水凝胶人工髓核应用于椎间盘退变的研究进展
椎间盘退变性疾病是临床的常见病多发病也是常常导致患者生活质量下降乃至劳动能力丧失的重要病因目前椎间盘重建手术在临床普遍开展但治疗效果尚存在争议水凝胶材料因其出色的物理化学特性而被广泛应用于椎间盘人工髓核的制备中本文将阐述水凝胶应用于椎间盘再生的发展历史及研究现状
历史背景
椎间盘是位于两块相邻椎体之间的软骨结构具有连接两椎体提供支持和缓冲机械压力及冲击震荡的功能由中央的髓核NP 及包绕髓核的纤维环组成纤维环外层与透明软骨板相连并将髓核锚定在椎体之间防止其脱出随着年龄增长或者外伤等因素椎间盘逐渐出现退化椎间盘退变的确切分子生物学机制尚不明确一般认为与炎症因子及诸多细胞因子综合作用有关Sox9等基因在椎间盘退变中扮演了重要角色基质金属蛋白酶MMPs 的合成及其抑制剂失衡也被证明是导致椎间盘退变的重要原因在髓核退变的过程中髓核渗透压逐渐降低并脱水最终导致脊柱不稳引起疼痛
椎间盘退变的传统治疗方法包括非手术治疗和手术治疗非手术治疗可以缓解症状但无法阻止椎间盘退变的继续进展手术治疗包括脊柱融合手术及髓核摘除术前者虽然能取得较好的临床疗效但是脊柱融合术会引起临近节段退变而单纯的髓核摘除术会导致椎间高度降低纤维环张力下降加速关节退变并使脊柱稳定性降低因此髓核置换手术因其可以恢复纤维环的张力和脊柱稳定性而不影响椎体终板的完整性从而更成功的重建椎间盘的功能
根据置换髓核的来源不同可分为同体髓核移植异体髓核移植及髓核假体移植同体移植由于组织来源严重不足而无法大规模应用于临床实践异体移植由于存在严重的免疫排斥反应至今尚无重大研究进展因此应用人造组织工程材料制造的髓核假体成为目前的研究热点而寻找可以替代髓核组织的合适材料成为开展髓核替换的首要任务新型材料应该解决以下难题: ①生物力学性能与正常髓核相似具有维持纤维环张力恢复椎间盘高度以及吸收缓冲震荡等能力 ②良好的生物相容性耐受磨损不在体内降解不产生排斥反应③材料外形易于置入甚至可行微创手术并不破坏椎体终板的完整性 ④材料可以牢固锚定于注入位置
Van den BroekPR等人针对目前的四种髓核假体设计概念设计了四个模型分别是均质人造橡胶复合硬质人造橡胶带纤维套的人造橡胶以及带纤维套的水凝胶测定这四个模型与人体椎间盘机械功能的拟合程度发现带纤维套的水凝胶比其余三种材料更能模拟椎间盘的非线性行为从而使脊柱保持适当的活动范围而生理活动范围的保持有利于重建脊柱运动及保护周围组织加之水凝胶具有如天然髓核般的膨胀及压缩特性能够模拟人体髓核液态静力学功能随着脊柱应力负荷的变化而相应的吸收和释放水分以及其具有不发生免疫排斥反应的特性因此水凝胶是一种极其适合的假体髓核材料
研究现状
20 世纪90 年代中期Ray等与Ray－medica公司使用有延展性但没有弹性的聚乙烯纤维薄膜包裹水凝胶做成枕形的人工髓核PDN成为目前临床应用最多的髓核假体但其临床效果尚且存在争论SelviaridisP针对36 例进行了PDN 置入手术的患者进行了平均100.6个月的追踪发现患者的腰椎活动范围虽然比正常人局限但仍保持了较大的活动性椎间盘高度比术前显著增加运动功能得到极大保留对患者使用功能障碍量表ODI及直观模拟标尺度VAS进行量化发现患者临床症状明显缓解但是PDN中长期移植在治疗腰椎间盘退变的时候并不像短期那样理想Ma对34例接受PDN移植的患者进行平均526个月的随访随访结束时所有患者的下肢放射性疼痛改善ODI上升至31. 2%但是下背部疼痛加重VAS上升至3. 1术后比术前平均椎间盘高度下降13.5%关节活动度ROM下降至6.8分终板退变或破裂比例高达64.7%置入装置移位25例因此PDN并不能很好的长期取代髓核的功能因此开发新的替代材料对下一代髓核假体的开发极其重要
近年来关于新型水凝胶材料人工髓核的研究很多材料来源包括生物来源以及化工合成等方面透明质酸是髓核细胞外基质的重要成分以其为基础制造的水凝胶材料在新一代人工髓核开发中具有重要地位Leckie 将硫醇改进的透明质酸与模拟弹性纤维的多肽复合物注入猪腰椎间盘退变模型发现其椎间连接力学特性与正常对照组相近
Zhou为了验证水凝胶修复能否恢复椎间盘吸收冲击力的功能将二硫化合物交联的透明质酸水凝胶注入猪腰椎间盘切除模型与正常对照组及手术对照组对比证实水凝胶可明显重建椎间盘抗冲击能力P＜0.05 除透明质酸外其他水凝胶材料也被广泛用于椎间盘修复Borge开发了一种20－三甲基丙烯酸酯N－乙烯基－2－吡咯烷酮复合成纤维性纤维素使其具有膨胀和
压缩特性以及形态学上的相似性和免疫无排斥性具有多孔渗水以及均匀的受力结构可以在形态学和功能学上替代人体髓核此外纤维素的含量还可以调节膨胀系数和弹力系数使之与髓核相适应并且可以增强材料的力学特性更好的重建纤维环的负重功能水凝胶复合细胞作为水凝胶治疗椎间盘退变的新阶段也成为近期研究的热点Leckie 发现注入椎间盘的水凝胶呈分散模式为细胞及生长因子的渗入创造了条件在生理条件下髓核细胞层粘连蛋白之间的相互作用可以促进细胞黏附和生物合成将其加入水凝胶支架体系可以促进细胞成型和存活Francisco制造了一种注入式层粘连蛋白Ⅲ功能化复合水凝胶作为载体将髓核细胞注入椎间盘并使髓核细胞停留在椎间盘之中为细胞的运输及驻留创造了条件
Silva证实基于结冷胶的水凝胶支架体系不仅具有与髓核相近的功能并且对细胞没有毒性对血管中的免疫物质具有屏障作用为细胞的存活创造了条件Pereira 创新使用无免疫排斥反应的可生物降解的结冷胶微粒MPS 复合水凝胶MPS 可以调节水凝胶的力学特性及降解速率同时使用鼠肺纤维细胞L929细胞 进行生物毒性实验发现水凝胶不仅没有毒性还能将细胞包裹起来在72 h 后仍然保持活性Ben 使用一种悬浮有椎间盘细胞的生物活性的清蛋白/透明质酸混合水凝胶溶液进行动物实验当水凝胶注入时便会聚合呈凝胶状使细胞锚定在注入部位他将11 只绵羊的腰椎间盘刺伤在L12椎间盘只添加水凝胶在L23椎间盘注入复合细胞的水凝胶在L34椎间盘做损伤对照L45做空白对照证实细胞复合的水凝胶可以显著促进椎间盘修复Firith 制造了一种基于酶交联聚乙烯乙二醇/透明质酸水凝胶支架体系并加入聚合硫酸盐戊聚糖PPS 诱导间充质前体细胞的软骨发生将其植入大鼠皮下免疫耐受良好证明这种材料有明显作为组织工程材料的应用潜能并为水凝胶复合细胞治疗椎间盘退变增加了新思路
发展前景
种子细胞的来源是组织工程学的一个关键因素脐带间充质干细胞具有简单易得多向分化的优点可以作为人造椎间盘的种子细胞在TGF－β诱导下脐带间充质干细胞可向软骨细胞定向分化同时具有分泌胶原成分透明质酸及层粘连蛋白等细胞外基质的能力此外由于脐带间充质干细胞为免疫缺陷细胞异体移植几乎无免疫排斥反应适用于不同个体之间的移植
Mercuri将人脐带间充质干细胞在一种仿生猪细胞来源水凝胶APNP中培养在特定化学物质作用下可检测出髓核mRNA 的表达证实脐带间充质干细胞具有分化为髓核细胞的潜能Zhao等利用壳聚糖制造了一种可注入支架发现人脐带间充质细胞可以良好生长解决了细胞相容性问题因此如果制造一种仿生水凝胶支架材料复合脐带间充质干细胞通过改变体系中各组分比例来使体系获得适合的力学性能并解决水凝胶降解与软骨组织成熟之间的平衡问题使注入的复合材料最终转化为自然人体椎间盘将是水凝胶治疗椎间盘退变的一个新的发展方向
综上所述水凝胶人工髓核治疗椎间盘退变具有其合理性及实用性虽然目前尚处于研究试验阶段但是具有广泛的发展前景
