斑马鱼椎间盘退变3维评估发现了导致椎间盘

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文章亮点：

退行性椎间盘疾病是一种常见的骨骼肌肉系统疾病，具有较高的发病率与致残性。骨密度在椎间盘退行性疾病中所起到的作用存在着较大的争议，部分学者认为骨质疏松是椎间盘疾病的保护因素，也有部分学者认为其是危险因素。该项研究从骨密度入手，发现了骨稳态在椎间盘退变中的神奇之处，不管是骨质疏松还是骨密度增高都将可能导致或加重椎间盘退变。为椎间盘治疗指明了研究的方向，即不能通过改变骨稳态来减轻病痛。也为临床上对骨质疏松合并椎间盘退行性病变的患者指明了道路，提供了佐证更支持积极治疗骨质疏松症。

文章引言：

腰背痛作为一种常见的疾病，是全球健康负担之一，具有很高的社会影响。椎间盘疾病（IVDD）是导致背痛的主要原因之一；目前还没有治疗方法可以扭转这种疾病。骨矿物质密度（BMD）对IVDD的影响一直存在争议，一些研究认为骨质疏松症是IVDD的致病因素，另一些研究则认为它对IVDD有保护作用。评估BMD的遗传成分对IVDD的影响的功能研究或为药物开发和再利用提供机会。通过采取整体的三维方法，我们建立了一个自发性IVDD的衰老斑马鱼模型。通过自动计算分析检测到的老化过程中BMD的增加是由终板的骨骼变形引起的。衰老斑马鱼的脊柱在骨形态、显微结构、矿物异质性以及脆性增加等方面表现出类似骨质疏松的改变。椎间盘的组成部分重现了人类的IVDD症状:椎间盘韧带(相当于纤维环)表现为胶原纤维紊乱和突出，而椎间盘中心(相当于髓核)表现为脱水和细胞异常。我们通过突变sp7和CTSK来操纵年轻斑马鱼的BMD，分别导致低和高BMD。值得注意的是，我们在两组中都检测到了IVDD，表明低BMD不能保护IVDD，而且我们发现高BMD和IVDD之间有很强的关联性。深度学习被应用于高分辨率同步辐射μCT图像数据，以分析骨细胞三维裂隙分布和形态，揭示了sp7在控制骨细胞裂隙三维分布中的作用。我们的发现提出了潜在的途径，通过将骨质作为目标，可以有针对性地确定对IVDD有益的治疗方法。

文章结果：

图1：老年斑马鱼脊柱的进行性异常。脊柱随年龄增长进行性畸变，μCT3D渲染图像显示年老斑马鱼椎体骨密度更高，利用计算机自动成像系统分析斑马鱼椎体骨密度，发现斑马鱼骨密度随年龄增长而升高。

图2：老龄斑马鱼与sp7-/-斑马鱼脊柱骨脆性增加。

μCT成像下，利用材料测试系统进行体外脊柱脆性测试示例，压缩前：结构完整，压缩后：

结构破坏sp7-/-斑马鱼较早出现骨骼畸形。3月龄sp7-/-斑马鱼骨密度下降，脆性增加。

图3：SRCT显示细微的骨形态异常和矿物质密度分布的改变。

老化和sp7-/-斑马鱼椎间盘内部钙化异常及骨密度的下降，椎间盘胶原纤维的减少。

图4：骨细胞腔隙轮廓在老龄斑马鱼中没有变化，但年轻sp7?/?斑马鱼腔隙轮廓改变明显。

sp7?/?斑马鱼骨陷窝在终板和骨沿线的分布显著减少

图5：椎间盘组织病理揭示斑马鱼3D椎间盘的改变。

老龄斑马鱼和sp7-/-斑马鱼（品红箭头）椎间盘纤维化及髓核排列混乱，纤维环的退行性改变。

图6：椎间盘退变斑马鱼出现胶原纤维重构和椎间盘突出。

年轻的斑马鱼在终板上只观察到光滑垂直的纤维组织，老年斑马鱼和sp7-/-斑马鱼的纤维环纤维较粗。老化的斑马鱼和sp7-/-斑马鱼中发现了严重的肿胀。

图7：CTSKcrp斑马鱼骨密度增高伴有过早的椎间盘退变。

CTSKcrp斑马鱼骨密度增高同时伴有髓核紊乱、胶原纤维缺失等早期椎间盘退变的病理改变。

文章结论：

退行性椎间盘疾病是一种常见的骨骼肌肉系统疾病，具有较高的发病率与致残性。目前，针对椎间盘退变主要通过止痛药，消炎药和生活习惯的改变来缓解疼痛和减少功能损害等姑息治疗。然而椎间盘退行性病变的机制仍不清楚，对应的药物也至今没有得到研发。在临床工作中，患者可能同时患有椎间盘退变以及骨质疏松，对于此类患者更需要精确的用药治疗。因而研究骨密度改变对椎间盘退变疾病的影响具有较大的意义。该文发现了骨稳态在椎间盘退变中的重要作用，提出了潜在的途径，不管是骨质疏松还是骨密度增高都将可能导致或加重椎间盘退变。通过将骨质作为目标，可以有针对性地确定对IVDD有益的治疗方法。