研究背景椎间盘退变是一种普遍存在的疾病,是造成肩颈痛和腰痛的主要病因,严重的影响人们的生活质量。老龄化是椎间盘退变的一个重要因素,在60岁以上的人群中,有60-80%在影像学上出现骨赘、椎间隙狭窄。椎间盘退变作为一系列脊柱退行性变疾病的前提和病理基础,对脊柱疾病发生发展的研究至关重要。造成椎间盘退变的机制包括脊柱异常的生物力学、椎间盘组织细胞的改变以及椎间盘细胞外基质的异常。脊柱的稳定性与椎间盘受到异常机械负荷密切相关,是造成椎间盘退变的因素之一。稳定脊柱的结构分为被动稳定子系统和主动稳定子系统,被动稳定子系统包括椎体、椎间盘以及韧带,而主动稳定子系统包括脊柱的周围肌肉。骨质疏松也是一种年龄相关性疾病,尤其是绝经后的女性最为明显。骨质疏松是由于骨基质和骨矿物质的丢失而引起的骨组织微结构退变的疾病。在绝经后的女性人群中,雌激素缺乏引起骨组织微结构的改变可能是造成骨质疏松的一个重要因素。脊柱退行性变与骨质疏松都是年龄相关的疾患,都会导致生活质量下降,增加伤残率和死亡率,两者之间存在紧密的联系,临床上常见患者同时罹患这两种疾病,而这两者之间相互作用仍不确定。为了探究两者之间的关系,本课题组前期制备了颈背部肌肉切除造成脊柱动静力失衡的大鼠颈椎间盘退变的动物模型,观察到典型的椎间盘退变,并同时制备了骨质疏松复合椎间盘退变的复合模型,观察到骨质疏松可能通过影响软骨终板来加重椎间盘退变。该模型通过切除主动稳定脊柱的肌肉来造成椎间盘退变,观察到典型的退变的现象。但是,动静力失衡模型会造成颈椎长节段的退变且节段位置与临床不同,无法模拟临床上常见节段退变。切除颈背部肌肉破坏主动稳定脊柱系统能造成颈椎间盘退变,是否破坏脊柱被动的稳定系统也能造成椎间盘退变呢?因此,本研究切除颈椎小关节,破坏颈椎被动稳定结构来观察是否同样能够造成椎间盘退变,同时观察在复合骨质疏松的情况下,能否加重椎间盘退变,并进一步对椎间盘组织生物化学方面指标进行研究。最后,本研究通过补充雌激素来验证骨质疏松对椎间盘退变的影响是否由雌激素缺乏引起。研究目的1.建立双侧小关节切除的大鼠颈椎间盘退变模型,对切除节段软骨终板的形态、椎体骨小梁的微结构、椎间盘组织学及生物化学指标进行评价；2.探讨在骨质疏松情况下双侧小关节切除节段椎间盘退变的进程。研究方法1.双侧小关节切除大鼠颈椎间盘退变模型的建立。选取28只3月龄的雌性SD大鼠,体重230±20g,将动物随机分为模型组(16只)和对照组(12只),分笼饲养。模型组切除C4/5和C5/6双侧关节突,肌肉不予切除。对照组仅切开皮肤,暴露关节突后直接缝合。于术后12、24周两个时间点分别获取大鼠颈5/6节段和颈4/5椎间盘组织。对C5/6节段进行显微CT扫描、番红O固绿染色。对C4/5椎间盘组织内基质金属蛋白酶的表达情况行RT-PCR检测。测量C5/6椎间高度,并计算该节段上、下软骨终板的磨损面积,并对C5/6椎间盘组织进行退变程度评分。测定C4/5椎间盘组织中蛋白聚糖(Aggrecan)、Ⅱ型胶原(Col2 α 1)以及基质金属蛋白酶(MMP)3表达水平。2.建立椎间盘退变复合骨质疏松的动物模型,探讨在骨质疏松情况下椎间盘退变的进程。另外选取44只3月龄的雌性SD大鼠,分为3组,加上前面2组实验动物共分为5组：对照组(12只)、单纯骨质疏松组(12只)、单纯退变组(16只)、骨质疏松复合退变组(16只)和复合组雌激素补充组(16只),以研究骨质疏松对椎间盘退变的影响。通过切除颈4/5和颈5/6双侧小关节制备椎间盘退变模型。通过切除双侧卵巢来制备骨质疏松模型。结合椎间盘退变和骨质疏松模型制备复合组。雌激素补充组则是在复合组的基础上,通过皮下注射雌二醇来补充雌激素。分别于术后12和24周两个时间点获取大鼠颈5/6节段和颈4/5椎间盘组织。显微CT扫描方法同上。对C5/6节段,行石蜡包埋切片,番红O快绿染色及Aggrecan、Col2 a 1和MMP-3免疫组化染色。对C4/5椎间盘组织行Aggrecan、 Col2 a 1和MMP-3的PCR检测。研究结果1.小关节切除后颈椎间盘的退变。1.1椎间高度、软骨终板和骨微结构的改变在12周时,双侧小关节切除后椎间高度的明显下降,较对照组降低0.4mm,而在24周时,高度下降更加显著,两者间差异为0.6mm。两个时间点间差异具有显著性(P<0.05)。12周时,双侧小关节切12周时除造成C5/6椎间盘上、下两个软骨终板明显的磨损,并且在24周更加严重,两者间差异均有统计学意义(P<0.05)。在12周时,模型组C5椎体骨体积分数(BV/TV)和骨小梁间隙(Tb.Sp)与对照组相比均存在显著差异(P<0.05),而骨小梁的厚度(Tb.Th)和骨小梁数目(Tb.N)较对照组有上升趋势,但两者间无明显差异(P>0.05)。而在24周时,模型组BV/TV、Tb.Th、Tb.N和Tb.Sp较对照组均无明显差异(P>0.05)。说明双侧小关节切除在早期能够使切除节段椎体骨小梁的数目增加、骨小梁厚度变厚、骨小梁间隙变窄,增加了椎体的骨体积分数,而到了后期骨小梁变化与对照组无明显差别。1.2椎间盘组织学观察及其退变评分在12周时,模型组椎间盘的软骨终板形态不规则、出现缺损及少许钙化,髓核细胞出现聚集、数量减少和纤维环排列紊乱；而24周时,模型组软骨终板出现明显的缺损和和钙化,髓核细胞数目显著减少、聚集,纤维化出现较多的裂隙和断裂。椎间盘退变评分较对照组明显升高(P<0.05),在12周时模型组和对照组的评分分别为7.1±1.3分和5.3±0.5分,而24周时分别为9.9±1.9分和6.2±1.2分,随着时间的延长其退变评分越高。1.3椎间盘组织RT-PCR检测在12周时,模型组C4/5椎间盘组织Aggrecan、Col2 a 1的表达较对照组明显下降(P<0.05),仅为对照组的0.45倍和0.44倍。而模型组中MMP-3也出现上升趋势,但差异不显著(P>0.05),为对照组的1.23倍。而24周时,其各项退变指标较对照组均出现显著差异(P<0.05)。2.骨质疏松对椎间盘退变的影响。在12周时,单纯骨质疏松组和复合组C5椎体均出现明显的骨质疏松,即在卵巢切除的大鼠中,BV/TV、Tb.Th、Tb.N和Tb.Sp均有骨质疏松的表现,较未切除卵巢组有显著性差异(P<0.05),说明在卵巢切除12周时,大鼠颈椎出现了骨质疏松。而在雌激素补充组中,BV/TV、Tb.Th、Tb.N和Tb.Sp的变化较单纯骨质疏松组及复合组均有显著性差异(P<0.05),而与对照组和单纯退变组差异不显著(P>0.05),说明大鼠双侧卵巢切除后补充17-β雌二醇能有效的缓解卵巢切除导致的骨质疏松。2.1软骨终板形态和椎间高度的改变单纯退变组、复合组和雌激素补充组C5/6椎间盘上、下软骨终板均出现明显缺损,下终板主要以腹侧磨损为主,而上终板磨损区域出现在正中及四周,且其磨损面积随时间的延长加重,复合组的磨损率在不同时间点较单纯退变组均明显升高(P<0.05)。复合组与雌激素补充组之间有显著性差异(P<0.05),而雌激素补充组与单纯退变组之间差异不显著(P>0.05)。在12周和24周两个时间点,单纯退变组、复合组和雌激素补充组在C5/6椎间高度上均出现明显的下降趋势,且随时间的延长下降更显著。而复合组与单纯退变组相比,其椎间高度下降更加显著(P<0.05),12周时两者分别为0.504±0.03mm和0.51±0.02mm,而24周是分别为0.45+0.02mm和0.47+0.02mm。复合组与雌激素补充组之间有显著性差异(P<0.05),但雌激素补充组与单纯退变组之间差异不显著(P>0.05)。2.2椎间盘组织学观察及其退变评分与单纯退变组相比,复合组在每个时间点上软骨终板形态、磨损情况及髓核和纤维环退变程度均较严重。雌激素补充组与单纯退变组变化不明显。从椎间盘退变评分来看,在12周时,复合组与单纯退变组之间差异不明显(P>0.05),两者评分分别为8.3±1.3分和7.1±113分,但与对照组相比均有统计学差异(P<0.05)。而24周时,复合组为11.6±1.9分,单纯退变组为9.9±1.9分,对照组为6.2±1.2分,两两间均出现明显差异(P<0.05),复合组退变评分明显升高。雌激素补充组与单纯退变组的趋势相似,两者间无显著性差异。2.3椎间盘组织免疫组织化学在12周时,髓核组织中,单纯退变组与复合组Aggrecan和C012 a 1的染色强度明显低于对照组,且与单纯退变组相比,复合组的染色强度更低；而MMP-3的染色强度在单纯退变组和复合组中明显强于对照组,复合组染色强度最高；雌激素补充组,Aggrecan、Col2 a 1和MMP-3的染色强度与单纯退变组相似。而在24周时,各项指标呈现相同的趋势,且差异更加明显。2.4椎间盘组织RT-PCR检测在12周时,Aggrecan的RT-PCR结果,单纯退变组仅为对照组的0.54,而复合组为对照组的0.35；在C0l2 β1的表达中,单纯退变组为对照组的0.26,复合组为对照组的0.11。单纯退变组和复合组均较对照组出现明显的降低,且复合组更显著。而MMP-3的表达在单纯退变组与复合组中则显著上升,且复合组的表达上升最显著,分别为对照组的1.23和1.96。在24周时,复合组Aggrecan和Co12α1表达较单纯退变组及对照组明显降低,而MMP-3的表达则显著升高；单纯退变组与对照组相比,Aggrecan和Col2 α 1表达明显下降,而MMP-3显著升高。雌激素补充组各项指标与单纯退变组具有相同趋势。结论1.大鼠颈椎双侧小关节的切除,能够导致切除节段椎间高度的下降、软骨终板的缺损、椎间盘形态性和分子生物学的改变,出现典型的椎间盘退变特征。2.建立了一种椎间盘退变复合骨质疏松的动物模型,并且在骨质疏松情况下,退变节段终板的损伤程度更加明显,椎间盘的退变程度也更加严重,说明骨质疏松能够加重椎间盘退变。