引用本文： 魏富鑫, 鐘銳, 王樂, 崔尚斌, 劉少喻, 鄒學農, 周治宇, 梁子建. 雌性恒河猴腰椎骨密度與椎間盤退變的相關關系分析. 中國修復重建外科雜志, 2014, 28(6): 718-722. doi: 10.7507/1002-1892.20140160 復制
臨床研究表明脊柱退變常伴發骨質疏松，但關于骨質疏松與腰椎間盤退變間的相關性及其相互影響機制仍不清楚[1-4]。有學者通過大鼠實驗發現，椎間盤退變與骨質疏松可能存在負相關[5]。但也有研究顯示，骨質疏松與椎間盤退變間無明顯相關性[6]。以上研究結果差異可能與導致骨質疏松與椎間盤退變的影響因素眾多，以及目前缺乏與人類椎間盤退變過程相近的動物模型進行研究有關。直立爬行的靈長類動物恒河猴由于有接近人類的解剖生理，已用于脊柱退變動物模型構建研究。另外，近年出現的T1ρ-MRI技術可用于測量組織中蛋白多糖的含量，為量化評價椎間盤退變奠定了基礎[7]。本研究擬采用恒河猴為實驗動物，結合T1ρ-MRI技術分析并闡述骨密度與腰椎間盤退變的相關關系，為探討骨質疏松以及腰椎退變性疾病的病因、發病機制提供參考依據。
1 材料與方法
1.1 實驗動物及主要儀器
正常成年雌性恒河猴20只，年齡4～20歲，平均10.9歲；其中4～8歲6只、8～12歲5只、12～15歲5只、15～20歲4只。體重5.3～10.8 kg，平均7.4 kg。由廣東藍島動物實驗中心提供。單籠飼養，室溫控制在25℃左右，正常光照，混合人工飼料加水果、蔬菜適應性飼養半年。
Osteocore雙能X線骨密度測定儀（MEDILINK公司，法國）；1.5 Tesla 磁共振儀（Philips公司，荷蘭）。
1.2 實驗方法
1.2.1 骨密度測量
取20只實驗動物，肌肉注射地西泮（2.5 mg/kg）和氯胺酮（10 mg/kg）混合麻醉。采用Osteocore雙能X線骨密度測定儀，前后位法測量L4、5椎體及雙髖ward三角區骨密度（g/cm2）。儀器由計算機控制，自動定位、測量和存儲數據，重復測量誤差 ＜ 1%。取L4、5椎體骨密度平均值作為腰椎骨密度值，雙髖ward三角區骨密度平均值作為髖骨ward三角區骨密度值。
1.2.2 MRI測量
使用1.5 Tesla 磁共振儀進行L4、5椎間盤掃描，采用8通道腰椎線圈。T1WI和T2WI采用快速自旋回波脈沖序列，T2-mapping技術處理前的T2WI圖像采集采用多回波自旋回波序列，T1ρ-mapping采用快速自旋鎖定脈沖序列，動態增強MRI采用矢狀位T1脂肪抑制快速自旋回波序列。掃描參數：T1WI：回波時間（time of echo，TE）12 ms，脈沖重復時間（time of repetition，TR）540 ms，視野（field of view，FOV）200 mm，層厚2～3 mm；T2WI：TE 100 ms，TR 1 900 ms；T1ρ-MRI掃描采用矢狀位，FOV 28 cm × 28 cm，層厚3 cm，層間距0.3 cm，自旋鎖定時間（time of spin-locking，TSL）設為15、30、45、60 ms，獲取4組T1ρ-MRI圖像。MRI掃描后，根據Pfirrmann分級標準[8]，對L4、5椎間盤進行分級（圖 1）。Ⅰ級椎間盤組織信號均勻，呈白色高信號，椎間高度正常；Ⅱ級椎間盤組織信號不均勻，仍呈白色高信號或間有水平灰帶，髓核和纖維環境界清楚，椎間高度正常；Ⅲ級椎間盤信號不均勻，呈暗灰色信號，髓核和纖維環境界不清，但是椎間高度正常或略有下降；Ⅳ級椎間盤組織信號不均勻，呈黑色低信號，髓核和纖維環境界消失，椎間高度丟失。Pfirrmann分級由3位放射科醫師進行評估，數據收集后，對評估結果不同的椎間盤進行討論，最終共同確定其Pfirrmann分級。
圖1
不同Pfirrmann分級T1ρ-mapping 圖像 ? Ⅰ級 ? Ⅱ級 ? Ⅲ級 ? Ⅳ級 ? ?? ?將4組TSL不同的T1ρ-MRI圖像輸入T1ρ圖像處理程序（通過國際合作由丹麥奧胡斯大學協助在本院安裝、測試與使用）自動處理，經T1ρ-mapping產生T1ρ圖像，選定感興趣區域（range of interest，ROI），ROI為直徑5 mm圓圈，定位于髓核中央，測量并記錄T1ρ弛豫時間，即T1ρ值（圖 2）。T1ρ與TSL之間滿足指數方程關系：S（x）=A（x）·e [7]，其中S表示MRI信號強度，x表示所測定物質，A為TSL為0時的信號強度。
1.3 統計學方法
采用SPSS16.0統計軟件進行分析。數據以均數± 標準差表示，腰椎與髖骨ward三角區骨密度值比較采用t檢驗；各年齡段間骨密度值比較采用方差分析，兩兩比較采用LSD-t檢驗。腰椎間盤 T1ρ值與年齡、體重、腰椎骨密度值、髖骨ward三角區骨密度值間的相關性采用Pearson相關分析，腰椎間盤Pfirrmann分級與年齡、體重、腰椎骨密度值、髖骨ward三角區骨密度值以及腰椎間盤T1ρ值之間的相關性采用Spearman相關分析；檢驗水準α=0.05。
2 結果
本組腰椎骨密度值為（0.64 ± 0.17）g/cm2，髖骨ward三角區骨密度值為（0.67 ± 0.19）g/cm2，比較差異無統計學意義（t=2.893，P=0.128）。除8～12歲與12～15歲年齡段腰椎及髖骨ward三角區差異無統計學意義（P＞ 0.05）外，其余各年齡段間比較差異均有統計學意義（P＜ 0.05），見表 1。L4、5椎間盤按Pfirrmann分級標準：Ⅰ級7例，Ⅱ級8例，Ⅲ級5例。腰椎間盤T1ρ值為（104.08 ± 18.65）ms，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級分別為（121.31 ± 13.44）、（104.73 ± 15.01）、（77.41 ± 11.87） ms。
表1
各年齡段恒河猴腰椎及髖骨ward三角區骨密度值（g/cm2，腰椎間盤 T1ρ值與年齡、腰椎骨密度值以及髖骨ward三角區骨密度值間均成負相關。L4、5椎間盤Pfirrmann分級與年齡、腰椎骨密度值以及髖骨ward三角區骨密度值均成正相關；與腰椎間盤T1ρ值成負相關，詳見表 2。
表2
腰椎間盤T1ρ值、Pfirrmann分級與年齡、體重、骨密度值相關關系分析
Table2.
Correlations of T1ρ value and Pfirrmann grading with age,weight,and BMD
3 討論
椎間盤退變性疾病是臨床常見病和多發病，也是下腰痛的主要原因[6]。但目前關于該病病因和病理生理機制尚未明確。有學者通過觀察不同程度骨密度患者椎間盤形態學的改變，發現骨質疏松嚴重患者會出現椎間盤退變表現，且兩者成正相關[2, 9]。因此，有學者認為骨質疏松與椎間盤退變可能存在相似的發病機制[3, 10]。研究發現，在突出椎間盤組織中IL-1、IL-6、TNF等炎性因子的含量明顯高于正常椎間盤[10-11]。炎性因子過表達會影響椎間盤分解與合成代謝的平衡，導致降解酶增加和基質蛋白減少[12]。而炎性因子在骨質疏松過程中也起著重要調節作用[13]。有學者認為，骨質疏松導致椎體終板骨代謝改變以及終板力學性能的改變，進而導致椎體終板與椎間盤之間的營養交換發生改變，是其影響椎間盤退變的因素之一[1]。但也有研究結果表明，骨質疏松和腰椎間盤退變之間存在負相關關系[2, 14]。
為解決上述爭議，首先需要建立一種可靠的椎間盤退變動物模型，并將其標準化。其不僅能為研究相互影響機制及相關關系提供有利條件，更可為治療退變椎間盤的各種研究提供良好實驗載體[15]。恒河猴屬于人類近屬動物，其解剖生理和脊柱生物力學特點與人類較接近，因此本研究選擇其作為實驗對象進行觀測。根據恒河猴與人類1∶3.5的年齡換算，本研究選用了4～20歲的恒河猴，囊括了人類青少年到老年的年齡跨度，且骨密度測量結果顯示，隨著年齡增長（15歲以后），恒河猴椎體及髖骨ward三角區骨密度呈下降趨勢，我們認為可能與內分泌代謝有關。這一現象與人類一致，因此本研究結論具有一定參考意義。
以往研究常根據MRI掃描T1、T2信號的變化來評估椎間盤退變情況，存在準確度不高、誤差較大等缺點。T1ρ-MRI技術能探測組織器官中蛋白多糖，并可量化分析其含量[16-17]，而蛋白多糖是腰椎間盤退變的分子標記。因此，該技術可以無創監測腰椎間盤退變的發展過程、評價其退變程度。Zuo等[18]應用T1ρ-MRI技術對26例椎間盤突出患者椎間盤進行評估，發現T1ρ值與椎間盤蛋白多糖含量成正相關。Zobel等[19]采用T1ρ-MRI技術對63例受試者椎間盤進行評估發現，T1ρ值與椎間盤退變Pfirrmann分級存在顯著相關性，因此認為其可作為臨床量化評價椎間盤退變的影像學方法。Wang等[20]分別應用T1ρ-MRI技術與傳統T2-mapping序列評價椎間盤退變，結果發現，與T2弛豫時間相比，T1ρ值的靈敏度更高，認為其在評價早期椎間盤退變方面具有顯著優勢。為此，本研究應用T1ρ-MRI技術量化評價恒河猴的腰椎間盤T1ρ值，并分析其與腰椎骨密度的相關關系。
結果顯示，恒河猴腰椎及髖骨ward三角區骨密度值與腰椎間盤T1ρ值成負相關。有學者認為椎間盤退變患者腰椎骨密度之所以高于同齡人群，與椎間盤退變導致椎間生物力學環境發生改變，進而導致椎體骨質增生有關[21]。提示椎體骨密度變化可能是臨床評價椎間盤退變發生、發展以及預后的指標之一。此外，椎間盤T1ρ值與Pfirrmann分級也成負相關，進一步明確其作為椎間盤退變的量化評價指標可靠。但由于實驗動物數量有限，且尚未建立各級腰椎間盤退變與T1ρ值的相關關系，有待進一步研究明確其在不同程度椎間盤退變中的評價作用。既往文獻報道，年齡是椎間盤退變的重要影響因素之一[22-23]。本研究結果顯示，年齡與椎間盤T1ρ值成負相關，提示年齡是椎間盤退變進程中不可忽略的一個因素。但是不同年齡段恒河猴骨密度存在顯著差異，且隨著年齡增長（15歲以后），骨密度呈明顯下降趨勢。因此，上述三者如何相互影響、相互作用，尚需進一步臨床及實驗研究加以明確。
綜上述，本研究進一步證實了骨質疏松與椎間盤退變間存在負相關關系，明確了骨質疏松與椎間盤退變的相互影響機制，為腰椎退變性疾患的預防和診治提供了新思路。
臨床研究表明脊柱退變常伴發骨質疏松，但關于骨質疏松與腰椎間盤退變間的相關性及其相互影響機制仍不清楚[1-4]。有學者通過大鼠實驗發現，椎間盤退變與骨質疏松可能存在負相關[5]。但也有研究顯示，骨質疏松與椎間盤退變間無明顯相關性[6]。以上研究結果差異可能與導致骨質疏松與椎間盤退變的影響因素眾多，以及目前缺乏與人類椎間盤退變過程相近的動物模型進行研究有關。直立爬行的靈長類動物恒河猴由于有接近人類的解剖生理，已用于脊柱退變動物模型構建研究。另外，近年出現的T1ρ-MRI技術可用于測量組織中蛋白多糖的含量，為量化評價椎間盤退變奠定了基礎[7]。本研究擬采用恒河猴為實驗動物，結合T1ρ-MRI技術分析并闡述骨密度與腰椎間盤退變的相關關系，為探討骨質疏松以及腰椎退變性疾病的病因、發病機制提供參考依據。
1 材料與方法
1.1 實驗動物及主要儀器
正常成年雌性恒河猴20只，年齡4～20歲，平均10.9歲；其中4～8歲6只、8～12歲5只、12～15歲5只、15～20歲4只。體重5.3～10.8 kg，平均7.4 kg。由廣東藍島動物實驗中心提供。單籠飼養，室溫控制在25℃左右，正常光照，混合人工飼料加水果、蔬菜適應性飼養半年。
Osteocore雙能X線骨密度測定儀（MEDILINK公司，法國）；1.5 Tesla 磁共振儀（Philips公司，荷蘭）。
1.2 實驗方法
1.2.1 骨密度測量
取20只實驗動物，肌肉注射地西泮（2.5 mg/kg）和氯胺酮（10 mg/kg）混合麻醉。采用Osteocore雙能X線骨密度測定儀，前后位法測量L4、5椎體及雙髖ward三角區骨密度（g/cm2）。儀器由計算機控制，自動定位、測量和存儲數據，重復測量誤差 ＜ 1%。取L4、5椎體骨密度平均值作為腰椎骨密度值，雙髖ward三角區骨密度平均值作為髖骨ward三角區骨密度值。
1.2.2 MRI測量
使用1.5 Tesla 磁共振儀進行L4、5椎間盤掃描，采用8通道腰椎線圈。T1WI和T2WI采用快速自旋回波脈沖序列，T2-mapping技術處理前的T2WI圖像采集采用多回波自旋回波序列，T1ρ-mapping采用快速自旋鎖定脈沖序列，動態增強MRI采用矢狀位T1脂肪抑制快速自旋回波序列。掃描參數：T1WI：回波時間（time of echo，TE）12 ms，脈沖重復時間（time of repetition，TR）540 ms，視野（field of view，FOV）200 mm，層厚2～3 mm；T2WI：TE 100 ms，TR 1 900 ms；T1ρ-MRI掃描采用矢狀位，FOV 28 cm × 28 cm，層厚3 cm，層間距0.3 cm，自旋鎖定時間（time of spin-locking，TSL）設為15、30、45、60 ms，獲取4組T1ρ-MRI圖像。MRI掃描后，根據Pfirrmann分級標準[8]，對L4、5椎間盤進行分級（圖 1）。Ⅰ級椎間盤組織信號均勻，呈白色高信號，椎間高度正常；Ⅱ級椎間盤組織信號不均勻，仍呈白色高信號或間有水平灰帶，髓核和纖維環境界清楚，椎間高度正常；Ⅲ級椎間盤信號不均勻，呈暗灰色信號，髓核和纖維環境界不清，但是椎間高度正常或略有下降；Ⅳ級椎間盤組織信號不均勻，呈黑色低信號，髓核和纖維環境界消失，椎間高度丟失。Pfirrmann分級由3位放射科醫師進行評估，數據收集后，對評估結果不同的椎間盤進行討論，最終共同確定其Pfirrmann分級。
圖1
不同Pfirrmann分級T1ρ-mapping 圖像 ? Ⅰ級 ? Ⅱ級 ? Ⅲ級 ? Ⅳ級 ? ?? ?將4組TSL不同的T1ρ-MRI圖像輸入T1ρ圖像處理程序（通過國際合作由丹麥奧胡斯大學協助在本院安裝、測試與使用）自動處理，經T1ρ-mapping產生T1ρ圖像，選定感興趣區域（range of interest，ROI），ROI為直徑5 mm圓圈，定位于髓核中央，測量并記錄T1ρ弛豫時間，即T1ρ值（圖 2）。T1ρ與TSL之間滿足指數方程關系：S（x）=A（x）·e [7]，其中S表示MRI信號強度，x表示所測定物質，A為TSL為0時的信號強度。
1.3 統計學方法
采用SPSS16.0統計軟件進行分析。數據以均數± 標準差表示，腰椎與髖骨ward三角區骨密度值比較采用t檢驗；各年齡段間骨密度值比較采用方差分析，兩兩比較采用LSD-t檢驗。腰椎間盤 T1ρ值與年齡、體重、腰椎骨密度值、髖骨ward三角區骨密度值間的相關性采用Pearson相關分析，腰椎間盤Pfirrmann分級與年齡、體重、腰椎骨密度值、髖骨ward三角區骨密度值以及腰椎間盤T1ρ值之間的相關性采用Spearman相關分析；檢驗水準α=0.05。
2 結果
本組腰椎骨密度值為（0.64 ± 0.17）g/cm2，髖骨ward三角區骨密度值為（0.67 ± 0.19）g/cm2，比較差異無統計學意義（t=2.893，P=0.128）。除8～12歲與12～15歲年齡段腰椎及髖骨ward三角區差異無統計學意義（P＞ 0.05）外，其余各年齡段間比較差異均有統計學意義（P＜ 0.05），見表 1。L4、5椎間盤按Pfirrmann分級標準：Ⅰ級7例，Ⅱ級8例，Ⅲ級5例。腰椎間盤T1ρ值為（104.08 ± 18.65）ms，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級分別為（121.31 ± 13.44）、（104.73 ± 15.01）、（77.41 ± 11.87） ms。
表1
各年齡段恒河猴腰椎及髖骨ward三角區骨密度值（g/cm2，腰椎間盤 T1ρ值與年齡、腰椎骨密度值以及髖骨ward三角區骨密度值間均成負相關。L4、5椎間盤Pfirrmann分級與年齡、腰椎骨密度值以及髖骨ward三角區骨密度值均成正相關；與腰椎間盤T1ρ值成負相關，詳見表 2。
表2
腰椎間盤T1ρ值、Pfirrmann分級與年齡、體重、骨密度值相關關系分析
Table2.
Correlations of T1ρ value and Pfirrmann grading with age,weight,and BMD
3 討論
椎間盤退變性疾病是臨床常見病和多發病，也是下腰痛的主要原因[6]。但目前關于該病病因和病理生理機制尚未明確。有學者通過觀察不同程度骨密度患者椎間盤形態學的改變，發現骨質疏松嚴重患者會出現椎間盤退變表現，且兩者成正相關[2, 9]。因此，有學者認為骨質疏松與椎間盤退變可能存在相似的發病機制[3, 10]。研究發現，在突出椎間盤組織中IL-1、IL-6、TNF等炎性因子的含量明顯高于正常椎間盤[10-11]。炎性因子過表達會影響椎間盤分解與合成代謝的平衡，導致降解酶增加和基質蛋白減少[12]。而炎性因子在骨質疏松過程中也起著重要調節作用[13]。有學者認為，骨質疏松導致椎體終板骨代謝改變以及終板力學性能的改變，進而導致椎體終板與椎間盤之間的營養交換發生改變，是其影響椎間盤退變的因素之一[1]。但也有研究結果表明，骨質疏松和腰椎間盤退變之間存在負相關關系[2, 14]。
為解決上述爭議，首先需要建立一種可靠的椎間盤退變動物模型，并將其標準化。其不僅能為研究相互影響機制及相關關系提供有利條件，更可為治療退變椎間盤的各種研究提供良好實驗載體[15]。恒河猴屬于人類近屬動物，其解剖生理和脊柱生物力學特點與人類較接近，因此本研究選擇其作為實驗對象進行觀測。根據恒河猴與人類1∶3.5的年齡換算，本研究選用了4～20歲的恒河猴，囊括了人類青少年到老年的年齡跨度，且骨密度測量結果顯示，隨著年齡增長（15歲以后），恒河猴椎體及髖骨ward三角區骨密度呈下降趨勢，我們認為可能與內分泌代謝有關。這一現象與人類一致，因此本研究結論具有一定參考意義。
以往研究常根據MRI掃描T1、T2信號的變化來評估椎間盤退變情況，存在準確度不高、誤差較大等缺點。T1ρ-MRI技術能探測組織器官中蛋白多糖，并可量化分析其含量[16-17]，而蛋白多糖是腰椎間盤退變的分子標記。因此，該技術可以無創監測腰椎間盤退變的發展過程、評價其退變程度。Zuo等[18]應用T1ρ-MRI技術對26例椎間盤突出患者椎間盤進行評估，發現T1ρ值與椎間盤蛋白多糖含量成正相關。Zobel等[19]采用T1ρ-MRI技術對63例受試者椎間盤進行評估發現，T1ρ值與椎間盤退變Pfirrmann分級存在顯著相關性，因此認為其可作為臨床量化評價椎間盤退變的影像學方法。Wang等[20]分別應用T1ρ-MRI技術與傳統T2-mapping序列評價椎間盤退變，結果發現，與T2弛豫時間相比，T1ρ值的靈敏度更高，認為其在評價早期椎間盤退變方面具有顯著優勢。為此，本研究應用T1ρ-MRI技術量化評價恒河猴的腰椎間盤T1ρ值，并分析其與腰椎骨密度的相關關系。
結果顯示，恒河猴腰椎及髖骨ward三角區骨密度值與腰椎間盤T1ρ值成負相關。有學者認為椎間盤退變患者腰椎骨密度之所以高于同齡人群，與椎間盤退變導致椎間生物力學環境發生改變，進而導致椎體骨質增生有關[21]。提示椎體骨密度變化可能是臨床評價椎間盤退變發生、發展以及預后的指標之一。此外，椎間盤T1ρ值與Pfirrmann分級也成負相關，進一步明確其作為椎間盤退變的量化評價指標可靠。但由于實驗動物數量有限，且尚未建立各級腰椎間盤退變與T1ρ值的相關關系，有待進一步研究明確其在不同程度椎間盤退變中的評價作用。既往文獻報道，年齡是椎間盤退變的重要影響因素之一[22-23]。本研究結果顯示，年齡與椎間盤T1ρ值成負相關，提示年齡是椎間盤退變進程中不可忽略的一個因素。但是不同年齡段恒河猴骨密度存在顯著差異，且隨著年齡增長（15歲以后），骨密度呈明顯下降趨勢。因此，上述三者如何相互影響、相互作用，尚需進一步臨床及實驗研究加以明確。
綜上述，本研究進一步證實了骨質疏松與椎間盤退變間存在負相關關系，明確了骨質疏松與椎間盤退變的相互影響機制，為腰椎退變性疾患的預防和診治提供了新思路。
