Введение
Боли в пояснице и шее и плечах, вызванные дегенерацией межпозвоночных дисков, широко распространены среди людей среднего и пожилого возраста во всем мире. Основным методом лечения дегенерации межпозвонкового диска является оперативное вмешательство, включающее межтеловой спондилодез, замену диска и дискэктомию. Но это довольно радикальные методики и не все пациенты готовы к такому лечению.
Дегенеративные процессы межпозвонкового диска представляют собой целый ряд молекулярных, клеточных, структурных и функциональных изменений, основным клиническим проявлением которых является болевой синдром. На этом основании традиционная терапия дегенерации межпозвонкового диска направлена на устранение боли и не учитывает истинных причин развития дегенеративных процессов, не исследует возможности дальнейшего восстановления структуры и биомеханической функции диска. Новый подход к изучению молекулярных и клеточных механизмов дегенерации межпозвонкового диска, рассмотрение патогенеза дегенеративных процессов диска с позиций его развития в онтогенезе позволяют открыть новые звенья патогенеза и предложить новые перспективные методы репаративной восстановительной медицины.
Согласно статистике исследований, 80% людей во всем мире в течение жизни испытывали боль в пояснице DALYs and Collaborators, 2017. Этот вид боли в тяжелых случаях может иррадиировать во все нижние конечности, серьезно влияя на качество жизни и работоспособность людей, а также вызывая огромное медицинское бремя; это заболевание стало глобальной социально-экономической проблемой Mart et al., 2014, а основной причиной этой проблемы является дегенерация межпозвоночных дисков Hoy et al., 2015. Для этого заболевания текущее основное лечение можно разделить на нехирургическое и хирургическое лечение. Среди них к нехирургическим методам лечения в основном относятся медикаментозная и физиотерапия. Преобладает мнение, что причины боли в пояснице, вызванной дегенерацией диска, включают кислую среду, вызванную локальным воспалением, компрессию нервных корешков из-за грыжи студенистого ядра (NP) или коллапса диска, а также эктопические чувствительные нервные волокна и кровеносные сосуды, прорастающие в кольцо и НЧ Bailey et al., 2013; Binch et al., 2015; Lama et al., 2018.
Однако наиболее важной причиной является локальная воспалительная среда, поэтому боль в пояснице может быть эффективно уменьшена на ранней стадии дегенерации межпозвонкового диска с помощью только НПВП, хотя грыжи НП еще нет. Также считается, что физиотерапия эффективна для облегчения боли в пояснице, вызванной дегенерацией диска, и некоторые исследования на животных выявили некоторые задействованные механизмы. Гаури и др. обнаружили, что умеренные физические нагрузки могут стимулировать синтез клеток межпозвонкового диска, но чрезмерные физические нагрузки могут разрушать их и способствовать воспалению Gawri et al., 2014. Гульбранд и др. обнаружили, что циркулирующее сжатие и растяжение межпозвонковых дисков может улучшить жизнеспособность клеток межпозвонкового диска за счет увеличения транспорта питательных веществ, достигая тем самым эффекта физиотерапии Gullbrand et al., 2015.
Хотя некоторые исследования доказали эффективность медикаментозной и физиотерапии, этим нехирургическим методам лечения трудно достичь значительных результатов у некоторых пациентов с тяжелой дегенерацией из-за очевидной воспалительной среды и необратимого старения клеток. В настоящее время для пациентов с тяжелой дегенерацией хирургическое лечение по-прежнему является предпочтительным. Основными хирургическими методами являются малоинвазивная поясничная дискэктомия и открытая поясничная хирургия. Хотя хирургическое вмешательство может облегчить симптомы боли в пояснице, существуют проблемы, связанные с длительным периодом восстановления, высокой стоимостью лечения и возможностью осложнений, таких как дегенерация смежного сегмента и рецидив боли Ghiselli et al., 2004; Eliasberg et al., 2016; Ли и др., 2021 г.. В целом, нынешнее основное лечение направлено на лечение симптомов, но не может эффективно восстановить функцию межпозвонкового диска; поэтому, как восстановить первоначальную биологическую и физическую функцию межпозвонкового диска, находится в центре внимания ученых.
В настоящее время сообщается о нескольких методах стимуляции регенерации диска, включая полную замену диска Takeoka et al., 2020, клеточную терапию Hu et al., 2018; Peredo et al., 2020 и генную терапию Feng et al., 2020, 2015; Фэн и др., 2020. Эти новые методы лечения, предназначенные для полного восстановления или имитации исходной функции диска, демонстрируют большой потенциал для развития. В отличие от большинства обзоров, в этом исследовании сначала рассматривается анатомия межпозвонкового диска и патофизиологический процесс дегенерации межпозвонкового диска, и на основе этого процесса вводятся потребности организма в регенеративных материалах. Затем мы обсудили, как горячие материалы для регенерации NP, AF и концевых пластинок хряща, обнаруженные исследователями в последние годы, работают на удовлетворение этой потребности. В то же время мы также проанализировали разрыв между текущим состоянием исследований и идеальной целью и предложили рассматривать межпозвонковый диск как целостную двигательную единицу для изучения его материалов в будущем, а также кратко представили ход исследований общая стратегия регенерации межпозвонкового диска. В настоящее время в большинстве обзорных публикаций по регенерации межпозвонкового диска основное внимание уделяется одному из студенистых ядер или AF. Для сравнения, это исследование может лучше помочь исследователям всесторонне понять горячие точки материалов и помочь в изучении общей стратегии регенерации межпозвонкового диска.
Структура и функция межпозвонкового диска
Позвоночник является одной из важнейших костных структур в организме человека. Он защищает спинной мозг, поддерживает вес тела, замедляет удары и обеспечивает гибкость движений туловища. Позвоночник состоит из позвоночных костей и межпозвонковых дисков рис. 1. Межпозвонковые диски, соединения между позвоночными костями, связки и окружающие их мышцы составляют самые основные двигательные единицы позвоночника, и межпозвоночные диски играют важнейшую роль в этом процессе. Хотя во многих исследованиях изучалась регенерация межпозвонкового диска, различные его структуры обсуждаются отдельно. Однако, поскольку унифицированное движение любой части общей структуры и функции аномалий, вероятно, вызовет возникновение болей в пояснице, нам необходимо понимать различные части физиологических, анатомических и патофизиологических характеристик, искать различия и общность компонентов. Будет удобно составить идеальный план регенерации всей конструкции.
РИСУНОК 1 . Обзор патофизиологии дегенерации межпозвонкового диска и биоматериалов для восстановления межпозвонкового диска. Патофизиологические причины дегенерации межпозвонкового диска, показанные слева на рисунке, включают нарушение циркадного ритма, клеточную биологию, воспалительную реакцию, аномальную аутофагию. Биоматериалы для восстановления межпозвонкового диска, показанные справа на рисунке, включают материал нановолокна, материал гидрогеля, биоматериалы для клеточной терапии и генной терапии.
Диск состоит из студенистой НП, фиброзного кольца, окружающего НП, и хрящевой концевой пластинки рядом с костями верхних и нижних позвонков, которые вместе несут сложную нагрузку, вызванную сжатием, разгибанием, изгибанием и вращением позвоночника Roberts. и др., 2006. Хотя эти структуры взаимодействуют для выполнения одной и той же задачи, их функции, состав и свойства сильно различаются, и даже компоненты внутреннего и наружного фиброзного кольца (AF) различаются.
НП расположен в центре диска; его состав незначительно меняется с возрастом, и в основном он состоит из воды, коллагена типа Ⅱ и эластических белковых волокон, белка, полисахаридов и клеток хорды. По мере старения клетки хорды полностью деградируют и заменяются образцом клеток хряща; одновременно волокна коллагена начинают спариваться; таким образом, НП жидкостью становится хрящевой. Однако вода по-прежнему занимает около 85% объема, что делает его вязкоупругим и устойчивым к деформации при сжатии. NP играет анизотропную однородность при поглощении и рассеивании напряжения и рассеивает давление на AF через деформацию, тем самым облегчая воздействие на нижнюю часть тела позвонка Iatridis et al., 1997. Хондроидные клетки являются метаболически активными клетками при НП и могут синтезировать компоненты внеклеточного матрикса (ECM), такие как коллаген и протеогликан. Он играет роль в поддержании баланса внутренней среды и является основным элементом предотвращения дегенерации межпозвоночных дисков Akkiraju and Nohe, 2015. Волокна эластина и протеогликаны синергируют для поддержания активности коллагена и восстановления размера и формы диска Mouw et al., 2014.
АФ представляет собой бесклеточную и бессосудистую структуру, включающую в основном фиброхондроциты и хондроциты, которые по морфологии сходны с фибробластами. Его компоненты ECM плавно переходят изнутри наружу. Внешний слой состоит в основном из коллагена типа I, а внутренний слой в основном состоит из коллагена типа II Guerin and Elliott, 2007. Коллаген типа II является гипоксическим, гидрофильным и богатым протеогликанами, что согласуется с физическими свойствами твердого внешнего слоя и мягкого внутреннего слоя AF, которые действуют как внешний слой для связывания NP во время изгиба и скручивания. Внутренний слой связывает НЧ при осевом сжатии Eyre and Muir, 1976. С морфологической точки зрения AF состоит из 15–25 концентрических кольцевидных ламелл, представляющих собой в основном аккуратно расположенные пучки коллагеновых волокон. Направление этих коллагеновых волокон составляет 30° к горизонтальной плоскости Humzah and Soames, 1988. Эти слои заполнены межламинарным матриксом, состоящим из эластических волокон, клеток, воды, липидов и протеогликанов. Протеогликаны, включая аггрекан, смазочное масло, ГАГ, бигликан, декорин, перлекан, версикан и т. д., отвечают за смазку и гидратацию. Морфология клеток межламинарного матрикса варьирует от округлой до веретенообразной и от центра к периферии, что связано с направлением и плотностью эластических волокон, а также с направлением и величиной нагрузки на соседние слои. Интерламинарная строма между различными слоями взаимосвязана, соединена разделительными границами и представляет собой плотную эластичную фиброзную структуру, соответствующую роли AF в сопротивлении расширению NP.
Хрящевая замыкательная пластинка представляет собой тонкий гиалиновый слой хряща толщиной примерно 0,6–1,2 мм с наиболее тонкой и пористой центральной областью Zehra et al., 2015; Berg-Johansen et al., 2018. Что касается состава, область, прилегающая к замыкательной пластинке хряща и AF, имеет более высокое содержание коллагена, более низкое содержание протеогликанов и более низкое содержание воды, чем NP Roberts et al., 1989. Хотя AF, NP и замыкательная пластинка хряща анатомически различны, их тонкие структуры пересекаются друг с другом. Коллагеновые волокна в AF вблизи NP переходят в коллагеновые волокна в концевой пластинке хряща, что помогает уменьшить чрезмерную концентрацию напряжения, такого как растяжение, сжатие и сдвиг диска, и предотвратить необратимое повреждение диска Берг-Йохансен и др., 2018 г. Хрящевая замыкательная пластинка также действует как среда для передачи сил в нескольких направлениях между диском и телом позвонка. Хрящевая замыкательная пластинка равномерно распределяет гидростатическое давление, создаваемое НП, на поверхность тела позвонка, чтобы предотвратить локальное расширение НП в тело позвонка. Кроме того, поскольку межпозвонковый диск является самой крупной бессосудистой структурой в организме человека, то кровеносные сосуды в теле позвонка являются его основным источником питания, а капиллярная сеть, образованная аортой, через все ветви образует капиллярную петлю в месте соединения концевая пластинка хряща и межпозвонковый диск Ashinsky et al., 2021. Таким образом, концевая пластинка хряща считается основным путем транспортировки пищи и отходов к телу позвонка рис. 1. По мере старения и дегенерации концевая пластинка хряща претерпевает некоторые изменения состава, что снижает проницаемость и ограничивает транспортировку питательных веществ, что считается одной из причин дегенерации межпозвонкового диска Schroeder et al., 2017.
Патофизиология дегенерации межпозвоночных дисков
Высота и внутреннее осмотическое давление межпозвонковых дисков будут изменяться при нагрузке и в состоянии покоя Menon et al., 2021, что в основном обусловлено дневной и ночной деятельностью и отдыхом человека. Интерстициальная жидкость также течет в ответ на это изменение дифференциального давления, что приводит к обмену питательными веществами и обмену веществ для поддержания гомеостаза межпозвонкового диска van der Veen et al., 2007. Однако нарушение циркадных ритмов может увеличить риск дегенерации диска рис. 1 Dudek et al., 2017. Большинство клеток межпозвонкового диска питаются капиллярами тела позвонка. При ухудшении состояния межпозвонкового диска окклюзия костномозговой полости приводит к потере контакта между капиллярами и замыкательной пластинкой хряща, усиливается кальцификация замыкательной пластинки хряща Benneker et al., 2005; Христова и др., 2011.
Дегенерация межпозвонкового диска может вызывать различные биологические изменения клеток, включая изменения типа клеток, изменения плотности клеток, апоптоз клеток, пролиферацию клеток, старение клеток и изменения фенотипа клеток рис. 1 Zhao et al., 2007. Клетки хорды — это своего рода клетка, существующая на ранней стадии развития человека. По мере роста человека клетки хорды замещаются клетками NP, указывая на то, что начало дегенерации межпозвонкового диска может быть связано с исчезновением клеток хорды McCann et al., 2012. Также было показано, что индукция плюрипотентных стволовых клеток в клетки хорды путем инъекции снижает дегенерацию межпозвонкового диска на моделях свиней Sheyn et al., 2019. Плотность клеток NP в дегенерированных дисках уменьшилась по сравнению с нормальной тканью диска Liu C. et al., 2020. Поскольку чрезмерная механическая нагрузка может вызвать апоптоз стволовых клеток, происходящих из NP, некоторые люди пытаются отсрочить дегенерацию межпозвонкового диска с помощью антиапоптоза He et al., 2021, и было также доказано, что стимулирование пролиферации клеток NP ингибирует дегенерацию межпозвоночного диска Куи и др., 2020 г. В последние годы, по мере углубления исследований, постепенно стали рассматривать фенотипические характеристики клеток НП и взаимосвязь между клеточным старением и дегенерацией межпозвонкового диска Choi et al., 2015; Zhang Y. et al., 2020.
По мере старения возникновение дегенерации межпозвонкового диска становится все более и более вероятным Cheung et al., 2009, и наиболее распространенным клинически связанным симптомом является боль в пояснице. Согласно существующим исследованиям, причиной боли, скорее всего, является воспаление рис. 1 Lyu et al., 2021. Тессье и др. обнаружили значительные изменения провоспалительного пути и возрастную дегенерацию диска у мыши с дефицитом белка, связанного с развитием эмбрионального диска Tessier et al., 2020. Чен и др. обнаружили, что мелатонин может задерживать прогрессирование дегенерации диска и облегчать связанную с ним боль в пояснице, изучая его противовоспалительный эффект in vivo Chen et al., 2020.
Недавние исследования показали, что дегенерация межпозвонкового диска также связана с ингибированием аутофагии рис. 1 Lan et al., 2021. Аутофагия играет роль в поддержании гомеостаза внутренней среды Mizushima, 2007. Он может удовлетворять метаболические потребности за счет лизосомной деградации и восстановления клеточных продуктов, а также защищать клетки, удаляя поврежденные органеллы и неправильно свернутые белки. Аутофагия также связана с другими факторами, которые могут влиять на дегенерацию межпозвонкового диска. Циркадные ритмы могут поддерживать соответствующую аутофагию для предотвращения дегенерации диска, в то время как аномальные циркадные ритмы могут вызывать чрезмерную аутофагию и дисфункцию аутофагии, вызывающую дегенерацию диска Zhang T.-W. et al., 2020. Чен и др. обнаружили, что запуск аутофагии также может уменьшить старение клеток и апоптоз, что в конечном итоге улучшит дегенерацию межпозвонкового диска Chen et al., 2018. В последующих исследованиях многие люди уменьшили старение клеток и апоптоз за счет активизации аутофагии, тем самым поддерживая восстановление межпозвонкового диска и задерживая дегенерацию He et al., 2021; Hu et al., 2021.
Биоматериалы для восстановления пульпозного ядра
Нановолоконный материал
Функция диска зависит от гибкости NP и прочности AF. Нановолоконный материал представляет собой новый вид биологического материала, получаемого методами растяжения, темплатного синтеза, самосборки, микрофазового разделения, электростатического формования и другими методами на основе различных искусственных полимеров. Среди них метод электропрядения широко используется при получении медицинских материалов благодаря его преимуществам, заключающимся в простоте эксплуатации, широком диапазоне применения и относительно высокой эффективности производства. Из-за своей легко регулируемой формы и структуры он часто имеет отличные механические свойства. Поэтому способы повышения биологической стабильности таких материалов находятся в центре внимания исследователей. Серия полиуретановых (PU) биоматериалов может регулировать эластичность за счет изменения состава мономерных звеньев и размера блоков различных мономеров в полимерной цепи. Среди них поликарбонат (ПК) ПУ проявляет лучшую биологическую стабильность и может быть использован в качестве хорошего материала для замены НП и восстановления межпозвонкового диска. Двухфазный полиуретановый стент, состоящий из материала сердцевины с быстрым набуханием и гибкой электроспиннинговой оболочки, был изготовлен и имплантирован в межпозвонковые диски крупного рогатого скота, восстанавливая механические свойства вылущенных дисков и демонстрируя потенциал для замедления дальнейшей дегенерации естественной ткани диска Ли и др., 2016. Поскольку на поведение клеток влияют характеристики ВКМ, биоматериалы, имитирующие характеристики ВКМ, обычно полезны для роста клеток Nesti et al., 2008; Kaur and Roy, 2021, а каркасы из нановолокон обладают уникальными физическими характеристиками, которые обеспечивают благоприятные сигналы клеточного матрикса для роста клеток. усиливают активность клеток рис. 1 Li et al., 2006. Чжан и др. разработали новый тип губчатых микросфер из нано волокна (NF-SMS) со структурой взаимосвязанных пор, которая имитирует белковое волокно ECM Zhang et al., 2015, и было доказано, что он способствует адгезии, пролиферации и np-подобной дифференцировке мезенхимальных стволовых клеток, а взаимосвязанные поры могут эффективно вмещать клетки, способствовать передаче медиатора и формированию нового ECM Feng et al., 2020.
Гидрогелевый материал
Гидрогели могут быть получены физическим сшиванием (за счет гидрофобного взаимодействия, водородных связей, электростатической силы и т. д.) или химическим сшиванием (через ковалентное связывание). По источнику гидрогели можно разделить на три категории: природные, синтетические и композитные гидрогели. Среди них природные материалы включают фибрин, альгинат, хитозан и т. д., которые обладают большими преимуществами в плане биосовместимости и низкой цитотоксичности и, таким образом, широко используются для регенерации и восстановления студенистого ядра Рисунок 1. Однако несоответствие его механических свойств приводит к выходу имплантата из строя на поздней стадии дегенерации диска из-за структурных повреждений, вызванных длительной компрессией. Поэтому, как улучшить механические свойства гидрогелей находится в центре внимания исследователей. Ган и др. разработали армированный и упрочненный гидрогель взаимопроникающей сети (IPN) для регенерации NP, который имеет такие преимущества, как механические свойства, подобные NP, и высокую ударную вязкость. Инкапсуляция клеток NP в гидрогель четко показала усиленную пролиферацию клеток, естественный фенотип образования хряща и секрецию ECM. Исследования in vivo также подтвердили, что гидрогели IPN могут поддерживать удержание и выживание клеток в течение длительного времени, тем самым способствуя регидратации и регенерации деградировавших NP Gan et al., 2017.
Хотя жесткость и ударная вязкость гидрогелей с двойной сеткой были значительно улучшены, длительное время подготовки или непрерывная подготовка затрудняли отверждение на месте . Использование композитного гидрогеля является альтернативным методом, который имеет более высокую жесткость и прочность, но также сохраняет характеристики одноэтапного приготовления гидрогеля, сокращает время отверждения и подходит для введения in situ . Шмокер и др. разработали композиционный гидрогель с функциональными свойствами, подобными свойствам природного бычьего НЧ. Высота диска восстановилась с 65,6 до 99,0% в условиях in vitro .исследования и остались прежними после 500 000 циклов нагрузки. Через пятнадцать дней после имплантации гистологически наблюдали непрерывную ненарушенную поверхность раздела ткань/имплантат. Такой композитный гидрогель с превосходными механическими свойствами имеет большой потенциал для клинического применения Schmocker et al., 2016.
Дегенерация сердцевины ядра характеризуется потерей гидратации и склерозом тканей. Гистологически можно наблюдать снижение плотности клеток, потерю сульфатированных гликозаминогликанов (сГАГ) и коллагена II типа, а также увеличение коллагена I типа. В ответ на это Chiara Borrelli et al. предположили, что производство sGAG можно увеличить , добавив в гидрогель хондроитинсульфат, и обн
