骨水泥加压灌注对椎间盘退变的影响

摘要：

经皮椎体成形术（PVP）凭借其创伤小、操作简单、止痛效果好等诸多优点在临床应用中快速发展，已经成为骨质疏松性椎体骨折最常见的治疗方法，其中骨水泥(PMMA)加压灌注为当前PVP的主要方法，然而近年来国内外诸多文献从生物力学、生物化学、分子生物学等多方面角度报导了PMMA灌注对于相邻椎间盘退变产生一定影响。本文对研究骨水泥加压灌注后对椎间盘退变的影响有关的实验研究文献所得出的结论做一概括性综述。旨在为骨水泥作为填充材料方面的应用提供依据。

关键词：骨水泥;经皮椎体成形术;椎间盘退变;生物力学;生物化学;分子生物学

1.引言

1958年，John Charnley爵士首次定义并且成功应用“丙烯酸骨水泥”，将股骨头假体植入股骨上，随即发表了相关的手术经验（Charnley，1960）。随后Henricksen等1953；Wiltse等1957年；Hullinger等1962经过多次试验和临床病例分析证明了固化后的PMMA与正常的人体组织具有良好的生物相容性。1984年法国放射科医师Deramond^【1】等首次将PMMA作为骨填充材料成功治疗一例椎体血管瘤患者，从而为经皮椎体成型术（PVP）开创了先河。经过数十年的快速发展，PVP已经被世界各国的专业人士所认可，成为椎体骨折，锥体肿瘤等椎体疾病的有效方法。但是随着骨水泥的广泛应用，诸多由于骨水泥灌注对患者造成的诸多不良影响也逐渐的暴露出来，尤其是骨水泥灌注后对患者邻近椎间盘的退变性影响近年来越来越受到医务工作者以及科研人员的关注。

2.1.骨水泥加压灌注对椎间盘退变的生物力学影响。

  椎间盘细胞外基质的降解及基质与细胞黏附功能减退所导致的细胞凋亡是椎间盘发生退行性变的主要原因^【2】，进而造成椎间盘生物力学的改变。樊晓光^［3］等通过对动物分组对照实验的方法，给不同实验组灌注不同剂量PMMA与无PMMA灌注的正常组做对照，得出在首先保证可达到手术目的前提下，根据患者个体情况的不同选择合适的骨水泥量，可以有效预防由于骨水泥过量而引起的并发症，术中为了避免由于椎体内骨水泥分布不均匀所导致的椎间盘应力不均匀，应当尽量选择在粘稠期注入椎体，穿刺针不宜过分接近终板，以免破坏终板软骨。由此实验可见，在相同环境下注入PMMA的量对椎间盘的退变具有不同影响。Luo^[4]等实验研究发现对手术椎体注入少量的骨水泥即可达到恢复骨折椎体强度的目的，手术椎体骨水泥的渗漏发生率和上下椎间盘的压力会随着骨水泥注入量的增高而增高，当上下椎间盘所承受的压力超过其自身的缓冲能力后会导致其生物力学的改变最终加快其退变。Qian^［5］等通过临床病例的统计对照试验也同样发现了VP术后椎间盘的退变与椎间盘压力增高有关。赵必增^【6】等行中间椎体骨折模型后分别加入PMMA和CPC做对比试验，分析椎体成形强化后对相邻椎间盘、椎体的力学影响。经过对比实验发现骨折椎体成形后椎间盘和椎体（尤其是椎间盘）所承受的应力和位移会有一定程度的增加。Wong^【7】等通过动物学实验研究发现生物力学的改变可引起椎间盘细胞合成、分泌、代谢的紊乱。因为静水压对软骨细胞代谢具有强有力的调节作用，异常高或低的静水压均可抑制细胞代谢。终板损伤后降低了髓核的静水压，抑制椎间盘软骨细胞合成基质，从而加速基质降解，诱发和加速椎间盘退变。随着PVP术后骨水泥加压灌注所造成的上下椎间盘压力增高，相邻椎间盘所承受的应力也逐渐增加，引起椎间盘的退变。因此椎间盘生物力学的改变是其发生退行性变的一个很重要因素。

2.2.骨水泥加压灌注对椎间盘退变生物化学、分子生物学影响。

椎间盘的主要成分是水、蛋白多糖、胶原纤维。在椎间盘发生退行性变时最主要的变化表现为微蛋白多糖含量的减少，而蛋白多糖的基本组成单位是糖胺多糖（GAG），可见GAG的含量对维持椎间盘的正常功能具有重要作用。Kluba^［8］等通过体外培养牛和猪的椎间盘发现在椎间盘受到压应力、张应力和震动时，蛋白多糖的合成量降低。进而加速椎间盘的退行性变。赵辉^［9］等通过对不同实验组家犬加压灌注不同量和不同类型的PMMA后通过对照试验发现：骨水泥渗漏后会导致椎间盘的GAG含量下降进而导致蛋白多糖的合成量减少，椎间盘的GAG含量改变与骨水泥深入椎间盘的量和时间有关，同时与骨水泥的类型也有关。从生化角度看骨水泥对椎间盘的退化影响主要表现在GAG含量的改变。Liu^[10]等通过动物对照实验研究发现，处于异常高应力环境下的椎间盘细胞会产生NO和基质金属蛋白酶（MMPs）等细胞因子，在抑制PG的合成的同时促进降解反应。基质溶解因子（MMP7）是一类重要的基质金属蛋白酶，能够裂解椎间盘内主要的基质分子包括蛋白聚糖^【11】和Ⅱ型胶原^【12】。毛海青^【13】等通过空白对照和假手术组相比较的实验方法发现，PMMA颗粒进入椎间盘后能使椎间盘内的MMP7免疫染色阳性细胞的比例明显增加，说明骨水泥处理后能增加MMP7在椎间盘的表达，从而导致椎间盘退变，再进一步运用TUNEL法检测髓核细胞凋亡情况时发现对照组和PMMA组凋亡细胞的比例明显增高，随着退变程度的加重，椎间盘细胞数量的减少，凋亡细胞的数量也随之减少，由此可见椎间盘细胞的凋亡与椎间盘退变密切相关，该实验表明PMMA颗粒通过髓核细胞凋亡，从而促使椎间盘发生退变。赵刚^【14】等通过对行椎体成形术后患者随访的方式经过统计学论证发现，PMMA确实存在着：凝固过程中产生的热效应易损伤椎体周围的血管神经；且后期不能被骨代替；在椎体内永远是一种异物；随着时间延长，PMMA固化后的机械强度会逐渐下降等缺点。综上所述在PVP术中，过量的PMMA渗漏后会对椎间盘造成一个异常应力的环境，造成终板的血管分布明显减少，导致终板椎间盘营养物质的减少，椎间盘的主要物质蛋白多糖生成减少，而且渗漏的PMMA颗粒会造成MMP7的高表达和凋亡细胞的增多。在多种生物化学和物理学等方面的影响因素下最终导致椎间盘发生退行性变。

2.3.不同种类、粘度骨水泥以及不同手术方法对椎间盘退变的影响。

在众多研究者进行骨水泥加压灌注后对椎间盘退变影响的实验都得出了多方面的原因。丁涛^[15]等通过将椎间盘加入普通营养液（对照组）、PMMA、丝素复合磷酸钙骨水泥（SF/CPC）以及磷酸钙骨水泥（CPC）培养液中进行对照试验的方法发现所有实验组培养液下的椎间盘都发生了不同程度的退变，但这其中又以PMMA对椎间盘的细胞活性、基质代谢影响最为明显，SF／CPC较CPC对椎间盘组织有更好的生物相容性。倪才方^【16】等通过运用PMMA和CPC两种不同骨水泥材料对椎间盘加压灌注进行对照实验得出PMMA、CPC均导致椎间盘的退变，但是PMMA所致椎间盘退变较CPC更为严重。陈诗谋^【17】 等通过回顾性分析对行PVP或PKP治疗患者49例纳入研究的椎间盘共计230个做空白对照实验得出PVP或PKP术可加速邻近椎间盘的退变，其影响程度与手术椎体中骨水泥是否对称分布无关，与骨水泥是否接触软骨终板中央区域有关的实验结论。Yu^【18】等利用环糊(β-CDs)和无定型磷酸钙(ACP)制备出一种新型的CPC , 该材料表现出较好的固化性能、流变学特性、抗溃散能力以及可注射性, 液/固比为0 .5mL/g 时注射性高达99%。综合考虑骨水泥的各项性能, 他们认为液/固比在0 .4 -0 .5mL/g 之间的骨水泥有望在临床上得到应用。综合以上实验研究的结果不难发现骨水泥加压灌注对椎间盘退变的影响与骨水泥的种类、粘度以及骨水泥加压灌注的区域等因素有直接的关系。

3.小结

从众多学者们的实验研究中，我们可以看到骨水泥在临床应用时还存在很多不尽人意的地方，无论是现用的任何一种骨水泥材料均会引起椎体相邻椎间盘的退变，综合多项实验结论，可以总结为PMMA对椎间盘退变的影响主要存在于多个方面，在临床应用时一定要注意根据患者实际情况用量、选用合适的骨水泥种类以及熟练掌握骨水泥正确的使用方法尽量避免因操作不当而造成患者椎间盘以及其他组织的创伤。随着研究的不断深入，相信会有更多骨水泥灌注对椎间盘影响的因素被发现，同时在众多科研工作者不懈的努力下也将会有效果更好、创伤更小、更适合临床应用的填充材料被研制出来以取代目前广泛应用的骨水泥材料，为临床工作中提供更优的治疗技术和方法。

参考文献

【1】Galibert P，eramondH，Rosat P，ei al Preliminarynote OD the treatment of vertebral axtgioma by percutaneous acrylicvertebroplasty Neurcrhimlrgie 1987；33：166—168

【2】Walker M，AndersonD．Molecular basis of intervertebnd disc degenemtien[

J]．Spine J，2004，4(Suppl)：158-166．

【3】樊晓光,彭长亮,武士清.椎体成形术对兔手术椎体相邻椎间盘的影响[J].中国矫形外科杂志,2013(07):78-83.

【4】Luo J，Daines L，Charalambous A，et al. Vertebroplasty onlysmall cement volumes are required to normalize stress distributions onthevertebral bodies ［J］. Spine，2009，26: 2865 －2873.

【5】Qian J，Yang HL，Jing JH，et al. The early stage adjacent discde-generation after percutaneous vertebroplasty and kyphoplasty in thetreatment of osteoporotic VCFs ［J］. Plos ONE，2012，10:46323.

【6】赵必增,王以进,李家顺.椎体成形术后邻近椎间盘、椎体的力学性质变化[J].医用生物力学,2002(04):24-28.

【7】Wong M,Siegrist M,Goodwin K,Cyclic tensilestrain and hydrostatic

chondrocytes[J].Bone,2003,33;685-693.

【8】Kluba T,Niemeyer T,Gaissmaier G,etal.Human annulus fibrosis and nucleus pulposus cells of the intervertebraldisc:effect of degeneration and culture susrem on cell phenotype[J].Spine(Phila Pa 1976).2005,30:2743-2748.

【9】赵辉,倪才方,陈珑.骨水泥椎间盘渗漏后组织学和细胞凋亡的实验研究[J].中华放射学杂志,2007(12):121-124.

【10】Liu GZ,shiharaH,OsdaR,et al.Nitric OxideMediates the changes of proteoglycan synrhesis in the human lumbarintervertebral disc in response to hydrostaticpressure[J].spine,2001,26,134-141.

【11】Roughley PJ.  Biology  of  intervertebral  disc aging  and  degeneration: involvement  of  the extracellular matrix. Spine (Phila Pa 1976) 2004;29:2691-9.

【12】Adams MA, Freeman BJ, Morrison HP, et al.Mechanical initiation of intervertebral disc degeneration. Spine (Phila Pa 1976)2000;25:1625-36.  

【13】毛海青.椎体成形术骨水泥渗漏对椎间盘退变的影响及作用机制的实验研究[D].苏州大学,2012.

【14】Zhao GShi XQ，ZhengHL．Zhongguo Gushang 2008；21(1)：4-6．赵刚，史相钦，郑怀亮．经皮椎体成形术190例疗效评价[J]．中国骨伤，2008，21(1)：4-6．

【15】丁涛,杨惠林,吴继彬.骨水泥对椎间盘细胞凋亡、基质蛋白多糖及胶原代谢的影响[J].山东医药,2010(14):12-14.

【16】倪才方,赵辉,陈珑.两种骨水泥渗漏对椎间盘影响的实验研究[J].中华骨科杂志,2007,27(4):263-267.

【17】陈诗谋.经皮椎体成形及后凸成形术对邻近椎间盘影响的观察[D].重庆医科大学， 2015

【18】Tao Y, etal.Synthesis and pr operty o f a novel calcium pho sphate

cement[ J] .J Biomed Ma te r Res B, 2009, 90(2):745