脂肪组织衍生干细胞在脊椎病变中的应用

脊椎是一个复杂的结构，包括骨性脊椎体、内部的椎间盘、多种韧带和肌肉在内的多种结构保护着脊髓，并形成一个能量传递的实体轴，使来自下肢和骨盆的能量传递到胸腔和上肢。详细的脊柱解剖和病理本章不再赘述，本章的重点为脊柱的退行性变。

腰痛是临床上的最常见问题，在医院就诊疾病类型中位居第二。90%的成年人一生中经历过腰痛，一半以上的劳动者每年都会有腰痛。除肌紧张造成的机械性疼痛外，腰椎的退行性变是腰痛最常见的原因，它是诊断和外科手术治疗的指征。这种退化是由于椎间盘的退行性变造成两节相邻椎骨之间的病理性异位，导致疼痛，有时，椎管狭窄后压迫神经，可造成下肢跛行。

与其他骨骼肌系统不同，椎间盘表现出退行性变一般发生在30岁左右。在20—39岁的受试者中，35%至少有一节腰椎间盘出现退行性变，在60—80岁的受试者中，几乎每个人都有椎间盘退变。很难通过症状来区分生理性退变和病理性退变。

椎间盘由三部分组成：中央胶冻状的髓核、外部的纤维环（annulus fibrosus，AF）和上下方的软骨终板。

外部的纤维环含有丰富的Ⅰ型胶原蛋白和弹性蛋白，可以抵抗伸压力。髓核由蛋白多糖和水凝胶通过Ⅱ型胶原蛋白和弹性纤维形成不规则的网状松弛地聚合在一起。椎间盘本身不含血管，通过从与终板透明软骨相邻的软骨下骨质中的血管获取营养。椎间盘通过不同的细胞来维持各个组成部分的独特结构。髓核中的类软骨细胞分泌蛋白多糖和胶原蛋白，是椎间盘的基本骨架结构。纤维环细胞与成纤维细胞相类似，产生胶原蛋白和弹性蛋白，以维持纤维环结构。

在正常椎间盘中，细胞外基质蛋白负责锁住基质中的水分子，所以髓核含有大量的富含水分子的黏弹性物质，充满胶原网架。椎间盘不含血管，成熟的腰椎间盘中央细胞距最近的血液供给大约8mm距离，只能依靠软骨下板中的毛细血管网延伸出来的复杂通道获取营养。营养成分从贯穿软骨终板的毛细血管网弥散出来，通过致密的椎间盘基质弥散至细胞。随着年龄的增长，这些网络逐渐闭塞而使营养传输受阻，导致椎间盘局部缺血，细胞死亡，最终椎间盘退化。

在这一过程中，亲水性硫酸软骨素4和6的数目减少，硫酸角蛋白的数量增加，从而使椎间盘内的水分含量减少，使椎骨的高度以及椎间盘对轴向负荷的阻力降低。

另外，椎间隙的高度降低改变了关节面的力学结构，而导致椎间盘边缘骨刺的形成。同时，椎间盘高度的改变导致黄韧带和关节覆盖面的劳损。椎间盘的三个组成结构同时出现退化性改变，可引起脊髓腔和神经管的狭窄。

纤维环中细胞数目的降低引发Ⅰ型胶原合成降低所致的圆周环状撕裂，进而导致放射状撕裂。当髓核质经这些放射状的撕裂突出或挤压进入神经周围空间时，就形成了疝。

对这一病症的治疗通常包括物理治疗、镇痛治疗，无效时采用手术方法对受压的神经解压并行椎管融合术。然而，融合术具有加速退化的长期破坏效应。在过去的几十年里，人们一直在尝试各种非融合手段，以期在解除患者的神经压迫症状的同时，保留脊柱的稳定性和机动性。

保留退化椎间盘的运动功能有两种方式：替代和再生。替代手术是在椎间盘切除后，应用双模板移植物附着在脊柱两边。然而，这些移植物在发挥短暂效应后，由于脊柱间的自发性融合，运动功能丧失而导致治疗失败。另外，这些移植物本身的退化问题也需要通过进一步的研究进行解决。

研究人员正在应用生长因子、基因疗法、细胞疗法进行椎间盘再生和修复的研究。研究的重点集中在髓核以及通过增加细胞的数目以恢复基质的合成，从而复原椎间盘的功能活性上。这一疗法的主要局限性在于髓核是椎间盘中唯一的退化部分。纤维环和骨性终板的问题也同样重要。如果椎间盘的血供未能复原，移植的细胞将会在发挥再生作用之前死掉。

应用于椎间盘再生的细胞来源也是个问题。人们对纤维环和髓核细胞的基因谱知之甚少。因此干细胞是否可以转化为纤维环或者髓核（nucleus pulposus，NP）细胞尚未可知。将间充质干细胞和椎间盘细胞共同培养，可加速其分化为软骨和椎间盘细胞表型。

目前只有为数不多的实验研究在体外和活体动物模型上检验了脂肪衍生干细胞移植的功效。在相似于椎间盘的环境因素作用下，脂肪衍生干细胞表现为可以向类髓核细胞型表型分化。在犬类模型上进行的临床试验中，研究人员在荧光技术指导下，将脂肪衍生细胞直接移植到手术损伤的椎间盘。结果显示脂肪衍生的细胞可作为生物复原再生的可靠来源。然而，这些再生的椎间盘的长期治疗效果还未可知。

在需要进行脊柱融合时，人们已经发现脂肪衍生干细胞也可以像在长骨愈合一样，促进骨质融合。相关原则已在本章有关部分阐述。