应力与腰椎小关节退变及方向变化关系的实验及临床研究

摘要

背景：退行性腰椎滑脱(Degenerafive Lumbar Spondylolisthesis,简称DLS)是指椎弓的完整性没有遭到破坏,由于腰椎的退行性变引起的相邻椎体之间的滑移,导致临床上出现下腰痛、神经根性疼痛、麻木、感觉异常或感觉、运动减退及间歇性跛行等临床表现的疾病。该病多见于50岁以上,以腰4/5滑脱多见,女性的发病率约是男性的4倍,总的发病率约为8.7％。随着人口老龄化,此病的发病率将会越来越高,给老年人的生活带来不便,给家庭和社会带来经济负担。
　　 自1930年Junghanns第一次描述退行性腰椎滑脱以来,随后许多学者进行了大量的研究,到目前为止对DLS的病因及发病机制的认识仍存在争议。既往认为DLS是全身、局部多因素作用的结果,其中妊娠、关节松弛和卵巢切除被认为是女性的易患因素；局部因素主要集中在腰椎间盘的退变、小关节的退变、周围软组织的退变松弛等。在引起DLS的诸多因素中,腰椎小关节的退变、小关节方向的矢状化改变及小关节不对称,在DLS的发生、发展过程中起着重要的作用,目前在这方面的研究结果也存在很大的争议。
　　 国内外很多研究发现,DLS的滑脱节段小关节方向更加偏向矢状位,认为小关节方向的矢状化是DLS的危险因素。这是由于原来近似冠状面的小关节向矢状面方向改变,导致其对抗脊椎前向剪切力的能力减弱,引起脊柱向前滑脱。但是有些学者认为小关节方向的矢状化与DLS并无相关性。然而小关节方向矢状化的原因目前仍不明确,研究结果迥异。目前存在两种不同的观点:一种观点认为小关节方向偏向矢状位是DLS的易患因素,DLS患者先天存在小关节偏向矢状位[7,6,10]；而有些学者则和这种观点不同,Love等认为,腰椎小关节方向的矢状化改变是退行性腰椎滑脱过程中小关节的病理改变,是小关节退变重新塑形的结果,并非先天存在的,并认为腰椎退变、腰骶角的增大、全身韧带的松弛、妊娠、激素水平改变等多种因素综合作用,导致腰椎小关节应力增加,小关节发展为骨性关节炎,关节重新塑形后方向偏向矢状位。Fujiwara等[13]认为小关节方向呈矢状化改变与小关节骨性关节炎是高度相关的,在没有DLS的人当中也存在。Pfirrmann等[14]认为,退行性腰椎滑脱的腰椎小关节呈矢状位是为了适应小关节病理和生物力学上的变化。更加矢状化的腰椎小关节可能存在腰椎后柱结构力学上的破绽,即对抗腰椎前移载荷的相对面积减小,增加了小关节局部的应力,从而可加速腰椎小关节退行性改变。戴力扬[9]认为小关节不对称对椎间盘退变和DLS有病因学意义。Cyron和Hutton]指出小关节不对称导致小关节在旋转时腰椎不稳,小关节转向更加偏向冠状面一侧的小关节,更加矢状化的小关节有更大的小关节压力,从而使这些节段小关节产生退行性变。
　　 腰椎小关节退变的发生和进展与异常应力载荷的关系密切。小关节的退变可能是由于通过小关节局部应力增加所诱发的。异常应力可以引起关节软骨退变已被很多研究所证实,有高应力与低应力两种学说,低应力首先引起软骨细胞退变,高应力首先引起基质破坏。尽管目前已经确定异常力学载荷是引起软骨损伤的重要原因,但是从软骨损伤发展到OA的确切机制目前仍然是未知的。虽然腰椎小关节退变和其他其他滑膜关节的类似,主要表现为骨性关节炎,但腰椎小关节骨性关节炎的发病机制还不清楚,应力与腰椎小关节退变及其方向变化的关系少有研究,本实验通过对小关节加载应力,测量小关节角度,观察腰椎小关节软骨退变后的病理学变化以及炎性细胞因子的表达,探讨异常应力导致腰椎小关节退变的机制以及小关节退变与小关节方向变化的关系。临床研究采用回顾性病例.对照设计,随机选取退行性腰椎滑脱患者和正常人各60名,测量小关节角度并计算出小关节不对称角度,观察小关节的退变程度,探讨退行性腰椎滑脱腰椎小关节不对称与小关节退变程度的关系及其临床意义。
　　 目的：
　　 1、通过建立腰椎间盘退变的动物模型,探讨纤维环穿刺抽吸髓核法诱导兔腰椎间盘退变建立动物模型的可行性,建立一种可靠、有效、可重复性好的兔腰椎间盘退变的动物模型,适用于研究椎间盘退变对腰椎小关节退变的影响。
　　 2、通过对兔腰椎小关节加载拉簧建立动物模型,观察高应力作用下腰椎小关节的病理变化,以探讨退变腰椎小关节的病理变化特点,以及高应力对腰椎小关节退变的影响。
　　 3、观察高应力作用下腰椎小关节方向的变化,探讨高应力对腰椎小关节方向变化的影响。
　　 4、观察腰椎小关节退变后其方向的变化,探讨腰椎小关节方向的改变与小关节退变的关系。
　　 5、观察炎性细胞因子在退变腰椎小关节软骨中的表达,探讨细胞因子在腰椎小关节软骨退变过程中的作用。
　　 6、探讨DLS腰椎小关节不对称与小关节退变程度的关系及其临床意义。
　　 方法：
　　 1、将24只6月龄健康新西兰白兔的L3/4、L5/6椎间盘纳入实验组,将L2/3、L4/5椎间盘作为对照组,实验组和对照组各48个椎间盘。戊巴比妥静脉麻醉后,采用右后外侧腹膜后入路,用无菌塑料套筒套住21G穿刺针,使其尖端保留5mm长度,于纤维环外侧平行终板方向刺入L3/4、L5/6椎间盘,抽吸髓核组织。术后6周,在静脉麻醉下进行腰椎MRI扫描,观察和分析L3/4、L5/6椎间盘的退变程度,并和对照组比较。
　　 2、将42只6月龄新西兰白兔随机分为4组:正常对照组(A组)6只,椎间盘退变组(B组)12只,小关节加力组(C组)12只,椎间盘退变小关节加力组(D组)12只。通过对C组和D组兔腰椎小关节(L3/4、L5/6)加载预制的拉簧,建立异常高应力下诱导腰椎小关节退变的动物模型。
　　 3、分别在术后4月、8月取兔腰椎标本,对兔腰椎标本进行MicroCT扫描,并在横断面测量腰椎小关节角,观察高应力下腰椎小关节方向的变化。
　　 4、收取兔腰椎小关节,进行番红O-快绿染色,观察软骨结构、基质着色情况,用Mankin软骨组织学.组织化学评分标准判断软骨退变程度。
　　 5、免疫组织化学染色,观察炎性细胞因子IL-1β、IL-6及TNF-α在退变腰椎小关节软骨中的表达。
　　 6、随机从2004年5月～2009年8月我院收治的102例DLS患者中选取60例作为观察组,从300名在我院行体检无脊柱疾患的人员中选取与DLS组年龄、性别相匹配的60名作为对照组。在MRI上测量L3/4、L4/5、L5/S1两侧小关节角并计算出小关节不对称角度,同时观察小关节的退变程度,将其分为4度。并对所测参数进行相关性分析。
　　 7、统计分析方法:采用SPSS13.0对测得的数据进行分析,计量资料采用(X)±S表示,两组间的比较,计量资料采用独立样本,检验,等级资料及计数资料采用Mann-Whitney U检验,计量资料多组间比较用单因素方差分析(One-wayANOVA)或Welch法,多重比较用LSD法或Dunnett T3法,等级资料及计数资料多组间的比较用Kruskal-Wallis H检验,多重比较用Mann-Whitney U检验,并对检验水准进行校正。小关节退变Mankin评分与小关节角度采用双变量相关性分析(Pearson)。小关节不对称角度与小关节退变程度采用双变量相关性分析(Spearman)。检验水准α=0.05。
　　 结果：
　　 1、术后6周兔腰椎MRI T2WI显示:L3/4、L5/6椎间盘信号降低变黑,而作为对照组的L2/3、L4/5椎间盘信号始终呈高信号,采用Mann-Whimey U检验显示,实验组(平均秩70.13)与对照组(平均秩26.88)间的改良Thompson分级有显著差异(U=114.000,P=0.000)。
　　 2、经单因素方差分析显示,4组间小关节角度有显著性差异(4月时F=3.862,P=0.016;8月时F=4.775,P=0.006)；用LSD方法进行多重比较显示,相同时间,A组和B组间的小关节角度均无显著性差异(P均>0.05),C组和D组间的小关节角度均无显著性差异(P均>0.05),小关节加力组(C组和D组)的小关节角度较小关节未加力组(A组和B组)小,差异均有显著性意义(P均<0.05)；同组8月时的小关节角度较4月时小,即同组8月时的小关节更偏向矢状位,差异均有显著性意义(P均<0.05)。
　　 3、兔腰椎小关节大体标本观察:正常兔腰椎小关节面呈灰白色、半透明、表面光滑,关节囊有弹性；轻度退变的小关节关节面呈淡黄色,关节软骨变薄；严重退变的小关节关节面有较大面积的软骨剥脱,软骨下骨质外露,关节突边缘有大量骨赘形成甚至融合,撕开关节仍可见关节面中央有软骨存在。
　　 4、小关节软骨番红O-快绿染色后,用Mankin组织学-组织化学评分标准判断软骨退变程度。经单因素方差分析显示,4组间的小关节退变程度有显著性差异(4月时F＝38.538,P=0.000；8月时F=55.125,P=0.000)；用LSD方法进行多重比较显示,相同时间,A组和B组间的小关节退变程度无显著差异(P均>0.05),C组和D组间的小关节退变程度无显著差异(P均>0.05)；小关节加力组(C组和D组)的小关节退变程度较小关节未加力组(A组和B组)严重,差异均有显著性意义(P均<0.05)；同组8月时小关节退变程度较4月时严重,差异均有显著性意义(P均<0.05)。小关节的退变程度与小关节角度之间存在负相关关系(4月时r=-0.527,P=0.000；8月时r=-0.424,P=0.003)。
　　 5、免疫组化染色显示,4月时A组和B组软骨表层的个别软骨细胞中呈IL-1β阳性表达,无TNF-α、IL-6表达；8月时A组和B组中上层软骨细胞及细胞外基质可见有IL-1β、IL-6及TNF-α的表达。4月时C组和D组中上层软骨细胞、甚至是全层均可见有IL-1β、IL-6及TNF-α的表达；8月时C组和D组均见有IL-1β、IL-6及TNF-α的表达,但由于基质降解变薄,软骨细胞凋亡,细胞因子表达的阳性率反而下降。同一退变软骨标本中呈IL—1β阳性染色的软骨细胞数稍多于呈IL-6、TNF-α阳性染色的软骨细胞数。
　　 6、腰椎左侧小关节方向比右侧更偏向矢状位,但这仅在DLS组L3/4(t=3.047,P=0.003)、L4/5(t=3.710,P=0.000)两个节段有显著性差异；DLS组小关节均比对照组相应节段更偏向矢状位,在L3/4(t=4.178,P=0.000)、L4/5(t=6.703,P=0.000)节段有显著性差异。DLS组三个节段间小关节不对称角度有显著性差异(F=10.440,P=0.000),DLS组中L4/5小关节不对称角度比L3/4(P=0.000)、L5/S1(P=0.102)大,而对照组三个节段小关节不对称角度无显著性差异(F=2.577,P=0.079)。DLS组三个阶段间小关节不对称程度有显著性差异(X2=23.647,P=0.000),对照组三个阶段间小关节不对称程度有显著性差异(X2=7.633,P=0.022),结果显示在DLS组中L4/5节段小关节不对称程度比另外2个节段严重,差异有显著性意义(P均<0.017),DLS组小关节不对称程度较对照组相应节段严重,差异有显著性意义(P均<0.05)。经用双变量相关分析显示:在下腰椎3个节段中,两组均显示小关节退变越严重,小关节不对称角度越大,小关节不对称与小关节退变程度呈正相关,Spearman相关检验均有显著性意义(P均<0.05)。
　　 结论：
　　 1、采用纤维环穿刺抽吸髓核的方法在不破坏椎间盘整体结构和自身免疫屏障的前提下可诱导兔椎间盘的进行性退变,可以为研究椎间盘退变对腰椎小关节退变的影响提供有效的动物模型。
　　 2、兔腰椎小关节和其它滑膜关节一样,在异常应力作用下可发展为骨性关节炎(OA),兔可以作为一种研究脊柱退行性疾病的稳定模型。应力作用时间越长,小关节退变越严重。小关节退变程度越重,小关节的方向越偏向矢状位,小关节退变程度与小关节角度之间存在负相关关系。
　　 3、退变的小关节软骨细胞可异常合成、分泌细胞因子,细胞因子参与了软骨细胞功能改变和基质降解,细胞因子在小关节退变的不同时期起着重要的作用,细胞因子表达的阳性强度与OA的严重程度不平行。椎间盘退变不是小关节OA的最重要的因素。
　　 4、小关节不对称在下腰椎中普遍存在:小关节不对称与小关节的退变程度呈正相关；小关节不对称不仅是小关节骨性关节炎重塑的结果,而且是小关节先天存在的形态学异常；小关节不对称增加了DLS的危险性,小关节不对称及退变程度对DLS具有病因学意义。