF-α、IL-1α和IL-1β［8］。研究表明，小剂量IL-1在软骨基质中蛋白多糖(PG)的合成具有抑制作用，而较大剂量的Il-1在软骨基质中PG的降解具有刺激作用。说明IL-1对软骨基质的新陈代谢起着重要作用。在软骨的体外培养中，证实IL-1α刺激PG降解与金属蛋白酶的产生有关［9］。这说明IL-1诱导的PG降解可能是通过多种机制进行的。由于髓核组织与软骨组织的相似性，可以认为在髓核组织中也存在相似的机制。

    1.4  基质金属蛋白酶与椎间盘退变

    随着基础研究的深入，细胞因子和炎性介质在椎间盘退变及其继发疾病的发病机制中的作用显得愈加突出，其中MMPs起着极为重要的作用。MMPs是一类结构中含有Zn2+、Ca2+的蛋白水解酶类，主要参与细胞外基质的代谢，是基质降解酶类中最重要的一种，几乎能降解细胞外基质的所有成分。MMPs与一系列生理病理过程密切相关［10］。大量研究表明，椎间盘退变和MMPs的含量与活性密切相关［11］。Kaneneto在实验中发现，免疫组化染色MMP-3的阳性率与MRI显示的椎间盘退变程度呈明显相关，椎间盘突出组明显高于非突出组，年龄和阳性率及MRI显示的退变程度无相关性［12］。Nishida利用RT-PCR技术检测发现，MMP-3 mRNA的表达水平在突出的椎间盘组织中明显高于非突出的椎间盘组织，同时发现MMP-3与基质金属蛋白酶-1组织抑制剂(tissue inhibitor of metalloproteinases-1，TIMP-1)之间的不平衡可能与椎间盘退变有关［13］。Robert对49例退变突出的椎间盘进行免疫组化染色发现，MMP-1、MMP-2、MMP-3和MMP-9的阳性率分别为91%、71%、65%和72%［14］。

    2  椎间盘源性疼痛的炎性反应信号传导途径

    目前认为椎间盘退变的关键步骤为正常或退变的椎间盘在纤维环反复损伤后引起损伤修复的炎症反应，导致巨噬细胞和肥大细胞聚集，释放大量的生长因子和细胞因子，椎间盘内的细胞增生和分化，导致血管、神经和纤维沿撕裂的纤维环破口长入，最终导致椎间盘退变和椎间盘源性下腰痛。此过程已经椎间盘造影CT检查和椎间盘造影诱发疼痛一致性实验证实。阻断其中一个环节使临床治疗椎间盘源性下腰痛变得可行［15］。Peng已成功采用亚甲兰椎间盘内注射杀灭长入的神经纤维，使70%以上的患者疼痛缓解［16］。但此仅仅有缓解症状作用。神经长入的前步骤进行阻断，可能取得更好的效果。细胞因子网络在椎间盘退变的发病机制中有重要作用。在人的椎间盘中，退变得程度越重，其中的IL-1的免疫染色阳性率越高。TNF-α的表达程度也与椎间盘退变程度有关。阻断TNF-α和IL-1引起细胞效应的共同通路，阻断椎间盘的分解代谢，可能是减缓椎间盘退变的治疗方向。

    3  小结

    腰椎间盘退变的机制是一个非常复杂的问题。炎症反应在椎间盘退变中可能起重要作用，与临床表现相关密切。近年来研究已表明，椎间盘退变过程中产生了许多炎症因子。炎症因子对软骨的降解和对神经的致痛及毒副作用也已被证实，椎间盘退变过程中产生致炎因子，致炎因子又加速了椎间盘退变的进程，但它们之间的因果关系仍未得到研究证实。进一步阐明细胞因子在椎间盘退变中的病理作用，无疑会加深人们对上述问题的认识。近年，有学者进行了细胞因子的转基因疗法防治椎间盘退变的实验研究，并取得初步成效。阻断椎间盘炎症传导通路上的某个环节，可能是未来减缓椎间盘退变和治疗因椎间盘退变引起椎间盘源性下腰痛的研究方向。

【参考文献】
  ［1］ Kanemoto M,Hukuda S, Komiya Y,et al.Immunohistochemical study of matrix metalloproteinase-3 and tissue inhibitor of metalloproteinase-1 in human intervertebral discs ［J］. Spine, 1996,21: 1-8.

［2］ Kang JD ,Georgescu HI，Mctntyre-Larkin L，et al.Herniated lumbar intervertcbral discs spontaneously produce matrix metalloproteinases ,nitric oxide, interleukin-6, and prostaglandin E2［J］.Spine, 1996,21:271-277.

［3］ Kawakami M, Tamaki T, Hashizume H,et al.The role of phospholipase A2 and nitric oxide in pain-related behavior produced by an allograft of inter-vertebral disc material to the sciatic nerve of the rat［J］.Spine, 1997,22: 1074-1079.

［4］ 彭宝淦，贾连顺.腰椎间盘突出症炎症机理研究概述［J］.中华外科杂志，1998，36：724.

［5］ Saal J S,Franson RC,Dobrow R,et al.High levels of inflammatory phospholipase A2 activity in lumbar disc herniation ［J］.Spine, 1990,15:674.

［6］ Kang JD,Stefanovic-Racic M,Melntyre LA,et al.Toward a biochemical understanding of human intervertebral disc degeneration and herniation［J］.Spine, 1997,22:1065.

［7］ Rannou F ,Corvd MT, Hudry C,et al.Sensitivity of annulus fibrous cells to interleukin 1-β:comparison with articular chondrocytes［J］.Spine,2000,25: 17-23.

［8］ Takahashi H，Suguro T,Okazima Y,et al.Inflammatory cytokines in the hemiated disc of the lumbar spine［J］.Spine，1996，21：218-224.

［9］ Amer EC,Damell LR，Pratta MA,et al.Effect of antiinflam mationdrugs on human interleukin-I induced cartil degracletion［J］.Agents Action, 1987,21:334-336.

［10］Yanamaka H,Makino K，Takizawa M, et al. Expression and tissue localization of membrane-types 1,2 and 3 matrix metalloproteinases in rheumatoid synovium［J］. Lab Invest, 2000,80:677-687.

［11］Goupille P, J ayson MI, Valat JP,et al.Matrix metalloproteinases:the clue to intervertebral disc degeneration［J］.Spine, 1998,23:1612-1626.

［12］Kaneinoto M, Hukuda S, Komiya Y,et al.Immunohistochemical study of matrix metalloproteinase-3 and tissue inhibitor of metalloproteinase- 1 human intervertebral disc［J］.Spine, 1996,21: 1-8.

［13］Nishida T. Kinetics of tissue and serum matrix Metalloproteinase-3 and tissue inhibitor of metalloproteinases-1 in intervertebral disc degeneration and disc herniation.［J］. Kurume Med J, 1999,46:39-50.

［14］Roberts S, Caterson B, Menage J. Matrix metalloproteinases and aggrencanase: their role in disorders or flumar intervertebral disc［J］.Spine,2000,25:3005-3013.

［15］Baogan P, Jianhua H,et al. Possible pathogenesis of painful lntervertebral disc degeneration［J］. Spine, 2006,31: 560-566.

［16］Peng BG.Intradiscal methylene blue injection for the treatment of chronic discogenic low back pain［J］.Eur Spine，2007，16:33-38.

作者单位：1.江西省南昌市第二医院骨科，南昌；2.武警总医院脊柱外科，北京