人工髓核假體置換相關理論與臨床研究進展

(江蘇省蘇北人民醫院,江蘇揚州,225001)

椎間盤退行性病變(DDD)發病率逐年增高,已成為脊柱外科領域最常見的疾病之一。當患者保守治療無效時,手術是一種選擇。現今對退變早期可行微創治療或單純髓核摘除術,發展到晚期(嚴重椎間盤變性伴節段不穩)大多則采用減壓內固定融合術。隨著對椎間盤結構和生物力學的深入了解,人們逐漸認識到單純椎間盤髓核摘除所致的脊柱結構改變和生物力學紊亂會造成椎間盤高度降低、椎間隙變窄、椎間容積減小、椎間壓力增大、脊椎穩定性下降、椎間盤突出復發等,而這些情況相對容易出現在年齡在25～40歲的年輕人中[1];而減壓內固定融合術經過50余年的臨床應用、改良,在取得了可喜的臨床療效和較高的患者滿意度同時也出現了一些不可避免的并發癥,如脊椎融合會造成脊柱矢狀面的非生理性運動,使相鄰節段應力增加以代償融合節段運動的喪失[2],引起融合椎體相鄰節段生物力學改變[3],使該節段小關節退變加劇,有3%～14%患者需再次接受手術[4]。

為了解決上述問題,需要更加生理性的手術方法來解決這些問題,由此椎間盤與髓核假體置換術應運而生。椎間盤退變最早發生退變的結構是髓核,同時隨著微創技術的發展,先進的技術也允許作者可以用更小的創傷來置換退變的椎間盤——人工髓核置換成為一種選擇。人工髓核置換術是一種可供選擇的治療椎間盤退變的新方法,它保存了完整的纖維環結構,盡量保留解剖結構的完整,維持椎間盤高度,保持脊柱節段穩定性和自然活動范圍,減緩臨近節段退變;而且其手術創傷小,術中固定容易,術后恢復快,能有效預防病癥復發[5]。本文將對人工髓核假體置換的相關理論和臨床應用研究進展做一綜述。

1 髓核的解剖結構和生物力學

作為一復雜結構,椎間盤可分為外層的纖維環,中心的髓核和上下的軟骨終板,纖維環主要由膠原蛋白上下交叉所組成,髓核主要由水(在年輕人中占90%以上),蛋白聚糖,膠原蛋白組成。由于其包含固相和液相組織,使椎間盤具有粘彈特性,并保持了椎間盤的穩定性。椎間盤內含有Ⅰ型和Ⅱ型2種膠原。髓核主要以Ⅱ型膠原,用以抵抗壓力;纖維環主要以Ⅰ型膠原為主,用以抵抗張力。膠原在纖維環內成片狀排列類似薄片,膠原間的纖維以120°反方向相互交叉[6]。椎間盤結構限制了它的血供,這也是造成退變的原因之一[7]。

生物力學上,正常的髓核能夠保持椎間關節間隙,向纖維環施加應力以增加椎間的穩定性,這使得椎間盤具有內在的剪切力傳遞和壓力支撐。鄰近椎體間通過“三關節復合體”相連,主要包括前面的椎間盤和后面的2個小關節。液體樣的髓核旋轉中心具有浮動性,使它能夠隨著應力的變化而移動[8]。前屈時,髓核向后移位;后伸時,髓核向前移位。髓核的生理特性能夠減少小關節所承受的重力,從而增加脊柱運動節段的活動度。大約在30歲左右,髓核開始逐漸脫水和壓縮[9]。隨著髓核逐漸喪失了其間的富含水分的糖胺多糖,壓力直接作用于纖維環和椎間關節,椎間盤的體積縮小,主要表現為椎間盤的高度下降。而作為一無血管組織,椎間盤的恢復能力極為有限[10]。這導致纖維環的松弛,不能夠提供足夠的支撐力。最終,椎間盤喪失了其生物力學特性,引起相鄰脊柱節段的改變。

2 人工髓核假體的理想設計

人工髓核假體設計的預期目標就是要維持或恢復椎間盤正常的高度,保持適當的纖維環張力,提供椎間吸收沖擊和震蕩的能力,保留椎間盤和脊柱的活動性及運動功能,從而恢復正常髓核的功能,盡可能長久減輕和消除疼痛[4]。作為一種用于人體內的內植物材料,首先要保證與人體的髓核有著相同或類似的生物力學功能,以保持椎間盤的完整和穩定。此外,植入體還需要和人體不起排斥反應,對人體是無毒性、無致癌性、致畸性,并且低磨損、低消耗。其次,植入體必須能夠承受一定的壓力,順應性好,軟硬度適中,在均勻傳遞應力同時能保持形態。據統計,平均1個髓核每年承受2百萬次生理負荷,而1個植入體能夠在超過40年的使用壽命中承受10億次生理負荷,這才是作者所期望的。最后,植入體力求外形簡單,具有與正常髓核空間相匹配的形狀和尺寸,不會因過小而影響穩定性,同時不因為過大對終板纖維環造成損傷。植入體還應具有液體泵功,可增加對殘存的髓核和內層纖維環的營養供給,使纖維環保持生物力學強度,通常這點比較難達到[11]。

3 人工髓核假體的常用類型及臨床應用進展

3.1 假體設計歷史回顧

早在20世紀50年代末,開始有人用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、硅膠或不銹鋼球行髓核置換以保留脊柱節段的活動,由于當時人們對椎間盤力學如壓應力、脊柱節段活動度、位移和退變等了解甚少,這些方法的治療效果欠佳。最早的人工髓核是Fernstrom設計的不銹鋼球。1966他報道了將設計的不銹鋼球植入椎間盤切除后的間隙內,以恢復椎間高度和活動度,但研究結果表明由于金屬球移位和陷入椎體內的問題,其并不能維持正常椎間隙高度,最終金屬材料因為硬度太大,并不適用于髓核假體而被淘汰。其后,有多種材料(金屬彈簧、酯類聚合物、橡膠類等)應用于人工髓核置換,均未獲得滿意的療效。國內學者采用硅橡膠制作成中厚邊扁的圓盤狀髓核,為7例患者進行了人工椎間盤髓核(PDN)置換,并取得了為期2年的短期隨訪,患者癥狀緩解,無PDN移位等并發癥,但椎間高度丟失顯著[12]。2001年徐印坎等的20例硅膠PDN置換,經2～7年的隨訪結果,除1例假體移位外,其余19例術后癥狀明顯緩解或消除,且椎間高度仍獲滿意的維持效果;但磨損、折疊、破裂等并發癥仍有潛在發生可能[13]。

根據上述的實踐經驗和相應理論,目前人工髓核研究較多的是水凝膠假體,它具有與髓核相似的成分和力學特性,這種聚合物所具有的親水特性可以模擬髓核組織以及椎間盤的物質轉運和生物力學,像正常椎間盤那樣在承重時發散液體成分,消除承重時則重吸收液體[14]。水凝膠髓核假體的應用已經超過15年,大體可分為預制型和注射型植入2類。

3.2 常見假體的類型和臨床研究

預制型假體:預制型人工髓核是設計固定成型的假體,在承重時盡可能小的變形,植入后充分膨脹可以防止產生移位[15]。預制型假體最常使用的水凝膠由于與正常髓核組織具有生物相似性,依賴材料內在的膨脹壓力,經過一段時間完全水合成形,可達到最大強度撐開椎間隙。

PDN假體:PDN假體是目前文獻報道和臨床應用最多的,20世紀90年代中期由Ray等與Raymedica公司合作開發的髓核假體。它由3部分組成:內核為聚丙烯腈-聚丙烯酰胺共聚物組成的水凝膠,該共聚體通過事先設計好形狀的壓力塑形,然后脫水最小化而成,且其中放入鉑銥合金線便于術中X線定位和術后隨訪。而其無彈性的聚乙烯外套則限制了植入體高度的無限制增加,否則將導致鄰近椎骨終板骨折[15]。PDN還順利通過了生物兼容性和生物力學試驗。此外,以美國ISO標準,PDN的生物相容性試驗顯示其不具有組織毒性和致癌性[16]。

PDN假體在臨床的應用已經有10年以上的歷史。德國Schoemayr首先將PDN應用于臨床,1997年報告先期 96例研究的結果,優良率達83%,大部分患者癥狀緩解,恢復工作,有1例因假體移位行翻修術,另有1例因持續腰痛而取出假體[17]。以后PDN曾在外形尺寸和吸水能力上作了改進,但是,改進后的PDN的移植成功率下降到62%,并且植入體的移位率提高。為了解決植入體移位問題,PDN又作了第2次外形上的改進,把柱形改為枕形,這次改進使得PDN的移植成功率達到79%。至2002年,有20個國家超過500名患者接受了開放手術植入PDN,術后椎間盤退變的疼痛和功能癥狀減輕,椎間盤高度增加約2mm,脊柱不穩的疼痛評分(Oswestry)明顯改善,但仍有10%的患者需行再次手術。PDN在美國已經通過了FDA認證,進入臨床使用階段。在加拿大,也進入了臨床試驗階段。在PDN假體基礎上發展的Hyd raFLex髓核置換系統(即PDN-SoLo系統)在椎間盤內水合更加快速,目前正在開展臨床試驗。在一項關于Hyd raFLex髓核置換系統的多中心的前瞻性研究[18]中,HydraFLex組ODI評分下降74%,采用不同類型椎間融合器的其他兩組分別下降41%和42%,而全椎間盤置換組下降僅為50%;隨訪12個月發現VAS評分從術前的7.5下降至2.7,下降程度為64%。一項樣本量為300的多中心研究[19]結果顯示,87%的患者認為HydraFLex髓核置換系統的臨床效果很好或較好,88%的患者認為還將采用同樣的手術。目前在同類研究中,HydraFLex髓核置換系統的臨床效果被認為是最好的。金大地等[20]報道20例單枚PDN-SoLo置換的臨床療效,所有患者術后臨床癥狀均消失,運動功能明顯改善,17例獲得1～3個月的隨訪,發現椎間隙高度明顯較術前平均增加15.8%,早并指出多數國人適合PR725型的PDN假體。馮會成等[21]采用HydraFLex髓核置換系統治療椎間盤突出癥患者16例(男10例,女16例,均有單間隙病變),經隨訪28～32個月發現,臨床療效很好,優良率較高;隨訪期間1例出現假體移位,1例假體脫出,均進行翻修手術,術后療效滿意;5例手術節段椎間隙高度較術后出現不同程度的丟失,1例出現終板塌陷;證實髓核置換術治療椎間盤突出近期療效滿意,但存在一些并發癥。近期,趙亮等[22]報道了80例單枚PDN-SoLo置換隨訪4年的臨床療效,17例獲得4年的隨訪,結果顯示:MRI顯象上,12例患者出現異樣終板結構改變,8例患者出現假體下陷,椎間隙高度下降率為18%。所以說,其長期療效并不理想。可能要更加嚴格的把握適應癥,及對假體的類型和材質仍需進一步的研究。

AquareLLe假體:Stryker公司于1990年研制開發的AquareLLe假體是第1種水凝膠人工髓核假體,它由半脫水的聚乙烯醇(PVA)水凝膠制成,形狀類似于子彈頭,可通過1個錐形套管,用1經過特別設計的注射器植入椎間隙,假體在植入體內吸收水分后,其含水率約為83%,并根據椎體間壓力(膨脹壓力)調整其含水量,這與正常髓核的特性幾乎是一樣的。由于假體由聚乙烯醇和水組成,含水量高,彈性模量較低,可減少終板變形和陷入椎體的可能。AquareLLe假體目前正在歐洲進行臨床試驗;在前期臨床研究中,采用纖維環小切口技術置入,術后早期假體突出較普遍,后外側植入者為20%,前側植入則達33%;經過改制器械和手術技術,假體突出發生率大大減小[23]。

NewCLeus假體:Zimmer公司研制的 NewcLeus假體,是由強度更大的材料復合碳酸鹽-氨基甲酸乙酯(PCU)彈性體制成,它能吸收相當于自身重量35%的水分,假體通常狀態下呈卷曲螺旋狀,開放植入后能緊貼纖維環內壁呈層狀螺旋排列,由于它呈螺旋狀,沒有固定的軸,因此其承重時并不限定于某一特定軸向,即使沒有置入最佳位置,仍可發揮抗壓作用[24]。早期的報道5例臨床研究,隨訪6～64個月(平均23.6個月),所有病例Oswestry疼痛評分明顯改善,沒有移位及其它并發癥[25]。目前,這種假體正通過國際多中心研究來觀察其遠期效果。

NeuDisc假體:由 RepLication Medica公司研制的Neudisc假體也是一種水凝膠多聚體,多聚體間以一個腈倫網片聯結,這個結構接近于人體的髓核組織。這種雙折疊特性的假體裝置非常獨特,可達到適當的硬度,又有充足的柔軟度以避免損傷終板。NeuDisc以脫水的狀況植入,是最小手術入路的方法。當植入后,它可從各個方向吸收水分,最大可吸收其本身重量90%的水分,并且膨脹起來(優先垂直方向)以恢復椎間盤的高度和提高對軸向壓力的抗壓作用,而側方擴張則受到限制[26]。此外,在新西蘭野兔動物模型實驗,也證明了其不具有生物毒性,其生物相容性也較好。目前,已有廣泛的力學實驗證明Neudisc髓核假體力學特性與天然髓核相近,且自2000年以來進行的臨床研究也已證明其早期療效令人滿意[27]。

注射型假體:原位注射成型人工髓核是一種液態混合物(硅膠和聚氨基甲酸乙酯)的多聚體。它將液態的聚合物前體注入摘除髓核后的椎間隙中,通過熱敏、光聚合、加入交聯劑等不同方法使之在原位聚合成半固態塑形;而且它具有手術損傷小的優點,只用普通的注射器就可將多聚體注入纖維環內。硅膠無毒,組織相容性好,也無致癌性,但硅膠易老化,術后長期觀察有椎間隙邊緣密度增高和間隙狹窄的報道。聚氨基甲酸乙酯比硅橡膠有更良好的耐壓性和緩沖能力,并能控制單體的聚合速度和放熱反應,但其抗疲勞和耐磨損能力差,而且由于單體的毒性作用,其成份比例常不能滿足具有類似于正常髓核的生物力學要求[28]。

DASCOR假體:注射型髓核假體的典型代表,該假體是一種可注射的冷凍多基甲酸乙酯多聚體(18℃),12～15min成型,其獨特之處在于有球囊能在椎間盤內為可注射成分提供空間;由于液態聚合物在可控制的壓力下注入,因此其具有一定的塑形能力,使之與髓核摘除后所形成的空隙能更好的契合。這一特性使其可經過很小的切口即可置入較大的假體,并且在聚合過程中,聚合物所釋放的熱量完全控制在生理范圍內(<50°)。最終在椎間盤內固化的聚合體是不可壓縮的芳香族聚醚聚氨酯,其擁有良好的彈性、柔韌性和機械強度[29]。DASCOR假體植入后可保留患者骨量和骨周圍結締組織、肌肉組織,減輕椎間盤源性疼痛效果明顯。Ahrens等[30]報道 60例DASCOR假體置換術患者的臨床療效(男女各30例,平均年齡 39歲;手術節段 L3～43例,L4～526例,L5～S131例;44例隨訪超過6個月,22例隨訪超過1年,17例隨訪超過2年;平均手術時間89 m in,失血量43.1 m L),發現術后6周及隨后2年,視覺模擬評分(VAS)及Oswestry功能障礙指數(ODI)較術前有明顯改善,其中下腰痛VAS較術前下降62%,ODI較術前下降73%;術后6周內使用止痛藥及麻醉藥的量較術前下降88%,術后3個月內患者癥狀明顯改善,術后6周～2年無患者使用止痛藥或麻醉藥;應用MRI評估髓核假體的位置,未發現假體移位或脫出,X線正位及側位片上顯示術后腰椎椎間隙高度有很大改善;認為DASCOR髓核置換系統在2年的臨床應用中顯示出較高的臨床安全性,主要表現為術后疼痛明顯緩解、功能改善和較低的并發癥發生率。Yuan等[31]報道的DASCOR髓核置換系統的臨床效果與之相似。在最近的一項歐洲多中心2年的臨床隨訪報道中[32],顯示DASCOR假體置換后能明顯減輕疼痛,并發癥也有所降低,同時功能上恢復也很好;影像學上同樣證實了這些,但前提是假體的大小、形狀要合適。

此外,新 型 的 BioDisc、NuCore、GeLfLex、SaLuDisc[33]等正在進行積極的臨床試驗。其中,NuCore假體經測試表明它具有和正常髓核類似的力學特性[34],早期臨床研究也得到了比較理想的結果[35]。BerLemann[36]等報道了NuCore假體置換2年的臨床隨訪結果,疼痛指數(SF)由術前的3.2降至0.6,MRI顯示假體在位、無突出,其椎間高度是手術后的90%以上,且患者的功能恢復滿意度高,這些都顯示NuCore假體是值得信賴的。

4 結 論

人工髓核置換是有理論基礎的,而且其技術具有鮮明的特點。髓核置換作為常規手術的補充,可以達到緩解疼痛、恢復椎間盤功能的效果,理想的髓核置換技術應該能恢復正常活動節段的椎間盤高度、運動功能和負荷分配。與傳統的融合術相比,髓核置換技術可以有效的避免相鄰節段的退變,且其對脊柱原有生物力學的影響較傳統的融合術小的多,因此在遠期療效上更具優勢。與全椎間盤置換術相比,髓核置換術也具有明顯的優勢。由于只置換了髓核,保存了其他的椎間盤組織,因此能更完整的保留原有椎間盤的功能。但人工髓核假體置換有一定的適用范圍,其僅適用于早、中期椎間盤退行性病變[37]。對于腰椎間盤突出癥,人工髓核置換適用于保守療法治療至少6個月而無效,影像學分析顯示脊柱前移不到1度,MRI顯示早期脊柱節段退行性改變,不存在SchmorL結節和椎間盤高度不低于5 mm[38]。

內植物脫出是大多數髓核假體都存在的問題[39]。但是髓核假體較正常的椎間盤髓核組織小且富有彈性,因此發生移位后,也不易引起永久性損傷[40]。目前,主要通過技術改進來避免這一并發癥。同時,髓核假體植入時會對纖維環組織的刺激和破壞,可能導致椎間盤組織的退變,目前研究的熱點內容之一就是如何在保證髓核置換效果的前提下,最大限度的減少對纖維環組織的損傷[41]。

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