人工髓核假體置換相關(guān)理論與臨床研究進展

(江蘇省蘇北人民醫(yī)院,江蘇揚州,225001)

椎間盤退行性病變(DDD)發(fā)病率逐年增高,已成為脊柱外科領(lǐng)域最常見的疾病之一。當(dāng)患者保守治療無效時,手術(shù)是一種選擇?，F(xiàn)今對退變早期可行微創(chuàng)治療或單純髓核摘除術(shù),發(fā)展到晚期(嚴重椎間盤變性伴節(jié)段不穩(wěn))大多則采用減壓內(nèi)固定融合術(shù)。隨著對椎間盤結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)的深入了解,人們逐漸認識到單純椎間盤髓核摘除所致的脊柱結(jié)構(gòu)改變和生物力學(xué)紊亂會造成椎間盤高度降低、椎間隙變窄、椎間容積減小、椎間壓力增大、脊椎穩(wěn)定性下降、椎間盤突出復(fù)發(fā)等,而這些情況相對容易出現(xiàn)在年齡在25～40歲的年輕人中[1];而減壓內(nèi)固定融合術(shù)經(jīng)過50余年的臨床應(yīng)用、改良,在取得了可喜的臨床療效和較高的患者滿意度同時也出現(xiàn)了一些不可避免的并發(fā)癥,如脊椎融合會造成脊柱矢狀面的非生理性運動,使相鄰節(jié)段應(yīng)力增加以代償融合節(jié)段運動的喪失[2],引起融合椎體相鄰節(jié)段生物力學(xué)改變[3],使該節(jié)段小關(guān)節(jié)退變加劇,有3%～14%患者需再次接受手術(shù)[4]。

為了解決上述問題,需要更加生理性的手術(shù)方法來解決這些問題,由此椎間盤與髓核假體置換術(shù)應(yīng)運而生。椎間盤退變最早發(fā)生退變的結(jié)構(gòu)是髓核,同時隨著微創(chuàng)技術(shù)的發(fā)展,先進的技術(shù)也允許作者可以用更小的創(chuàng)傷來置換退變的椎間盤——人工髓核置換成為一種選擇。人工髓核置換術(shù)是一種可供選擇的治療椎間盤退變的新方法,它保存了完整的纖維環(huán)結(jié)構(gòu),盡量保留解剖結(jié)構(gòu)的完整,維持椎間盤高度,保持脊柱節(jié)段穩(wěn)定性和自然活動范圍,減緩臨近節(jié)段退變;而且其手術(shù)創(chuàng)傷小,術(shù)中固定容易,術(shù)后恢復(fù)快,能有效預(yù)防病癥復(fù)發(fā)[5]。本文將對人工髓核假體置換的相關(guān)理論和臨床應(yīng)用研究進展做一綜述。

1 髓核的解剖結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)

作為一復(fù)雜結(jié)構(gòu),椎間盤可分為外層的纖維環(huán),中心的髓核和上下的軟骨終板,纖維環(huán)主要由膠原蛋白上下交叉所組成,髓核主要由水(在年輕人中占90%以上),蛋白聚糖,膠原蛋白組成。由于其包含固相和液相組織,使椎間盤具有粘彈特性,并保持了椎間盤的穩(wěn)定性。椎間盤內(nèi)含有Ⅰ型和Ⅱ型2種膠原。髓核主要以Ⅱ型膠原,用以抵抗壓力;纖維環(huán)主要以Ⅰ型膠原為主,用以抵抗張力。膠原在纖維環(huán)內(nèi)成片狀排列類似薄片,膠原間的纖維以120°反方向相互交叉[6]。椎間盤結(jié)構(gòu)限制了它的血供,這也是造成退變的原因之一[7]。

生物力學(xué)上,正常的髓核能夠保持椎間關(guān)節(jié)間隙,向纖維環(huán)施加應(yīng)力以增加椎間的穩(wěn)定性,這使得椎間盤具有內(nèi)在的剪切力傳遞和壓力支撐。鄰近椎體間通過“三關(guān)節(jié)復(fù)合體”相連,主要包括前面的椎間盤和后面的2個小關(guān)節(jié)。液體樣的髓核旋轉(zhuǎn)中心具有浮動性,使它能夠隨著應(yīng)力的變化而移動[8]。前屈時,髓核向后移位;后伸時,髓核向前移位。髓核的生理特性能夠減少小關(guān)節(jié)所承受的重力,從而增加脊柱運動節(jié)段的活動度。大約在30歲左右,髓核開始逐漸脫水和壓縮[9]。隨著髓核逐漸喪失了其間的富含水分的糖胺多糖,壓力直接作用于纖維環(huán)和椎間關(guān)節(jié),椎間盤的體積縮小,主要表現(xiàn)為椎間盤的高度下降。而作為一無血管組織,椎間盤的恢復(fù)能力極為有限[10]。這導(dǎo)致纖維環(huán)的松弛,不能夠提供足夠的支撐力。最終,椎間盤喪失了其生物力學(xué)特性,引起相鄰脊柱節(jié)段的改變。

2 人工髓核假體的理想設(shè)計

人工髓核假體設(shè)計的預(yù)期目標就是要維持或恢復(fù)椎間盤正常的高度,保持適當(dāng)?shù)睦w維環(huán)張力,提供椎間吸收沖擊和震蕩的能力,保留椎間盤和脊柱的活動性及運動功能,從而恢復(fù)正常髓核的功能,盡可能長久減輕和消除疼痛[4]。作為一種用于人體內(nèi)的內(nèi)植物材料,首先要保證與人體的髓核有著相同或類似的生物力學(xué)功能,以保持椎間盤的完整和穩(wěn)定。此外,植入體還需要和人體不起排斥反應(yīng),對人體是無毒性、無致癌性、致畸性,并且低磨損、低消耗。其次,植入體必須能夠承受一定的壓力,順應(yīng)性好,軟硬度適中,在均勻傳遞應(yīng)力同時能保持形態(tài)。據(jù)統(tǒng)計,平均1個髓核每年承受2百萬次生理負荷,而1個植入體能夠在超過40年的使用壽命中承受10億次生理負荷,這才是作者所期望的。最后,植入體力求外形簡單,具有與正常髓核空間相匹配的形狀和尺寸,不會因過小而影響穩(wěn)定性,同時不因為過大對終板纖維環(huán)造成損傷。植入體還應(yīng)具有液體泵功,可增加對殘存的髓核和內(nèi)層纖維環(huán)的營養(yǎng)供給,使纖維環(huán)保持生物力學(xué)強度,通常這點比較難達到[11]。

3 人工髓核假體的常用類型及臨床應(yīng)用進展

3.1 假體設(shè)計歷史回顧

早在20世紀50年代末,開始有人用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、硅膠或不銹鋼球行髓核置換以保留脊柱節(jié)段的活動,由于當(dāng)時人們對椎間盤力學(xué)如壓應(yīng)力、脊柱節(jié)段活動度、位移和退變等了解甚少,這些方法的治療效果欠佳。最早的人工髓核是Fernstrom設(shè)計的不銹鋼球。1966他報道了將設(shè)計的不銹鋼球植入椎間盤切除后的間隙內(nèi),以恢復(fù)椎間高度和活動度,但研究結(jié)果表明由于金屬球移位和陷入椎體內(nèi)的問題,其并不能維持正常椎間隙高度,最終金屬材料因為硬度太大,并不適用于髓核假體而被淘汰。其后,有多種材料(金屬彈簧、酯類聚合物、橡膠類等)應(yīng)用于人工髓核置換,均未獲得滿意的療效。國內(nèi)學(xué)者采用硅橡膠制作成中厚邊扁的圓盤狀髓核,為7例患者進行了人工椎間盤髓核(PDN)置換,并取得了為期2年的短期隨訪,患者癥狀緩解,無PDN移位等并發(fā)癥,但椎間高度丟失顯著[12]。2001年徐印坎等的20例硅膠PDN置換,經(jīng)2～7年的隨訪結(jié)果,除1例假體移位外,其余19例術(shù)后癥狀明顯緩解或消除,且椎間高度仍獲滿意的維持效果;但磨損、折疊、破裂等并發(fā)癥仍有潛在發(fā)生可能[13]。

根據(jù)上述的實踐經(jīng)驗和相應(yīng)理論,目前人工髓核研究較多的是水凝膠假體,它具有與髓核相似的成分和力學(xué)特性,這種聚合物所具有的親水特性可以模擬髓核組織以及椎間盤的物質(zhì)轉(zhuǎn)運和生物力學(xué),像正常椎間盤那樣在承重時發(fā)散液體成分,消除承重時則重吸收液體[14]。水凝膠髓核假體的應(yīng)用已經(jīng)超過15年,大體可分為預(yù)制型和注射型植入2類。

3.2 常見假體的類型和臨床研究

預(yù)制型假體:預(yù)制型人工髓核是設(shè)計固定成型的假體,在承重時盡可能小的變形,植入后充分膨脹可以防止產(chǎn)生移位[15]。預(yù)制型假體最常使用的水凝膠由于與正常髓核組織具有生物相似性,依賴材料內(nèi)在的膨脹壓力,經(jīng)過一段時間完全水合成形,可達到最大強度撐開椎間隙。

PDN假體:PDN假體是目前文獻報道和臨床應(yīng)用最多的,20世紀90年代中期由Ray等與Raymedica公司合作開發(fā)的髓核假體。它由3部分組成:內(nèi)核為聚丙烯腈-聚丙烯酰胺共聚物組成的水凝膠,該共聚體通過事先設(shè)計好形狀的壓力塑形,然后脫水最小化而成,且其中放入鉑銥合金線便于術(shù)中X線定位和術(shù)后隨訪。而其無彈性的聚乙烯外套則限制了植入體高度的無限制增加,否則將導(dǎo)致鄰近椎骨終板骨折[15]。PDN還順利通過了生物兼容性和生物力學(xué)試驗。此外,以美國ISO標準,PDN的生物相容性試驗顯示其不具有組織毒性和致癌性[16]。

PDN假體在臨床的應(yīng)用已經(jīng)有10年以上的歷史。德國Schoemayr首先將PDN應(yīng)用于臨床,1997年報告先期 96例研究的結(jié)果,優(yōu)良率達83%,大部分患者癥狀緩解,恢復(fù)工作,有1例因假體移位行翻修術(shù),另有1例因持續(xù)腰痛而取出假體[17]。以后PDN曾在外形尺寸和吸水能力上作了改進,但是,改進后的PDN的移植成功率下降到62%,并且植入體的移位率提高。為了解決植入體移位問題,PDN又作了第2次外形上的改進,把柱形改為枕形,這次改進使得PDN的移植成功率達到79%。至2002年,有20個國家超過500名患者接受了開放手術(shù)植入PDN,術(shù)后椎間盤退變的疼痛和功能癥狀減輕,椎間盤高度增加約2mm,脊柱不穩(wěn)的疼痛評分(Oswestry)明顯改善,但仍有10%的患者需行再次手術(shù)。PDN在美國已經(jīng)通過了FDA認證,進入臨床使用階段。在加拿大,也進入了臨床試驗階段。在PDN假體基礎(chǔ)上發(fā)展的Hyd raFLex髓核置換系統(tǒng)(即PDN-SoLo系統(tǒng))在椎間盤內(nèi)水合更加快速,目前正在開展臨床試驗。在一項關(guān)于Hyd raFLex髓核置換系統(tǒng)的多中心的前瞻性研究[18]中,HydraFLex組ODI評分下降74%,采用不同類型椎間融合器的其他兩組分別下降41%和42%,而全椎間盤置換組下降僅為50%;隨訪12個月發(fā)現(xiàn)VAS評分從術(shù)前的7.5下降至2.7,下降程度為64%。一項樣本量為300的多中心研究[19]結(jié)果顯示,87%的患者認為HydraFLex髓核置換系統(tǒng)的臨床效果很好或較好,88%的患者認為還將采用同樣的手術(shù)。目前在同類研究中,HydraFLex髓核置換系統(tǒng)的臨床效果被認為是最好的。金大地等[20]報道20例單枚PDN-SoLo置換的臨床療效,所有患者術(shù)后臨床癥狀均消失,運動功能明顯改善,17例獲得1～3個月的隨訪,發(fā)現(xiàn)椎間隙高度明顯較術(shù)前平均增加15.8%,早并指出多數(shù)國人適合PR725型的PDN假體。馮會成等[21]采用HydraFLex髓核置換系統(tǒng)治療椎間盤突出癥患者16例(男10例,女16例,均有單間隙病變),經(jīng)隨訪28～32個月發(fā)現(xiàn),臨床療效很好,優(yōu)良率較高;隨訪期間1例出現(xiàn)假體移位,1例假體脫出,均進行翻修手術(shù),術(shù)后療效滿意;5例手術(shù)節(jié)段椎間隙高度較術(shù)后出現(xiàn)不同程度的丟失,1例出現(xiàn)終板塌陷;證實髓核置換術(shù)治療椎間盤突出近期療效滿意,但存在一些并發(fā)癥。近期,趙亮等[22]報道了80例單枚PDN-SoLo置換隨訪4年的臨床療效,17例獲得4年的隨訪,結(jié)果顯示:MRI顯象上,12例患者出現(xiàn)異樣終板結(jié)構(gòu)改變,8例患者出現(xiàn)假體下陷,椎間隙高度下降率為18%。所以說,其長期療效并不理想。可能要更加嚴格的把握適應(yīng)癥,及對假體的類型和材質(zhì)仍需進一步的研究。

AquareLLe假體:Stryker公司于1990年研制開發(fā)的AquareLLe假體是第1種水凝膠人工髓核假體,它由半脫水的聚乙烯醇(PVA)水凝膠制成,形狀類似于子彈頭,可通過1個錐形套管,用1經(jīng)過特別設(shè)計的注射器植入椎間隙,假體在植入體內(nèi)吸收水分后,其含水率約為83%,并根據(jù)椎體間壓力(膨脹壓力)調(diào)整其含水量,這與正常髓核的特性幾乎是一樣的。由于假體由聚乙烯醇和水組成,含水量高,彈性模量較低,可減少終板變形和陷入椎體的可能。AquareLLe假體目前正在歐洲進行臨床試驗;在前期臨床研究中,采用纖維環(huán)小切口技術(shù)置入,術(shù)后早期假體突出較普遍,后外側(cè)植入者為20%,前側(cè)植入則達33%;經(jīng)過改制器械和手術(shù)技術(shù),假體突出發(fā)生率大大減小[23]。

NewCLeus假體:Zimmer公司研制的 NewcLeus假體,是由強度更大的材料復(fù)合碳酸鹽-氨基甲酸乙酯(PCU)彈性體制成,它能吸收相當(dāng)于自身重量35%的水分,假體通常狀態(tài)下呈卷曲螺旋狀,開放植入后能緊貼纖維環(huán)內(nèi)壁呈層狀螺旋排列,由于它呈螺旋狀,沒有固定的軸,因此其承重時并不限定于某一特定軸向,即使沒有置入最佳位置,仍可發(fā)揮抗壓作用[24]。早期的報道5例臨床研究,隨訪6～64個月(平均23.6個月),所有病例Oswestry疼痛評分明顯改善,沒有移位及其它并發(fā)癥[25]。目前,這種假體正通過國際多中心研究來觀察其遠期效果。

NeuDisc假體:由 RepLication Medica公司研制的Neudisc假體也是一種水凝膠多聚體,多聚體間以一個腈?zhèn)惥W(wǎng)片聯(lián)結(jié),這個結(jié)構(gòu)接近于人體的髓核組織。這種雙折疊特性的假體裝置非常獨特,可達到適當(dāng)?shù)挠捕?又有充足的柔軟度以避免損傷終板。NeuDisc以脫水的狀況植入,是最小手術(shù)入路的方法。當(dāng)植入后,它可從各個方向吸收水分,最大可吸收其本身重量90%的水分,并且膨脹起來(優(yōu)先垂直方向)以恢復(fù)椎間盤的高度和提高對軸向壓力的抗壓作用,而側(cè)方擴張則受到限制[26]。此外,在新西蘭野兔動物模型實驗,也證明了其不具有生物毒性,其生物相容性也較好。目前,已有廣泛的力學(xué)實驗證明Neudisc髓核假體力學(xué)特性與天然髓核相近,且自2000年以來進行的臨床研究也已證明其早期療效令人滿意[27]。

注射型假體:原位注射成型人工髓核是一種液態(tài)混合物(硅膠和聚氨基甲酸乙酯)的多聚體。它將液態(tài)的聚合物前體注入摘除髓核后的椎間隙中,通過熱敏、光聚合、加入交聯(lián)劑等不同方法使之在原位聚合成半固態(tài)塑形;而且它具有手術(shù)損傷小的優(yōu)點,只用普通的注射器就可將多聚體注入纖維環(huán)內(nèi)。硅膠無毒,組織相容性好,也無致癌性,但硅膠易老化,術(shù)后長期觀察有椎間隙邊緣密度增高和間隙狹窄的報道。聚氨基甲酸乙酯比硅橡膠有更良好的耐壓性和緩沖能力,并能控制單體的聚合速度和放熱反應(yīng),但其抗疲勞和耐磨損能力差,而且由于單體的毒性作用,其成份比例常不能滿足具有類似于正常髓核的生物力學(xué)要求[28]。

DASCOR假體:注射型髓核假體的典型代表,該假體是一種可注射的冷凍多基甲酸乙酯多聚體(18℃),12～15min成型,其獨特之處在于有球囊能在椎間盤內(nèi)為可注射成分提供空間;由于液態(tài)聚合物在可控制的壓力下注入,因此其具有一定的塑形能力,使之與髓核摘除后所形成的空隙能更好的契合。這一特性使其可經(jīng)過很小的切口即可置入較大的假體,并且在聚合過程中,聚合物所釋放的熱量完全控制在生理范圍內(nèi)(<50°)。最終在椎間盤內(nèi)固化的聚合體是不可壓縮的芳香族聚醚聚氨酯,其擁有良好的彈性、柔韌性和機械強度[29]。DASCOR假體植入后可保留患者骨量和骨周圍結(jié)締組織、肌肉組織,減輕椎間盤源性疼痛效果明顯。Ahrens等[30]報道 60例DASCOR假體置換術(shù)患者的臨床療效(男女各30例,平均年齡 39歲;手術(shù)節(jié)段 L3～43例,L4～526例,L5～S131例;44例隨訪超過6個月,22例隨訪超過1年,17例隨訪超過2年;平均手術(shù)時間89 m in,失血量43.1 m L),發(fā)現(xiàn)術(shù)后6周及隨后2年,視覺模擬評分(VAS)及Oswestry功能障礙指數(shù)(ODI)較術(shù)前有明顯改善,其中下腰痛VAS較術(shù)前下降62%,ODI較術(shù)前下降73%;術(shù)后6周內(nèi)使用止痛藥及麻醉藥的量較術(shù)前下降88%,術(shù)后3個月內(nèi)患者癥狀明顯改善,術(shù)后6周～2年無患者使用止痛藥或麻醉藥;應(yīng)用MRI評估髓核假體的位置,未發(fā)現(xiàn)假體移位或脫出,X線正位及側(cè)位片上顯示術(shù)后腰椎椎間隙高度有很大改善;認為DASCOR髓核置換系統(tǒng)在2年的臨床應(yīng)用中顯示出較高的臨床安全性,主要表現(xiàn)為術(shù)后疼痛明顯緩解、功能改善和較低的并發(fā)癥發(fā)生率。Yuan等[31]報道的DASCOR髓核置換系統(tǒng)的臨床效果與之相似。在最近的一項歐洲多中心2年的臨床隨訪報道中[32],顯示DASCOR假體置換后能明顯減輕疼痛,并發(fā)癥也有所降低,同時功能上恢復(fù)也很好;影像學(xué)上同樣證實了這些,但前提是假體的大小、形狀要合適。

此外,新 型 的 BioDisc、NuCore、GeLfLex、SaLuDisc[33]等正在進行積極的臨床試驗。其中,NuCore假體經(jīng)測試表明它具有和正常髓核類似的力學(xué)特性[34],早期臨床研究也得到了比較理想的結(jié)果[35]。BerLemann[36]等報道了NuCore假體置換2年的臨床隨訪結(jié)果,疼痛指數(shù)(SF)由術(shù)前的3.2降至0.6,MRI顯示假體在位、無突出,其椎間高度是手術(shù)后的90%以上,且患者的功能恢復(fù)滿意度高,這些都顯示NuCore假體是值得信賴的。

4 結(jié) 論

人工髓核置換是有理論基礎(chǔ)的,而且其技術(shù)具有鮮明的特點。髓核置換作為常規(guī)手術(shù)的補充,可以達到緩解疼痛、恢復(fù)椎間盤功能的效果,理想的髓核置換技術(shù)應(yīng)該能恢復(fù)正?；顒庸?jié)段的椎間盤高度、運動功能和負荷分配。與傳統(tǒng)的融合術(shù)相比,髓核置換技術(shù)可以有效的避免相鄰節(jié)段的退變,且其對脊柱原有生物力學(xué)的影響較傳統(tǒng)的融合術(shù)小的多,因此在遠期療效上更具優(yōu)勢。與全椎間盤置換術(shù)相比,髓核置換術(shù)也具有明顯的優(yōu)勢。由于只置換了髓核,保存了其他的椎間盤組織,因此能更完整的保留原有椎間盤的功能。但人工髓核假體置換有一定的適用范圍,其僅適用于早、中期椎間盤退行性病變[37]。對于腰椎間盤突出癥,人工髓核置換適用于保守療法治療至少6個月而無效,影像學(xué)分析顯示脊柱前移不到1度,MRI顯示早期脊柱節(jié)段退行性改變,不存在SchmorL結(jié)節(jié)和椎間盤高度不低于5 mm[38]。

內(nèi)植物脫出是大多數(shù)髓核假體都存在的問題[39]。但是髓核假體較正常的椎間盤髓核組織小且富有彈性,因此發(fā)生移位后,也不易引起永久性損傷[40]。目前,主要通過技術(shù)改進來避免這一并發(fā)癥。同時,髓核假體植入時會對纖維環(huán)組織的刺激和破壞,可能導(dǎo)致椎間盤組織的退變,目前研究的熱點內(nèi)容之一就是如何在保證髓核置換效果的前提下,最大限度的減少對纖維環(huán)組織的損傷[41]。

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