引用本文： 劉彬彬, 張柳, 田發明, 王文雅. 椎間盤退變動物模型及降鈣素治療的研究進展. 中國修復重建外科雜志, 2014, 28(8): 1051-1054. doi: 10.7507/1002-1892.20140229 復制
椎間盤退變疾病（disc degeneration disease，DDD）是中老年人群多發疾病，其退變機制尚不明確，椎間盤退變模型是研究退變機制和治療方法的重要途徑。目前椎間盤退變動物模型主要包括雙側卵巢切除（ovariectomy，OVX）模型、機械損傷模型、機械力學模型和生物學損傷模型等。降鈣素是由甲狀腺C細胞分泌的多肽類激素，可抑制破骨細胞活性，促進成骨細胞增殖，目前臨床用作一線抗骨質疏松藥物，另有研究報道降鈣素對部分椎間盤退變動物模型具有潛在保護作用[1]。本文對椎間盤退變動物模型及降鈣素治療的相關研究進展作一綜述。
1 體內實驗
1.1 雙側OVX模型
雌激素在人體椎間盤退變中起重要作用，Feigh 等[2]研究證實，更年期后女性椎間盤退變加劇與雌激素減少密切相關，他們用OVX大鼠觀察顯示椎間盤脊索細胞較正常大鼠顯著減少，提示OVX大鼠發生椎間盤退變。Wang等[3]研究發現OVX大鼠組L3～5椎體骨密度與不切除卵巢的假手術組相比顯著下降，提示椎間盤發生退變。
Nitta等[1]在證實OVX大鼠發生椎間盤退變后，進一步對OVX組、假手術組分別皮下注射10 U/kg降鈣素，發現注射降鈣素1～2周后，OVX組不僅椎體骨量上升速度顯著高于假手術組，而且在一定程度上延緩了椎間盤退變。Kavuncu等[4]以OVX大鼠模型模擬椎間盤退變，預防性應用低劑量（隔日皮下注射10 U/kg）與高劑量（隔日皮下注射20 U/kg）降鈣素6 周，觀察不同劑量降鈣素對椎間盤骨密度的影響。結果顯示，高劑量組椎體骨密度稍高于低劑量組，同時兩組椎間盤退變均延緩，并以高劑量組最為顯著。王文雅等[5]在證實OVX大鼠發生椎間盤退變的基礎上，進一步探討了預防性應用降鈣素（隔日皮下注射16 U/ kg）對椎間盤退變的防治效果，結果發現降鈣素可維持OVX大鼠椎體骨量，亦可延緩其椎間盤退變。隨后，該課題組深入研究了降鈣素在OVX術后8周開始干預對該模型的治療效果，結果發現降鈣素可促進椎間盤脊索細胞數量上升，抑制軟骨終板鈣化，進而延緩其退變進程[6]。雙側OVX模型制備簡便，常用于實驗研究椎間盤退變，降鈣素治療后效果明顯。
1.2 機械損傷模型
機械損傷模型是破壞椎間盤正常結構造成脊柱力學改變，從而導致椎間盤退變。因纖維環損傷與椎間盤退變密切相關，常采用細針損傷表層纖維環或手術撕裂全層纖維環造模。
Leung等[7]用19號細針由腹膜后損傷新西蘭白兔L2、3與L4、5表層纖維環，術后2～8周達到退變效果。Huang等[8]將纖維環全層撕裂以誘發椎間盤退變，番紅O染色示術后4周外層纖維環細胞排列紊亂，軟骨細胞較假手術組顯著減少；術后8周纖維環出現斷裂且髓核細胞急劇下降，說明椎間盤發生退變。Melrose等[9]認為機械損傷模型椎間盤退變原因可能是外周纖維環損傷后生物力學改變，導致內層髓核細胞凋亡，術后3周HE染色示椎間盤內部無完整髓核組織，髓核腔內被不規則纖維組織代替，外周纖維環同心圓結構紊亂消失，證實機械損傷可導致椎間盤退變。Kim等[10]在證實機械損傷可誘導椎間盤退變的基礎上，進一步應用MRI研究細針損傷椎間盤導致退變的程度，結果顯示21號細針造模效果優于18號細針。降鈣素干預機械損傷椎間盤退變模型報道較少，可能由于細針損傷程度不易控制，進一步影響椎間盤退變程度，此方法有操作的局限性。
1.3 機械力學模型
脊柱部分融合術導致鄰近節段椎間盤受力增加，加劇鄰近椎間盤退變。該術式誘導單節段發病，與臨床脊柱融合術后椎間盤退變機制相似，脊柱部分融合模型是機械力學模型的重要組成部分。
金格勒等[11]將兔椎體橫突背側部分皮質切除，植入橫突間以促進脊柱融合，結果顯示兔鄰近椎間盤發生明顯退變。Phillips等[12]將新西蘭白兔L4、5與L7～S1椎體融合9個月，影像學檢查顯示術后3個月相鄰椎間盤開始退變，術后6個月纖維環同心圓結構消失，術后9個月相鄰椎間隙有大量骨贅形成，說明脊柱部分融合術后椎間盤退變隨時間加劇[13]。Kiely等[14]發現新西蘭白兔經椎體融合術后椎間盤軟骨骨化表現較假手術組顯著。
Liu等[15]在證實機械力學模型誘導椎間盤退變的基礎上，應用降鈣素（隔日皮下注射1 U/kg）對腰椎融合術后的新西蘭白兔進行干預，融合術后1、2、4、8周椎間盤組織學觀察顯示，給藥組椎間盤退變緩解程度明顯優于不給藥組。范彧等[16]采用兔植骨融合術誘導椎間盤退變后，連續肌肉注射降鈣素（隔日皮下注射1 U/kg）8周，結果顯示降鈣素顯著促進椎間盤脊索細胞數量上升，進而延緩椎間盤退變進程。脊柱部分融合模型模擬椎間盤退變效果較好，但是造模方法較難掌握，人為干撓因素較多。
1.4 生物學損傷模型
生物學損傷模型包括外源性生物學損傷模型和內源性生物學損傷模型。外源性生物學損傷包括吸入有害氣體和注射化學藥物等誘發椎間盤退變，內源性生物學損傷包括自身營養障礙等誘發的椎間盤退變。
1.4.1 外源性生物學損傷模型
Oda等[17]研究發現，大鼠在被動吸煙8周后椎間盤細胞炎性因子分泌顯著增加，炎性因子在一定程度上可導致椎間盤退變，提示吸煙與椎間盤退變有一定關系。吳振凱等[18]選取大鼠尾椎注入硫酸軟骨素酶ABC溶液，3周后HE染色示椎間盤髓核腔不完整，纖維組織取代原有髓核組織，纖維環同心圓結構紊亂，提示外源性生物學損傷可導致椎間盤退變。Krebs等[19]將聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate，PMMA）注入成年羊腰椎間盤，在證實PMMA導致腰椎間盤退變的基礎上，進一步給予降鈣素治療（每天皮下注射10 U/kg，連續給藥5周），結果顯示降鈣素減少椎體骨量丟失的同時，延緩了椎間盤退變進程。
1.4.2 內源性生物學損傷模型
糖尿病可并發微血管病變，進而引發椎間盤退變。流行病學研究顯示人患糖尿病后椎間盤退變加劇。可采用糖尿病大鼠模型模擬糖尿病患者的椎間盤退變，該模型也是內源性生物學損傷模型的重要組成部分。
Chen等[20]組織學觀察發現，糖尿病大鼠造模后4、8、12周，椎間盤Ⅰ型膠原表達較非糖尿病組顯著增多，Ⅱ型膠原表達顯著下降，提示糖尿病大鼠椎間盤發生退變，且隨時間延長逐漸加劇。Illien-Junger等[21]發現糖尿病大鼠在造模數周后椎間盤高度進行性降低，椎間盤糖胺聚糖含量也有所減少，表明椎間盤發生進行性退變。
Feigh等[2]在證實糖尿病大鼠椎間盤退變的基礎上，研究降鈣素干預治療（隔日皮下注射2 mg/kg，連續給藥5周）椎間盤退變的效果。結果顯示降鈣素能延緩軟骨終板（軟骨終板血管是供應椎間盤營養的重要途徑）退變，從而延緩糖尿病大鼠椎間盤退變。內源性生物學損傷模型與外源性生物學損傷模型相比，造模更便捷，且人為干撓因素較少，適合樣本數量較多的實驗研究。
2 體外實驗
體外椎間盤退變模型常用椎間盤細胞進行造模，椎間盤細胞的體外退變模型多由炎性介質IL-1等誘導制備。Maeda等[22]將兔纖維環細胞浸入IL-1α受體拮抗蛋白培養基中，IL-1α是人體促炎性因子之一，也是椎間盤細胞表面主要的效應器，椎間盤細胞分泌促炎性因子使椎間盤細胞發生退變。Le Maitre等[23]研究發現IL-1可上調基質金屬蛋白酶3（matrix metalloproteinases 3，MMP-3）與MMP-13等的表達。MMPs能減少椎間盤髓索細胞數量，從而導致椎間盤退變。
綦惠等[24]在證實IL-1誘導椎間盤細胞退變基礎上，進一步研究降鈣素（1 × 10-8～1 × 10-6 mol/L）通過細胞外信號調節激酶1/2通路延緩椎間盤髓核細胞退變的效果。結果顯示降鈣素可明顯緩解椎間盤髓核細胞數量減少，進而延緩椎間盤退變。Chen等[25]研究發現降鈣素不僅可以通過調節MMPs及其mRNA的表達進行骨重塑，而且可以活化絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶B來調控細胞分化。體外椎間盤細胞的炎癥、變形與椎間盤細胞因子上調互為因果的關系已明確[26]，椎間盤細胞模型是體外椎間盤退變模型的重要組成部分，其培養方法和理論支持較為完善，較體內實驗周期短。
3 小結與展望
綜上述，不同椎間盤退變模型各具優缺點，選擇適宜的模型作為研究對象會起到事半功倍的效果。各種椎間盤退變模型為研究椎間盤退變機制提供了多種思路，也為臨床防治不同原因導致的椎間盤退變提供了新的實驗依據。降鈣素對椎間盤退變防治效果已初步證實，但其作用機制尚有待深入研究。近年研究結果均表明，降鈣素受體及降鈣素相關基因肽均參與調控椎間盤退變進程[27-28]，但兩者在降鈣素防治椎間盤退變過程中的作用尚未證實，可作為未來相關研究的靶點之一。
椎間盤退變疾病（disc degeneration disease，DDD）是中老年人群多發疾病，其退變機制尚不明確，椎間盤退變模型是研究退變機制和治療方法的重要途徑。目前椎間盤退變動物模型主要包括雙側卵巢切除（ovariectomy，OVX）模型、機械損傷模型、機械力學模型和生物學損傷模型等。降鈣素是由甲狀腺C細胞分泌的多肽類激素，可抑制破骨細胞活性，促進成骨細胞增殖，目前臨床用作一線抗骨質疏松藥物，另有研究報道降鈣素對部分椎間盤退變動物模型具有潛在保護作用[1]。本文對椎間盤退變動物模型及降鈣素治療的相關研究進展作一綜述。
1 體內實驗
1.1 雙側OVX模型
雌激素在人體椎間盤退變中起重要作用，Feigh 等[2]研究證實，更年期后女性椎間盤退變加劇與雌激素減少密切相關，他們用OVX大鼠觀察顯示椎間盤脊索細胞較正常大鼠顯著減少，提示OVX大鼠發生椎間盤退變。Wang等[3]研究發現OVX大鼠組L3～5椎體骨密度與不切除卵巢的假手術組相比顯著下降，提示椎間盤發生退變。
Nitta等[1]在證實OVX大鼠發生椎間盤退變后，進一步對OVX組、假手術組分別皮下注射10 U/kg降鈣素，發現注射降鈣素1～2周后，OVX組不僅椎體骨量上升速度顯著高于假手術組，而且在一定程度上延緩了椎間盤退變。Kavuncu等[4]以OVX大鼠模型模擬椎間盤退變，預防性應用低劑量（隔日皮下注射10 U/kg）與高劑量（隔日皮下注射20 U/kg）降鈣素6 周，觀察不同劑量降鈣素對椎間盤骨密度的影響。結果顯示，高劑量組椎體骨密度稍高于低劑量組，同時兩組椎間盤退變均延緩，并以高劑量組最為顯著。王文雅等[5]在證實OVX大鼠發生椎間盤退變的基礎上，進一步探討了預防性應用降鈣素（隔日皮下注射16 U/ kg）對椎間盤退變的防治效果，結果發現降鈣素可維持OVX大鼠椎體骨量，亦可延緩其椎間盤退變。隨后，該課題組深入研究了降鈣素在OVX術后8周開始干預對該模型的治療效果，結果發現降鈣素可促進椎間盤脊索細胞數量上升，抑制軟骨終板鈣化，進而延緩其退變進程[6]。雙側OVX模型制備簡便，常用于實驗研究椎間盤退變，降鈣素治療后效果明顯。
1.2 機械損傷模型
機械損傷模型是破壞椎間盤正常結構造成脊柱力學改變，從而導致椎間盤退變。因纖維環損傷與椎間盤退變密切相關，常采用細針損傷表層纖維環或手術撕裂全層纖維環造模。
Leung等[7]用19號細針由腹膜后損傷新西蘭白兔L2、3與L4、5表層纖維環，術后2～8周達到退變效果。Huang等[8]將纖維環全層撕裂以誘發椎間盤退變，番紅O染色示術后4周外層纖維環細胞排列紊亂，軟骨細胞較假手術組顯著減少；術后8周纖維環出現斷裂且髓核細胞急劇下降，說明椎間盤發生退變。Melrose等[9]認為機械損傷模型椎間盤退變原因可能是外周纖維環損傷后生物力學改變，導致內層髓核細胞凋亡，術后3周HE染色示椎間盤內部無完整髓核組織，髓核腔內被不規則纖維組織代替，外周纖維環同心圓結構紊亂消失，證實機械損傷可導致椎間盤退變。Kim等[10]在證實機械損傷可誘導椎間盤退變的基礎上，進一步應用MRI研究細針損傷椎間盤導致退變的程度，結果顯示21號細針造模效果優于18號細針。降鈣素干預機械損傷椎間盤退變模型報道較少，可能由于細針損傷程度不易控制，進一步影響椎間盤退變程度，此方法有操作的局限性。
1.3 機械力學模型
脊柱部分融合術導致鄰近節段椎間盤受力增加，加劇鄰近椎間盤退變。該術式誘導單節段發病，與臨床脊柱融合術后椎間盤退變機制相似，脊柱部分融合模型是機械力學模型的重要組成部分。
金格勒等[11]將兔椎體橫突背側部分皮質切除，植入橫突間以促進脊柱融合，結果顯示兔鄰近椎間盤發生明顯退變。Phillips等[12]將新西蘭白兔L4、5與L7～S1椎體融合9個月，影像學檢查顯示術后3個月相鄰椎間盤開始退變，術后6個月纖維環同心圓結構消失，術后9個月相鄰椎間隙有大量骨贅形成，說明脊柱部分融合術后椎間盤退變隨時間加劇[13]。Kiely等[14]發現新西蘭白兔經椎體融合術后椎間盤軟骨骨化表現較假手術組顯著。
Liu等[15]在證實機械力學模型誘導椎間盤退變的基礎上，應用降鈣素（隔日皮下注射1 U/kg）對腰椎融合術后的新西蘭白兔進行干預，融合術后1、2、4、8周椎間盤組織學觀察顯示，給藥組椎間盤退變緩解程度明顯優于不給藥組。范彧等[16]采用兔植骨融合術誘導椎間盤退變后，連續肌肉注射降鈣素（隔日皮下注射1 U/kg）8周，結果顯示降鈣素顯著促進椎間盤脊索細胞數量上升，進而延緩椎間盤退變進程。脊柱部分融合模型模擬椎間盤退變效果較好，但是造模方法較難掌握，人為干撓因素較多。
1.4 生物學損傷模型
生物學損傷模型包括外源性生物學損傷模型和內源性生物學損傷模型。外源性生物學損傷包括吸入有害氣體和注射化學藥物等誘發椎間盤退變，內源性生物學損傷包括自身營養障礙等誘發的椎間盤退變。
1.4.1 外源性生物學損傷模型
Oda等[17]研究發現，大鼠在被動吸煙8周后椎間盤細胞炎性因子分泌顯著增加，炎性因子在一定程度上可導致椎間盤退變，提示吸煙與椎間盤退變有一定關系。吳振凱等[18]選取大鼠尾椎注入硫酸軟骨素酶ABC溶液，3周后HE染色示椎間盤髓核腔不完整，纖維組織取代原有髓核組織，纖維環同心圓結構紊亂，提示外源性生物學損傷可導致椎間盤退變。Krebs等[19]將聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate，PMMA）注入成年羊腰椎間盤，在證實PMMA導致腰椎間盤退變的基礎上，進一步給予降鈣素治療（每天皮下注射10 U/kg，連續給藥5周），結果顯示降鈣素減少椎體骨量丟失的同時，延緩了椎間盤退變進程。
1.4.2 內源性生物學損傷模型
糖尿病可并發微血管病變，進而引發椎間盤退變。流行病學研究顯示人患糖尿病后椎間盤退變加劇。可采用糖尿病大鼠模型模擬糖尿病患者的椎間盤退變，該模型也是內源性生物學損傷模型的重要組成部分。
Chen等[20]組織學觀察發現，糖尿病大鼠造模后4、8、12周，椎間盤Ⅰ型膠原表達較非糖尿病組顯著增多，Ⅱ型膠原表達顯著下降，提示糖尿病大鼠椎間盤發生退變，且隨時間延長逐漸加劇。Illien-Junger等[21]發現糖尿病大鼠在造模數周后椎間盤高度進行性降低，椎間盤糖胺聚糖含量也有所減少，表明椎間盤發生進行性退變。
Feigh等[2]在證實糖尿病大鼠椎間盤退變的基礎上，研究降鈣素干預治療（隔日皮下注射2 mg/kg，連續給藥5周）椎間盤退變的效果。結果顯示降鈣素能延緩軟骨終板（軟骨終板血管是供應椎間盤營養的重要途徑）退變，從而延緩糖尿病大鼠椎間盤退變。內源性生物學損傷模型與外源性生物學損傷模型相比，造模更便捷，且人為干撓因素較少，適合樣本數量較多的實驗研究。
2 體外實驗
體外椎間盤退變模型常用椎間盤細胞進行造模，椎間盤細胞的體外退變模型多由炎性介質IL-1等誘導制備。Maeda等[22]將兔纖維環細胞浸入IL-1α受體拮抗蛋白培養基中，IL-1α是人體促炎性因子之一，也是椎間盤細胞表面主要的效應器，椎間盤細胞分泌促炎性因子使椎間盤細胞發生退變。Le Maitre等[23]研究發現IL-1可上調基質金屬蛋白酶3（matrix metalloproteinases 3，MMP-3）與MMP-13等的表達。MMPs能減少椎間盤髓索細胞數量，從而導致椎間盤退變。
綦惠等[24]在證實IL-1誘導椎間盤細胞退變基礎上，進一步研究降鈣素（1 × 10-8～1 × 10-6 mol/L）通過細胞外信號調節激酶1/2通路延緩椎間盤髓核細胞退變的效果。結果顯示降鈣素可明顯緩解椎間盤髓核細胞數量減少，進而延緩椎間盤退變。Chen等[25]研究發現降鈣素不僅可以通過調節MMPs及其mRNA的表達進行骨重塑，而且可以活化絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶B來調控細胞分化。體外椎間盤細胞的炎癥、變形與椎間盤細胞因子上調互為因果的關系已明確[26]，椎間盤細胞模型是體外椎間盤退變模型的重要組成部分，其培養方法和理論支持較為完善，較體內實驗周期短。
3 小結與展望
綜上述，不同椎間盤退變模型各具優缺點，選擇適宜的模型作為研究對象會起到事半功倍的效果。各種椎間盤退變模型為研究椎間盤退變機制提供了多種思路，也為臨床防治不同原因導致的椎間盤退變提供了新的實驗依據。降鈣素對椎間盤退變防治效果已初步證實，但其作用機制尚有待深入研究。近年研究結果均表明，降鈣素受體及降鈣素相關基因肽均參與調控椎間盤退變進程[27-28]，但兩者在降鈣素防治椎間盤退變過程中的作用尚未證實，可作為未來相關研究的靶點之一。