引用本文： 刘彬彬, 张柳, 田发明, 王文雅. 椎间盘退变动物模型及降钙素治疗的研究进展. 中国修复重建外科杂志, 2014, 28(8): 1051-1054. doi: 10.7507/1002-1892.20140229 复制
椎间盘退变疾病（disc degeneration disease，DDD）是中老年人群多发疾病，其退变机制尚不明确，椎间盘退变模型是研究退变机制和治疗方法的重要途径。目前椎间盘退变动物模型主要包括双侧卵巢切除（ovariectomy，OVX）模型、机械损伤模型、机械力学模型和生物学损伤模型等。降钙素是由甲状腺C细胞分泌的多肽类激素，可抑制破骨细胞活性，促进成骨细胞增殖，目前临床用作一线抗骨质疏松药物，另有研究报道降钙素对部分椎间盘退变动物模型具有潜在保护作用[1]。本文对椎间盘退变动物模型及降钙素治疗的相关研究进展作一综述。
1 体内实验
1.1 双侧OVX模型
雌激素在人体椎间盘退变中起重要作用，Feigh 等[2]研究证实，更年期后女性椎间盘退变加剧与雌激素减少密切相关，他们用OVX大鼠观察显示椎间盘脊索细胞较正常大鼠显著减少，提示OVX大鼠发生椎间盘退变。Wang等[3]研究发现OVX大鼠组L3～5椎体骨密度与不切除卵巢的假手术组相比显著下降，提示椎间盘发生退变。
Nitta等[1]在证实OVX大鼠发生椎间盘退变后，进一步对OVX组、假手术组分别皮下注射10 U/kg降钙素，发现注射降钙素1～2周后，OVX组不仅椎体骨量上升速度显著高于假手术组，而且在一定程度上延缓了椎间盘退变。Kavuncu等[4]以OVX大鼠模型模拟椎间盘退变，预防性应用低剂量（隔日皮下注射10 U/kg）与高剂量（隔日皮下注射20 U/kg）降钙素6 周，观察不同剂量降钙素对椎间盘骨密度的影响。结果显示，高剂量组椎体骨密度稍高于低剂量组，同时两组椎间盘退变均延缓，并以高剂量组最为显著。王文雅等[5]在证实OVX大鼠发生椎间盘退变的基础上，进一步探讨了预防性应用降钙素（隔日皮下注射16 U/ kg）对椎间盘退变的防治效果，结果发现降钙素可维持OVX大鼠椎体骨量，亦可延缓其椎间盘退变。随后，该课题组深入研究了降钙素在OVX术后8周开始干预对该模型的治疗效果，结果发现降钙素可促进椎间盘脊索细胞数量上升，抑制软骨终板钙化，进而延缓其退变进程[6]。双侧OVX模型制备简便，常用于实验研究椎间盘退变，降钙素治疗后效果明显。
1.2 机械损伤模型
机械损伤模型是破坏椎间盘正常结构造成脊柱力学改变，从而导致椎间盘退变。因纤维环损伤与椎间盘退变密切相关，常采用细针损伤表层纤维环或手术撕裂全层纤维环造模。
Leung等[7]用19号细针由腹膜后损伤新西兰白兔L2、3与L4、5表层纤维环，术后2～8周达到退变效果。Huang等[8]将纤维环全层撕裂以诱发椎间盘退变，番红O染色示术后4周外层纤维环细胞排列紊乱，软骨细胞较假手术组显著减少；术后8周纤维环出现断裂且髓核细胞急剧下降，说明椎间盘发生退变。Melrose等[9]认为机械损伤模型椎间盘退变原因可能是外周纤维环损伤后生物力学改变，导致内层髓核细胞凋亡，术后3周HE染色示椎间盘内部无完整髓核组织，髓核腔内被不规则纤维组织代替，外周纤维环同心圆结构紊乱消失，证实机械损伤可导致椎间盘退变。Kim等[10]在证实机械损伤可诱导椎间盘退变的基础上，进一步应用MRI研究细针损伤椎间盘导致退变的程度，结果显示21号细针造模效果优于18号细针。降钙素干预机械损伤椎间盘退变模型报道较少，可能由于细针损伤程度不易控制，进一步影响椎间盘退变程度，此方法有操作的局限性。
1.3 机械力学模型
脊柱部分融合术导致邻近节段椎间盘受力增加，加剧邻近椎间盘退变。该术式诱导单节段发病，与临床脊柱融合术后椎间盘退变机制相似，脊柱部分融合模型是机械力学模型的重要组成部分。
金格勒等[11]将兔椎体横突背侧部分皮质切除，植入横突间以促进脊柱融合，结果显示兔邻近椎间盘发生明显退变。Phillips等[12]将新西兰白兔L4、5与L7～S1椎体融合9个月，影像学检查显示术后3个月相邻椎间盘开始退变，术后6个月纤维环同心圆结构消失，术后9个月相邻椎间隙有大量骨赘形成，说明脊柱部分融合术后椎间盘退变随时间加剧[13]。Kiely等[14]发现新西兰白兔经椎体融合术后椎间盘软骨骨化表现较假手术组显著。
Liu等[15]在证实机械力学模型诱导椎间盘退变的基础上，应用降钙素（隔日皮下注射1 U/kg）对腰椎融合术后的新西兰白兔进行干预，融合术后1、2、4、8周椎间盘组织学观察显示，给药组椎间盘退变缓解程度明显优于不给药组。范彧等[16]采用兔植骨融合术诱导椎间盘退变后，连续肌肉注射降钙素（隔日皮下注射1 U/kg）8周，结果显示降钙素显著促进椎间盘脊索细胞数量上升，进而延缓椎间盘退变进程。脊柱部分融合模型模拟椎间盘退变效果较好，但是造模方法较难掌握，人为干挠因素较多。
1.4 生物学损伤模型
生物学损伤模型包括外源性生物学损伤模型和内源性生物学损伤模型。外源性生物学损伤包括吸入有害气体和注射化学药物等诱发椎间盘退变，内源性生物学损伤包括自身营养障碍等诱发的椎间盘退变。
1.4.1 外源性生物学损伤模型
Oda等[17]研究发现，大鼠在被动吸烟8周后椎间盘细胞炎性因子分泌显著增加，炎性因子在一定程度上可导致椎间盘退变，提示吸烟与椎间盘退变有一定关系。吴振凯等[18]选取大鼠尾椎注入硫酸软骨素酶ABC溶液，3周后HE染色示椎间盘髓核腔不完整，纤维组织取代原有髓核组织，纤维环同心圆结构紊乱，提示外源性生物学损伤可导致椎间盘退变。Krebs等[19]将聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate，PMMA）注入成年羊腰椎间盘，在证实PMMA导致腰椎间盘退变的基础上，进一步给予降钙素治疗（每天皮下注射10 U/kg，连续给药5周），结果显示降钙素减少椎体骨量丢失的同时，延缓了椎间盘退变进程。
1.4.2 内源性生物学损伤模型
糖尿病可并发微血管病变，进而引发椎间盘退变。流行病学研究显示人患糖尿病后椎间盘退变加剧。可采用糖尿病大鼠模型模拟糖尿病患者的椎间盘退变，该模型也是内源性生物学损伤模型的重要组成部分。
Chen等[20]组织学观察发现，糖尿病大鼠造模后4、8、12周，椎间盘Ⅰ型胶原表达较非糖尿病组显著增多，Ⅱ型胶原表达显著下降，提示糖尿病大鼠椎间盘发生退变，且随时间延长逐渐加剧。Illien-Junger等[21]发现糖尿病大鼠在造模数周后椎间盘高度进行性降低，椎间盘糖胺聚糖含量也有所减少，表明椎间盘发生进行性退变。
Feigh等[2]在证实糖尿病大鼠椎间盘退变的基础上，研究降钙素干预治疗（隔日皮下注射2 mg/kg，连续给药5周）椎间盘退变的效果。结果显示降钙素能延缓软骨终板（软骨终板血管是供应椎间盘营养的重要途径）退变，从而延缓糖尿病大鼠椎间盘退变。内源性生物学损伤模型与外源性生物学损伤模型相比，造模更便捷，且人为干挠因素较少，适合样本数量较多的实验研究。
2 体外实验
体外椎间盘退变模型常用椎间盘细胞进行造模，椎间盘细胞的体外退变模型多由炎性介质IL-1等诱导制备。Maeda等[22]将兔纤维环细胞浸入IL-1α受体拮抗蛋白培养基中，IL-1α是人体促炎性因子之一，也是椎间盘细胞表面主要的效应器，椎间盘细胞分泌促炎性因子使椎间盘细胞发生退变。Le Maitre等[23]研究发现IL-1可上调基质金属蛋白酶3（matrix metalloproteinases 3，MMP-3）与MMP-13等的表达。MMPs能减少椎间盘髓索细胞数量，从而导致椎间盘退变。
綦惠等[24]在证实IL-1诱导椎间盘细胞退变基础上，进一步研究降钙素（1 × 10-8～1 × 10-6 mol/L）通过细胞外信号调节激酶1/2通路延缓椎间盘髓核细胞退变的效果。结果显示降钙素可明显缓解椎间盘髓核细胞数量减少，进而延缓椎间盘退变。Chen等[25]研究发现降钙素不仅可以通过调节MMPs及其mRNA的表达进行骨重塑，而且可以活化丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶B来调控细胞分化。体外椎间盘细胞的炎症、变形与椎间盘细胞因子上调互为因果的关系已明确[26]，椎间盘细胞模型是体外椎间盘退变模型的重要组成部分，其培养方法和理论支持较为完善，较体内实验周期短。
3 小结与展望
综上述，不同椎间盘退变模型各具优缺点，选择适宜的模型作为研究对象会起到事半功倍的效果。各种椎间盘退变模型为研究椎间盘退变机制提供了多种思路，也为临床防治不同原因导致的椎间盘退变提供了新的实验依据。降钙素对椎间盘退变防治效果已初步证实，但其作用机制尚有待深入研究。近年研究结果均表明，降钙素受体及降钙素相关基因肽均参与调控椎间盘退变进程[27-28]，但两者在降钙素防治椎间盘退变过程中的作用尚未证实，可作为未来相关研究的靶点之一。
椎间盘退变疾病（disc degeneration disease，DDD）是中老年人群多发疾病，其退变机制尚不明确，椎间盘退变模型是研究退变机制和治疗方法的重要途径。目前椎间盘退变动物模型主要包括双侧卵巢切除（ovariectomy，OVX）模型、机械损伤模型、机械力学模型和生物学损伤模型等。降钙素是由甲状腺C细胞分泌的多肽类激素，可抑制破骨细胞活性，促进成骨细胞增殖，目前临床用作一线抗骨质疏松药物，另有研究报道降钙素对部分椎间盘退变动物模型具有潜在保护作用[1]。本文对椎间盘退变动物模型及降钙素治疗的相关研究进展作一综述。
1 体内实验
1.1 双侧OVX模型
雌激素在人体椎间盘退变中起重要作用，Feigh 等[2]研究证实，更年期后女性椎间盘退变加剧与雌激素减少密切相关，他们用OVX大鼠观察显示椎间盘脊索细胞较正常大鼠显著减少，提示OVX大鼠发生椎间盘退变。Wang等[3]研究发现OVX大鼠组L3～5椎体骨密度与不切除卵巢的假手术组相比显著下降，提示椎间盘发生退变。
Nitta等[1]在证实OVX大鼠发生椎间盘退变后，进一步对OVX组、假手术组分别皮下注射10 U/kg降钙素，发现注射降钙素1～2周后，OVX组不仅椎体骨量上升速度显著高于假手术组，而且在一定程度上延缓了椎间盘退变。Kavuncu等[4]以OVX大鼠模型模拟椎间盘退变，预防性应用低剂量（隔日皮下注射10 U/kg）与高剂量（隔日皮下注射20 U/kg）降钙素6 周，观察不同剂量降钙素对椎间盘骨密度的影响。结果显示，高剂量组椎体骨密度稍高于低剂量组，同时两组椎间盘退变均延缓，并以高剂量组最为显著。王文雅等[5]在证实OVX大鼠发生椎间盘退变的基础上，进一步探讨了预防性应用降钙素（隔日皮下注射16 U/ kg）对椎间盘退变的防治效果，结果发现降钙素可维持OVX大鼠椎体骨量，亦可延缓其椎间盘退变。随后，该课题组深入研究了降钙素在OVX术后8周开始干预对该模型的治疗效果，结果发现降钙素可促进椎间盘脊索细胞数量上升，抑制软骨终板钙化，进而延缓其退变进程[6]。双侧OVX模型制备简便，常用于实验研究椎间盘退变，降钙素治疗后效果明显。
1.2 机械损伤模型
机械损伤模型是破坏椎间盘正常结构造成脊柱力学改变，从而导致椎间盘退变。因纤维环损伤与椎间盘退变密切相关，常采用细针损伤表层纤维环或手术撕裂全层纤维环造模。
Leung等[7]用19号细针由腹膜后损伤新西兰白兔L2、3与L4、5表层纤维环，术后2～8周达到退变效果。Huang等[8]将纤维环全层撕裂以诱发椎间盘退变，番红O染色示术后4周外层纤维环细胞排列紊乱，软骨细胞较假手术组显著减少；术后8周纤维环出现断裂且髓核细胞急剧下降，说明椎间盘发生退变。Melrose等[9]认为机械损伤模型椎间盘退变原因可能是外周纤维环损伤后生物力学改变，导致内层髓核细胞凋亡，术后3周HE染色示椎间盘内部无完整髓核组织，髓核腔内被不规则纤维组织代替，外周纤维环同心圆结构紊乱消失，证实机械损伤可导致椎间盘退变。Kim等[10]在证实机械损伤可诱导椎间盘退变的基础上，进一步应用MRI研究细针损伤椎间盘导致退变的程度，结果显示21号细针造模效果优于18号细针。降钙素干预机械损伤椎间盘退变模型报道较少，可能由于细针损伤程度不易控制，进一步影响椎间盘退变程度，此方法有操作的局限性。
1.3 机械力学模型
脊柱部分融合术导致邻近节段椎间盘受力增加，加剧邻近椎间盘退变。该术式诱导单节段发病，与临床脊柱融合术后椎间盘退变机制相似，脊柱部分融合模型是机械力学模型的重要组成部分。
金格勒等[11]将兔椎体横突背侧部分皮质切除，植入横突间以促进脊柱融合，结果显示兔邻近椎间盘发生明显退变。Phillips等[12]将新西兰白兔L4、5与L7～S1椎体融合9个月，影像学检查显示术后3个月相邻椎间盘开始退变，术后6个月纤维环同心圆结构消失，术后9个月相邻椎间隙有大量骨赘形成，说明脊柱部分融合术后椎间盘退变随时间加剧[13]。Kiely等[14]发现新西兰白兔经椎体融合术后椎间盘软骨骨化表现较假手术组显著。
Liu等[15]在证实机械力学模型诱导椎间盘退变的基础上，应用降钙素（隔日皮下注射1 U/kg）对腰椎融合术后的新西兰白兔进行干预，融合术后1、2、4、8周椎间盘组织学观察显示，给药组椎间盘退变缓解程度明显优于不给药组。范彧等[16]采用兔植骨融合术诱导椎间盘退变后，连续肌肉注射降钙素（隔日皮下注射1 U/kg）8周，结果显示降钙素显著促进椎间盘脊索细胞数量上升，进而延缓椎间盘退变进程。脊柱部分融合模型模拟椎间盘退变效果较好，但是造模方法较难掌握，人为干挠因素较多。
1.4 生物学损伤模型
生物学损伤模型包括外源性生物学损伤模型和内源性生物学损伤模型。外源性生物学损伤包括吸入有害气体和注射化学药物等诱发椎间盘退变，内源性生物学损伤包括自身营养障碍等诱发的椎间盘退变。
1.4.1 外源性生物学损伤模型
Oda等[17]研究发现，大鼠在被动吸烟8周后椎间盘细胞炎性因子分泌显著增加，炎性因子在一定程度上可导致椎间盘退变，提示吸烟与椎间盘退变有一定关系。吴振凯等[18]选取大鼠尾椎注入硫酸软骨素酶ABC溶液，3周后HE染色示椎间盘髓核腔不完整，纤维组织取代原有髓核组织，纤维环同心圆结构紊乱，提示外源性生物学损伤可导致椎间盘退变。Krebs等[19]将聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate，PMMA）注入成年羊腰椎间盘，在证实PMMA导致腰椎间盘退变的基础上，进一步给予降钙素治疗（每天皮下注射10 U/kg，连续给药5周），结果显示降钙素减少椎体骨量丢失的同时，延缓了椎间盘退变进程。
1.4.2 内源性生物学损伤模型
糖尿病可并发微血管病变，进而引发椎间盘退变。流行病学研究显示人患糖尿病后椎间盘退变加剧。可采用糖尿病大鼠模型模拟糖尿病患者的椎间盘退变，该模型也是内源性生物学损伤模型的重要组成部分。
Chen等[20]组织学观察发现，糖尿病大鼠造模后4、8、12周，椎间盘Ⅰ型胶原表达较非糖尿病组显著增多，Ⅱ型胶原表达显著下降，提示糖尿病大鼠椎间盘发生退变，且随时间延长逐渐加剧。Illien-Junger等[21]发现糖尿病大鼠在造模数周后椎间盘高度进行性降低，椎间盘糖胺聚糖含量也有所减少，表明椎间盘发生进行性退变。
Feigh等[2]在证实糖尿病大鼠椎间盘退变的基础上，研究降钙素干预治疗（隔日皮下注射2 mg/kg，连续给药5周）椎间盘退变的效果。结果显示降钙素能延缓软骨终板（软骨终板血管是供应椎间盘营养的重要途径）退变，从而延缓糖尿病大鼠椎间盘退变。内源性生物学损伤模型与外源性生物学损伤模型相比，造模更便捷，且人为干挠因素较少，适合样本数量较多的实验研究。
2 体外实验
体外椎间盘退变模型常用椎间盘细胞进行造模，椎间盘细胞的体外退变模型多由炎性介质IL-1等诱导制备。Maeda等[22]将兔纤维环细胞浸入IL-1α受体拮抗蛋白培养基中，IL-1α是人体促炎性因子之一，也是椎间盘细胞表面主要的效应器，椎间盘细胞分泌促炎性因子使椎间盘细胞发生退变。Le Maitre等[23]研究发现IL-1可上调基质金属蛋白酶3（matrix metalloproteinases 3，MMP-3）与MMP-13等的表达。MMPs能减少椎间盘髓索细胞数量，从而导致椎间盘退变。
綦惠等[24]在证实IL-1诱导椎间盘细胞退变基础上，进一步研究降钙素（1 × 10-8～1 × 10-6 mol/L）通过细胞外信号调节激酶1/2通路延缓椎间盘髓核细胞退变的效果。结果显示降钙素可明显缓解椎间盘髓核细胞数量减少，进而延缓椎间盘退变。Chen等[25]研究发现降钙素不仅可以通过调节MMPs及其mRNA的表达进行骨重塑，而且可以活化丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶B来调控细胞分化。体外椎间盘细胞的炎症、变形与椎间盘细胞因子上调互为因果的关系已明确[26]，椎间盘细胞模型是体外椎间盘退变模型的重要组成部分，其培养方法和理论支持较为完善，较体内实验周期短。
3 小结与展望
综上述，不同椎间盘退变模型各具优缺点，选择适宜的模型作为研究对象会起到事半功倍的效果。各种椎间盘退变模型为研究椎间盘退变机制提供了多种思路，也为临床防治不同原因导致的椎间盘退变提供了新的实验依据。降钙素对椎间盘退变防治效果已初步证实，但其作用机制尚有待深入研究。近年研究结果均表明，降钙素受体及降钙素相关基因肽均参与调控椎间盘退变进程[27-28]，但两者在降钙素防治椎间盘退变过程中的作用尚未证实，可作为未来相关研究的靶点之一。