椎間盤源性腰痛的發(fā)病機(jī)制與治療進(jìn)展△

彭 兵，杜立龍，張同星，徐寶山*

（1.天津中醫(yī)藥大學(xué)，天津 301617；2.天津市天津醫(yī)院，天津 300299）

腰痛（low back pain,LBP）作為臨床中最為常見(jiàn)的疾患之一，嚴(yán)重影響人們生活質(zhì)量，我國(guó)成人LBP患病率為7.2%～39.0%［1］。導(dǎo)致LBP 因素眾多，其中椎間盤退變（intervertebral disc degeneration,IDD）是主要原因之一［2］，因IDD 所致的LBP 被稱為椎間盤源性LBP。IDD 是由于椎間盤（intervertebral disc,IVD）的結(jié)構(gòu)和生化環(huán)境發(fā)生變化，改變了椎間盤承受負(fù)荷的能力，通常情況下這些改變不會(huì)出現(xiàn)臨床癥狀，隨著年齡增長(zhǎng)及退變程度不斷進(jìn)展，最后發(fā)展成為椎間盤源性LBP。隨著全球老齡化的日益加劇，導(dǎo)致患有IDD 和椎間盤源性LBP 患者數(shù)量不斷增加［3］。因此，深入了解IDD 和椎間盤源性LBP 的發(fā)病機(jī)制及其治療是十分必要的。本文綜述了椎間盤源性LBP 的基本病理變化，強(qiáng)調(diào)炎癥因子調(diào)控和血管神經(jīng)增生在其中的作用，并且回顧了細(xì)胞、生長(zhǎng)因子、基因等生物療法治療IDD 及椎間盤源性LBP 的進(jìn)展。

1 IVD 的正常解剖及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

人類IVD 約占總脊柱高度的1/4，IVD 是一個(gè)纖維軟骨關(guān)節(jié)，位于兩個(gè)相鄰椎體之間的中心位置，每個(gè)IVD 允許脊柱有輕微的運(yùn)動(dòng)范圍，包括軸向彎曲、壓縮、旋轉(zhuǎn)。IVD 由3 部分組成：內(nèi)部的髓核（nucleus pulposus,NP）、外部的纖維環(huán)（annulus fi?brosus,AF）以及外圍纖維軟骨結(jié)構(gòu)的終板。健康的NP 是一種親水的高壓結(jié)構(gòu)（含水量80%），含有大量的Ⅱ型膠原蛋白和彈性蛋白纖維，由于這些結(jié)構(gòu)特性，NP 作為一種壓力、重量的吸收結(jié)構(gòu)可以緩解AF和終板傳遞的壓縮負(fù)荷。在形態(tài)上，NP 由軟骨細(xì)胞組成，這些細(xì)胞周圍的細(xì)胞外基質(zhì)富含蛋白聚糖，有助于NP 保持高含水量和凝膠狀性質(zhì)，并產(chǎn)生高滲透壓。AF 位于NP 外圍，由數(shù)層富含Ⅰ型膠原蛋白的同心環(huán)狀層組成，其中纖維在椎體間呈斜行、在橫斷面上排列成同心環(huán)狀使其相互交叉，由于這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，使得AF 可以抵抗來(lái)自內(nèi)部NP 的高滲透壓及縱向的壓力負(fù)荷［4］。終板是外圍的軟骨薄層結(jié)構(gòu)，在兩個(gè)相鄰椎體之間形成界面，并作為營(yíng)養(yǎng)和氧氣供應(yīng)的通道。IVD 在健康時(shí)是無(wú)血管的，通過(guò)終板擴(kuò)散獲得營(yíng)養(yǎng)和氧氣。由于椎間盤處于缺氧微環(huán)境且細(xì)胞數(shù)量相對(duì)較少，因此這種獨(dú)特的組織結(jié)構(gòu)比其他組織器官都更容易受到退行性病變的影響。

2 炎癥因子調(diào)控

IDD 是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，炎癥被認(rèn)為是IDD 關(guān)鍵因素之一，當(dāng)發(fā)生IDD 時(shí)，AF 和NP 中大量的巨噬細(xì)胞聚集，導(dǎo)致一連串的炎癥反應(yīng)［5］。巨噬細(xì)胞相關(guān)的炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)表現(xiàn)為高水平的促炎細(xì)胞因子分泌從而誘導(dǎo)炎癥、細(xì)胞外基質(zhì)降解和異常血管、神經(jīng)增生［6］。促炎癥介質(zhì)主要包括白介素-1α/β（interleu?kin,IL-1α/β）、IL-2、IL-4、IL-6、IL-8、IL-10、IL-17、腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α,TNF-α）、干擾素-γ、趨化因子、前列腺素等［7］，其中最為關(guān)鍵的炎癥介質(zhì)IL-1β 和TNF-α 可以通過(guò)加速IVD 內(nèi)細(xì)胞外基質(zhì)的降解來(lái)促進(jìn)IDD 的發(fā)展［8，9］。正常IVD 中有少量的IL-1β 和TNF-α 表達(dá)，在IDD 患者中IL-1β 和TNF-α 含量明顯升高，并且椎間盤源性LBP 患者的疼痛程度與IL-1β、TNF-α 含量呈正相關(guān)［10］。IL-1β 和TNF-α 能夠誘導(dǎo)疼痛相關(guān)因子如一氧化氮、環(huán)氧合酶2 和神經(jīng)生長(zhǎng)因子（nerve growth factor,NGF）的表達(dá)［11］，疼痛信號(hào)通過(guò)IVD 及其相鄰組織傳入神經(jīng)纖維，神經(jīng)纖維與IVD 中的炎癥介質(zhì)相互作用，導(dǎo)致椎間盤源性LBP 的發(fā)生［12］。然而臨床中并不是所有的IDD 患者都會(huì)出現(xiàn)LBP，嚴(yán)重退變而無(wú)疼痛癥狀比例隨年齡增長(zhǎng)而增加，缺乏持續(xù)性炎癥刺激可能是IDD 患者無(wú)疼痛癥狀的關(guān)鍵［13］。綜上所述，炎癥因子與椎間盤源性LBP 密切相關(guān)。

3 神經(jīng)血管增生

健康的IVD 是一種無(wú)血管、神經(jīng)的組織，在退變的IVD 中促炎癥細(xì)胞因子上調(diào)后發(fā)生神經(jīng)、血管向內(nèi)生長(zhǎng)［6］，除了這種誘發(fā)椎間盤源性LBP 的解剖學(xué)變化外，NGF 通過(guò)誘導(dǎo)神經(jīng)生長(zhǎng)發(fā)揮了關(guān)鍵的化學(xué)作用，通過(guò)直接結(jié)合和作用于疼痛相關(guān)的細(xì)胞受體，例如酪氨酸激酶A 或神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子p75，從而進(jìn)一步促進(jìn)椎間盤源性LBP 的發(fā)生［14］。除了神經(jīng)向內(nèi)生長(zhǎng)，背根神經(jīng)節(jié)是一組感覺(jué)神經(jīng)元，充當(dāng)感覺(jué)信號(hào)調(diào)制器和傳感器，在椎間盤源性LBP 的發(fā)展過(guò)程中也起著關(guān)鍵作用。各種與疼痛相關(guān)的促炎化學(xué)物質(zhì)，包括腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子和神經(jīng)肽物質(zhì)P 被上調(diào)產(chǎn)生疼痛信號(hào)［15］，最終導(dǎo)致椎間盤源性LBP 的發(fā)生。正常情況下IVD 處于缺氧微環(huán)境中，血管向內(nèi)生長(zhǎng)則表明正常缺氧微環(huán)境被破壞。在IDD 或椎間盤源性LBP 的組織病理學(xué)評(píng)估中可以看到血管向IVD 內(nèi)生長(zhǎng)，血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（vascular endothelial growth factor,VEGF）具有促進(jìn)血管生成功能，受缺氧誘導(dǎo)因子-1（hypoxia inducible factor,HIF-1）的調(diào)節(jié)，在炎癥反應(yīng)期間缺氧可以增強(qiáng)HIF-1 的表達(dá)，從而促進(jìn)VEGF 生成，這被認(rèn)為是啟動(dòng)血管向內(nèi)生長(zhǎng)的關(guān)鍵步驟［16］。同樣缺氧條件下的炎癥刺激可以上調(diào)IL-8 的表達(dá)，而IL-8 是一種與異常血管生成相關(guān)的促炎細(xì)胞因子，表明血管異常增生與椎間盤源性LBP 密切相關(guān)［17］。血管和神經(jīng)末梢共同遷移到IVD中并顯示出協(xié)同作用，NGF 刺激感覺(jué)神經(jīng)向IVD 內(nèi)生長(zhǎng)，并作為內(nèi)皮細(xì)胞增殖的化學(xué)刺激劑，導(dǎo)致IVD中活躍的血管形成，IVD 內(nèi)增殖的VEGF 也促進(jìn)NGF 的生成并有助于IVD 內(nèi)神經(jīng)末端向內(nèi)生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致椎間盤源性LBP 的發(fā)生［18］。

4 椎間盤源性LBP 的生物療法

目前臨床上關(guān)于椎間盤源性LBP 的治療大多采用保守治療（臥床休息、口服藥物、物理治療等）及手術(shù)治療（內(nèi)鏡微創(chuàng)手術(shù)、椎間盤置換手術(shù)、椎間融合手術(shù)等）［19］，但這些治療只能改善癥狀，無(wú)法有效緩解和治療IDD。近年來(lái)關(guān)于生物療法治療IDD 的研究日益增多，其治療的主要目的是通過(guò)全身給藥或局部注射到退變的IVD 內(nèi)達(dá)到緩解IDD 進(jìn)展甚至促進(jìn)IVD 新生的目標(biāo)，目前關(guān)于生物療法主要集中在細(xì)胞治療、生長(zhǎng)因子治療、基因治療等［20］，下面將對(duì)這些生物療法在IDD 及椎間盤源性LBP 中的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單概述。

4.1 細(xì)胞治療

目前細(xì)胞療法較為常見(jiàn)的有移植NP 細(xì)胞以達(dá)到分泌功能性細(xì)胞外基質(zhì)并增加NP 細(xì)胞數(shù)量的目的，或者移植具有抗炎及免疫抑制性的間充質(zhì)干細(xì)胞（mesenchymal stem cell,MSC）［21］。Iwashina 等［22］將人NP 細(xì)胞置入兔退變的IVD 中發(fā)現(xiàn)人NP 細(xì)胞可以明顯增加NP 中的蛋白聚糖、Ⅱ型膠原蛋白的表達(dá)，達(dá)到延緩IDD 進(jìn)展的目的。但是人類NP 細(xì)胞數(shù)量少，并且臨床中獲得人類NP 細(xì)胞困難，故NP 細(xì)胞移植研究主要集中在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，臨床操作較為困難。另外一種研究較多的細(xì)胞療法是MSC 移植療法，MSC是成體干細(xì)胞，具有分化為多種組織的能力，包括骨、軟骨、肌肉和脂肪［23，24］。在過(guò)去的幾十年中，MSC 已廣泛應(yīng)用于再生醫(yī)學(xué)的不同領(lǐng)域，并取得了可喜的成果，與NP 細(xì)胞相比，MSC 可以從骨骼、脂肪組織中安全提取。一項(xiàng)基于MSC 治療IDD 的動(dòng)物薈萃分析顯示：24 種動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，注射MSC 的IVD 數(shù)量為862 個(gè)，三種類型的MSC（即骨髓，滑膜和脂肪組織）都顯示出對(duì)IDD 進(jìn)展有明顯抑制作用，總并發(fā)癥為2.7%，且僅在兔子中發(fā)現(xiàn)并發(fā)癥［25］。Elabd等［26］將自體MSC 分別注入5 例椎間盤源性LBP 患者IVD 內(nèi)，隨訪4～6 年，癥狀得到明顯改善，且未出現(xiàn)不良反應(yīng)。雖然MSC 在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中取得良好的療效，但是缺乏大樣本的人體臨床數(shù)據(jù)支持，并且退變的IVD 內(nèi)炎癥及缺氧環(huán)境導(dǎo)致細(xì)胞的生存率低等問(wèn)題仍然需要解決。

4.2 生長(zhǎng)因子治療

IVD 的動(dòng)態(tài)平衡是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，與多種生長(zhǎng)因子、基因和蛋白水解酶密切相關(guān)。研究表明轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β（transforming growth factor-β,TGF-β）、堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子（basic fibroblast growth factor,bFGF）、胰島素樣生長(zhǎng)因子1（insulin-like growth fac?tor 1,IGF-1）及生長(zhǎng)和分化因子5（growth/differentia?tion factor-5,GDF-5）等在IVD 組織中具有增加細(xì)胞數(shù)量、降低細(xì)胞外基質(zhì)降解的功能［27］，研究認(rèn)為TGF-β、bFGF、IGF-1 可能會(huì)誘導(dǎo)不必要的血管增生，從而加速IDD 的進(jìn)程，同時(shí)發(fā)現(xiàn)GDF-5 能夠很好地維持IVD 結(jié)構(gòu)且不良反應(yīng)相對(duì)較少，可以作為治療IDD 的潛在藥物重點(diǎn)研究［28，29］。富血小板血漿（platelet rich plasma,PRP）是將自體靜脈血通過(guò)梯度離心后得到的富含血小板的血漿部分，因其含有大量生長(zhǎng)因子，又被稱為富生長(zhǎng)因子血漿。體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)證明PRP 具有抗炎、抑制細(xì)胞外基質(zhì)降解、提高NP 細(xì)胞存活率等作用［30］。一項(xiàng)針對(duì)PRP 治療人類椎間盤源性LBP 的薈萃分析顯示PRP 能夠明顯改善疼痛評(píng)分［31］。Wang 等［32］認(rèn)為PRP 中的白細(xì)胞可以激活早期退變IVD 中NP 細(xì)胞的炎癥和分解代謝反應(yīng)，認(rèn)為去白細(xì)胞的PRP 治療IDD 更為合適。在IDD 的治療中生長(zhǎng)因子具有重要的研究?jī)r(jià)值，但生長(zhǎng)因子半衰期很短，IDD 大多病程周期長(zhǎng)，在治療IDD時(shí)需要多次注射，并且生長(zhǎng)因子的不穩(wěn)定性導(dǎo)致注入IVD 內(nèi)難度增加，以生物材料及組織工程為載體遞送生長(zhǎng)因子可能是今后研究的重點(diǎn)方向。

4.3 基因治療

導(dǎo)致IDD 發(fā)生另一項(xiàng)重要危險(xiǎn)因素是遺傳，以遺傳基因?yàn)榍腥朦c(diǎn)來(lái)研究IDD 及椎間盤源性LBP 的機(jī)制及治療方法，為治療IDD 及椎間盤源性LBP 提供了一種新的選擇。誘導(dǎo)IVD 內(nèi)有益基因表達(dá)是基因治療的關(guān)鍵，這些基因通過(guò)載體進(jìn)行體內(nèi)基因治療，載體可分為病毒載體及非病毒載體。病毒載體主要有逆轉(zhuǎn)病毒、腺病毒、腺相關(guān)病毒、慢病毒、桿狀病毒，非病毒載體常用的有RNA 干擾、陽(yáng)離子多聚物載體等［33］。1997 年首次報(bào)道使用逆轉(zhuǎn)錄病毒載體成功地將目的基因?qū)塍w外培養(yǎng)的牛尾椎終板軟骨細(xì)胞，這種方法避免了傳統(tǒng)藥物和手術(shù)治療的一些缺點(diǎn)，具有特異性、有效性和適用于慢性疾病的潛力，為治療IDD 開(kāi)啟了一種全新的時(shí)代［34］。Nishida等［35］首次在體外和體內(nèi)對(duì)NP 細(xì)胞進(jìn)行靶向基因治療，該項(xiàng)研究表明外源基因在體外和體內(nèi)均可通過(guò)腺病毒載體成功地傳遞到IVD 上，證明了腺病毒基因治療IDD 的潛力。病毒介導(dǎo)的基因治療療效確切，但是治療過(guò)程中發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)病毒與慢病毒可能造成插入性的突變、產(chǎn)生有復(fù)制能力的病毒、誘發(fā)癌癥，腺病毒可能產(chǎn)生免疫應(yīng)答反應(yīng)，并且病毒載體在制作過(guò)程中費(fèi)用較高［36］。因此研究安全、成本低的基因載體是十分有必要的。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)RNA 干擾Klotho 基因表達(dá)可以明顯降低IDD 大鼠中炎癥因子水平表達(dá)、延緩IDD 的進(jìn)展［37］。Huang 等［38］利用熱響應(yīng)載體遞送miRNA-25-3p 來(lái)治療通過(guò)IL-1β 誘導(dǎo)NP 細(xì)胞，結(jié)果顯示熱響應(yīng)載體可以有效地將miR?NA-25-3p 遞送到NP 細(xì)胞中，達(dá)到治療IDD 的效果。非病毒基因載體具有無(wú)細(xì)胞毒性、無(wú)免疫反應(yīng)，避免了病毒突變及感染等風(fēng)險(xiǎn)，在治療IDD 中具有廣闊前景［39，40］。

綜上所述，IVD 內(nèi)炎癥因子調(diào)控及血管神經(jīng)增生是IDD 及椎間盤源性LBP 發(fā)生的關(guān)鍵因素，現(xiàn)在對(duì)IDD 及椎間盤性LBP 的復(fù)雜機(jī)制已經(jīng)有了較為深入的了解，然而仍有許多問(wèn)題需要解決。對(duì)疾病的徹底認(rèn)識(shí)和理解是尋找和設(shè)計(jì)可能的治療策略的關(guān)鍵?；诂F(xiàn)有知識(shí)，需要進(jìn)一步研究以闡明IDD 及椎間盤性LBP 的詳細(xì)機(jī)制并開(kāi)發(fā)更多潛在的治療方式。生物療法已經(jīng)在治療IDD 及椎間盤性LBP 中取得的初步療效，但是仍然需要大樣本的臨床隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)去驗(yàn)證其有效性及安全性，從實(shí)驗(yàn)室研究到臨床應(yīng)用，需要多學(xué)科的共同努力才有可能完成。利用生物療法來(lái)解決IDD 及椎間盤性LBP 問(wèn)題需要眾多研究團(tuán)隊(duì)、學(xué)術(shù)組織以及脊柱臨床專家學(xué)者合作，不斷去發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)新和發(fā)展，這樣才能夠找到更好的治療IDD和椎間盤源性LBP 方法。