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腰痛是常见的症状，也是致残的主要原因。虽然腰痛的具体原因很难确定，但椎间盘退变被认为是腰痛的主要原因，详见：慢性腰痛常见病因。到目前为止，保守治疗或手术治疗都不能预防或至少减缓退变过程。因此，再生医学，即通过椎间盘内注射外源细胞修复退变椎间盘，正在成为一种有前景的方法。然而，由于其独特的结构和功能，椎间盘呈现出独特的特征：大部分无血管、缺氧、低pH、高渗压和高机械负荷。这种情况为常驻细胞和输送的外源细胞建立了不利的微环境，限制了细胞治疗的效果。此外，在细胞治疗的整个转化谱系中，还有其他相当大的挑战，包括缺乏疾病分类和患者分层指南，以及明显缺乏对神经分布、细胞命运和细胞治疗背景下椎间盘再生的长期前景的理解。在这篇评论中，我们将讨论上述椎间盘细胞治疗中的关键问题。椎间盘是一种复杂的软骨结构，其功能是抵抗脊柱运动过程中的生物力学负荷。它由高度粘稠的髓核组成，被厚厚的纤维环包围，并被上下软骨终板夹在中间（图1a）。椎间盘细胞通过多种物质，包括细胞因子、酶、酶抑制剂和生长因子，以旁分泌和/或自分泌方式积极调节其代谢活动。椎间盘退变的特征是活细胞数量减少，特别是髓核细胞数量减少及其功能下降，导致细胞外基质（ECM），特别是蛋白聚糖的丢失。随着椎间盘退化并变得更加脱水，纤维环的层状结构变得杂乱无章，椎间盘失去其结构完整性。软骨终板趋于钙化，从而减少向细胞的营养输送。随着炎症，血管和神经可能会生长至纤维环内层和髓核（图1b），而这与腰痛密切相关，详见：椎间盘源性腰痛。这些病理生理学变化将导致纤维环机械张力和椎间盘压力的丧失。因此，通过增加退变椎间盘中的活细胞数量并改变合成和降解之间的平衡来维持或重建ECM的能力是一种新兴的治疗策略。同时，细胞治疗可以通过免疫调节和抑制炎症来缓解椎间盘源性疼痛。
图1. 示意图显示了健康的椎间盘和椎间盘内细胞注射的退变椎间盘。a. 健康的椎间盘由纤维环、髓核和软骨终板组成；b. 退变椎间盘显示纤维环和髓核之间的界限丧失，髓核细胞减少，软骨终板钙化，血管和神经纤维向内生长到退变性椎间盘内。椎间盘退变的细胞治疗包括将活细胞输送至髓核（图1b）、纤维环或全身应用，单独或与生物材料支架和载体组合，使其能够重新填充和修复退变椎间盘，或至少调节退变微环境。各种细胞类型，如椎间盘衍生细胞(intervertebral disc-derived cells)、软骨细胞样细胞(chondrocyte-like cells)、间充质基质细胞(mesenchymal stromal cells, MSCs)详见：PMID:20737049、嗅觉(olfactory)、胚胎(embryonic)、造血(hematopoietic)或诱导多能(induced pluripotent)干细胞(stem cells )，已用于基础和/或临床研究中退变椎间盘的再生治疗（表1）。在这些细胞中，MSCs是一种特别有吸引力的选择，由于其易于制备、自我更新能力、多系分化潜能以及抗炎和免疫抑制特性，已被广泛应用于再生医学。大量临床前研究和几项早期临床试验证实了这一概念，分别在再生效果和减轻腰痛方面提供了令人鼓舞的结果。
最难回答的问题之一就是患者的选择。哪些患者最适合细胞治疗？在考虑细胞治疗的临床成功时，确定椎间盘的状态并评估细胞治疗的适用性非常重要。患者是因腰痛来找临床医生，而不是因担心其椎间盘退变。事实上，许多患有严重椎间盘退变的患者没有任何症状。因此，腰痛应成为临床治疗目标，而不是椎间盘退变。在大多数情况下，不知道腰痛是否是由椎间盘引起的，详见：探寻腰痛责任间隙。其他结构，如小关节和骶髂关节也可能受累，因此即使退变的椎间盘完全再生，疼痛也可能无法治愈，详见：骶髂关节与慢性腰痛。磁共振成像（MRI）可以很好地显示椎间盘退变和退变程度，但不能区分哪个退变椎间盘是疼痛的椎间盘。随着年龄的增加，椎间盘中蛋白聚糖的丢失逐渐增加。因此，50 岁时约 10% 的椎间盘和 70 岁时约 60% 的椎间盘严重退变 。这就留下了一个基本问题，即什么是症状性椎间盘退变，什么是仅与年龄相关的椎间盘退变。目前，激惹性椎间盘造影(provocative discography)是一种诊断方法。随着椎间盘再生医学的出现，腰椎间盘造影术在细胞注射前规划中的应用越来越广泛。然而，腰椎间盘造影术常被质疑，并可能导致进一步的椎间盘退变。因此，没有可靠的方法来确定哪个椎间盘是疼痛的来源。迫切需要开发新的工具来诊断需要细胞治疗的疼痛椎间盘。目前正在为此目的开发新的、先进的成像工具，包括 MRI 技术，如 T1ρ 和 T2 弛豫时间，以及化学交换饱和转移和循环生物标志物的量化。神经末梢增加与椎间盘源性疼痛相关，详见：人类椎间盘的血供特点和神经分布。病理性疼痛椎间盘的神经生长和过度神经支配机制尚未完全阐明。可能参与这一过程的分子是神经营养素（NTs）家族的一些成员，尤其是神经生长因子（NGF），已知其具有神经营养和嗜神经特性，并调节退变椎间盘中神经纤维的密度和分布。NGF及其受体在健康椎间盘中可表达，但在疼痛椎间盘中观察到更高水平，表明NGF的表达水平与椎间盘的神经支配密度之间存在相关性。此外，抗NGF治疗已被证明可诱导镇痛，并在慢性腰痛患者中显示出疗效。然而，迄今为止还没有进行研究来解决注射至疼痛椎间盘的MSCs对异位感觉神经分布特征的影响。很少有研究评估递送的细胞与天然椎间盘微环境之间的相互作用，特别是关于神经支配的椎间盘。强有力的证据支持退变椎间盘中递送细胞的抗炎作用。然而，越来越多的其他应用研究表明，MSCs 在神经系统疾病中的再生能力，以及 MSCs 释放的 NGF 及其受体可以增强神经存活和神经轴突生长。因此，将 MSCs 输送至具有神经支配椎间盘的患者可能通过支持这些伤害性纤维内生长而加重疼痛症状。迄今为止，在已发表的椎间盘细胞治疗临床试验中，总有一群无效的患者；然而，尚不清楚为什么这些患者的疼痛和功能障碍评分没有任何改善。神经支配椎间盘患者持续疼痛的一个可能原因是在注射后由干细胞介导的神经网络的存活和迁移。椎间盘细胞的营养供应主要通过软骨终板。随着椎间盘退变，终板钙化可能发生，并抑制溶质从终板下毛细血管网扩散至椎间盘。在退变椎间盘中，这种营养途径受到阻碍，影响植入细胞的活性和存活率。大量动物研究和有限的人体研究发现，细胞移植后仍能存活数周和数月，但很少有研究探索更长期的结果。然而，椎间盘修复是一个非常漫长的过程。来自健康成熟个体的II型胶原具有很长的周转时间，大约数百年。这意味着，移植细胞产生和分泌正确基质成分的能力不足以长期发挥作用，因为难以形成生物力学上不可或缺的结构。显著增加退变椎间盘中细胞合成代谢活性从而增加营养需求的细胞疗法使营养环境过度失衡，导致细胞死亡或细胞活性降低。因此，细胞治疗可能降低而不是增强递送细胞的活性和生存能力。盲目追求椎间盘修复策略以促进细胞增殖和合成代谢活性，而不考虑退变椎间盘中的营养环境，可能不是椎间盘再生的正确方向。考虑到椎间盘退变营养物质的可用性降低以及足够营养对细胞存活的重要性，在设计椎间盘再生策略时应首先考虑这种影响。尽管最近，对退行性椎间盘的体内营养微环境进行的硅模型研究发现，由于椎间盘高度降低和血管系统向内生长，营养浓度可能会随着扩散距离的减小而增加。此外，二维稳态有限元数学建模研究还表明，不同的椎间盘形态对椎间盘的扩散梯度有重要影响，并发现移植细胞对营养的影响可能有限。然而，这些研究的主要局限性是纯扩散假说，仍需进一步研究证实。此外，细胞治疗还可产生多种血管生成因子，包括血管内皮生长因子和成纤维细胞生长因子，以促进血管生成，这对于椎间盘修复也是必不可少的。椎间盘的机械负荷引发细胞介导的重塑事件，从而导致椎间盘退变。大量动物模型使用改变的生物力学来诱导椎间盘退变。这些模型表明，尽管椎间盘是完整的，但随着时间的推移，改变的生物力学负荷可导致分解代谢细胞反应和椎间盘基质重塑。体外研究表明，中度循环负荷对椎间盘细胞有合成代谢作用，而静态过载则显示分解代谢效应。体外施加于人类椎间盘细胞的高张力应变已被证明可以驱动与椎间盘退变相关的细胞因子和炎症反应。因此，机械负荷和细胞功能之间的关系被认为是椎间盘功能和功能障碍的关键组成部分。细胞、ECM和生物力学应力的相互作用有助于椎间盘的稳态。如果椎间盘细胞没有接收到适当的机械信号，它们将停止生产，甚至开始降解蛋白多糖。蛋白多糖的减少将导致椎间盘内的压力下降，从而改变细胞的生物力学压力。因此，可以推断出椎间盘退变的正反馈回路，包括细胞、ECM和生物力学的退变循环。椎间盘退变总是伴随着椎间盘内压力降低和异常载荷分布。在这些机械条件下，再生退变椎间盘的细胞治疗几乎是不可能的。从生物力学角度来看，椎间盘再生可能仅在椎间盘内压力和载荷分布恢复的情况下发生。动态稳定系统现在为椎间盘再生的机械力学恢复提供了潜力。使用椎弓根螺钉或棘突间装置的动态稳定系统已经显示出脊柱节段的再稳定和椎间盘内压力的降低。大量临床研究表明，接受动态稳定系统的退变椎间盘可引起椎间盘再生。将基于椎间盘细胞的治疗与动态稳定系统相结合可能是椎间盘退变治疗的未来发展方向。结论 尽管基于细胞的椎间盘退变治疗取得了长足的进步，但仍有不少障碍需要克服。 在这篇评论中，我们提出了细胞治疗椎间盘退变的主要问题和可能的解决方案（表 2）。需要进一步的研究来开发诊断需细胞治疗的疼痛椎间盘新工具，开发替代途径以消除疼痛椎间盘中生长的伤害感受器，进一步了解移植细胞的生命周期和作用机制，以及恢复退变椎间盘的机械环境 ，使细胞疗法最终从实验室走向临床。 
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