金新蒙杨铁毅王雷

（1.第二军医大学附属公利医院骨科，上海200135；2.上海交通大学附属第一人民医院骨科，上海200080）

随着全球老龄化、生活方式及职业压力的变化，腰背痛的发病率越来越高。据估计，80%的人们在一生中会遭受各种形式的腰背痛，严重影响人类的健康[1]。尽管腰背痛的病因多种多样，但椎间盘退变已然成为慢性腰背痛的主要原因。目前椎间盘退变的基本机制尚未阐明，其退变的病理因素之一为纤维环的应力损伤，致使纤维环破裂、髓核突出[2]。在预防和治疗椎间盘退变中，纤维环的生物学作用越来越受到重视，修复和维持纤维环的完整性有着重要的意义。随着现代分子生物学、细胞工程学、基因工程技术的发展，退变纤维环生物治疗的方法已经得到初步发展，本文就目前纤维环退变机制及生物学治疗进行综述。

1 纤维环退变的生物学机制

1.1 解剖特点

纤维环位于椎间盘的周缘部，由内、外层呈同心圆排列的纤维构成，内层是纤维软骨带，外层主要为胶原纤维。纤维环中心部位的纤维插入到终板软骨内，而外周部位的纤维锚定在椎骨上。内层纤维环占总径向厚度的50%，该层细胞呈圆形，至少有两个突起，突起无一定的方向性，主要是软骨细胞；外层纤维环内的细胞细长呈梭形，沿着胶原纤维的长轴分布，主要是纤维细胞[3]。内外层纤维环的化学组成成分也不同。内层纤维环包括Ⅰ型和Ⅱ型胶原蛋白，聚蛋白多糖存在于内外层纤维环内，而多聚糖和二聚糖主要存在于外层纤维环内。健康人类纤维环的含水量为50%，胶原蛋白占干重的70%，蛋白多糖占干重的10%，弹力蛋白占干重的2%[3]。从外层纤维环到内层纤维环，Ⅰ型胶原蛋白与Ⅱ型胶原蛋白的比例减少，蛋白多糖的含量增高。这一改变导致外层纤维环承受更多的拉力，髓核承受更多的压缩力[4]。胶原纤维的走行趋向于应力的方向，层内纤维平行排列，具有高度趋向性，层间纤维具有相反的斜度而相互交叉。在应力作用下外层纤维环可以发生再定向，从而改变其生物力学，提高其抗牵拉、抗压及抗扭转强度，降低纤维环的膨出率[5]。

1.2 退变机制

近年来，研究发现纤维环退变的发病机制与许多因素有关，如衰老、生物力学、营养障碍、遗传、免疫等。这些因素触发纤维环形态学特征发生改变，细胞功能异常、数量减少，细胞外基质合成下降、降解增多[6]。已有研究在退变椎间盘内发现细胞衰老的分子标志物，且细胞衰老加速与椎间盘退变相关。随着年龄的增长，纤维环细胞数量的减少、胞间距离变大使缝隙连接减少，从而导致细胞间的信号交流发生障碍，维持、修复纤维环结构和功能的能力显著下降[7]。此外，层间纤维蛋白排列紊乱且纤维连接增多，限制了胶原纤维的再定向分布，增加了纤维层间的剪切力，使纤维环抗负荷力及应力分散力明显降低，进而降低了纤维环的稳定性，导致纤维环膨出[5]。

细胞外基质合成与降解失衡被认为是椎间盘退变的基础。在椎间盘退变过程中，细胞外基质的合成和分布发生改变。髓核细胞和内层纤维环细胞合成Ⅱ型胶原蛋白减少，而Ⅰ型胶原蛋白增加。此外，蛋白聚糖的含量降低，导致椎间盘内含水量减少，使组织更加纤维化，抗负荷能力降低[4]。相反，一些蛋白水解酶，如基质金属蛋白酶（MMPs-1、-3、-7、-9、-10和-13）和Ⅰ型血小板结合蛋白基序的解聚蛋白样金属蛋白酶（ADAMTS-1、-4、-5、-9和-15）表达增加，炎症调节因子如肿瘤坏死因子（TNF-α）和白介素-1（IL-1）可以上调ADAMT-4和ADAMTS-5的表达水平，同时促进聚蛋白聚糖的降解[8]。金属蛋白酶内源性抑制剂（TIMPs）和ADAMTS之间相互作用的失衡，进一步导致了退变椎间盘的基质降解。

细胞凋亡被认为是椎间盘细胞死亡的主要机制，非生理性的负荷、营养障碍、细胞外基质变化等因素均可能诱导细胞凋亡。但是，由于细胞凋亡和细胞外基质降解增多之间并未发现明显的因果关系，因此，程序化细胞死亡可能在椎间盘疾病中扮演着重要的角色。细胞自噬是另一条引起细胞程序性死亡的途径，其在大鼠髓核和纤维环中均被发现。营养的缺乏和应力也会诱导椎间盘细胞的自噬，通过对关键标记物LC-3和beclin-1的免疫染色，证明在人类退变椎间盘组织内同样存在着自噬现象[6]。TGF-β1通过下调过度自噬来预防纤维环细胞的凋亡，该过程可能涉及PI3K-AKT-mTOR和MAPKERK1/2信号传导途径[9]。虽然细胞自噬可以导致细胞死亡，但也可以通过对细胞内细胞器、未折叠或受损蛋白的降解来维持细胞在长期环境或营养压力负荷下的活力。因此，关于细胞自噬在纤维环退变中的作用还需要更多的研究证实。

机械负荷对于椎间盘细胞基质的稳态非常重要，正常的髓核和纤维环之间分担的生理负荷（髓核主要为压力负荷，纤维环主要为牵张力负荷）可维持椎间盘的稳态。适度的、低频率的载荷作用于椎间盘细胞均可促进合成代谢，而大重量、高频率和持续静态载荷则诱导分解代谢或拮抗合成代谢[3]。Court等[10]研究发现，小鼠模型通过使椎间盘侧屈来减小凸侧纤维环的张力和压力，仅压力侧（凹侧）会刺激细胞凋亡，分解代谢相关基因的表达增加，合成代谢相关基因表达下降。Kobielarz等[11]通过定性和定量对比正常人和特发性脊柱侧凸患者胸腰椎纤维环细胞外基质的蛋白质含量，发现特发性脊柱侧凸患者纤维环内胶原蛋白和弹性蛋白的结构显著异常，而且Ⅰ型胶原蛋白和弹性蛋白的含量显著降低。说明异常应力加速纤维环退变的过程，但具体机制还需要进一步阐明。综上，上述因素之间并非相互独立，而是相互关联的。

2 纤维环退变的分子治疗

目前，主要根据纤维环退变的程度来决定治疗策略，主要考虑的因素有椎间盘的结构、椎间盘细胞的活力、细胞外基质等。手术治疗无法改变退变纤维环中异常的胞外基质环境以及功能性细胞和组织的损失。分子治疗旨在抑制异常的细胞因子产生，或刺激基质合成代谢。在椎间盘退变的早期阶段，生长因子和蛋白酶抑制剂等分子治疗手段比较理想。大量研究已表明，包括 TGF-β1、BMP-2、BMP-7、PDGF、FGF、EGF、IGF-1、OP-1、GDF5和GDF6等在内的许多生长因子能增强纤维环细胞增殖和促进细胞外基质分泌合成[12]。富血小板血浆（Platelet-rich plasma,PRP）中含有丰富的生长因子，可诱导纤维环细胞增殖和细胞外基质产生。将PRP注射到兔和大鼠椎间盘退变模型，发现髓核和内层纤维环中Ⅱ型胶原表达增加，并且可以修复早期椎间盘退变[13]。目前，临床上使用PRP治疗盘源性腰痛已有初步的研究。一项前瞻性双盲随机对照研究对29例盘源性腰痛患者的椎间盘内注射PRP，通过至少1年的随访结果发现，治疗组在疼痛和功能改善上明显优于对照组，而且椎间盘内注射PRP是安全的[14]。虽然这些初步研究结果令人鼓舞，但仍需要进一步研究来确定最佳的治疗对象，以及PRP的浓度和成分，反复多次注射是否仍然有效。在退变中期及晚期，椎间盘内细胞功能降低、低氧、营养缺乏及凋亡等因素都会使疗效下降。目前，基于基因工程的治疗尚缺乏能够精确控制基因表达的理想调控系统，尚需进一步深入的研究。上述情况下，基于细胞的组织工程或再生疗法被认为是治疗中晚期退变椎间盘的潜在有效方法，当前已成为本领域研究的重点。

3 纤维环退变的细胞治疗

细胞疗法旨在通过组织工程学方式将具有生物活性的细胞植入椎间盘来帮助严重退变的椎间盘恢复正常生理功能。由于临床上难以获取健康、足够数量的纤维环细胞，因此具有分化潜能的干细胞是目前细胞治疗的首选，越来越多的研究证实其适用性。

3.1 纤维环祖细胞

近年来，有学者在正常及轻度退变椎间盘的纤维环中发现了具有多向分化特性的细胞，提示纤维环组织内可能存在祖细胞。这些祖细胞通常出现在边缘或已迁移进入纤维环，它们对于正常结构和功能的维持至关重要，其数量减少或功能改变均可导致纤维环功能紊乱。退变纤维环内形成的软骨、骨和神经组织可能就是纤维环祖细胞分化的结果[15]。由于其来源于纤维环，纤维环祖细胞更易向纤维环各区域的不同类型细胞分化，因而有望成为纤维环组织工程的新型细胞来源。

3.2 间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSCs）

MSCs可作为纤维环再生的“种子细胞”，越来越多的研究表明骨髓和脂肪来源的MSCs均具有向椎间盘细胞分化的能力。动物实验已证实移植MSCs具有再生潜能，可增加基质的产生，特别是糖胺聚糖的合成，增加椎间盘的高度和含水量[16]。几项人体试验用自体MSCs体外培养扩增后治疗腰椎退变性疾病，下腰痛和脊柱功能得到明显改善，椎间盘含水量也较治疗前有显著提高[17]。这一结果与其他干预措施（如脊柱融合术或椎间盘置换术）的结果相比更具优势，表明MSCs可能是治疗慢性腰背痛的有效替代方法。然而，自体MSCs扩增使得该过程缓慢且昂贵，同种异体细胞在逻辑上更加方便，但可能具有移植细胞宿主免疫排斥反应的缺点。一项使用同种异体MSCs治疗腰椎退变性疾病的随机对照试验，通过在椎间盘注射每节段25×106个同种异体MSCs，不仅缓解了疼痛，而且显著改善了椎间盘的质量[18]。虽然MSCs在组织工程研究中取得了一定进展，但仍有许多问题亟待解决。最值得注意的问题包括：如何避免注射部位的细胞泄露、是否持续移植MSCs、缺少细胞分化标志物、是否会向椎间盘细胞分化、微环境是否对移植细胞的生存和功能产生影响、MSCs是否直接使组织再生、是否会诱发肿瘤形成、分泌的生物活性因子是否影响移植部位细胞的功能等，因此MSCs作为理想的候选种子细胞仍需大量的研究验证。

共培养是另一种常用于促进干细胞向纤维环细胞分化的方法。当纤维环细胞和MSCs联合培养时，MSCs可通过分泌生物活性因子促进纤维环细胞增殖和细胞外基质合成，同时联合培养也可诱导MSCs向纤维环细胞分化。Tsai等[19]发现，在细胞外基质模拟支架上联合培养人纤维环细胞和MSCs时可诱导MSCs向纤维环细胞系分化，分化程度与联合培养比例相关，并认为用于纤维环组织工程的最佳比例为2∶1。最近的证据表明，除了分泌代谢因子，MSCs具有抗炎和抗降解性能，可用于椎间盘退变中以降低细胞因子水平，从而调节炎症微环境，使椎间盘细胞产生更健康、非退变表型[20]。

3.3 纤维环组织工程支架材料

新移植的细胞受到高机械负荷，可能不利于其生存或功能。组织工程支架作为细胞附着和组织生长的一种支撑结构，是纤维环组织工程的关键部分。理想的支架材料既要具有纤维环组织力学性能，同时能促进细胞外基质合成。纤维支架材料包括静电纺丝、丝素、其他天然纤维和小肠粘膜下层。由聚己内酯（polycaprolactone,PCL）制成的静电纺丝能模拟纤维环组织的各向异性和非线性，被认为最适合纤维环细胞、MSCs细胞黏附和定向细胞外基质分泌，同时可获良好力学性能[21]。多孔丝素支架可促进纤维环细胞的附着，以及胶原和糖胺多糖的合成[22]。使用猪的小肠粘膜下层作为生物支架，可见纤维环细胞贴壁生长良好，Ⅰ、Ⅱ和X胶原、蛋白多糖和Sox 9表达增多[23]。

其他天然材料支架包括藻酸盐、壳聚糖、琼脂糖、胶原蛋白、蛋白多糖、脱矿骨基质等。虽然天然材料支架可以支持细胞生长，但其固有力学强度弱，因此目前研究重点在于制备具有良好机械性能的支架。而人工合成材料缺少生物活性、细胞亲和力差，可能会引起组织无菌性炎症等。复合材料在综合性能方面明显优于单一材料，但现阶段制作机械稳定性好、生物可降解性和相容性好的复合材料有生产成本高、工艺复杂等不足[24]。

4 总结和展望

纤维环在椎间盘退变中的生物学作用越来越受到重视，其退变的确切机制尚待进一步研究。纤维环的修复和再生非常复杂且具有挑战性，目前纤维环生物学治疗研究尚处于起步阶段，仍有许多问题尚未得到很好的解决。首先，纤维环细胞缺少特定的标记物，纤维环祖细胞及MSCs的定向分化培养尚未完全成熟。在植入之前，细胞是否需要经过预处理或预分化以增强细胞的存活和基质的形成尚需要测试。移植细胞在恶劣的微环境中，特别是在退化椎间盘中的命运仍有待阐明。同样，无论是直接分化还是通过旁分泌刺激宿主来源的细胞，植入细胞诱导再生的机制仍有待确定。此外，目前的生物材料支架仍无法模拟出体内的生物力学环境，而且仅能够产生纤维样组织，达不到天然组织的结构和功能特性。最后，纤维环生物学治疗的远期临床疗效和并发症尚不清楚。随着纤维环退变机制和组织工程学研究的深入，以及多种技术和生物材料的联合应用，为纤维环组织的再生提供了诸多可能，利用生物治疗修复退变椎间盘纤维环仍将具有广阔的研究前景。