楊俊輝，姜成 綜述 黃春明，李小川，3 審校

1.廣東醫(yī)科大學(xué)，廣東 湛江 524000；2.廣東醫(yī)科大學(xué)附屬高州醫(yī)院，廣東 高州 525000；3.高州市人民醫(yī)院博士后創(chuàng)新實(shí)踐基地，廣東高州 525200

隨著社會(huì)老齡化的發(fā)展，椎間盤(pán)退行性疾病(intervertebral disc degenaration，IVDD)的發(fā)病率也逐年遞增[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界大約有4/5的人在其一生中至少經(jīng)歷過(guò)一次嚴(yán)重的下腰痛，而IVDD是導(dǎo)致下腰痛的主要原因之一[2]。盡管腰痛很少危及生命，但每年因腰痛所帶來(lái)的身體殘疾、醫(yī)療費(fèi)用等經(jīng)濟(jì)損失巨大[3]。

椎間盤(pán)由中央的髓核(nucleus pulposus，NP)和周?chē)埖睦w維環(huán)(annulus fibrosus，AF)構(gòu)成，與相鄰椎體、椎旁肌和韌帶等組織一起，維持脊柱靜息及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的穩(wěn)定[4]。眾所周知，纖維環(huán)損傷是導(dǎo)致椎間盤(pán)術(shù)后療效不佳的重要因素，包括長(zhǎng)期腰背疼痛、椎間盤(pán)退變持續(xù)加重和椎間盤(pán)突出復(fù)發(fā)等。研究表明，椎間盤(pán)切除術(shù)后突出復(fù)發(fā)或疼痛的概率為5%～25%[5]。因此，恢復(fù)纖維環(huán)結(jié)構(gòu)和功能的完整性，對(duì)腰痛癥狀的緩解、降低椎間盤(pán)突出復(fù)發(fā)率等都具有重要意義。由于纖維環(huán)是一個(gè)相對(duì)封閉的無(wú)血管組織，其自我修復(fù)能力有限，外科干預(yù)往往很難達(dá)到理想的修復(fù)效果，因此探索新型纖維環(huán)生物修復(fù)療法逐漸成為研究熱點(diǎn)。纖維環(huán)損傷的生物學(xué)修復(fù)通常指用生物材料或生物反應(yīng)調(diào)節(jié)劑，如使用基因、細(xì)胞、組織工程等，通過(guò)基因治療、細(xì)胞移植、組織工程構(gòu)建等方法促進(jìn)纖維環(huán)及其基質(zhì)再生，恢復(fù)其生物力學(xué)特點(diǎn)，從而修復(fù)受損的椎間盤(pán)。為此，本文綜述了目前纖維環(huán)修復(fù)與再生治療的研究進(jìn)展，以期為今后的研究方向選擇提供幫助。

1 纖維環(huán)的解剖與生理

1.1 纖維環(huán)的結(jié)構(gòu)和組成 人體纖維環(huán)是一種無(wú)血管結(jié)構(gòu)，由15～25個(gè)同心層組成，每層纖維環(huán)間呈60°夾角斜行排列[6]，具有較強(qiáng)的抗?fàn)坷耘c抗壓縮性，同時(shí)能防止髓核向外突出。其大致可分為內(nèi)、外兩層，由內(nèi)到外，蛋白多糖和Ⅱ型膠原的含量逐漸降低[7-8]?？傊?，纖維環(huán)獨(dú)特的組成和結(jié)構(gòu)對(duì)于維持椎間盤(pán)的各向異性、彈性機(jī)械載荷以及維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定至關(guān)重要。

1.2 纖維環(huán)的損傷機(jī)制 目前認(rèn)為纖維環(huán)的損傷機(jī)制主要包括3個(gè)方面：長(zhǎng)期或過(guò)高的機(jī)械負(fù)荷導(dǎo)致椎間盤(pán)內(nèi)壓增高并使纖維環(huán)變形；異常蛋白水解酶活性增加導(dǎo)致纖維環(huán)細(xì)胞外基質(zhì)的代謝失衡；以及纖維環(huán)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的供給障礙。另外，包括細(xì)胞內(nèi)損傷、氧化應(yīng)激、異常細(xì)胞反應(yīng)造成的損傷以及pH 值變化[9-10]等，也可誘導(dǎo)或加速纖維環(huán)細(xì)胞的凋亡。

1.3 纖維環(huán)損傷致椎間盤(pán)退行性病變的機(jī)制 椎間盤(pán)退變的具體機(jī)制目前尚未明確，其發(fā)生發(fā)展與年齡、遺傳、環(huán)境、損傷等多種因素相關(guān)。而纖維環(huán)受應(yīng)力損傷后導(dǎo)致的纖維環(huán)破裂、髓核突出[11]是導(dǎo)致其退變的重要因素之一。在急性損傷或慢性應(yīng)激的情況下，受損的纖維環(huán)發(fā)生微斷裂，使髓核從薄弱的環(huán)形裂隙處突出；同時(shí)在受損部位形成強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡和椎間盤(pán)細(xì)胞外基質(zhì)的代謝失衡，促進(jìn)椎間盤(pán)退變的發(fā)生。此外，纖維環(huán)損傷后其完整性遭到破壞，從而改變了椎間盤(pán)內(nèi)的靜水壓，使椎間盤(pán)生物力學(xué)性能發(fā)生改變，其強(qiáng)度和抗壓縮性均不同程度降低，不斷加重椎間盤(pán)的退變[12]。

2 纖維環(huán)的修復(fù)策略

2.1 纖維環(huán)縫合、封堵技術(shù) 為了恢復(fù)椎間盤(pán)的正常功能，人們做了許多關(guān)于纖維環(huán)修復(fù)策略方面的嘗試。最近，一些纖維環(huán)修復(fù)的縫合系統(tǒng)及植入式設(shè)備已經(jīng)上市，如AnchorKnotTM和BarricaidTM系統(tǒng)。AnchorKnotTM系統(tǒng)[13]是用縫線來(lái)閉合纖維環(huán)缺損，以防止髓核進(jìn)一步突出。BarricaidTM系統(tǒng)[14]的修復(fù)方式于2019 年獲得FDA 批準(zhǔn)，其作為一種植入裝置，插入損傷椎間盤(pán)附近椎體以形成一個(gè)聚酯纖維網(wǎng)屏障。其后續(xù)隨機(jī)臨床試驗(yàn)表明2 年內(nèi)的癥狀再發(fā)率有所降低，但致終板改變的發(fā)生率較高[15-16]。這表明該器械的長(zhǎng)期療效和安全性，尤其是在器械固定期間椎體和軟骨終板的變化方面，仍有待確定。傳統(tǒng)的纖維環(huán)的修復(fù)方式僅實(shí)現(xiàn)物理修復(fù)，主要是對(duì)纖維環(huán)損傷部位的縫合、修補(bǔ)、封堵等，并不是理想的修復(fù)策略[17]?，F(xiàn)有的外科治療手段已被證明只能在手術(shù)后短期內(nèi)緩解癥狀和維持脊柱穩(wěn)定性，長(zhǎng)期隨訪發(fā)現(xiàn)大部分外科手術(shù)患者手術(shù)鄰近椎間盤(pán)會(huì)相繼出現(xiàn)退行性變和生物力學(xué)特性改變。目前單獨(dú)應(yīng)用于纖維環(huán)損傷的生物學(xué)修復(fù)技術(shù)還未應(yīng)用于臨床，但許多在大動(dòng)物模型的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，使用生物學(xué)修復(fù)策略治療后的椎間盤(pán)能夠恢復(fù)到同健康椎間盤(pán)最大承受內(nèi)壓的2/3[18]，具備較好的生物力學(xué)性能。此外，一項(xiàng)使用細(xì)胞移植自體骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)治療椎間盤(pán)退化后1年的臨床進(jìn)展隨訪發(fā)現(xiàn)，其疼痛、殘疾狀況和生活質(zhì)量較外科干預(yù)患者短期改善效果更為有利[19]。各項(xiàng)研究都表明，利用生物學(xué)修復(fù)策略來(lái)促進(jìn)纖維環(huán)以及鄰近椎間盤(pán)的再生長(zhǎng)，較傳統(tǒng)修復(fù)方式更為安全有效。

2.2 纖維環(huán)修復(fù)的生物學(xué)治療 由纖維環(huán)損傷引起的椎間盤(pán)退變是非常普遍的，通過(guò)修復(fù)受損的纖維環(huán)可預(yù)防或治療IVDD。然而，由于纖維環(huán)的內(nèi)源性愈合能力較差，難以依靠自我修復(fù)達(dá)到治療的目的。因此，研究椎間盤(pán)纖維環(huán)再生的生物學(xué)治療是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。椎間盤(pán)纖維環(huán)的生物療法可以分為3大類(lèi)：基于細(xì)胞移植的治療，材料學(xué)為主的組織工程治療，以及改變內(nèi)源性基因表達(dá)和功能的基因治療，在近來(lái)的相關(guān)研究中展現(xiàn)了具有潛力的治療前景[20]。

2.2.1 細(xì)胞療法 細(xì)胞治療是通過(guò)植入、替換損傷和凋亡的細(xì)胞，促進(jìn)椎間盤(pán)中的細(xì)胞再生以提高纖維環(huán)中的活細(xì)胞量[21]，是纖維環(huán)修復(fù)的理想方法。目前細(xì)胞療法最理想的種子細(xì)胞還沒(méi)有定論，可能的細(xì)胞來(lái)源包括從椎間盤(pán)提取的自體軟骨細(xì)胞、椎間盤(pán)細(xì)胞和干細(xì)胞。由于自體軟骨細(xì)胞與纖維環(huán)細(xì)胞有相似的細(xì)胞表型[22]，可用于纖維環(huán)細(xì)胞治療，但由于蛋白多糖與膠原的比例低于椎間盤(pán)細(xì)胞，可能不是細(xì)胞移植治療的最佳來(lái)源。研究發(fā)現(xiàn)，自體纖維環(huán)細(xì)胞可能是纖維環(huán)修復(fù)理想的細(xì)胞來(lái)源[23]，但由于臨床取材困難，而且其細(xì)胞密度較低，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用價(jià)值。間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)在不同環(huán)境下可分化為特定細(xì)胞，作為種子細(xì)胞具有較大優(yōu)勢(shì)，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，同種異體干細(xì)胞在纖維環(huán)和髓核的修復(fù)中均顯示了有意義的作用[24]。但這一方法目前尚處實(shí)驗(yàn)階段，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的定向分化和應(yīng)用產(chǎn)生的倫理問(wèn)題仍有待解決。

2.2.2 組織工程 組織工程修復(fù)纖維環(huán)技術(shù)的基本思路是將種子細(xì)胞與纖維環(huán)修復(fù)支架共培養(yǎng)后植入纖維環(huán)破口，借助植入細(xì)胞的再生長(zhǎng)使纖維環(huán)破口得到生物學(xué)修復(fù)[25]。纖維環(huán)組織工程的種子細(xì)胞主要是纖維環(huán)細(xì)胞和MSC等。目前諸多國(guó)內(nèi)外學(xué)者己成功通過(guò)靜電紡絲、冷凍干燥、濕紡等技術(shù)構(gòu)建多種纖維環(huán)支架。最近的研究表明，電紡角層結(jié)構(gòu)和膠原凝膠復(fù)合材料能夠部分復(fù)制或模擬纖維環(huán)組織的結(jié)構(gòu)[26-27]。但彈性性能缺失及穩(wěn)定性是亟待解決的問(wèn)題。3D生物打印支架成為解決穩(wěn)定性問(wèn)題的新選擇[28]，但主要缺點(diǎn)是當(dāng)前的3D修復(fù)纖維環(huán)方法無(wú)法形成維持纖維環(huán)細(xì)胞黏附和表型的纖維形態(tài)。缺乏合適的打印材料[29]以及纖維環(huán)組織結(jié)構(gòu)、功能實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，是組織工程在纖維環(huán)修復(fù)臨床應(yīng)用上所面臨的挑戰(zhàn)之一。此外，選擇適合的生物活性因子來(lái)模擬自然纖維環(huán)的生存環(huán)境，從而誘導(dǎo)種子細(xì)胞的分化和維持細(xì)胞表型[30]，創(chuàng)造有利于纖維環(huán)細(xì)胞修復(fù)和再生的環(huán)境是另一關(guān)鍵。有研究發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)分化因子(GDF)-5、結(jié)締組織生長(zhǎng)因子(CTGF)和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(TGF)-β3有助于干細(xì)胞向纖維環(huán)細(xì)胞的生長(zhǎng)分化[31-33]，相關(guān)研究雖然證實(shí)在體外實(shí)驗(yàn)中纖維環(huán)支架的有效性，但缺少動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明該支架在椎間盤(pán)特殊的微環(huán)境中能否發(fā)揮功能。此外，相關(guān)研究表明，富含血小板血漿(PRP)可作為促進(jìn)生物椎間盤(pán)修復(fù)的潛在治療候選者[34]，具有良好的應(yīng)用前景。然而，生物活性因子的劑量、制備方法和作用機(jī)制等尚未形成共識(shí)，仍有待進(jìn)一步研究。

2.2.3 基因治療 基因治療是將目的基因通過(guò)病毒或非病毒載體轉(zhuǎn)入細(xì)胞并表達(dá)特定的基因或蛋白，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)疾病的治療或預(yù)防[35]。其相對(duì)長(zhǎng)期的治療效果對(duì)治療緩慢進(jìn)展的椎間盤(pán)退化具有潛在優(yōu)勢(shì)。在基因治療中，靶基因的選擇和載體至關(guān)重要。在纖維環(huán)損傷的基因治療方面，目前最常用的是病毒載體，比如利用慢病毒載體轉(zhuǎn)染shRNA來(lái)抑制C/EBP同源蛋白的表達(dá)，阻止纖維環(huán)細(xì)胞的凋亡[36]。而腺相關(guān)病毒載體因其較少的免疫原性和非致病性而被廣泛應(yīng)用。XI等[37]通過(guò)腺相關(guān)病毒轉(zhuǎn)染的rAAV-hVEGF165和AAV-TGF-β1共培養(yǎng)證明hVEGF165聯(lián)合TGF-β1可協(xié)同促進(jìn)退變椎間盤(pán)纖維環(huán)細(xì)胞I型膠原蛋白的表達(dá)，能促進(jìn)受損纖維環(huán)的修復(fù)。

雖然基因治療最初主要是通過(guò)病毒載體介導(dǎo)的，但技術(shù)進(jìn)步使得包括微泡增強(qiáng)超聲技術(shù)、RNA 干擾、多鏈膠束和CRISPR/Cas9 等非病毒基因治療應(yīng)用于椎間盤(pán)成為可能[38]。CAMBRIA 等[39]報(bào)道了在體外通過(guò)CRISPR/Cas9 基因編輯系統(tǒng)成功敲除了瞬變感受器電位蛋白V4(TRPV4)基因，從而抑制了纖維環(huán)損傷中的炎癥反應(yīng)，有望成為治療纖維環(huán)損傷引起的慢性腰痛的新技術(shù)。另外，MASAAKI 等[40]的研究表明，mTOR信號(hào)通路參與了兔纖維環(huán)細(xì)胞的增殖和代謝周期的調(diào)節(jié)，相關(guān)調(diào)節(jié)蛋白或基因可作為基因治療的潛在靶點(diǎn)。非病毒基因治療可以減少病毒基因治療帶來(lái)的致突變性和病毒感染的風(fēng)險(xiǎn)，避免了病毒基因治療的許多局限性，為基因治療的應(yīng)用帶來(lái)新的可能。但是，成本高昂、轉(zhuǎn)染率低和靶向性差是非病毒基因治療應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)。

3 展望

生理情況下，纖維環(huán)的自我修復(fù)能力微弱而緩慢，通過(guò)生物學(xué)修復(fù)的方法有助于恢復(fù)纖維環(huán)結(jié)構(gòu)和功能的完整性，這對(duì)于緩解甚至逆轉(zhuǎn)IVDD 有重要意義。對(duì)于輕度和中度IVDD，通過(guò)細(xì)胞移植可能是一種有效的治療方法。然而，對(duì)于需要結(jié)構(gòu)支持的嚴(yán)重IVDD，通過(guò)組織工程可以更好地實(shí)現(xiàn)多功能治療。同時(shí)，基因治療相對(duì)長(zhǎng)期的療效在治療緩慢進(jìn)展的椎間盤(pán)退化方面具有潛在的優(yōu)勢(shì)。雖然目前纖維環(huán)生物學(xué)修復(fù)的相關(guān)研究已經(jīng)取得了可喜的進(jìn)展，但這些修復(fù)方法尚未超越臨床前動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，同時(shí)這些技術(shù)在恢復(fù)椎間盤(pán)生物力學(xué)上的長(zhǎng)期效能仍有待證實(shí)。此外，更好的種子細(xì)胞來(lái)源、組織工程材料的選擇、靶基因的構(gòu)建以及良好的生物相容性，在保證纖維環(huán)強(qiáng)度的同時(shí)恢復(fù)椎間盤(pán)力學(xué)結(jié)構(gòu)的完整性等關(guān)鍵難題尚未解決。如能解決這些問(wèn)題，細(xì)胞移植、基因治療、纖維環(huán)組織工程構(gòu)建等新方法將在椎間盤(pán)纖維環(huán)修復(fù)領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用，成為椎間盤(pán)退行性疾病治療的新方向。