生物学和康复医学

生物学和康复医学第一页，共六十九页，编辑于2023年，星期日生物学+康复（Rehabilomics）生物学包括生物力学、生物化学和生物制品（Biologics）。生物制品一词的内涵包含如生物药理学、生物治疗学、生物技术药等。生物制品从基础来说，不同于药物学，因为它们主要来自有生命的有机体。在康复范畴，生物制品的概念可扩展至包括那些治疗和“由生物体产生”的介入；因此，运动、以活动为基础的介入可考虑属于“生物制品为基础”的治疗。机体在内外环境改变下会产生一系列生物反应，包括生物标志物。随着科学进展，各种标志物可被检出，根据其特性，有可能作为治疗靶点，从而为很多疾病的治疗和康复提供依据和可能。WagnerAK.PMR2011;3:S28-S30第二页，共六十九页，编辑于2023年，星期日Rehabilomics在临床，经常应用生物标志物观察患者处理或对治疗的评估，作为检测生物学和病理进程，生物标志物还作为暴露事物的本质进行研究。但康复临床中应用还少，基因组、蛋白组学等生物标志物已少量用于针对康复的研究中，例如基因变异可影响脑外伤后预后和癫痫发作的危险性；同样，基因表达可与椎间盘退变后的机械力相关。事实上，生物标志物还可用于动态观察从而改变或反映治疗情况。因此，应提倡在康复医学中更为广泛重视和应用生物学的内涵。希望能更多接受“康复生物学Rehabilomics”这一新词。（后缀-omics通常用来整合生物标志物研究的命名，美国匹兹堡大学康复部将之扩展为与康复有关的一切生物标志物，也意味着康复和生物学结合新领域）。第三页，共六十九页，编辑于2023年，星期日将生物学整合在康复医学中的一部分是近年来的事。在这一领域中新发现的技术和范围常促使康复医学工作者有新的突破。从急、慢性神经系统疾病至肌肉骨骼系统，通过对病理生理的了解和治疗的潜在可能，有人更将生物学誉为康复医学实践的潜在革命！SowaG.WhyasupplementonbiologicsinPM&R?PMR2011；3（supplement1）：s1-s2第四页，共六十九页，编辑于2023年，星期日从分子学看骨关节炎病理机制中的合成/分解代谢平衡问题关节软骨是滑膜关节中的承重部分，伴有营养代谢慢和极低的基质转换率。例如，健康软骨中软骨蛋白聚糖（proteoglycan）的核心蛋白-聚集蛋白聚糖（aggrecan）的半衰期为3-24年，而胶原纤维网状结构的半衰期长达100年以上。维持组织结构和构型则是合成代谢与分解代谢平衡的结果。GoldringMB,MarcuKB.Cartilagehemeostasisinhealthandrheumaticdiseases.ArthritisResTher2009；11:224

第五页，共六十九页，编辑于2023年，星期日发生肌肉骨骼系统退行性改变时，代谢发生改变，组织内稳态破坏，结果是合成代谢与分解代谢失匹配。在骨关节炎患者中，分解代谢占优势导致组织退变。从分子病理学作进一步观察，可以为潜在的治疗提供靶目标，进而有可能中止甚至逆转疾病的进程。AbramsonSB.OsteoarthritisCartilage2008；16（suppl2）s15~s20FransenM，McConnellS.J.Reumatol2009;36:1109~1117第六页，共六十九页，编辑于2023年，星期日骨关节炎（病)在60岁以上人群中，9.6%的男性，18%的女性患有此病。由于与肥胖和老龄化相关，所以发病率可能还会增高。当前的治疗，包括物理治疗和药物治疗主要是对症性的，即主要为减轻症状：运动治疗具有短期的正性效果，电疗则不能证实具有明显和长期的疗效。药物治疗如NSAIDs或激素也仅仅是对症性的姑息治疗；生物制剂如氨基葡萄糖、硫酸软骨素、透明质酸等由于效果不一、且缺乏对照研究，疗效尚不清楚，有待进一步证实。第七页，共六十九页，编辑于2023年，星期日关节软骨的‘细胞静止’(即低代谢率）还与缺少血管有关，即软骨无独立的血管供应。关节软骨的显著特点为大量的细胞外基质，其中包含了软骨细胞，这种基质事实上承载了负重。由于受到持续机械应力的损伤或因关节软骨细胞生物合成的代偿刺激出现的酶活性，导致代谢失衡，当分解代谢超过合成代谢时，软骨的退行性改变形成。软骨代谢受复杂的网络因素影响，在退行性变时，无论合成或分解代谢都受影响。这一复杂组织的各个层面都可在以下的机理中提供生物学信息，并可能成为治疗靶目标。AignerT,SoederS,HaagJ.IL-1βandBMPs--interactiveplayerofcartilagematrixdegradationandregeration.EurCellMater2006;12:49-56第八页，共六十九页，编辑于2023年，星期日细胞活素（Cytokines）在骨关节炎进程中，分解代谢现象被一系列促炎细胞活素所刺激，包括白介素-1β（IL-1β），肿瘤坏死因子-α（TNF-α），IL-6，和IL-17。基于其对软骨代谢的不同影响，可分为分解代谢、抗分解代谢和调节性的细胞活素。与退行性关节病关系最为密切且研究最多的是IL-1β和TNF-α。药物抑制这些活素已用于治疗类风湿性关节炎患者，并证明对骨关节炎也是一种治疗策略。AbramsonSB,YaziciY.Biologicsindevelopmentforrheumatoidarthritis:Relevancetoosteoarthritis.AdvDrugDelivRev2006;58:212-225GoldringSR,GoldringMB.Theroleofcytokinesincartilagematrixdegenerationinosteoarthritis.ClinOrthopReltRes2004;(427suppl):S27-S36第九页，共六十九页，编辑于2023年，星期日白介素（Interleukins）在骨关节炎的进程中IL-1β，存在于患者的滑液中，由滑膜组织和软骨细胞表达。在骨关节炎的软骨中，IL-1β水平增高，可增加基质降解酶，降低软骨细胞合成细胞外基质蛋白能力；关节内注射IL-1β导致动物模型中蛋白聚糖丢失。IL-1β作用受IL-1受体1（IL-1R1）介导，而IL-1R1浓度在骨关节炎软骨中增高，促使软骨细胞对IL-1β敏感。IL-1β信号活性又受IL-1β诱导受体IL-1R2调节，它与IL-1β结合使它不能传达信号至细胞，降低敏感性。除此之外，IL-1β促使协同细胞活素如IL-6和IL-17，它们或强化或发挥类同的分解代谢作用。FanZ,BauB,YangH,etal.IL-1βinductionofIL-6andLIFinnormalarticularhumanchondrocytesinvovestheERK,p38andNFκBsignalingpathways.Cytokine2004;28:17-24FlanneryCR,LittleCB,HughesCE,etal.MatrixBiol2000;19:549-553第十页，共六十九页，编辑于2023年，星期日肿瘤坏死因子(TNF)-αTNF-α与IL-1β作用类似，抑制细胞外基质合成，刺激基质降解酶的表达。IL-1β和TNF-α单独或协同抑制软骨细胞合成蛋白聚糖和胶原。单一或两者阻滞可减少II型胶原纤维和聚集蛋白聚糖从软骨中丢失，且阻止基质金属蛋白酶（MMPs）的产生，该酶反应了细胞外基质降解。在分解代谢细胞活素的刺激下，软骨细胞可产生更多的前列腺素E2和骨形态形成蛋白-2（BMP-2），两者均可增加II型胶原的表达，这一效应解释了软骨细胞为代偿增加细胞外基质丢失后的一种尝试。FukuiN,ZhuY,MaloneyWJ,etal.JBoneJointSurgAm2003;85-A(Suppl3):59-66ForriolF.Injury2009;40:(Suppl3):S12-S16MajumdarMK,ChockalingamPS,BhatRA,etal.JCellPhysiol2008;215:68-76第十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期日递质（Mediators）一氧化氮（NO）是炎性分解代谢递质，产生于骨关节炎的软骨细胞。过多的NO可诱导一氧化氮合成酶（iNOS）过度表达。iNOS是由机械力学因子和炎性细胞活素如IL-1β和TNF-α共同诱发；抑制IL-1β活性可减少NO产生。NO具有抑制蛋白多糖和胶原的生物合成，由IL-1β介导产生MMPs。另外NO可诱导软骨细胞凋亡.核因子（NF）-κB通路介导促炎基因如IL-1β、TNF-α、iNOS、MMPs等的转录具有正性调节作用。NO出现在骨关节炎进展的多个层面，使分解代谢持续，导致组织退变。WuGJ,ChenTG,ChangHC,etal.JCellBiochem2007;101:1520-1531ManeiroE,Lopez-ArmadaMJ,deAndresMC,etal.AnnRheumDis2005;64:388-395第十二页，共六十九页，编辑于2023年，星期日递质前列腺素：前列腺素E2是骨关节炎中炎症和疼痛重要递质。产生前列腺素E2需要两个酶：环氧合酶-2（COX-2)和前列腺素E合成酶，两者均由IL-1β诱导产生。IL-1β和TNF-α刺激产生前列腺素E2，正性调节II型胶原的表达，并有正性反馈调节作用。NSAIDs的效应是抑制COX-2产生，虽然缓解疼痛，但不能减少软骨的丧失，所以，应用COX-2治疗骨关节炎仅为对症性。ParkJY,PillingerMH,AbramsonSB.ClinImmunol2006;119:229-240ThorenS,JakobsonPJ.EurJBiochem2000;267:6428-6434第十三页，共六十九页，编辑于2023年，星期日生长因子（转化生长因子、胰岛素样生长因子、成胶原细胞生长因子）转化生长因子-β（TGF-β）：是多种生物信号活性二聚体蛋白家族，包括细胞增生和分化中的一员。在骨关节炎中的软骨细胞，TGF-β促进II型胶原和聚集蛋白聚糖的表达，并下调基质降解酶，这样拮抗了IL-1β所致的软骨基质的降解。这一效应随增龄减轻和可能是对老化软骨高层次软骨退化的应答。TGF-1β信号与丝氨酸/苏氨酸受体激酶TGF-β-RI和TGF-β-RII结合，随之磷酸化激活Smad2和Smad3（Smad是细胞内信号转导蛋白，在TGF-β家族信号传导过程中与受体型Smad结合，形成异源复合物，从而调控下游靶基因的表达。Smad4与肿瘤发生相关，如表达缺失易患肿瘤或肿瘤转移）。软骨细胞中TGF-β和Smad2的表达在骨关节炎患者和老人中均降低，可对合成代谢生长因子应答减退。BlaneyDavidsonEN,ScharstuhlA,VittersEL,etal.ArthritisResTher2005;7:R1337-R1347第十四页，共六十九页，编辑于2023年，星期日生长因子骨形成蛋白（BMPs）是信号蛋白TGF-β超家族的一员，用以调节发育和生理过程，其中主要功能之一是维护关节软骨。在软骨中研究最多的是BMP-2、-4和-7.BMP-2上调由于炎症性细胞活素IL-1β和TNF-α导致的骨关节炎软骨细胞，增加细胞外基质软骨细胞中II型胶原的表达；BMP-7为下调骨关节炎软骨细胞，BMP-7对细胞外基质合成具有正性效应，并可逆转体外因IL-1β诱导的蛋白聚糖生物合成；这一结果被认为在骨关节炎软骨细胞中的合成代谢和抗分解代谢活性均受影响。ForriolF.Injury2009;(Suppl3):S12-S16MajumdarMK,ChockalingamPS,BhatRA,etal.JCellPhysiol2008;215:68-76第十五页，共六十九页，编辑于2023年，星期日骨形成蛋白（BMPs）有一些研究资料显示BMP-7具有强烈的抗退变效应，如关节内注射BMP-7，在活体内显示软骨保护作用。该家族中其他成员，如BMP-4发现有软骨细胞的合成代谢效应，但其在骨关节炎中的作用，无相应研究报告。除了调节基因表达外，BMPs在活体内还受BMP拮抗剂的调节，后者为可溶性蛋白，抑制BMPs与它们的关联受体的相互作用；如BMP拮抗剂gremlin和follistatin的表达在骨关节炎时受到调节，增加了控制的复杂性。不同BMPs对关节软骨细胞的作用是受年龄依赖。HayashiM,MunetaT,TakahashiT,etal.JOrthopRes2010;28:1502-1506TardifG,HumD,PelletierJP.OsteoarthritisCartilage2009;17:263-270

第十六页，共六十九页，编辑于2023年，星期日BMPs

最近，vanderKraan等观察到了BMPs在骨关节炎中的双重作用：BMP信号既刺激了基质的合成，又刺激了终末软骨细胞的分化，后者可在软骨细胞生长板上见到。这终末软骨细胞分化结果增加了基质金属蛋白酶的产生，并增加了基质的降解。结论是BMP信号对骨关节炎的软骨细胞既刺激同化代谢、又有分化代谢效应，但尚不清楚何者作用为主。vanderKraanPM，DavidsonEN，vanderBergWR.OsteoarthritisCartilage2010;18:735-741第十七页，共六十九页，编辑于2023年，星期日生长因子胰岛素样生长因子-1（IGF-1）：IGF-1通过刺激细胞外基质产生和抑制基质降解的作用来维持软骨的内稳态。IGF-1的表达是由生长激素产生，生长激素缺失导致IGF-1的缺失，最终在大鼠中产生骨关节炎样病变。在人体，IGF-1及其受体在骨关节炎的软骨细胞中高度表达，然而，这些细胞对IGF-1并不产生应答，除非存在IGF-1受体的高水平表达。因为在骨关节炎软骨细胞中的IGF结合蛋白也高度表达，它抑制了IGF-1配基受体的相互作用；特别是在骨关节炎软骨细胞中IGF结合蛋白-3的表达也增加，功能上减少了IGF-1在这些细胞中同化代谢的效应。这样骨关节炎的软骨对IGF-1相互的同化代谢反应，受到了IGF结合蛋白浓度功能的强力调节。EkenstedtKJ，SonntagWE，LoeserRF，etal.ArthritisRheum2006;54:3850-3858第十八页，共六十九页，编辑于2023年，星期日生长因子IGF-1的同化合成代谢作用，看来包含在骨关节炎软骨细胞对炎症信号的应答中：例如炎症递质NO抑制了软骨细胞的IGF-1的合成代谢效应。另言之，IGF-1保护软骨对抗因白介素IL-1诱导受体IL-1R2的上调而致的IL-1β产生的分化代谢效应。StuderRK，LevicoffE,GeorgescuH,etal.AmJPhysiolCellPhysiol2000;279:C961-C969WangJ,ElewautD,VeysEM,etal.ArthritisRheum2003;48:1281-1291

第十九页，共六十九页，编辑于2023年，星期日生长因子成胶原细胞生长因子（FGF）：在成胶原细胞家族中有基础FGF（bFGF，又称FGF-2）和FGF-18在骨关节炎和软骨自稳态中已作了大量研究。很多学者认为FGF-2在软骨修复中有合成代谢作用。该研究是经FGF-2治疗的在体模型，软骨损伤部位很好充填了软骨样物质。这一正性效果看来主要由于细胞增生而不是促进基质生物合成；换言之其应答本质上是病理的而不是再生性的，因为FGF-2的有丝分裂作用明显强于基质的生物合成。普遍认为由于生长因子导致软骨细胞的增生，伴有软骨细胞表型的丧失。EllmanMB，AnHS，MudasaniP，etal.BiologicalimpactoftheFGFfamilyonarticularcartilageandietervertebraldischomeostasis.Gene2008;420:82-89第二十页，共六十九页，编辑于2023年，星期日生长因子细胞增生效应主要作用于成纤维样细胞，而不是软骨细胞，因为胶原I型和II型比值的表达转移倾向于因FGF-2刺激前者，它结果形成下方的纤维软骨。FGF-2也具有在软骨细胞内拮抗同化型生长因子，如IGF-1，和BMF-7.还发现FGF-2的靶基因包括了一系列基质MMPs，它又是降解细胞外基质的酶。与FGF-2相反，FGF-18有明确的细胞外基质生物合成的同化代谢能力。在体外，具有明确的促进人体软骨细胞增生和基质生物合成。两者不同效应可用不同受体结合来解释:即FGF-2作用主要通过FGF的1型受体（FGFR1)，结果激活NF-κB-介导下行信号通路，发展为骨关节炎；相反，FGF-18通过3型受体（FGFR3)而出现明显的基质生物合成和软骨形成的同化反应。MooreEE,BendeleAM,ThompsonDL,etal.OsteoarthritisCartilage2005;13:623-631第二十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期日酶类MMPs（基质金属蛋白酶）是一群锌依赖性内肽酶包含于降解的细胞外基质中，集中后可降解很多组织的所有细胞外基质成分。在健康软骨中，MMPs呈现低表达，为组织重塑和转运作贡献。在骨关节炎发展中，促炎症细胞活素如TNF-α和IL-1β在软骨中与相关受体结合，激活包括转录因子NF-κB活性蛋白-1（AP-1)，结果上调MMPs表达。MMP-13（胶原酶2）在软骨退变中起关键作用，因为很多分化代谢通路上调MMP-13活性，MMP-13在清除II型胶原中高度活跃；在敲除MMP-13的大鼠与对照野生动物外科手术后导致骨关节炎相比，可见到对软骨糜烂产生抵抗。除II型胶原外，MMP-13还降解聚集蛋白聚糖。进一步调节MMP活性的是介导金属蛋白酶的组织抑制剂（TIMPs）。TIMPs抑制聚集蛋白聚糖和TNF-α转化酶可导致敲除TIMP-3大鼠提高TNF-α水平。SahejamS,KhokhaR,MortJS.ArthritisRheum2007;56:905-909MahmoodiM,SahebjamS,SmooklerD,etal.AmJPathol2005;166:1733-1740第二十二页，共六十九页，编辑于2023年，星期日酶类聚集蛋白聚糖：崩解蛋白（disintegrin）及金属蛋白酶和血小板反应蛋白基序（特征结构）（ADAMYS）-4和-5和聚集蛋白聚糖-1、-2相似，在退行性软骨疾病中起降解聚集蛋白聚糖作用。在人类骨关节炎中，ADAMYS-4和-5皆有表达，ADAMYS-4受调于IL-1和TNF-α。在人滑膜细胞与大鼠相反是ADAMT-5，不是-4，炎性细胞活素如IL-1可使信使核糖核酸表达上调；除抑制MMP活性外，组织型金属蛋白酶也是ADAMTS-4和-5的强力抑制剂。SongRH,TortorellaMD,MalfaitAM.ArthritisRheum2007;56:575-585EastCJ,StantonH,GolubSB,etal.JBiolChem2007;282:8632-8640第二十三页，共六十九页，编辑于2023年，星期日转录调节Sox9：合成代谢生长因子如IGF-1，TGF-β和骨形态基因蛋白（BMP）-2至少部分由Sox9，一种转录因子在高度移动性的群落-去氧核糖核酸箱级所引起。在胚胎发育期Sox9是对间充质的软骨发生(mesenchymalchondrogenesis)起关键的调节作用，并作为软骨特殊基因如II型胶原和聚集蛋白聚糖表达的促进剂。Sox9通常用来表达软骨源性和软骨表型的特性。StokesDG，LiuG,DharmavaramR,et阿莱BiochemistryJ2001；360:461-470第二十四页，共六十九页，编辑于2023年，星期日转录调节NF-κB和AP-1：NF-κB信号在关节软骨中的异化分解过程起中心作用。它被软骨细胞中的IL-1β和TNF-α激活，抑制Sox9的表达，这样就下调软骨细胞外基质蛋白如胶原II型。NF-κB激活还包括在FGF-2介导的合成同化代谢过程。大多MMPs还受转录调节它们的启动子（promoters）包含AP-1结合部位。AP-1是转录因子，受生长因子和诸如TGF-β，FGF-2和TNF-α等细胞活素激活。NF-κB调节MMP-9表达，还对MMP-1和MMP-13的调节起作用。StcheranR，CogswellPC，BaldwinASJr.GenesDev2003;17:1164-1172YanC,BoydDD.JCellPhysiol2007;211:19-26第二十五页，共六十九页，编辑于2023年，星期日转录调节——NF-κB和AP-1NF-κB对促炎细胞活素如TNF-α、IL-1β和IL-6的表达起正性调节。稍稍干扰核糖核酸介导的敲除NF-κB信号可表现为在外科骨关节炎模型中，抑制早期软骨退变事件，抑制IL-1介导和TNF-α-介导COX-2、NOS-2和MMP-9表达。腺病毒基因转移NF-κB、IκBα的抑制剂，阻抑了一些MMPs和聚集蛋白聚糖酶，表现了NF-κB信号在退行性软骨疾病中的中心作用。BondesonJ,LauderS,WainwrightS,etal.JReumatol2007;34:523-533BuhrmannC,MobasheriA,MatisU,etal.ArthritisResTher2010;12:R127,第二十六页，共六十九页，编辑于2023年，星期日相互作用的调节通路在软骨自稳态中，多种调节因子间信号通路极为复杂。一些要点如下：·IL-1β在骨关节炎的发病过程中是主要的促炎细胞活素，可上调具有同化代谢生长因子特性的BMP-2表达。然而大鼠的膝关节内注射IL-1β后，应用BMP-2不能拮抗IL-1β的负性效应，NO此时起了重要作用。IL-1β对BMP-7的表达是剂量依赖性的，即低剂量时提高而高剂量时抑制。BMP-7可拮抗IL-1β诱导的BMP-13表达，部分由于下调了促炎细胞活素的表达和激活了包括NF-κB及AP-1的中间分子。第二十七页，共六十九页，编辑于2023年，星期日转化生长因子（TGF-β）拮抗IL-1β诱导在软骨细胞中抑制糖蛋白的生物合成。IGF-1信号通过上调IL-1引诱物与IL-1β结合的IL-1R2受体和抑制下游信号转导。IGF-1还抑制IL-1β所致的MMP-13的表达，部分用于下调促炎细胞活素的表达，激活它们的中间分子包括NF-κB和AP-1因子。换言之，IL-1β通过上调抑制物IGF-1信号的细胞活素3，抑制了IGF-1对软骨细胞的同化代谢作用。ImHJ，PacioneC，ChubinskayaS，etal。JBiolChem2003；278:25386-25394SmeetsRL，VeenbergenS,ArntzOJ，etal.ArthritisRheum2006;54:1518-1528第二十八页，共六十九页，编辑于2023年，星期日小结软骨内的同化-分解代谢的平衡是由一系列复杂信号网络以保持组织的自稳态。普遍认为，一旦这种平衡破坏，即可导致组织退变。已明确，骨关节炎的分化活性，与健康软骨相比明显增强，并且无法代偿细胞外基质分子的缺损。开始时，骨关节炎遭干扰的同化-分解代谢平衡中的同化合成一方更难适应，随之无论同化或抗同化活性出现改变，导致同化生长因子以及下调和破坏细胞外基质分子。为有效地代偿分解代谢所致软骨的缺失将依赖于同化和抗同化信号的相对活性水平和作用部位，但至今不清楚是同化或抗同化活性为主。因此，调节平台是更为复杂的不同同化和分化信号间主动相互作用。第二十九页，共六十九页，编辑于2023年，星期日通过了解骨关节炎的病理生理决定治疗靶点以阻滞或减轻疾病进展，已有了重大进展。阻滞骨关节炎进展的因子可促使某些药物的产生，如TNF-α阻滞剂、IL-1β拮抗剂等，可能用在类风湿性关节炎的治疗，但在治疗骨关节炎中仍需证实。其他潜在的抑制骨关节炎进展的生物制剂包括抑制基质降解酶，如MMPs和ADAMTS，或调节骨关节炎的介导信号通路。总之，骨关节炎是多因子疾病包括改变细胞和代谢活性导致组织退变。在总结、复习研究的基础上，恢复同化-分化平衡是治疗的重要靶点。进一步的研究，应放在什么是关键因子，运动负荷应激是否可影响这些因子。第三十页，共六十九页，编辑于2023年，星期日脊柱疼痛的炎症靶点和生物治疗脊柱相关疾病是18~64岁中造成暂时或较长时间失能的最常见原因；特别是由颈椎和腰椎引起的背痛在门诊最为多见。在下背痛中，椎间盘退变是最多原因之一。每年为此的花费，美国从1996年$600亿增至2004年$1900亿。近年来的治疗方针大多为减轻症状而并非治疗原发病，即使是椎间盘摘除术也只能解除根性疼痛，不能解决原先椎间盘负荷问题；椎体融合常可导致相邻椎间盘的退变；后关节注射可缓解疼痛数周至数月，也不解决原始的病理；运动治疗也并非针对病理本身。JocobsLJ,VoNam,KangJD.AmerAcadPhysMed&Rehabil2011;3:S12-S17第三十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期日Kirkaldy-Willis于80年代提出了脊柱退变导致背痛的3阶段：功能失常、脊柱不稳和固定。功能失常起始于损伤开始，如纤维环破裂、终板分离、软骨破坏或关节面关节的滑膜反应。启动炎性应答，表现为检查时限局性压痛以及活动受限和疼痛。紧接为不稳期，炎症颠覆了自稳态平衡，发展为仅仅是分解代谢，间盘吸收，高度降低导致脊柱关节半脱位，关节囊松弛，病人感到背部‘空虚’，活动中有‘卡住’感或屈曲后伸直时刺痛。再后骨刺形成，椎管或椎间孔狭窄；检查时局部肌压痛、紧张强直、活动减少，即为固定期。第三十二页，共六十九页，编辑于2023年，星期日针对生物学排列失常所导致的脊柱疼痛，虽然尚未得到临床的认可，已进行了一系列努力。在再生医学和组织工程学领域内，根据椎间盘退变，有3个潜在的方向：基因治疗、干细胞移植和椎间盘植入。在炎症介导的脊柱痛用分子学途径说明，由于可以针对引起脊柱病理学改变和疼痛，所以是发展有效治疗措施的中心。WoodsBI，SowaG,VoN,KangJD.OperTechOrthop2010;20:144-153第三十三页，共六十九页，编辑于2023年，星期日炎症介导脊柱疼痛来源背痛可以发生在所有脊柱及周围组织机构中的病理改变，包括椎间盘、脊柱关节、神经根、椎体、韧带和椎旁肌群。急性疼痛，作为机体的警报系统，表明有可能伤害机体的一种应答。可以从有害感受的机械刺激，也可为细胞活素信号的原因。感觉过敏或外周神经敏感是炎症的主要表现，在炎症部位产生的介质可以通过不同通路产生疼痛，如增加TNF-α刺激通过IL-1β通路分泌神经生长因子；该炎症标志物可在椎间盘源性背痛患者中发现，但在无症状患者中则无。这支持了在脊柱痛炎症的作用，同时也为潜在的生物学介入治疗的靶点。CuellarJM，GolishSR，ReuterMW,etal.SpineJ2010;10:212-218第三十四页，共六十九页，编辑于2023年，星期日炎症介导脊柱疼痛来源：椎间盘椎间盘的主要功能是吸收震荡，在椎体间传递承受的力。椎间盘基质的主要成分是水、胶原、蛋白聚糖和弹力纤维。纤维环整体均为胶原，在外层主要为I型纤维而髓核主要为II型纤维；在髓核中的蛋白聚糖主要为聚集蛋白聚糖，它将水分聚集在髓核内，使髓核呈现胀满状态（动态平衡）；缓冲压力，便利脊柱活动。虽然聚集蛋白多糖的蛋白水解降解是基质降解的主要原因，基质分解代谢对维护细胞生存及在遭受损伤后椎间盘的完整性和修复至关重要。蛋白聚糖如不能与聚集蛋白聚糖混合将对间盘膨胀压产生负面影响。以上是基质内稳态慢性失衡，导致过早间盘退变和产生盘源性疼痛的原因。第三十五页，共六十九页，编辑于2023年，星期日椎间盘椎间盘的主要分解代谢酶是基质金属蛋白酶（MMP）和ADAMTs（分解素和金属蛋白酶及血小板反应蛋白基序）。间盘的分解代谢最初被称为TIMPs（组织金属蛋白酶抑制剂）所平衡，在炎症应激下，TIMPs的基因表达在MMP表达加强时被抑制，这即导致净增高蛋白分解活性和基质降解。异常的椎间盘降解的基质触发细胞信号以进一步促进炎症行为，这一行为受一系列细胞活素和诸如IL-1β及转化生长因子β（TGF-β）所介导。IL-1β是退化级联中主要细胞活素之一，它可以在其他细胞活素如NO、IL-6、前列腺素E2调节下在间盘基质中降低蛋白聚糖合成，最终通过刺激MMP释放和激活，IL-1β触发基质分解代谢和退化。LeMaitreCL，FreemontAJ,HoylandJA.JPathology2004;204:47-54RichardsonSM,MobasheriA,FreemontAJ,etal.HistolHistopathol2007;22:1033-1041第三十六页，共六十九页，编辑于2023年，星期日总之，间盘基质的自稳态依靠基质的合成与分解保持平衡，如果基质破坏多于合成，即易于产生间盘的退行性改变。促使间盘分解代谢的介质主要有：MMPs、ADAMTs、TIMPs、前列腺素、细胞活素如TNF-α、IL-1等。促进基质合成的介质主要有TGF-β、IGF-1、BMPs、胶原、蛋白聚糖等。针对这些介质可采取相应的生物学治疗。第三十七页，共六十九页，编辑于2023年，星期日椎间盘椎间盘产生疼痛主要是机体为了修复损伤来通过炎症应答反应的结果。纤维环外层纤维撕裂通过标志物成胶原细胞生长因子（FGF）和TGF-β而介导产生炎症应答。这些标志物促进细胞增生、基质沉积和肉芽组织形成，同样吸引炎症细胞，它们在组织降解和纤维化中起作用。促炎细胞如巨噬细胞和肥大细胞可以分泌神经生长因子，促使神经内生至间盘内层，在长时间炎症刺激下髓核和纤维环中的细胞也可分泌神经生长因子；从炎症细胞中分泌有刺激性的酶可对新生的神经敏感，同样也可对伤害感受器敏感，从而表现为痛觉过敏。外层纤维环的损伤在早、晚期均可产生促炎因子，包括TNF-α、IL-1β、IL-8。PengB,HaoJ,HouS,etal.Spine2006;31:560-566PalmerEI,LotzJCTransOrthopResSoc2004;29:128,第三十八页，共六十九页，编辑于2023年，星期日脊柱关节（facetjoint）椎骨关节突关节（zygapophysealjoint)即脊柱关节，是由上一椎体的下关节突和下一椎体的上关节突形成的滑膜关节；是腰椎的承重关节。改变正常关节角度可增加关节的生物力学受力而发生退变。这种力的负荷依赖于周围组织结构的退变程度。上述解剖和生物力学因素是脊柱关节退变在背痛中的重要原因。第三十九页，共六十九页，编辑于2023年，星期日脊柱关节脊柱关节覆盖透明关节软骨，含较少软骨细胞和较多基质。基质由软骨细胞分泌，含有水、II型胶原和蛋白聚糖。滑膜细胞衬于关节软骨并分泌滑液，它使关节在活动中保持低摩擦的环境。A型滑膜细胞本质上与巨噬细胞相似，在吞噬关节内碎片后启动炎症应答，激活MMPs和ADAMTs。MMP表达增强可抑制组织金属蛋白酶抑制剂（TIMPs）的基因表达，这样出现净增加蛋白分解活性和基质退变。关节软骨损伤后是疤痕结缔组织增生，这种纤维软骨的生物力学特性较透明软骨相差甚远，因此，负荷后退变加快。FernandesJC,Martel-PelletierJ,PelletierJ.Biorheology2002;39:237-246AignerT,StoveJ.AdvDrugDelivRev2003;55:1569-1593第四十页，共六十九页，编辑于2023年，星期日脊柱关节在刺激MMP产生中，IL-6不仅促炎还强化IL-1的作用，通过抑制蛋白聚糖的产生和募集炎症细胞至滑膜，由MMPs和ADAMTs降解的酶明显超过软骨细胞的再生能力，这样即形成净分解代谢性破坏和基质产生不足。神经纤维主要在关节囊、滑膜、软骨下骨甚至骨赘的骨髓内，这些纤维具有机械敏感向心纤维传递伤害感觉和本体感觉。椎间盘退变变窄增加脊柱关节的负荷，发生进行性软骨退变并产生碎片，吞噬细胞吞噬诱发炎症反应；关节囊松弛发生脊柱不稳或脱位。患者具有炎症的脊柱关节，无论在站、走或坐产生疼痛，促炎细胞活素如IL-1β和TNF-α产生神经生长因子，进一步出现痛觉过敏。RaychaudhuriSP，RaychaudhuriSK.ScandJRheumatol2009;38:207-215第四十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期日靶向生物治疗IL-1和TNF-α的炎性效应进行调节具有潜在明显降低脊柱关节的降解从而减轻炎症介导的脊柱关节痛。在兔滑膜细胞中，重组IL-1受体拮抗剂和水溶性IL-1受体蛋白可抑制MMPs。由于炎性细胞活素在软骨细胞中抑制其生物合成通路，当补充TGF-β或胰岛素样生长因子可有助于激发同化代谢。IgarashiA,KikuchiS,SonnoS.JOrthopSci2007;12:154-160第四十二页，共六十九页，编辑于2023年，星期日神经痛根性神经痛通常认为是由于椎间盘突出、或神经卡压，至20世纪早期即已认识为炎症介导神经刺激而不是单纯压迫。一些观察支持炎症因素是神经根病变的病理生理之一。MRI也证实有神经根受挤压或卡压者不一定有症状，而有症状的患者在解除压迫后症状不一定缓解；很多椎间盘突出患者经NSAIDs治疗后症状缓解，有不少患者有症状但不能从放射学证实有压迫，这些都是炎症介导机理的最好解释但也不能否定压迫的原因。ValatJ,GrnevayS,MartyM,etal.BestPractResClinReumatol2010;24:241-252第四十三页，共六十九页，编辑于2023年，星期日神经痛突出的椎间盘是启动炎性级联反应TNF-α主要来源。纤维环内的突出物进入硬膜外空间，通过缓激肽和前列腺素使不同的神经根敏感，如对敏感的神经根进行压迫可产生更重的疼痛症状。椎间盘突出还可出现水肿、血管内凝血，结果引起血流减少、髓磷脂裂解。对神经的血管压迫产生缺氧及NO释放，神经元血管通透性因NO而增强，破坏了血液-神经屏障，神经内压增高，可造成神经根的脱髓鞘改变。T细胞使髓鞘破坏敏感，释放炎症趋化因子，如巨噬细胞活化因子，该因子刺激巨噬细胞分泌IL-1β和更多的TNF-α，使神经根急性敏感，产生感觉过敏。以上生物学因子都可成为靶向治疗的重点。KobayashiS,BabaH,UchidaK,etal.Spine2005;30:1699-1705第四十四页，共六十九页，编辑于2023年，星期日实验性脑外伤的生物学、可塑性效应范例和在康复临床的实际意义脑外伤（TBI）在慢性阶段的特征为多种神经递质的改变和细胞功能异常形成行为异常，同时脑组织进行着神经可塑性、修复和恢复，其过程可被康复策略强化。恢复之一是通过减轻损伤后的神经抑制或称神经功能连接不能（diaschisis）或远处功能阻抑（remotefunctionaldepression），即虽然解剖学上连接但功能失常。理论上说既可恢复，也可永久保持。恢复包括消除降低的糖代谢、改变突触可塑性连接和皮层重组。康复运动治疗（已有大量资料证实）和优化环境在神经可塑性和恢复中起有重要作用。HernandezTD.JNeurotrauma2006;23:1211-1221NishibeM,BarbayS,GuggenmosD,etal.JNeurotrauma2010;;27:1047-1057第四十五页，共六十九页，编辑于2023年，星期日优化环境优化环境（EnvironmentEnrichment，EE）包括扩大生活环境、增加社会交往和新的刺激，同时增进体力及认知刺激。在啮齿动物实验中，优化环境不仅增加神经元的大小和密度、树突分支和棘密度、神经元突触的数量、突触大小和组织容量还可增加脑血流供应和神经可塑性。EE还促进神经再生、血管再生和海马神经元的存活；即使短期（3周）也可改善行为，有利于学习和记忆、改善运动。动物是长期处于该环境中而临床康复治疗仅为有限时间，实际上治疗时间（强度）在TBI后仅每天1h。有认为，如超过4h/天，这样，环境影响加上进行以任务为导向的运动治疗，可更快恢复功能状态。ZhuXL,PoonWS,ChanCCH.BrainInj2007;21:681-690MatterAM,FolweiterKA,CuratoloLM,etal.NeurorehabilNeuralRepair2011;Mar24(Epubaheadofprint)第四十六页，共六十九页，编辑于2023年，星期日TBI后EE介导改善行为的可能机制虽然在EE后可产生行为改善和结构改变，但分子学变化更感兴趣。神经营养素被假定为在EE和TBI后重要的神经底物，正常动物暴露在复杂环境内，可在众多脑区增加神经营养素蛋白的表达。脑衍生神经营养因子（BDNF）是在中枢神经系统中广泛大量存在的神经营养素。它是神经多肽在神经元的发育中的生存、分化、分支起重要作用。在长时间EE和跑步后，TBI动物可出现局部海马回增加BDNF表达，无论TBI或损害后EE（14天）都可改变海马的BDNF信息RNA基因表达，近期研究称，随意运动后也可增加BDNF蛋白表达；这一结果支持了另一研究提出的运动、雌激素和海马BDNF之间的联系。GriesbachGS,HovdaDA,MolteniR,etal.Neuroscience2004;125:129-139ChenX,LiY,KlineAE,etal.Neuroscience2005;135:11-17第四十七页，共六十九页，编辑于2023年，星期日神经递质和可塑性多巴胺：有证据提示，多巴系统是注意、任务特点和认知的主要通路，并且在TBI后慢性受损。已有报道，在纹状体和额叶皮层中受损后改变突触前、后多巴胺能蛋白，包括多巴合成和摄取；减少在纹状体内多巴胺的转运蛋白表达（可调节细胞外多巴胺半衰期的主要蛋白）。这种受损通过每日合适剂量利他林（精神兴奋药）治疗后可得到恢复；男性好于女性。溴隐亭，多巴2受体启动剂，降低过氧化脂质，改善空间立体学习，减轻海马细胞丢失多巴。长期应用溴隐亭可改善工作和记忆。另外，盐酸金刚烷胺也可在TBI后应用改善能力，包括ADL。对弥漫性轴束损伤金刚烷同样可改善认知功能。WhyteJ,VaccaroM,Grib-NeffP,etal.AmJPhysMedRehabil2008;87:85-99HughesS,ColantonioA,SantaguidaPL,etal.BrainInj2005;19:1197-1206第四十八页，共六十九页，编辑于2023年，星期日乙酰胆碱胆碱能系统对记忆和认知极为重要，并证实在TBI后可受损；特别是TBI后可使海马和内隔细胞（medialseptalcell）丧失从而出现胆碱能神经递质紊乱。在TBI后时间依赖性丢失胆碱乙酰转移酶活性和胆碱乙酰转移酶-阳性细胞已有报道。在病人中有广泛胆碱能性传入神经阻滞，且乙酰胆碱依赖部位包括海马、视丘和额叶皮层。另外，胆碱投射至海马和大脑皮层对学习、记忆和注意起有重要作用，并有证明，基底前脑胆碱能功能受损可导致认知下降；如减轻其缺失可改善预后。临床上在卒中后应用胞苷二磷酸-胆碱有较好的疗效，近年来有用于TBI者。GibbsRB.EndocrRev2010;31:224-253VerboisSL,HopkinsDM,ScheffSW,etal.Neuroscience2003;119:1199-1208第四十九页，共六十九页，编辑于2023年，星期日5-羟色胺1A受体激动剂已知认知时5-羟色胺（5-HT）通路从缝核广泛投射至脑区，5-HT受体激动剂和拮抗剂可改变这一过程。关于5-HT受体如5-HT1~5-HT7,5-HT1A研究最多。5-HT1A受体在脑区大量表达，如皮层和海马，虽然极易受损，但对学习和记忆极为重要，故这些受体成为治疗的靶目标。5-HT1A受体激动剂如8-OH-2-（二-n-丙氨基）tetralin（8-OH-DPAT）和丁螺环酮可改善学习和减轻皮层损伤后的组织学破坏。这种益处急性和慢性都具有。KlineAE,MassucciJL,ZafonteRD,etal.NeurosciLett2002;333:179-182KlineAE,MassucciJL,DixonCE,etal.JNeurotrauma2004;21:175-185第五十页，共六十九页，编辑于2023年，星期日炎症和可塑性TBI启动炎症过程的复杂级联，如合成和上调促炎细胞活素、趋化因子和内皮-白细胞黏附分子，并造成继发性组织损伤。特殊的促炎分子如IL-1β、TNF-α和IL-6，这些可破坏血脑屏障、引起大脑水肿和神经元死亡，影响功能预后，所以成为治疗目标。实验室内成功应用了他汀，如辛伐他汀、阿托伐他汀、洛伐他汀已证实可改善神经行为和认知能力，并可减轻海马退变和增加大脑血流，消除功能连接不良，提高行为能力。WangH,LynchJR,SongP,etal.ExpNeurol2007;206:59-69ChenSF,HungTH,ChenCC,etal.LifeSci2007;81:288-298第五十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期日激素和可塑性虽然在TBI急性损伤后全身内源性性类固醇与预后无关，黄体酮作为生物治疗具有神经保护作用，但如长期应用可抑制神经再塑能力。雌激素可维持损伤后的脑血流量，还可作为抗氧化剂减轻兴奋毒性损伤，促进神经元利用乳酸。在急性后期，雌激素具有明显加快神经恢复并通过多种机理促进适应可塑性，如对控制认知的脑区雌激素可通过基因组的也可非基因组的通路介导应激而致突触形成和树突再构；雌激素还可作为对这一网络中信号和兴奋性的功能。SprattDI,KramerRS,MortonJR,etal.AmJPhysiolEndocrinolMet2008;295:e63-e69DossettLA,SwensonBR,HeffernanD,etal.JTrauma2008;64:580-585第五十二页，共六十九页，编辑于2023年，星期日TBI后阻碍恢复的因子有两类抗精神病药（APD）和抗惊厥药（ACD）可能对神经可塑性产生不利效应。氟哌啶醇（APD）长期应用可影响预后，主要与D2受体拮抗剂的作用有关。苯妥英钠（ACD）：急性（TBI后15分钟给药和24小时重复），慢性（1次/天x24天），显示慢性用药可能影响相位学习能力，与对照组相比，增加海马细胞丢失。还可降低生长相关蛋白-43（GAP-43)，一种神经可塑性标志物。其他镇静药如苯并二氮卓类（benzodiazepine)、卡马西平、苯巴比妥等的应用，报道尚不一致。第五十三页，共六十九页，编辑于2023年，星期日总结根据对骨关节炎、脊柱痛和脑外伤三篇论文所介绍，生物学和康复医学之间有着广泛的关联。所表达的生物学相关内涵，大致有：·生物标志物，例如细胞活素，包括白介素（含IL-1、-6、-8、IL-1β等）、肿瘤坏死因子-α等；·介质类，如NO、前列腺素、胶原、糖蛋白等；·生长因子类，如转化生长因子（TGF）、BMPs、IGF、FGF等；·酶类，有MMPs、Aggrecanases包括ADAMTS-4、-5等以及端粒酶、抗过氧化物及相关酶类；·转录因子类，如Sox9、NF-κB、AP-1等；·神经递质，如多巴胺、乙酰胆碱、5-羟色胺等；·激素类。相关性表现在炎症和可塑性上。第五十四页，共六十九页，编辑于2023年，星期日过去对运动治疗机理的观察和研究，较多集中于较为宏观的系统（如神经、肌肉系统）和器官（如心脏、呼吸）层面，对微观的生物学、细胞分子学的指标归之于相关临床学科。科学的进展和学科发展的今天，如不较为全面、综合地进行观察和分析，已不能适应需要！为此，提出了康复与生物学结合的理念，期望康复界同行重视，并共同努力，争取学科更快、更好发展。第五十五页，共六十九页，编辑于2023年，星期日某些疾病和机体退化常是互为因果、相互催化、促进，而其中较为普遍接受的观点，最基础的机理是炎症和自由基损伤，一些标志物、神经递质、某些酶类已被证实并被应用于临床。康复预防和治疗有助于减轻炎症和抗过氧化过程，康复的机理为再生、重建、代偿、替代和可塑性，移植相关指标于康复治疗过程已受到重视。以此为切入点，探讨彼此之间的相互影响，可能有利于开发新的治疗方法和措施。第五十六页，共六十九页，编辑于2023年，星期日将生物标志物研究转换至临床应用脑外伤是造成病患和死亡的主要原因，在美国是继癌症和脑血管疾病后死亡的第三位，并且对社会带来较大的经济负担。虽然我们不断增强了对脑外伤的病理生理的认识，但仍然未能明显改善治疗和/或药物治疗的进展。有一些在动物实验中获得进展但在人群中未能证实。失败原因非常复杂，包括损伤部位和程度的不同，机体反应情况以及治疗的及时和方法不同等。第五十七页，共六十九页，编辑于2023年，星期日新生物标志物的发现通常脑外伤患者依照GlasgowOutcomeScale经数周至数月进行评估，此时除治疗外还有众多因素影响，即使是治疗也有强度、内涵、措施和时间的不同。生物标志物可以反映正常生物学过程、病理变化和药物治疗后的应答。在脑外伤后有多种潜在的生物标志物如电生理标志物（尚缺少唤醒潜能的预测指标）、放射学标志物（如应用N-乙酰天冬氨酸作为磁共振光谱中显示神经元死亡）和生理学标志物（如儿童死亡风险量表预测死亡率）通过血清或其它非侵袭性和不太花费的检查获取相关信息。第五十八页，共六十九页，编辑于2023年，星期日有5种脑外伤生物标志物用于临床：1）诊断；2）鉴定颅内损伤；3）评定损伤严重性，4）肯定损伤机理和/或治疗的作用；5）评估治疗效果。对康复医师来说更多关心预后预测和疗效评估。第五十九页，共六十九页，编辑于2023年，星期日用于预测预后的生物标志物对轻症TBI只有10%~15%具有长期后果，所以没有必要对所有轻症TBI患者进行康复治疗。虽然有报道血清S100B可预测有否长期和/或更为严重的后果，但未能证实。对严重TBI，有神经元特异性烯醇化酶、S100β、髓磷脂基础蛋白、神经胶质原纤维酸性蛋白、c-דּ等，如果浓度越高，表示预后越差。最近，有将S100β结合选择素或IL-6可有很高的预测不良预后的价值。BergerRP,BazacoMC，WagnerAK，etal.DevNeuro-sci2010;32:396-405LoTY,JonesPA,MinnsRA.JNeurotrauma2009;26:1470-1487第六十页，共六十九页，编辑于2023年，星期日有关肌肉骨骼系统的生物标志物肌肉骨骼系统疾病可引起患者疼痛和功能减退，对于诊断、预后和特别是治疗的有效性，通常主要依靠患者自述的症状和功能，更多的须进行影像检查；但这些对病情并不敏感，并且与症状也不一致。应用有价值的生物标志物至少满足两个标准：1）对疾病的活动性敏感；2）要对病变组织具有特异性。由于这类疾病包含肌肉、骨骼、软骨和神经等，所以比较困难。通常有3大类：即组织代谢、炎症介质和疼痛的生物标志物。第六十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期日组织代谢