陳明玨， 曹惠玲， 肖國(guó)芝

(南方科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)系，廣東 深圳 518055)

下腰痛(low back pain, LBP)是世界范圍內(nèi)致殘的主要因素之一，給社會(huì)帶來(lái)了巨大的醫(yī)療和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[1]。據(jù)流行病學(xué)調(diào)查，下腰痛的平均總患病率為31.0%[2]，在傷殘損失壽命年影響因素中排名第一[3]。雖然下腰痛的癥狀是短暫的并且通常癥狀會(huì)在6周內(nèi)恢復(fù)，但復(fù)發(fā)率很高。下腰痛患者的原發(fā)性疼痛位置很難確定。實(shí)驗(yàn)和臨床研究表明，近40%下腰痛的病例中，椎間盤退變是主要因素[4]。椎間盤退變性疾病患者通常會(huì)發(fā)生椎間盤高度的下降以及骨贅的形成，并伴隨有典型的腰骶棘、骶髂關(guān)節(jié)持續(xù)腰痛病史，并向臀部和大腿后部放射，并且椎間盤退變的患者久坐和長(zhǎng)時(shí)間走路會(huì)加重疼痛的發(fā)生[5,6]。目前,對(duì)椎間盤退變性疾病的治療有非手術(shù)治療和手術(shù)治療兩種方式。對(duì)于未達(dá)到手術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的患者一般建議非手術(shù)治療，并且手術(shù)治療方法仍不能阻止椎間盤退變的繼續(xù)進(jìn)行，也不能恢復(fù)退變的椎間盤的生理功能[7]。因此對(duì)于椎間盤退變機(jī)制的探究極為重要。

盡管椎間盤退行性變可引起巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，研究者們對(duì)其發(fā)病和進(jìn)展的潛在機(jī)制仍不完全了解。因此，對(duì)于早期臨床診斷和新療法的發(fā)展、疾病進(jìn)展的中斷或逆轉(zhuǎn)，以及椎間盤退行性變機(jī)制的闡明和治療策略的改進(jìn)來(lái)說(shuō)，動(dòng)物模型的構(gòu)建具有重要的意義。椎間盤退變是一個(gè)復(fù)雜的且尚未被完全闡明的多因素的過(guò)程，該過(guò)程受機(jī)械應(yīng)力、結(jié)構(gòu)損傷、基因表達(dá)、缺氧和血供受限導(dǎo)致的營(yíng)養(yǎng)的改變等多種因素影響[8]。體外模型有助于理解單因素對(duì)椎間盤退變的影響，而對(duì)于同時(shí)包括多因素在內(nèi)的復(fù)雜的椎間盤退變微環(huán)境，體內(nèi)動(dòng)物模型則能更好的對(duì)椎間盤退變過(guò)程進(jìn)行模擬[9]。本文將對(duì)國(guó)內(nèi)外報(bào)道的針對(duì)椎間盤退變機(jī)制研究構(gòu)建的動(dòng)物模型進(jìn)行綜述。

1 機(jī)械應(yīng)力模型

生物力學(xué)是維持椎間盤穩(wěn)態(tài)的重要組成部分之一。對(duì)于椎間盤機(jī)械負(fù)荷來(lái)說(shuō)，生理的機(jī)械負(fù)荷是維持椎間盤細(xì)胞表型所必需的[10,11]，而過(guò)度的機(jī)械負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致椎間盤損傷和退變。過(guò)度負(fù)荷可由過(guò)重的體重[12]或外傷引起，并產(chǎn)生許多能通過(guò)組織學(xué)和放射學(xué)方法觀察到的退變特征，例如椎間盤高度降低、骨贅形成、纖維環(huán)紊亂和髓核細(xì)胞被成纖維細(xì)胞所替代等。椎間盤退變的機(jī)械應(yīng)力模型可以分為加壓和失穩(wěn)兩種類型[13]。

1.1 加壓模型

加壓模型包括通過(guò)彎曲或軸向壓縮加壓等方法來(lái)增加對(duì)椎間盤的機(jī)械應(yīng)力。大鼠尾椎間盤彎曲模型是誘導(dǎo)椎間盤退行性變的早期方法之一(Fig.1A)。在先前的研究中，研究者們發(fā)現(xiàn)，將大鼠的尾部固定成彎曲形態(tài)會(huì)誘導(dǎo)尾部凹側(cè)椎間盤中細(xì)胞壞死增加，聚集蛋白聚糖基因表達(dá)降低[14]，椎間盤纖維環(huán)發(fā)生退變[15]。隨后的研究表明，將大鼠的尾部固定成彎曲形態(tài)不僅會(huì)對(duì)椎間盤產(chǎn)生額外的機(jī)械應(yīng)力，還會(huì)導(dǎo)致椎間盤內(nèi)壓力發(fā)生再分配，當(dāng)椎間盤最初受到壓縮時(shí)，髓核的機(jī)械應(yīng)力和纖維環(huán)的緊張度增加，當(dāng)壓縮負(fù)載持續(xù)維持直至機(jī)械應(yīng)力超過(guò)髓核的膨脹壓后，會(huì)使髓核隨著時(shí)間變化而體積減小，髓核體積的損失又會(huì)反過(guò)來(lái)將壓縮壓力再分配到內(nèi)纖維環(huán)上，最終導(dǎo)致纖維環(huán)退變[13]。

Fig.1 Schematic diagram of the IVD animal surgical model (A)Rat models of curved caudal disc.This model has three groups, including the control group, sham and pressurized group.The pressurized group applies pressure to the intervertebral disc by flexing the vertebrae with a compressed spring.(B)The rat caudal IVD compression model.In this model, the axial stress loaded from the distal side produces a compressive pressure onto C8-9 and C9-10 IVDs through tightening calibrated springs.(C)The puncture model of the tail intervertebral disc.This model is created by using a needle or blade to puncture the nucleus pulposus tissue or annulus fibrosus

對(duì)椎間盤施加靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的軸向壓縮壓力誘導(dǎo)椎間盤退變，常被用于椎間盤退變機(jī)制的探究(Fig.1B)。Iatridis等[16]通過(guò)在大鼠尾椎上安裝加壓裝置，構(gòu)建了一種大鼠尾椎間盤軸向壓縮動(dòng)物模型，這種模型能夠分離出軸向壓縮力對(duì)椎間盤結(jié)構(gòu)和功能的影響。結(jié)果表明，軸向靜態(tài)加壓組與假手術(shù)組相比椎間盤機(jī)械性能和化學(xué)成分變化更大，椎間盤退變程度更大。Kroeber等[17]通過(guò)向兔腰椎間盤上安裝外部負(fù)載裝置向椎間盤施加軸向壓縮壓力，構(gòu)建兔腰椎間盤壓縮模型。并將加壓時(shí)間作為變量，探究了軸向動(dòng)態(tài)加壓1、14和28 d后椎間盤退變情況。結(jié)果顯示, 加壓14和28 d后椎間盤高度明顯降低，纖維環(huán)結(jié)構(gòu)紊亂。

Walsh等[18]探究了在0.1 Hz或0.0 1Hz下, 從0 MPa到峰值應(yīng)力0.9 MPa或1.3 MPa的動(dòng)態(tài)加載情況下與靜態(tài)加載情況下，椎間盤退變程度的區(qū)別。結(jié)果表明，以較低的頻率或較高的壓力加載后，髓核細(xì)胞中蛋白聚糖含量增加，髓核和纖維環(huán)的細(xì)胞死亡也增加。因此，對(duì)于體內(nèi)椎間盤細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)，除了應(yīng)力大小和持續(xù)時(shí)間外，頻率也是重要的變量之一。

最近，Bian等[7]通過(guò)構(gòu)建大鼠尾椎間盤軸向靜態(tài)壓縮模型，探究在機(jī)械應(yīng)力作用下轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(transforming growth factor β, TGF-β)活性對(duì)髓核細(xì)胞空泡的減少和細(xì)胞外蛋白聚糖增加的影響。并在尾椎間盤軸向靜態(tài)壓縮模型中注射TGF-β抗體。結(jié)果顯示，注射抗體的實(shí)驗(yàn)組比對(duì)照組明顯減弱椎間盤退化程度，實(shí)驗(yàn)組液泡形態(tài)的維持以及磷酸化Smad2/3蛋白陽(yáng)性細(xì)胞明顯減少，證明了TGF-β在椎間盤退變過(guò)程的分子機(jī)制中的重要作用，為新的治療策略的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1.2 失穩(wěn)模型

維持脊柱正常的生理曲度主要依靠體內(nèi)的動(dòng)力平衡系統(tǒng)和靜力平衡系統(tǒng)，動(dòng)、靜力平衡失調(diào)是發(fā)生脊柱生理曲度變化的主要因素，并進(jìn)一步導(dǎo)致椎間盤退變的發(fā)生[19]。因此，存在許多動(dòng)物模型是通過(guò)增加椎間盤運(yùn)動(dòng)節(jié)段的不穩(wěn)定性來(lái)促進(jìn)椎間盤退變。促使椎間盤失穩(wěn)的方法有許多，包括手術(shù)切除椎間盤支持組織，例如椎間關(guān)節(jié)和棘突[20,21]以及脊柱相鄰節(jié)段融合等[22]。Miyamoto等[21]證明，在小鼠模型中，分離椎旁肌肉后切除棘突、棘上韌帶和棘間韌帶后加速了頸椎間盤的退變。實(shí)驗(yàn)組手術(shù)12個(gè)月后出現(xiàn)了椎間盤髓核疝出，纖維環(huán)紊亂被破壞，纖維環(huán)中的成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化為軟骨細(xì)胞，椎間盤高度下降并且形成了骨贅，椎間盤發(fā)生了進(jìn)一步的退變。

最近的研究表明，Bian等[7]通過(guò)切除棘突、棘上韌帶和棘間韌帶構(gòu)建了小鼠腰椎間盤失穩(wěn)模型。通過(guò)該模型探究在機(jī)械應(yīng)力作用下，TGF-β活性對(duì)髓核細(xì)胞空泡的減少和細(xì)胞外蛋白聚糖增加的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在失穩(wěn)椎間盤中，TGF-β被激活，上調(diào)椎間盤基質(zhì)蛋白質(zhì)合成的結(jié)締組織生長(zhǎng)因子(connective tissue growth factor,CCN2)基因和聚集蛋白聚糖表達(dá)提高，髓核細(xì)胞空泡減少，這說(shuō)明TGF-β在椎間盤穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用。

Phillips等[22]報(bào)道了一種模仿手術(shù)脊柱融合的兔椎間盤退變模型。術(shù)后3個(gè)月觀察到纖維環(huán)紊亂破壞，術(shù)后9個(gè)月椎間盤的正常結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槲蓙y的纖維組織、纖維環(huán)撕裂、髓核組織的軟骨細(xì)胞和脊索細(xì)胞丟失和蛋白聚糖含量減少。同時(shí)也觀察到，與臨床癥狀體征相符的椎間盤高度變窄、終板硬化和骨贅形成。脊柱融合消除了目標(biāo)節(jié)段的運(yùn)動(dòng)，但也同時(shí)誘導(dǎo)了相鄰節(jié)段的壓力改變[23,24]。因此，由于脊柱融合導(dǎo)致的相鄰節(jié)段機(jī)械應(yīng)力的改變會(huì)使椎間盤失穩(wěn)，并誘導(dǎo)進(jìn)一步的椎間盤退變。這與人椎間盤切除術(shù)中的椎間盤退變特征相一致[25]。

2 結(jié)構(gòu)損傷模型

結(jié)構(gòu)完整是椎間盤行使正常生理功能不可或缺的重要因素之一。椎間盤退變常伴隨結(jié)構(gòu)性的損傷，椎間盤結(jié)構(gòu)的破壞也會(huì)導(dǎo)致椎間盤發(fā)生退變。為了探究椎間盤的結(jié)構(gòu)損傷與退變之間的關(guān)系，研究者們針對(duì)椎間盤的髓核組織、纖維環(huán)和軟骨終板的3個(gè)組成部分分別構(gòu)建了結(jié)構(gòu)損傷模型。

2.1 髓核與纖維環(huán)損傷模型

針對(duì)纖維環(huán)和髓核組織構(gòu)建椎間盤退變模型最常見(jiàn)的是椎間盤穿刺模型(Fig.1C)。椎間盤穿刺模型又分為纖維環(huán)淺層穿刺模型、纖維環(huán)全深度穿刺模型和髓核切除模型。最初，在大型動(dòng)物例如狗、兔、山羊和豬中成功構(gòu)建了椎間盤穿刺誘導(dǎo)退變模型[26-35]，使用刀片刺入椎間盤中造成纖維環(huán)損傷以誘導(dǎo)椎間盤退變。結(jié)果顯示一系列椎間盤退變表型，例如纖維環(huán)放射狀和同心圓形撕裂、終板硬化、髓核細(xì)胞改變及其造成的細(xì)胞外基質(zhì)的改變，例如蛋白聚糖和II型膠原含量下降等[36]，這些表型與人年齡相關(guān)的椎間盤退變性疾病特征相一致。

最近的研究表明，Ashinsky等[37]在兔椎間盤退變模型中進(jìn)行了淺層纖維環(huán)環(huán)形刺入手術(shù)，并加速了腰椎間盤的退變。術(shù)后通過(guò)組織學(xué)方法驗(yàn)證兔椎間盤發(fā)生了退變，并使用例如磁共振成像、原子力顯微鏡和二次諧波共振成像等新興工具，對(duì)椎間盤在退變過(guò)程中的結(jié)構(gòu)和功能變化進(jìn)行了嚴(yán)格評(píng)估和定量分析，并與非入侵性的臨床相關(guān)成像參數(shù)相關(guān)聯(lián)，最終確定了兔纖維環(huán)損傷模型的椎間盤退變過(guò)程中椎間盤結(jié)構(gòu)和功能之間關(guān)系的時(shí)間依賴性變化，以及退變嚴(yán)重程度與臨床影像學(xué)參數(shù)的相關(guān)性。

Gullbrand等[38]在大型動(dòng)物山羊中通過(guò)全髓核切除手術(shù)構(gòu)建椎間盤退變模型，并通過(guò)磁共振成像、半定量組織學(xué)分級(jí)、顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描和椎間盤生物力學(xué)特性的測(cè)量來(lái)評(píng)估椎間盤的退變性改變，結(jié)果顯示，該模型概括了人椎間盤退變的結(jié)構(gòu)和功能特性，可用于進(jìn)一步對(duì)椎間盤修復(fù)的研究。

Bonnevie等[39]通過(guò)進(jìn)行兔纖維環(huán)全深度穿刺手術(shù)構(gòu)建了椎間盤退變模型，并探究了椎間盤內(nèi)殘余應(yīng)變對(duì)于椎間盤退行性變的影響，表明殘余應(yīng)變的改變導(dǎo)致異常的機(jī)械應(yīng)力，并進(jìn)一步促進(jìn)疾病的進(jìn)展。Ji等[40]使用不同直徑的針構(gòu)建了穿刺誘導(dǎo)的小鼠尾椎間盤退變模型，針刺后在29、31和32 G穿刺組的髓核組織中檢測(cè)到急性炎癥因子，例如白介素-1β(interleukin-1β, IL-1β)、白介素-6(interleukin-6, IL-6)和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor, TNF-α)。相比之下，在18、21和23 G針穿刺組中，IL-1β，IL-6和 TNF-α的表達(dá)水平較高。在28 G針穿刺組中，檢測(cè)到較低的IL-1β，IL-6 和TNF-α表達(dá)水平。綜上所述，使用較大直徑的針穿刺會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的損傷，并引起炎癥發(fā)生最終導(dǎo)致椎間盤退變，使用較小直徑的針穿刺則會(huì)導(dǎo)致異常的機(jī)械應(yīng)力而不引起炎癥發(fā)生。這表明，結(jié)構(gòu)損傷后椎間盤退變的實(shí)質(zhì)是機(jī)械應(yīng)力的改變或炎癥的發(fā)生。

此外，伴隨著椎間盤結(jié)構(gòu)完整性的破壞，神經(jīng)與血管會(huì)通過(guò)撕裂的纖維環(huán)入侵髓核。有報(bào)道指出，這種神經(jīng)血管的侵入與椎間盤退變患者的疼痛有關(guān)[41]。Lee等[42]通過(guò)小鼠腰椎間盤穿刺手術(shù)成功構(gòu)建了椎間盤退變模型，并在術(shù)后4 d至12個(gè)月的不同時(shí)間進(jìn)行神經(jīng)分布和巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)的表征。該研究發(fā)現(xiàn),在穿刺手術(shù)后纖維環(huán)發(fā)生撕裂，髓核組織丟失，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了退變的椎間盤中神經(jīng)分布增加，疼痛神經(jīng)纖維密度上升，軸向不適的行為征兆和放射狀腿痛的征兆增加。結(jié)果表明, 在椎間盤退變過(guò)程會(huì)伴隨神經(jīng)血管的侵入并帶來(lái)疼痛。

2.2 軟骨終板損傷模型

椎間盤是脊椎動(dòng)物體內(nèi)最大的無(wú)血管神經(jīng)的器官之一，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)從位于椎骨中的毛細(xì)血管通過(guò)軟骨終板和外層纖維環(huán)滲透到髓核組織，代謝廢物按照相反的方向移動(dòng)。隨著椎間盤退化，營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)的減少一定程度上限制了細(xì)胞活性和生存能力[43]。因此，通過(guò)阻斷終板血供減少椎間盤營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)的方法構(gòu)建的椎間盤退變模型，可用于進(jìn)一步探究營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)與椎間盤退變的關(guān)系。

Hutton等[44]向狗腰椎間盤的上終板下方注射骨水泥，阻斷血供來(lái)誘導(dǎo)椎間盤退變，但未觀察到椎間盤發(fā)生退變。隨后，Kang等[45]在未成熟動(dòng)物模型中探究了注射骨水泥阻斷血供與椎間盤退變的關(guān)系，他們?cè)谖闯墒熳胸i的椎間盤終板中注射骨水泥成功誘導(dǎo)了椎間盤退變的發(fā)生。這些發(fā)現(xiàn)表明，營(yíng)養(yǎng)途徑對(duì)于椎間盤穩(wěn)態(tài)的重要性。近年來(lái)，Wei等[46-48]通過(guò)向恒河猴、獼猴和兔腰椎間盤的軟骨下骨中注射化學(xué)藥物，例如博來(lái)霉素和平陽(yáng)霉素阻斷營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)構(gòu)建了椎間盤退變模型。結(jié)果表明，通過(guò)顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描引導(dǎo)下的向軟骨下骨中注射化學(xué)藥物，可形成缺血性和緩慢進(jìn)行性椎間盤退變模型，這種模型可較好地模擬人椎間盤退變的發(fā)生。

3 生物化學(xué)與化學(xué)誘導(dǎo)模型

椎間盤在退變過(guò)程中常伴隨髓核細(xì)胞與蛋白聚糖的減少，并最終導(dǎo)致椎間盤高度的降低。起初人們發(fā)現(xiàn)，木瓜凝乳蛋白酶直接注射到椎間盤中可導(dǎo)致髓核細(xì)胞溶解，并將木瓜凝乳蛋白酶用于椎間盤突出導(dǎo)致的疼痛等病癥的臨床治療[49]。隨后，注射木瓜凝乳蛋白酶等生物化學(xué)試劑逐步發(fā)展為構(gòu)建椎間盤退變動(dòng)物模型的一種傳統(tǒng)方法[50]。Sugimura等[51]和Lu等[52]先后在恒河猴和比格犬身上使用木瓜凝乳蛋白酶與軟骨素酶ABC兩種不同種類的酶，成功構(gòu)建了椎間盤退變模型。Hoogendoorn等[53,54]報(bào)道，通過(guò)向山羊腰椎間盤中注射軟骨素酶ABC成功構(gòu)建了可重復(fù)的長(zhǎng)期椎間盤退變大動(dòng)物模型。在軟骨素酶ABC注射12周后，研究者們通過(guò)磁共振成像、宏觀和組織學(xué)評(píng)分分析對(duì)椎間盤退變參數(shù)進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在軟骨素酶ABC注射12周后椎間盤發(fā)生退行性改變，在18周后表現(xiàn)出嚴(yán)重的椎間盤退變表型。研究者們同時(shí)證明了軟骨素酶ABC注射誘導(dǎo)椎間盤退變模型具有顯著的劑量依賴性。Imai等[55]報(bào)道，通過(guò)注射軟骨素酶ABC構(gòu)建了兔腰椎間盤退變模型，并發(fā)現(xiàn)了重組人成骨蛋白對(duì)于椎間盤退變的有效治療作用。Borem等[56]通過(guò)向椎間盤中注射軟骨素酶ABC成功構(gòu)建了綿羊椎間盤退變模型。

此外，Greg Anderson等[57]通過(guò)將一段纖維連接蛋白片段注射到兔椎間盤中，誘導(dǎo)了骨贅形成、聚集蛋白聚糖下調(diào)及髓核和纖維環(huán)的正常結(jié)構(gòu)的逐漸喪失，成功構(gòu)建了兔椎間盤退變模型。Mao等[58]向兔椎間盤中注射聚甲基丙烯酸甲酯后發(fā)現(xiàn)，椎間盤高度明顯降低，椎間盤內(nèi)軟骨組織轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維化組織，證明椎間盤內(nèi)注射聚甲基丙烯酸甲酯可誘導(dǎo)椎間盤退變。Haro等[59]向犬椎間盤中注射重組人基質(zhì)金屬蛋白酶7后，發(fā)現(xiàn)蛋白多糖和水分含量的降低以及椎間盤高度的降低，證明重組人基質(zhì)金屬蛋白酶7可誘導(dǎo)椎間盤退變的產(chǎn)生。

4 基因敲除模型

近年來(lái)，隨著基因工程技術(shù)的發(fā)展，基因敲除技術(shù)給動(dòng)物模型構(gòu)建帶來(lái)了新的可能性[50]。基因敲除模型分為全局敲除模型和條件性敲除模型。在條件性敲除模型中，Cre/LoxP技術(shù)是一種重要的遺傳學(xué)工具，該工具能夠以細(xì)胞類型特異性和時(shí)間特異性的方式敲除基因，為探究小鼠中各種基因的作用做出了重要貢獻(xiàn)[60]。Zheng等[61]使用R26-mTmG熒光報(bào)告基因系統(tǒng)，分析了6種小鼠Cre品系在椎間盤組織中的細(xì)胞特異性和靶向效率。結(jié)果表明，這6種Cre品系均能夠以不同的細(xì)胞類型特異性指導(dǎo)椎間盤組織中的重組。其中，Aggrecan-CreERT2品系能有效地指導(dǎo)椎間盤中包括纖維環(huán)、髓核和軟骨終板在內(nèi)的所有成分的重組。

本文總結(jié)了近年來(lái)椎間盤退變相關(guān)的基因敲除模型(Table 1)。Tessier等[62]報(bào)道，張力調(diào)節(jié)增強(qiáng)劑結(jié)合蛋白(tonicity-responsive enhancer binding protein, TonEBP aka NFAT5)缺陷小鼠可表現(xiàn)出與年齡相關(guān)的椎間盤退變，并伴有纖維環(huán)撕裂和髓核疝出。該結(jié)果表明，TonEBP對(duì)于椎間盤穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要，為先前提出的該蛋白質(zhì)調(diào)控細(xì)胞滲透適應(yīng)性等多種功能的假說(shuō)提供了體內(nèi)依據(jù)。椎間盤是脊椎動(dòng)物內(nèi)最大的無(wú)血管神經(jīng)的器官之一，且髓核組織是高度缺氧的組織。在椎間盤髓核組織內(nèi)存在缺氧誘導(dǎo)因子-1α(hypoxia inducible factor-1α, HIF-1α)的穩(wěn)定表達(dá)。在椎間盤退變過(guò)程中，當(dāng)退變的惡性循環(huán)[63,64]建立后低氧張力會(huì)激活HIF-1α表達(dá)，該表達(dá)隨后會(huì)進(jìn)入缺氧誘導(dǎo)的HIF途徑[65]。Merceron等[66]報(bào)道，在小鼠脊索細(xì)胞中，條件性敲除了Hif1α導(dǎo)致髓核細(xì)胞大量死亡并隨后完全消失。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，Hif1α敲除小鼠椎間盤的生物力學(xué)特性顯著降低。這與人類椎間盤退變的特征相似，表明HIF-1α對(duì)于髓核的發(fā)展和體內(nèi)穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。Che等[67]通過(guò)敲除細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑2A(cyclin dependent kinase inhibitor 2A,Cdkn2a)基因探究細(xì)胞周期調(diào)節(jié)因子p16在椎間盤退變中的功能，發(fā)現(xiàn)在Cdkn2a基因敲除小鼠中p16缺失在較大程度上減弱了腰椎間盤高度的降低和基質(zhì)蛋白質(zhì)表達(dá)的減少。同時(shí)，p16缺失降低了炎癥因子的蛋白質(zhì)和mRNA水平。表明p16在椎間盤退變中發(fā)揮重要作用，p16是椎間盤退變防治的可能靶標(biāo)之一。Tessier等[68]報(bào)道，在小鼠脊索細(xì)胞中條件性敲除肌動(dòng)蛋白相關(guān)蛋白2/3復(fù)合體亞基2(actin related protein 2/3 complex subunit 2,Arpc2)基因后發(fā)現(xiàn)，Arpc2缺失小鼠表現(xiàn)出髓核組織高度纖維化和纖維環(huán)撕裂，表明Arpc2對(duì)于椎間盤的發(fā)育和穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。Tang等[69]報(bào)道，誘導(dǎo)核因子(nuclear factor(erythroid-derived-2)-like 2,Nrf2)基因敲除小鼠產(chǎn)生椎間盤退變后自噬基因的表達(dá)降低，并證明了Nrf2基因敲除加重了椎間盤退變的癥狀。

Table 1 Gene knockout models

5 問(wèn)題與展望

椎間盤退變是下腰痛的主要原因。為了更好的探究椎間盤退變的機(jī)制，研究者構(gòu)建了許多動(dòng)物模型去模擬椎間盤退變。在文獻(xiàn)中，生物力學(xué)和生物化學(xué)被認(rèn)為是互相聯(lián)系的椎間盤退變的主要誘發(fā)原因。在椎間盤退變過(guò)程中，生物化學(xué)受到的生物力學(xué)的影響貫穿椎間盤退變的始終，并造成級(jí)聯(lián)反應(yīng)，即機(jī)械應(yīng)力過(guò)載、細(xì)胞合成分解代謝紊亂和細(xì)胞外基質(zhì)重塑的惡性循環(huán)[63]。在該退變過(guò)程中存在機(jī)械應(yīng)力、結(jié)構(gòu)損傷、基因表達(dá)和血供受限等多種影響因素。因此，在該惡性循環(huán)中，以不同影響因素構(gòu)建的椎間盤退變動(dòng)物模型可最終導(dǎo)致相似的椎間盤退變癥狀，并具有了相當(dāng)?shù)目杀刃浴１疚慕Y(jié)合當(dāng)下的研究熱點(diǎn)，總結(jié)了用不同影響因素構(gòu)建的椎間盤退變動(dòng)物模型，旨在為椎間盤退變的機(jī)制研究及治療策略的改進(jìn)提供理論基礎(chǔ)。

不同影響因素導(dǎo)致的椎間盤退變有著異同點(diǎn)。機(jī)械應(yīng)力模型是通過(guò)應(yīng)用異常機(jī)械負(fù)荷來(lái)誘導(dǎo)椎間盤退變，其目的是模擬人體在過(guò)度負(fù)荷下椎間盤的退行性變化; 而結(jié)構(gòu)損傷模型是模擬在椎間盤損傷情況下誘導(dǎo)的椎間盤退變。化學(xué)誘導(dǎo)模型則是通過(guò)注射化學(xué)試劑來(lái)模擬椎間盤退變過(guò)程中的細(xì)胞合成分解代謝紊亂，以探究椎間盤退變的生物化學(xué)變化機(jī)制?；蚯贸Ｐ蛣t聚焦于在椎間盤退變過(guò)程中發(fā)揮重要作用的分子，在單一分子水平上探究椎間盤退變機(jī)制，并為椎間盤退變的靶向治療帶來(lái)新的可能性。

椎間盤退變是一個(gè)復(fù)雜的且尚未被完全闡明的多因素的過(guò)程，因此很難構(gòu)建一個(gè)完整復(fù)制椎間盤退變性疾病過(guò)程的模型，目前已有的動(dòng)物模型中仍有一定的局限性。1)除了山羊和綿羊之外，許多椎間盤退變模型的物種中都有脊索細(xì)胞存在到成年，而脊索細(xì)胞在人類幼時(shí)即成熟并消失，這使得許多模型與人類椎間盤退變存在本質(zhì)上的區(qū)別[64,74]。2)椎間盤的大小也是椎間盤退變過(guò)程中的重要影響因素。椎間盤依靠擴(kuò)散吸收營(yíng)養(yǎng)并排除代謝廢物，體積小的椎間盤或許會(huì)減少營(yíng)養(yǎng)供給的挑戰(zhàn)。人類的椎間盤比常見(jiàn)動(dòng)物模型要大得多，這可能會(huì)加速人類的退化級(jí)聯(lián)反應(yīng)。而研究人員通過(guò)比較椎間盤比例(例如椎間盤高度、寬度、髓核大小)來(lái)分析常用動(dòng)物椎間盤模型的幾何形狀與人類椎間盤的相似度。研究結(jié)果表明，小鼠腰椎間盤是在幾何上與人類腰椎間盤最相似的動(dòng)物模型[75,76]。3)針刺模型與注射模型中針的直徑影響椎間盤退變模型構(gòu)建的成功率，在不同動(dòng)物中如何選擇合適的針徑對(duì)于模型構(gòu)建至關(guān)重要。研究人員們針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了詳盡的研究，為針徑的選擇提供了建議[77,78]。4)自發(fā)性模型由于建模周期長(zhǎng)、變量大和效率低下等缺陷而使用受限。

總之，雖然現(xiàn)有的椎間盤退變模型有一定的局限性，但我們可以利用不同的模型來(lái)確立動(dòng)物椎間盤退變模型和人椎間盤退變之間的相關(guān)性和可比性。在未來(lái)的研究中，對(duì)現(xiàn)有的動(dòng)物模型進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)與創(chuàng)新，將會(huì)為我們進(jìn)一步探究椎間盤退變的機(jī)制及治療策略的改進(jìn)奠定更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。