椎间盘退变中生物力学的研究进展

龙 涛，李开南

随着机体的衰老，椎间盘退行性变(intervertebral disc degeneration，IVDD)逐渐出现并进行性加重。究其原因是多方面的，如椎间盘异常的应力负荷、营养代谢障碍、基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMPs)活性增高、细胞因子的激活等。随着计算机技术的发展，有限元分析方法在IVDD的研究中逐渐广泛的使用，使得生物力学与IVDD的关系越来越被重视。现就生物力学与IVDD 的关系进行综述。

1 椎间盘的生物力学特性及其正常生物力学

椎间盘由外层的纤维环和内部的髓核及上下软骨终板构成，是脊柱功能单位的负载活动中心。从应力分布看，正常椎间盘的最大压应力集中在髓核，以后侧为甚，纤维环的应力也集中在后侧，并沿着后外侧传导［1］。钱忠来等［2］也发现椎间盘上压应力以髓核最大，并由内向外逐渐减小;而且压应力在压缩侧较大，侧屈时应力向中心区有逐渐减小的趋势，对侧的应力为拉力。在应力的传导方面，髓核因具有各向同性的性质，可使应力向四周均匀分散传导［3］。同时髓核可通过形变将应力放射状均匀传导至纤维环，通过纤维环的胶原纤维来对抗这种由压应力转变来的切线应力。因此，椎间盘表现出特有的黏弹性及蠕变现象，可分散和吸收脊柱所承担的生理负荷，赋予脊柱刚性和韧性。

2 生物力学对椎间盘营养的影响

成熟的椎间盘是人体最大的无血管组织，其靠纤维环和终板2 条途径供给营养，而后者是主要途径［4］。同时，软骨终板对脊柱的生物力学传导及应力分布也有重要作用，与其他结构共同维持着脊柱的正常形态和生理功能［5］。方国芳等［6］研究发现腰椎终板承受的应力较大，呈蝶形分布，而且主要位于腰椎下方后缘。同一终板的不同区域抗压强度也不同［7-8］，以终板中央最大。当压应力过高时，椎体松质骨骨小梁邻近髓核的部分很可能发生微骨折，影响该处终板的通透性，进而影响髓核的营养供给，造成髓核退变［9］。为了研究持续的应力负荷对小分子物质进出正常椎间盘的影响，Arun 等［10］研究了8 位志愿者的40例正常椎间盘，发现相当于志愿者体重一半的压力负荷持续作用4.5 h 后可减缓小分子物质进出椎间盘的速度，而压力去除后，受压椎间盘中小分子物质则加速扩散，3 h 后才能恢复与未受压椎间盘相同的状态。这说明，压力负荷可直接影响小分子营养物质进出椎间盘，这既与压力负荷的大小有关，又与其作用时间有关，且椎间盘在一定强度与时间的压力负荷作用后有自我恢复的能力。在体外培养鼠椎间盘细胞过程中，Ariga 等［11］发现，在静态压力约0.1 Mpa 的受压软骨组织中可观察到大量细胞凋亡，而未受压软骨组织中未见凋亡细胞，提示应力负荷可引起软骨终板细胞凋亡。应航等［12］则在动物试验中验证了这一理论，他发现兔颈椎软骨细胞在异常的应力作用下可出现变性、坏死，软骨终板出现钙化、断裂，最终出现髓核皱缩，椎间盘压缩，生物力学性能下降。Dolan 等［13］研究发现终板骨折后，可致病变椎间盘及其相邻椎间盘的应力分布异常，而这增加了病变椎间盘内部破坏和退变的风险。Qasim 等［14］以连续损伤负荷作用于有限元模型椎间盘，发现损伤累积于纤维环后内部并向后外传导。以上研究说明，营养供给障碍在IVDD 中有重要作用，而异常的应力负荷则可从影响软骨终板、纤维环、营养物质扩散等多个方面影响椎间盘的代谢。

3 生物力学与生物化学的相互作用及其对IVDD 的影响

参与IVDD 的因素不仅包括异常的应力负荷，还包括由椎间盘细胞代谢、MMPs 活性及细胞因子等因素组成的生物化学环境，且它们之间存在相互影响［15］。正常椎间盘中细胞外基质(extracellular matrix，ECM)处于合成和分解的动态平衡之中，而这种平衡在退变椎间盘中被打破［16］。蛋白多糖是ECM 的主要成分，与水结合后具有黏性和弹性，可对抗、分散和吸收负荷。研究发现机械应力可刺激MMPs 的表达［17］。过量MMPs 的表达，可引起ECM中蛋白多糖含量下降，造成髓核弹性降低，导致椎间盘生物力学功能的减退甚至丧失，引起IVDD。在研究脊柱侧凸时，Crean 等［18］发现同一椎间盘中，凹侧和凸侧椎间盘组织中MMPs 含量和活性与正常者有明显差异，这可能与凹侧和凸侧椎间盘组织所受的压力负荷不同有关。Lotz 等［19］研究发现过度的轴向负荷会导致蛋白多糖的合成减少，这种变化直接影响到椎间盘的整体代谢。综上，异常的应力负荷既能影响MMPs 的合成及活性，又可减少蛋白多糖的合成，引起IVDD。

目前发现多种细胞因子参与IVDD，其中白细胞介素(interleukin，IL)、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、一氧化氮(NO)等被公认为是参与IVDD 的最重要的细胞因子。TNF-α 可使中性粒细胞释放炎症介质(如IL-1、IL-6 和IL-8 等)，导致椎间盘细胞缺氧，合成蛋白多糖的能力下降;同时可使椎间盘细胞产生代谢性应激，导致代谢产物增多［20］。异常生物力学可导致代谢产物排出受阻，同时又可激活牵张敏感细胞，影响椎间盘内环境的稳定，引起终板结构的变化，终板结构的改变反过来则影响终板的应力分布［21］。

应力的异常分布可刺激组织重塑及炎性因子的产生。NO 作为炎性因子不仅参与IVDD 的炎症过程，还影响椎间盘ECM 的正常代谢。研究发现NO可抑制软骨细胞蛋白多糖的合成，还可以明显增强MMP-3 的活性，加速蛋白多糖的分解，导致髓核失水皱缩［22］，这可能与应力负荷有协同作用。Kobayashi 等［23］在外源性NO 诱导细胞凋亡的模型中研究发现，在椎间盘受损后，P53 通过直接作用于DNA 或阻止细胞正常代谢来诱导椎间盘细胞凋亡，而NO 能增强P53 基因的表达，加剧椎间盘细胞的凋亡，NO 在此过程中起到协同作用。以上结果说明，生物力学与生物化学均可通过改变椎间盘细胞的营养供给、影响细胞代谢、干扰蛋白多糖的正常合成引起、加剧IVDD，且存在相互作用，但具体作用及机制仍需进一步研究。

4 椎间盘及其周围组织的生物力学及相互影响

在脊柱应力的传导及其稳定性及活动性维持结构中，除椎间盘外，还包括脊柱的韧带、关节突关节和周围肌肉韧带组织。Dai 等［24］采用三维有限元法研究老年人腰椎活动节段的应力分布发现，IVDD后其承载能力下降，但包括韧带、小关节在内的后部结构承载明显增大。张国川等［25］通过实验量化了这种应力的分布及其变化，在正常标本轴向压缩实验中，分布于峡部、椎间盘及髂腰韧带的应力分别为70.7%、26.5%、2.8%，切断椎间盘后，峡部应力增加1倍，由正常标本的41.010 kPa增加到83.051 kPa，髂腰韧带应力变化不大;而切断峡部的标本，椎间盘向前的剪切应力由15.381 kPa 增加至20.643 kPa，髂腰韧带的应力也有增加。王伟等［26］通过对尸体研究发现完整的颈后方韧带复合体在对抗导致颈椎屈曲和变直的应力方面有重要作用。关海山等［27］认为脊柱生物力学研究不能忽视周围肌肉力的作用，屈曲角度和背侧肌肉力对椎体应力有明显影响。这些研究结果说明作为发挥功能的单位整体，椎间盘、脊柱的韧带结构、关节突关节和周围肌肉韧带组织共同传导了生物应力，一些部位的退变或损伤会引起应力重新分布，导致其他部位的应力增大;而应力的增高可诱导、促进这些部位的退变、损伤以及修复重建过程。随着损伤与修复的累积，则可能造成临床上常见的椎体边缘骨质增生及关节突关节肥大。腰椎峡部的应力集中也可能是造成峡部裂的重要原因。

5 椎间盘生物力学与脊柱手术

早在1989年，戴力扬等［28-29］就认为腰椎后部结构的切除会降低腰椎抗压强度，导致腰椎活动范围增大，切除的越多，对腰椎稳定性的影响亦越大，重者可致后凸畸形;而前部结构及保留的后部结构的应力水平会不同程度的上升。临床上，椎板切除是常用的手术方式，但椎板切除后会引起脊柱的生物力学变化，甚至引起脊柱畸形［30］。Degreif 等［31］通过对比分析椎板开窗、半椎板切除及全椎板切除术后腰椎的生物力学发现，三者可使腰椎的抗扭转力分别丧失6%、20%及27%，切除越多抗扭转能力丧失越多;国内学者通过建立以上3 种减压手术的生物力学模型研究发现减，减压节段的运动范围及相应椎间盘的应力较术前均明显增大［32］。由此可见，脊柱后部结构对脊柱的稳定性及活动性的维持有重要作用，手术时最小化的切除腰椎后部的骨和韧带可最大限度的保留术后腰椎的活动范围，并可最大限度延缓术后诱发的IVDD［33］。这也预示着微创治疗将会是脊柱外科发展的重要方向。

脊柱融合术经过百年的发展与完善，目前是治疗脊柱疾病不可或缺的手段。但研究发现，融合术后融合节段不仅丧失了活动度，还改变了生物力学分布，导致邻近节段应力负荷集中，中远期可引起相邻节段退变(adjacent segment degeneration，ASD)［34］。Eck 等［35］通过对融合固定C5/C6节段后相邻椎间盘的力学分析发现，在过屈位时，上位节段椎间盘内压力增加了73.2%，下位节段增加了45.3%。有报道分析腰椎或骶椎融合后有5.2%～100%的患者发生ASD，其中5.2%～18.5%的患者有临床症状［36］;国内学者随访60例腰椎融合术治疗的患者发现11例(18.3%)患者有影像学退变表现［37］。研究发现ASD 发生率随着融合节段的增多呈上升趋势，在单节段、双节段及3 个节段融合后ASD 的发生率分别为11.6%、14.5%及16.3%［38］。也有学者发现坚强固定融合术后随访时间越长，ASD 速度加快，腰部疼痛等症状越重［39］。综合分析，ASD 发生原因有以下几点:①脊柱本身存在退变是造成、促进ASD 的根本原因;②融合术后邻近节段代偿性的活动度增加是重要诱因;③融合术后邻近节段应力增大及重新分布是导致ASD 的重要原因，这在多节段中尤为明显。

在此基础上，保留脊柱节段运动功能、改善ASD 的非融合脊柱功能重建技术得以发展。Cabello等［40］在尸体标本中经过严格实验发现动态稳定装置可明显降低邻近节段增加的压力负荷。金大地等［41］观察坚固内固定及动态内固定的ASD 发生率及内置物断裂发生率，结果坚固内固定中出现ASD 6例(12%)，动态内固定中仅有1例(2%)，坚固内固定中有2例螺丝钉断裂及1例假关节形成而动态内固定无上述并发症，2 种内固定方式在术后前2年均可使患者疼痛症状改善，但从第3年开始，坚固内固定组下腰痛逐渐加重且显著重于动态内固定组。国内也有学者自行研制腰椎弹性内固定并与刚性内固定比较后认为弹性内固定能明显降低邻近椎间盘内的应力，可预防和减少ASD［42］。从生物力学角度看，这些结果与非融合技术的应力分布更接近生理的应力传导机制、应力集中有效减低有关。

目前，椎间盘置换在临床上应用广泛。Bertagnoli 等［43］随访243例行人工椎间盘置入的患者，术后3月、1年、2年的Oswestry 功能障碍指数评分分别为21 分、12.6 分、9 分，较术前52.7 分明显降低，说明人工椎间盘置入的效果良好;有学者分析相关文献后认为腰椎椎间盘置换的安全性及有效性明显高于腰椎融合［44］。由于人工椎间盘假体材料仍有一定的不足，假体置入后也存在相关并发症［45］，故分析、利用椎间盘的生物力学特性，设计制造更有效的假体具有重要的临床意义。同时，压力负荷可改变椎间盘细胞的生物学活性及表达［15］，这就要求在椎间盘细胞再生的实验研究方面，不可忽视生物力学的作用。将假体与椎间盘细胞的再生结合起来，利用假体的支撑性来满足椎间盘细胞再生所需要的低应力环境，使二者共同发挥作用，这可能为因IVDD、突出而摘除后最大限度的保留相应节段的活动及稳定功能提供新的治疗策略。

6 小结与展望

据统计，60岁以上的老年人中约有90% 有IVDD。目前从实验动物模型到临床病例的研究都提示异常的生物力学因素特别是持续反复的应力作用是IVDD 的重要原因。而退变的椎间盘反过来又使脊柱的应力分布及传递方式发生改变，其引发的一系列疾病如椎间盘突出、腰椎椎管狭窄症等可严重影响人们的生活。相信随着生物力学研究的深入及有限元分析方法的完善，可将IVDD 对脊柱生物力学的影响程度进行量化，这将会提供更多的客观证据，对探索对脊柱生理力学传导影响较小的手术方式有指导作用，对发明更符合脊柱生理力学的内固定材料有促进作用，对开发更符合椎间盘生物力学性质的生物材料有积极作用，从而协助临床治疗IVDD。

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