骨密度与颈椎间盘退变关系的实验研究

　　作者：谢林 康然 施杞 侯铁胜 沈培芝 徐宇 作者单位：210028江苏省南京市，江苏省中西医结合医院骨科(谢林，康然);200032上海市，上海中医药大学(施杞，沈培芝，徐宇);200062上海市，第二军医大学长海医院(侯铁胜)

　　【摘要】 目的 探讨骨密度与颈椎间盘退变的相互关系。 方法 利用14月龄雌性大鼠，采用去势造成骨质疏松(A组)、破坏鼠颈后部软组织结构造成颈椎间盘退变(B组)、及两者合并(C组)等3种动物模型，通过观察各组鼠骨密度(BMD)、颈椎间盘退变的形态学分级变化，与正常组(D组)对比，进行相关性分析。 结果 B组中，颈椎间盘退变程度与颈椎BMD呈正相关(P<0.01)。在C组中，颈椎间盘退变程度与颈椎BMD呈正相关(P<0.05)，与腰椎BMD呈负相关(P<0.01)，在其余各组中，也有这种趋势，但没有统计学意义(P>0.05)。各组中，全身BMD与颈椎间盘退变程度之间的关系，没有显著意义(P>0.05)。 结论 颈椎间盘退变与颈椎骨密度呈正相关，与腰椎骨密度呈负相关，与全身骨密度没有关系。

　　【关键词】 骨密度 颈椎间盘退变 大鼠

　　Experimental study of correlation between bone mineral density and cervical intervertebral disc degeneration XIE Lin,KANG Ran. Department of Orthopaedics,Jiangsu Provincial Hospital of Integrated Traditional and Western Medicine,Nanjing 210028,China;SHI Qi,SHEN Peizhi,XU Yu. Shanghai University of Chinese Traditional Medicine,Shanghai 200032,China;HOU Tiesheng.Changhai Hospital of the 2nd Military Medical University,Shanghai 200062,China

　　【Abstract】　Objective To investigate the correlation between cervical intervertebral disc degeneration and bone mineral density(BMD). Methods 48 female SD rats (14 months old) were randomly separated into four groups:model group of the ovariectomized rats(group A),model group of cervical disc degeneration(group B),model group of cervical disc degeneration of the ovariectomized rats(group C),and normal control group (group D). The model of cervical intervertebral disc degeneration of the rats was established by means of resection of the posterior paravertebral muscles from cervical vertebrae. All the rats were killed 4 months after operation in order to observe the changes of BMD and assess the morphologic state of the discs. The correlation between BMD data and grades of cervical intervertebral disc degeneration was analyzed in all groups. Results There was a significant positive correlation between the grades of cervical disc degeneration and the cervical BMD in group B and group C(P<0.01 or P<0.05). There was a negative correlation between the grades of cervical disc degeneration and the lumbar BMD in group C (P<0.01). There was the same tendency in the other groups (but with no statistical significance). No correlation between the cervical disc degeneration and the totalbody BMD was found in all groups. Conclusions The cervical intervertebral disc degeneration has an positive correlation to cervical BMD,and an inverse correlation to lumbar BMD.

　　【Key　words】 bone mineral density(BMD); cervical intervertebral disc degeneration; rats

　　骨质疏松症(osteoporosis,OP)和椎间盘退变(intervertebral disc degeneration,IDD)都是与增龄有关的退行性病变，且常可并发于同一患者[1]。既往对于两者之间关系的研究，以临床研究为主，且意见不统一。本研究利用14月龄雌性大鼠，采用去势造成骨质疏松，破坏鼠颈后部软组织结构造成颈IDD，及两者合并等3种动物模型，通过观察各组模型鼠颈椎骨密度(bone mineral density,BMD)、颈椎间盘退变程度(intervertebral disc degeneration grade，IDDG)的变化，探讨两者之间的相互关系。

　　1 材料与方法

　　1.1 动物分组与造模方法 14月龄雌性SD大鼠，体质量(407±16)g，共48只，由上海中医药大学实验动物中心提供，清洁级。48只大鼠随机分成4组，每组12只，动物腰背部、颈后部剃毛，均以氯胺酮(0.1 g/kg)麻醉，新洁尔灭酊消毒，无菌操作。术前10 min给青霉素(20万 U/kg)肌注1次，造模后切口涂敷少许红霉素软膏预防术后感染。

　　A组为去势模型组，先取腰椎旁背侧双切口各约0.5 cm，进入腹腔，完整摘除双侧卵巢，彻底止血后分层缝合，然后，在颈后部正中皮肤上作一长约2 cm 的切口，止血后缝合。

　　B组为颈IDD模型组，取颈后部正中纵向切口(从环枕关节至第二胸椎棘突处)长约2 cm，切开皮肤及浅、深筋膜，逐层从起点至止点切除鼠颈后部双侧浅、中层肌(颈斜方肌、头菱形肌、颈菱形肌、颈夹肌)，彻底止血后缝合皮肤;然后，作腰椎旁背侧双切口，进入腹腔，切除两段肠系膜，重量基本与卵巢相同，止血后分层缝合。

　　C组为去势合并颈椎间盘退变模型组，去势和切除颈后部肌肉方法与A、B组相同。

　　D组为正常假手术组，不切除卵巢及颈部肌肉，腰背部、颈部假手术方法与A、B组相同。

　　4组动物均于5 d后拆线，在同样环境中自由饮水、摄食。因系老龄鼠，A、B、C、D组分别有2、3、4、3只鼠自然死亡。手术造模4月后，将大鼠处死，观测下述指标。

　　1.2 检测指标及方法

　　1.2.1 BMD测定： 采用HOLOGIC公司生产的双能X线骨密度仪(dual energy Xray absorptiometry,DEXA)QDR-2000型测定鼠颈椎(全部)、腰椎(全部)及全身BMD。

　　1.2.2 椎间盘形态学检测： 取颈6～7椎间盘及相邻椎体，10%中性甲醛固定，EDTA脱钙2周，石蜡包埋切片，HE染色，Olympus BX60型显微镜下观察椎体椎间盘正中矢状面，据髓核、纤维环、终板及椎体退变情况，按Miyamoto等[2]的分级标准由轻到重将椎间盘分为ⅠⅤ级(Ⅰ级：正常椎间盘;Ⅱ级：软骨组织增生，前侧纤维环失去薄层环状结构;Ⅲ级：髓核缩小甚至消失;Ⅳ级：纤维环有裂缝或裂开;Ⅴ级：椎间盘物质突出或骨赘形成)。

　　1.3 统计学处理 各组BMD比较及其两两比较采用方差分析和q检验，各组IDDG比较及两两比较采用秩和检验及q检验，BMD与IDDG相关性分析采用等级相关检验(Spearman rank correlation test)，数据统计分析均采用SPSS 9.0软件进行处理。

　　2 结果

　　2.1 组间各部位BMD值比较 各组颈椎、腰椎、全身BMD值及其比较结果如表1所示，组间颈椎BMD及全身BMD差异没有显著性(P>0.05);各组间腰椎BMD差异有非常显著性(P<0.01)，且经q检验两两比较发现，A组与C组比较，差异没有显著性(P>0.05),C组与D、B 2组比较及A组与D组比较，差异有显著性(P<0.05)，A组与B组比较，差异有非常显著性(P<0.01)。表1 组间各部位BMD比较 注：与D组比较，*P<0.05;与C组比较，△ P<0.05;与B组比较，▲▲ P<0.01

　　2.2 各组内BMD与IDDG相关性分析 表2反映了各组各部位BMD与颈IDDG之间的相关关系。在B组中，颈IDDG与颈椎BMD呈正相关(P<0.01)。在C组中，颈IDDG与颈椎BMD呈正相关(P<0.05)，与腰椎BMD呈负相关(P<0.01)，在其余各组中，也有这种趋势，但没有统计学意义(P>0.05)。各组中，全身BMD与IDDG之间的关系，没有统计学意义(P>0.05)。 表2 各组内BMD与IDDG相关性分析

　　2.3 组间IDDG值比较 切除鼠颈后部浅、中层肌肉，破坏鼠颈部动力平衡，可以造成颈IDD，B、C 2组IDDG明显高于A、D组，差异有显著性(P<0.05或P<0.01)。见表3。表3 组间IDDG值比较

　　3 讨论

　　既往有关BMD与IDD关系的研究中，Harada等[1]通过观察86例绝经后妇女BMD及其椎间盘面积，发现BMD越高IDD越严重，认为BMD与IDD呈正相关; Margulies等[3]调查294例患者，发现BMD低者，IDD也严重，两者呈负相关; Symmon等[4]则认为骨质疏松与IDD是两个相互独立的病理过程，BMD与IDD之间没有关系。3种意见互相矛盾，而且以上研究及其结论均缺乏足够的说服力。首先，研究手段较落后。这些研究以X线照片为主要检测手段，X片上所示椎体骨赘常用来衡量BMD的程度，对椎间盘本身很少涉及，BMD的检测采用的是皮质BMD测量法或单光子骨密度仪测量。其次，椎体和椎间盘紧密相连，椎间盘的营养主要通过终板途径由椎体内血管渗透，加之椎体骨质疏松后力学性能的改变对椎间盘的影响，因此，认为两者是互不相干的病理过程的说法不妥。再次，Tsuji等[5]在CT片上测得椎间盘的面积并不能反映IDD的程度。在骨质疏松的脊柱上，椎间盘突出的多少并不能衡量IDD的严重程度，因椎体骨质疏松后，在负荷情况下，椎体终板会发生形变，椎间盘不是向四周而是向椎体内膨突，形成“气球状椎间盘”，这样，即使IDD很严重，椎间盘面积也不会明显增大。

　　有关动物实验研究都在IDD的模型上观察椎体骨质的变化，而这仅能观察到IDD对椎体骨质的影响，但是，既然要研究两者的相互关系，也应该观察OP(BMD下降)对IDD的影响，及在既有OP又有IDD时两者的相互影响。绝经后OP是原发性OP的重要部分，用雌性大鼠去势3～6月可造成标准化的OP模型，正确地模拟了绝经后OP雌激素缺乏的临床特性;此外，长期低头工作是诱发颈椎病、IDD的重要原因，其根本机制在于颈椎力学平衡的失调[2]，模拟此病因，通过切除动物颈后部后伸肌的浅、中层，致使鼠颈部动力平衡的失调，使动物有易于低头倾向，导致鼠颈椎间盘出现退变。本研究采用14月龄雌性大鼠，分别造成OP(去势)、颈IDD(切除鼠颈后部浅、中层肌肉)及既有OP又有颈IDD等3种模型，观察动物颈椎、腰椎及全身BMD与其颈IDD之间的相互关系。

　　大鼠去势后雌激素明显减少，骨吸收及骨形成均加速，呈高转换型骨代谢，由于骨吸收过程较短，成骨过程较长而造成骨量丢失。小梁骨的面积超过皮质骨，故小梁骨的丢失超过皮质骨，因此，松质骨多的部位骨丢失明显。本研究中发现，在去势的A、C 2组中，因全身3/4的骨质为皮质骨，且颈椎的皮质骨较腰椎多，故骨丢失在腰椎明显，腰椎BMD与未去势组比较，有显著性差异(P<0.05或P<0.01)，说明OP、BMD下降的存在;而在切除颈后部肌肉的B、C组中，颈IDD的程度明显较A、D组严重，差异有显著性(P<0.05)，说明颈IDD模型成立。

　　研究结果表明，在既有颈IDD又有OP、BMD下降的C组中，及仅有颈IDD的B组中(在4组中颈椎BMD最高)，颈IDD与颈椎BMD呈正相关，说明IDD可以引起相邻椎体BMD增加。Silberberg[6]及Ziran等[7]的研究支持这一结果，他们在一种随着增龄自然产生IDD或突出的沙漠沙鼠模型上，发现退变或突出的椎间盘相邻椎体软骨下骨小梁明显稠密硬化，而椎间盘没有退变的相邻椎体没有这种现象，因此认为IDD可引起椎体骨量增加。我们在以往研究动物IDD时还发现，IDD往往伴随有终板关节软骨钙化层增厚[8]， 此外，椎体骨赘的形成也都可能是这种骨量增加的原因所在。Knight等[9]认为IDD后软骨下骨质的硬化增厚甚至骨质增生能使椎体局部骨量增加，而全身BMD并不一定升高。在我们的研究中也发现，各组间全身BMD没有差异，因为影响全身BMD的因素很多，也没有发现全身BMD与颈IDD之间的明显相关性。在C组中，颈IDD与腰椎BMD呈负相关，及在去势的OP模型A组中，也可以看到明显的颈IDD。Hasson 等[10]在研究骨矿含量、IDD、椎体压缩性骨折三者的关系时发现，椎间盘退变严重者往往伴有较低的骨矿含量及终板下骨小梁骨折。因本研究采用的大鼠模型象其他骨质疏松模型一样，不发生骨量减少引起的脆性骨折，而未能观察到这一情况。

　　近来有研究发现，大鼠去势后，椎间盘较早出现退行性改变，椎间盘结构及功能的完整性破坏，纤维环中胶原结构排列紊乱、断裂，软骨细胞退变[11]。OP中BMD下降及IDD变均与去势、雌激素水平下降有关，那么，C组中颈IDD与腰椎BMD的负相关关系是否是由去势、雌激素下降所介导值得深入研究。

　　【参考文献】

　　[1] Harada A,Okuizumi H,Miyagi N,et al. Correlation between bone mineral density and intervertebral disc degeneration[J]. Spine，1998， 23 (8): 857861.

　　[2] Miyamoto S,Yonenobu K,Ono K. Experimental cervical spondylosis in the mouse[J]. Spine,1991,16(10 Suppl)：S495S500.

　　[3] Marqulies JY,Payzer A,Nyska M,et al. The relationship between degenerative changes and osteoporosis in the lumbar spine[J]. Clin Orthop Relat Res,1996(324): 145152.

　　[4] Symmons DP,van Hemert AM,Vandenbroucke JP,et al. A logitudinal study of back pain and radiological changes in the lumbar spines of middle aged women[J]. Ann Rheum Dis,1991,50(3): 162166.

　　[5] Tsuji H,Yoshioka T,Sainoh H,et al. Developmental balloon disc of the lumbar spine in healthy subjects[J]. Spine,1985,10(10): 907911.

　　[6] Silberberg R. Histologic and morphometric observations on verterbral bone of aging sand rats[J]. Spine,1988,13(2): 202208.

　　[7] Ziran BH,Pineda S,Pokharan H,et al. Biomechanical,radiologic,and histopathologic correlations in the pathogenesis of experimental intervertebral disc disease[J]. Spine,1994,19(19): 21592163.

　　[8] 彭宝淦，施杞，沈培芝，等.软骨终板钙化与椎间盘退变关系的实验研究[J].中华外科杂志,1999,37(10)：613616.

　　[9] Knight SM,Ring EF,Bhalla AK. Bone mineral density and osteoarthritis[J]. Ann Rheum Dis,1992,51(9): 10251026.

　　[10]Hansson T,Roos B. The relation between bone mineral content,experimental compression fracture,and disc degeneration in lumbar vertebrae[J].Spine，1981，6(2)：147153.

　　[11]胡侦明，戴戎，赵建平.卵巢切除后鼠椎间盘结构及软骨P物质神经分布的观察[J].中华骨科杂志,1999,19(5)：292294.