前言 - 椎間核變性水解與外生性交聯對椎間盤動態性質的影響

1-1 脊椎的基本構造

人類脊椎(spine)是為人體主要組成的一軸向骨架，總共包含三十三個脊椎骨及二十三個椎間盤所組成。如圖 1-1 所示，脊椎骨由上到下分別由七節頸椎

（cervical spine)、十二節胸椎(thoracic spine)、五節腰椎(lumbar spine)、五節薦椎 (sacral spine)以及四節尾椎(coccygeal spine)。每個椎骨(vertebrae)形狀大小略有不同，但是其構造大致相同，主要是由椎體(vertebral body)、椎間孔(vertebral foramen)、椎弓根(pedicle)、椎板(lamina)、脊突(spinous process)、一對橫突 (transverse process)、一對上關節突(superior articular process)、一對下關節突 (snferior articular process)所組成，如圖 1-2 所示。椎體為傳遞椎骨承重，而椎弓根與椎板兩者組成椎管來保護脊髓。脊突為從椎骨延伸出的骨頭，提供了肌肉與韌帶的附著點。上關節突與下關節突結合稱為小面關節(facet joints)。除了前兩節頸椎、薦椎與尾椎外，所有脊椎椎骨與椎骨之間都由一個椎間盤相連在一起。脊椎是由椎間盤與小面關節將每一椎骨連接起來，使整條脊椎由側面看起來為直立 S 型的弧度，提供人體可做出屈曲(flexion)、伸展(extension)、側彎(lateral bending) 及扭轉(rotation)四種主要運動方式。

1-2 椎間盤的構造及功能

椎間盤是相連於兩節椎骨之間，以加強椎骨與椎骨之間的穩定性外，同時提供脊椎適當活動的功能。椎間盤提供了脊柱在承重和運動時，產生對抗彈力以減輕和緩衝外力對脊柱的壓迫力。如圖 1-3 所示，椎間盤的構造可分為內部膠狀的椎間核(nucleus pulposus，NP)、外部環狀的椎間環( anulus fibrosus，AF )及與椎骨連結的椎終板(endplate，CEP)。椎間核由水、第二型膠原蛋白( collagen type II )及蛋白多醣 ( proteoglycan，簡稱 PG )所組成¹，為灰白色膠狀黏液組織，具有韌性與彈性，其功能主要是用來抵抗軸向的壓力²。椎間環是由水、第一型膠原蛋白(collagen type I ) 纖維及蛋白多醣交錯組成，其橫向纖維為與椎骨軸向成

60°夾角層狀環形結構，約為 15~25 層^3,4，其功能主要是用來抵抗脊椎彎曲或扭轉時產生的拉力；椎終板為一平行厚度約略 1mm 的透明軟骨，是椎間盤與椎骨養分交換的主要管道，利用滲透及擴散方式將養分與代謝廢物輸出和輸入椎間核中。

椎間盤是一個黏彈性組織⁵，它具有儲存能量的功能。椎間盤受壓時，因椎間核徑向延展，使的椎間環纖維向外推，椎間環纖維為了抵抗這種伸展，會施予一個反力於椎間核⁶，由於膠原蛋白纖維具有彈性，此椎間環纖維就像是彈簧變形。所以由於椎間核的關係，避免椎間環受垂直軸向負載下其纖維產生挫曲⁶。此外椎間核也因椎間環的限制，使其產生的徑向變形受到限制。當壓力移除後，

椎間環纖維彈力收回會將能量轉移給椎間核，幫助它恢復負荷所造成的變形，因此椎間盤可視為椎骨的減震系統。當椎間盤受到迅速軸向衝擊時，剛開始會先由椎間環變形吸收能量，然後再將力傳送到椎體，藉由椎間盤的減震可以保護椎骨受衝擊的破壞。衝擊吸收能力會隨多次負載而降低，

有研究指出，衝擊吸收能力會隨椎間盤含水量與完整性而改變⁷。對一個正常健康的椎間盤來說，其椎間核應該保持為半流體狀與具有高澎潤壓(swelling pressure)特性，椎間盤要保持正常機械特性需要依賴於椎間核吸附和保持水的能力，然而椎間核吸附和保持水的能力與蛋白多醣含量有關⁸，因此椎間盤機械特性會受到椎間核含水量與蛋白多醣含量所影響⁹。椎間盤是含水量極高，水分分別在椎間核與椎間環中各佔80％¹⁰及70％¹¹。椎間盤受壓後，水份被擠出，椎間盤內的蛋白多醣濃度提高，造成滲透壓(osmotic pressure)上升。而滲透壓與蛋白多醣上的糖胺聚醣(glycosaminoglycan，簡稱GAG)鍵上的負電極有關。具有正電極的分子會被糖胺聚醣鍵上的負電極吸引，因此產生滲透壓使椎間盤組織具有吸附水和鎖水的功能^2,5，有研究也指出椎間盤蛋白多醣含量對椎間盤水分吸附能力與抗壓能力有關¹。如圖1-4所示，水分在椎間核和椎間環中是由蛋白多醣所吸附，但受擠壓後蛋白多醣變形把水分擠出，等到蛋白多醣產生的滲透壓力與外部壓力達到平衡狀態，水分流失就會停止；而負載移除後，蛋白多醣會恢復吸水能

力。因此研究也指出，人體在白天生理活動情況下所造成的水分流失，只要經過晚上的睡眠休息，就能將流失的水分完全回復至椎間盤內¹¹。

圖 1-1、脊椎構造圖¹²

圖 1- 2、椎骨構造圖¹²

圖 1- 3、椎間盤構造圖¹³

圖 1-4、膠原蛋白與蛋白多醣聚合物受壓示意圖¹⁴

1-3 椎間盤傷害

椎間盤因在日常生活中承受人體軀幹及上肢的重量，因此較其他組織容易發生損傷，椎間盤傷害主要為椎間盤過大外力的急性損傷以及受長期循環的循環

損傷^7,15-20。常見的椎間盤急性損傷為椎間環斷裂，有研究指出長期彎腰、高勞

力及長時間在震動環境下工作的人，被視為產生椎間環斷裂的好發族群¹⁹。有研究指出，椎間環產生的孔徑越大越會使椎間盤水分洩漏的可能性²¹，受到負載水分容易被擠出。所以有研究也指出，當循環負載造成椎間盤損傷後，量測椎間盤的動態性質變化，結果發現受傷後椎間盤動態性質較受傷前快達到穩定狀態⁷。椎間環斷裂後，如果沒有足夠的休息去修復受傷的椎間環，最後會造成椎間核隨著裂縫被擠出，因而導致椎間盤突出¹⁷。椎間核會隨年齡增加由水膠狀變成纖維狀，主要是由於水分與蛋白多醣含量減少^14,22。椎間核失去水分後，椎間盤的壓力會由原本均一分布的等向壓力轉變成集中在椎間環上^23-25。因此當椎間核失去其澎潤特性後，會造成外力全由椎間環抵抗，而且當椎間核功能降低後，當椎間盤受負載時，會導致椎間環纖維失去椎間核支撐產生向內彎曲(inward bulging)⁶。這樣會增加椎間環所受的剪應力，因此會造成椎間環撕裂(tear)或裂縫(fissure)。

因此椎間核蛋白多醣降解影響椎間盤力學性質的改變²⁶，甚至會導致更嚴重椎間盤退化，所以椎間核蛋白多醣降解為一個潛在使椎間盤退化的機制2,5,8,14,19,22,27。 1-4 組織癒合過程的急性期

椎間盤受傷時，會影響到椎間核細胞基質合成與變性降解的平衡，造成蛋白多醣、膠原蛋白及彈性纖維的減少²⁶。椎間盤受傷處於急性期時，椎間盤細胞會使基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinases，簡稱 MMPs）等變性降解酵素活化，開始分解蛋白多醣、膠原蛋白及蛋白質細胞基質，以利椎間盤受傷組織的吸收。隨著椎間核的蛋白多醣基質減少，椎間盤對水的吸附能力就下降，椎間盤的滲透性變大，椎間盤受到負載時水分流失加速，因此椎間核內細胞基質的變性降解勢必會影響椎間盤的材料性質與力學特性。探討此議題的研究多以動物椎間

盤為實驗對象，然而欲使動物椎間核產生自然變性降解並不容易，因此研究者多將變性降解酵素注射入椎間盤來達到此目的，這個方法稱為化學髓核溶解術 (chemonucleolysis)。常用的變性降解酵素有硫酸軟骨激素酶(Chondroitinase ABC，簡稱 ChABC)以及胰蛋白酶(trypsin)。實驗證明兩種酵素對椎間盤生化成份、機械性質上的影響並沒有明顯差別。

在生化成份上，硫酸軟骨激素酶和胰蛋白酶皆會造成椎間核內 GAG 數減少變性膠原蛋白增多，與椎間核內的基質金屬蛋白酶有類似的效果。Perie 等人在 2006 年以牛尾巴的椎間盤作為研究對象，分別在椎間盤中注射胰蛋白酶²⁸以及 ChABC²⁹後發現，椎間盤的 GAG 含量、膠原蛋白含量皆有顯著性變少。Roberts 等人³⁰在 2008 年以牛尾巴的椎間盤作為研究對象，在椎間盤中注射胰蛋白酶後，將椎間盤置於恆溫箱內培養三個禮拜，發現注射胰蛋白酶後的椎間盤內部 GAG 含量顯著性減少，且因為細胞基質降解而產生空腔。

在機械性質上，研究顯示硫酸軟骨激素酶和胰蛋白酶會造成椎間盤的高度降低、椎間盤內壓下降、椎間盤勁度變大、滲透係數上升、聚合模數下降等現象。

Sasaki 等人³¹在 2001 年以活體羊腰椎的椎間盤作為研究對象，在椎間盤中注射劑量為 1、5 和 50 U 的硫酸軟骨激素酶，以及一組注射生理食鹽水的對照組，分別在注射前一星期、注射後一星期和注射後四星期量測椎間盤壓力與高度。實驗結果發現，注射 ChABC 後一星期的椎間盤內壓力會有顯著性下降，四星期後觀察同樣還是會下降，椎間盤高度也會有下降趨勢。Perie 等人在 2006 年以牛尾巴的作為研究對象，分別在椎間盤中注射胰蛋白酶²⁸以及硫酸軟骨激素酶²⁹後發現，椎間核²⁸、椎間環²⁹的滲透係數(k₀)顯著性上升，聚合模數(H_A)顯著性下降，

Mwale 等人³²在 2008 年以牛尾巴作為研究對象，在椎間盤中注射胰蛋白酶後，

也得到類似的結果。Boxberger 等人³³在 2006 年以老鼠腰椎作為研究對象，在椎間盤中分別注射濃度為 0.01、 0.1、 1 和 10 U/ml 的硫酸軟骨激素酶，對椎間盤做循環拉伸與壓縮測試。實驗結果發現，注射硫酸軟骨激素酶後，椎間盤的中性區位移量都顯著變大。

1-5 組織癒合過程的亞急性期

椎間盤受傷後的亞急性期，椎間盤組織中開始增生血管組織，變性降解酵素抑制酶(matrix degrading enzyme inhibitors)、生長素(growth factor)等亦開始活化，抑制變性降解酵素的分泌及活性，並促進椎間盤內的細胞開始分泌蛋白多醣以及膠原蛋白等細胞基質以修補受傷的組織³⁴。過去的實驗顯示，當變性降解酵素注射入活體動物的椎間盤後，在初期酵素可迅速造成椎間盤的蛋白多醣含量變性降解且伴隨著椎間盤體積、高度與壓力減少^31,35，但經過一段時間後酵素即被動物體吸收，而原本受損的細胞基質結構則呈現修復現象。Boxberger 等人³⁶在 2008 年以活體老鼠腰椎的椎間盤作為研究對象，在椎間盤中注射硫酸軟骨激素

在文檔中椎間核變性水解與外生性交聯對椎間盤動態性質的影響 (頁 10-20)