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基质金属蛋白酶与椎间盘退变

【关键词】椎间盘

与椎间盘退行性病变相关的临床综合征包括原发性下背部疼痛、颈

腰神经根病、脊髓型颈椎病、腰椎管狭窄等。椎间盘退变的特征性改变

是髓核中蛋白聚糖含量的下降以及伴随的水份丢失。目前，启动和调节

这一过程的生物机制仍不十分清楚。因而，在治疗手段和疗效上，缺乏

明确的对应性和有效性。以往认为椎间盘退变只是一种生物力学现象，

但新近的研究表明生物力学的作用是次要的，更强调生物化学机制发挥

着至关重要的作用。椎间盘退变主要表现在细胞和细胞外基质

（extracellmatrix，ECM）成分的变化，而后者是椎间盘力学特征丧

失的直接原因。基质合成与降解的失衡将导致基质成分的紊乱，在此调

节过程中一些生化机制发挥着重要作用。其中基质金属蛋白酶（matrix

metaloproteinases，MMPs）与金属蛋白酶组织抑制剂（tissue

inhibitorofmetal-loproteinases，TIMPs）两个酶系统在椎间盘退

变中的作用越来越为人们所重视。

1椎间盘的结构及生化特征

椎间盘是由软骨终板、纤维环和髓核三部分构成。正常的椎间盘由

该三部分共同构成了起着对抗压力和张力的闭合缓冲系统，使椎间盘既

有弹性亦能稳定脊柱，还能参与构成椎管，保护其内走行的神经血管

［1］。

如同其他的结缔组织，椎间盘仅含有少量的细胞及丰富的细胞外基

质，后者的主要成分为水、胶原和蛋白多糖、少量的弹性蛋白和年龄色

素等［2］。椎间盘退变将导致三种主要物质―胶原、蛋白多糖和水的

改变［3］。胶原如同绳索，蛋白多糖如同气球，三者的配布犹如在液

体凝胶状态中拉紧的绳索网内充以无数的气球。椎间盘根据负荷大小、

水分多少、绳索拉紧和彼此缠结的牢固程度以及气球充气状态的改变，

其形态及各种生理功能也发生改变，包括变形、营养供给、代谢状况和

溶质输送等。从力学上看，蛋白多糖能抵抗压应力，而胶原能抵抗张应

力［4］，两者相互配合，以保持椎间盘的良好力学性能。

椎间盘细胞分为脊索细胞和纤维样细胞、软骨细胞样的结缔组织

细胞。椎间盘细胞的密度小于其他结缔组织的细胞密度，约占组织的

1%～5%。如关节软骨细胞的平均细胞密度为14000细胞/mm3，而椎间

盘细胞为5800细胞/mm3。椎间盘不同部位的细胞密度和类型也不一

样［5］，软骨终板的平均细胞密度为15000细胞/mm3，纤维环为

9000细胞/mm3，髓核为4000细胞/mm3，髓核内细胞在胚胎为脊索

样细胞，在正常成人主要以软骨样细胞为主，合成Ⅱ型胶原和蛋白多

糖。纤维环外层为梭形的类成纤维细胞，主要合成Ⅰ型胶原，内层为圆

形的软骨样细胞。软骨终板细胞为典型的软骨细胞。

蛋白多糖存在髓核的胶原网架上，分子结构与关节软骨的蛋白多糖

相似，在液体中能进行可逆压缩，对维持髓核组织的粘弹性及对抗压力

起着重要作用。蛋白多糖在椎间盘和软骨的ECM中主要以聚合体的形式

存在。胶原网和蛋白多糖共同维持髓核的凝胶状态。蛋白多糖及核心蛋

白的表达在髓核最高，由内向外逐渐减弱，且随着年龄的增长其表达出

现降低趋势，蛋白多糖逐渐被富含胶原组织的纤维组织所替代，最后导

致髓核纤维化，水分随之丧失。变形的髓核组织弹性消失，硬度增加，

失去均匀传递压力的作用，髓核易于从纤维环薄弱处脱出。

椎间盘组织中含有多种胶原成分，现已发现有Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、

Ⅵ型、Ⅸ型、Ⅺ型等［6］。胶原纤维是椎间盘的主要结构单位之一，

其中Ⅰ型、Ⅱ型胶原是椎间盘胶原的主要成分。Eyre等［7］利用溴

化氰裂解、磷酸纤维素层析，发现Ⅰ型、Ⅱ型胶原是椎间盘组织中规律

性的分布。Ⅰ型胶原主要集中在纤维环的外层，占椎间盘Ⅰ型胶原总量

的40%。能耐受牵张力，也是骨、肌腱、韧带、皮肤等组织的主要胶原

成分。由外层向髓核方向，Ⅰ型胶原逐渐减少，Ⅱ型胶原逐渐增加，髓

核则主要为Ⅱ型胶原构成。Ⅱ型胶原是软骨胶原，在软骨、玻璃体和椎

间盘髓核中含量丰富，耐受压力。二者的共同存在和协同作用在维持椎

间盘的力学特性中发挥重要作用［4］。当其质和量发生变化时，必然

引起椎间盘承受应力能力的降低和增加损伤的机会。

2基质金属蛋白酶家族

MMP