45岁的玛丽在明尼苏达州做零售工作，2004年，她的颈部突然出现剧烈疼痛，伴随着这种疼痛，她竟忍受了七周时间。后来，在医生的最终建议下，她做了磁共振成像(MRI)扫描,结果显示，她的中间颈椎部位有损伤。在实施过椎管扩大成形术后，疼痛消除了。可是就在去年，玛丽的脖子开始僵硬,手臂也感觉麻木。这一次，外科医生将她的两块受损椎骨实施了融合，否则她连转头的功能都受到了限制。玛丽说，“在做融合手术前，我几乎动弹不得，现在却又重获新生了。”

 

　　玛丽的脊柱疼痛并非个案，发生腰背疼的情况当今已非常普遍，大约80%以上的人在其一生中都有过腰背痛的经历，近四分之一者会遭受慢性下腰痛的折磨，其致残率高达10%以上。甚至有40%的青少年和儿童在某个时段也会出现腰背痛现象。目前，通过正在开发中的骨融合技术就能修复受损的脊柱，且病人的活动范围不会受到限制。

 

　　脊柱的柔性结构是由24块活动椎骨和椎间盘连结而成的，正是由于这种结构的特殊形态，进而提供了许多容易致伤的局点。摔一跤也有可能造成骨折，但骨头本身却可以自行愈合。在2013年英格兰足总杯比赛中，美国门将蒂姆·霍华德（Tim Howard）摔断了两根后背骨，在未经治疗的情况下，它们竟自然愈合了，也没有影响到脊柱的稳定性。

 

　　但如果骨折伤及的是某些不易获得骨愈合的高危病人，如吸烟人群或糖尿病患者时，则他们脊柱的机械稳定性就会处于危险境地，那么医生就需要采取行动了。俄亥俄州克利夫兰诊所的脊柱外科医生伊恩·卡尔法斯（Iain Kalfas）在实施骨折治疗中，使用了骨形态生长蛋白(BMP)，他认为，适合骨骼加速生长的是BMP-2，该产品作为灌注剂是由医疗技术公司美敦力向市场推广的，其公司总部设在明尼苏达州的明尼阿波利斯。

 

　　但加速生长蛋白也不能常用，因为BMP在某些人群中是禁止使用的，比如癌症患者。据明尼苏达州罗彻斯特市梅奥诊所的脊柱外科医生迈克尔·雅斯曼斯基（Michael J.Yaszemski）解释，“提高愈合细胞分裂速率的同时也会导致癌细胞的同样疯长。另外，成本也是一个问题。雅斯曼斯基说，“目前，BMP的价格昂贵的令人难以置信。”一个剂量的BMP竟高达6 000美元，而某些治疗情况则需要若干个这样的剂量。另外，由医生经常自行使用的BMP药并没有在临床上得到认可，这即意味着医保部门可能不会为其报销，只得让病人自行买单。作为一种选择，外科医生可以使用脱钙骨基质(DBM)。DBM是构成骨骼的有机材料，包括BMP和其他生长因子。一个剂量的DBM成本不到800美元。

 

　　决定使用BMP注入或DBM将取决于几个因素。首先，卡尔法斯称，尽管DBM在增加骨融合方面具有潜在的优势，但通过跟踪记录显示，BMP注入的效果更佳，所以，当外科医生怀疑病人骨愈合可能性不大时，他们则更喜欢采用灌注方式。接下来涉及的是成本问题。如果注入并非绝对需要，病人可以选择DBM，用以节省数以万计的美元。再者，由于会出现膨胀和呼吸受阻的危险，因此，大多数外科医生不想在颈椎上采用灌注方式。

 

　　最常见的一些腰部外科手术主要涉及的是椎间盘。每个椎间盘看起来很像是一个充满了果冻的轮胎，其中心被称为髓核(参见“椎间盘详解图”)。椎间盘充当着椎骨间减震器的作用，允许弯曲和扭转，让骨骼保持分离状态，便于神经在椎管内传递。当其受到挤压时，髓核会被外推出来，而轮胎状纤维环则有防止外突破裂的作用。可是，随着时间的推移，椎间盘可能会出现磨损老化或因伤受损的情况。如果椎骨的分离功能不再保持，脊髓神经就会受到压迫，导致玛丽痛苦经历的过程也就不足为奇了。

 

　　脊柱外科手术，依其难易程度可分为：较复杂的椎间盘切除术，切除部分膨出的椎间盘，其次是椎板切除术，也就是玛丽首先经历的手术过程，部分地切骨再融合，以便留出供神经传递的空间。典型的融合手术是，外科医生要将两个螺丝插进每个椎骨间使其融合，并用钛棒将他们连接起来。卡尔法斯说，“螺丝和钛棒就像是一块铸件,足以让脊柱仍能保持每块椎骨间的连接，进而形成一座骨桥。”外科医生一般会从骨盆上移植接骨，促发椎骨的生长，但卡尔法斯采用的却是另外一种方法。他先行实施椎板切除术，用高速钻切骨下来，然后将粉骨料收集起来，置于椎骨周围等待融合，通常会添加一些DBM以辅助骨骼的生长。

 

　　当椎间盘受损后，某些外科医生宁可使用人工椎盘来替代，也不愿实施脊骨融合术，但这种情况并不常见。人工椎间盘通常是由金属、塑料或两者的结合体制成的。在不涉及引入体内异物的情况下，有些研究人员希望能找到一种更趋自然的修复方式。

 

　　一种方法是将某类物质注入到受损的椎间盘中，使其‘再膨胀’。据佐治亚州亚特兰大埃默里大学骨科和脊柱中心研究员王自力（Zili Wang）介绍，“人们正在寻找能够诱导细胞周围基质产生的分子。传统的做法是，人们一直在使用的是BMP。”王及其同事称，一种被称之为连接蛋白肽的分子可以使其分子得以构建，并在椎间盘中形成基质。连接蛋白肽创立基质时不会象BMP-2那样会多生成骨质，这样做很有裨益，因为用骨头向椎间盘内进行填充，与向轮胎中填充砾石的道理是一样的。

 

　　皮肤细胞也可以引发修复。据休斯顿脊椎细胞医疗科技公司首席执行官彼得·奥希罗恩（Peter O'Heeron）介绍，“当脊柱受到机械压迫并处于低氧环境时，皮肤成纤维细胞就会变成软骨。”该公司在与休斯顿莱斯大学生物工程师安东尼奥·米可斯（Antonios Mikos）合作时显示，在组织培养中他们发现了上述过程在起作用。伊利诺斯州芝加哥拉什大学医学中心整形外科医生霍华德·安（Howard An）在对试验兔研究中发现，向髓核中注入这些皮肤细胞后可以生成软骨细胞，这些软骨细胞仅在四周时间内就能生长出来。与典型的髓核细胞一样，软骨细胞也可以释放出助力椎间盘的基质材料。

 

　　但是，有些研究人员相信，细胞本身并不能引发椎间盘的修复。例如，杜克大学机械工程师罗莉·赛顿（Lori Setton）曾对日本东海大学医学院酒井大辅的试验做过点评。他指出，东海试验小组将嵌入到胶原蛋白凝胶中的间充质干细胞(msc)移植到试验兔退化了的椎间盘上，发现凝胶有使MSC细胞发生增殖和变异的作用。

 

　　赛顿说，“这项工作仍处于早期阶段，尽管有许多可注射的生物材料已通过临床试验，但细胞运送的过程却从未发生过。”赛顿和她的同事希望改变这种状况，他们对改性后可注射的聚乙二醇凝胶进行过测试，以期让这些来自患者的细胞能够运送自体原发性椎间盘细胞。试验小组所选择的这项被称之为自体椎间盘软骨细胞移植技术是由德国公司开发的，通过研究显示，当自体软骨细胞被注入到受损的椎间盘后，不仅可以存活，且会生成基质。赛顿团队希望通过自体细胞与生物材料的结合能获得更好的效果，为他们提供一个生长的地方。

 

　　有些研究表明，对于并非来自病人自身的同种异体细胞也可以使用。例如，总部设在澳大利亚墨尔本的一家医疗技术公司Mesoblast正在进行二期试验,他们用同种异体干细胞加入透明质酸注射到受损的椎间盘，在人体许多部位都发现过这种基本的糖分子链，包括皮肤和关节。据这家公司报道，根据中期试验结果表明，有近四分之三受试患者的背痛症状均有减轻迹象。

 

　　同样，马里兰州罗克维尔市的生物制药公司TissueGene正在开发一种TG-D的产品，该产品采用基因工程同种异体细胞以修复椎间盘。TG-D是由人类软骨细胞构成的，能产生β-1转化生长因子，一种能够刺激生产更多软骨细胞和其他增加椎间盘基质细胞的蛋白。

 

　　纽约西奈山医学院机械工程师詹姆斯·拉特里迪斯（James Iatridis）指出，通过针刺的方法向椎间盘中注射任何类型的细胞都会引来麻烦，因为针孔需要填补。拉特里迪斯将纤维蛋白做过改性，一种参与血液凝固的蛋白，通常用作手术的粘合或密封，其硬度与纤维环的机械性能不相上下，而且作为针孔密封剂已经在动物模型上做过测试，也进行过组织培养。这是一种可注射的密封剂，对于局部治疗可能非常实用，修复更大范围的损伤也可以采用类似的策略。拉特里迪斯说，“我的梦想是，作为一名外科医生可以用一根针和两个注射器先行实施细胞注入疗法，然后再修复针孔，使椎间盘恢复到健康的生物力学状态。”

 

　　这些疗法可以避免大面积的修复劳作。例如，出现早期椎间盘疾病迹象的年轻病人，则可以受益于此法的治疗，从而能阻止任何的进一步损伤，延缓疾病的发展。

 

　　费城宾夕法尼亚大学生物工程师杰森·伯迪克（Jason Burdick）和罗伯特·莫克（Robert Mauck）的想法是，不用去修复被压扁的椎间盘，而是希望用生物材料来代替它。我们开始从已知体内发现的分子着手。很好的例证就是透明质酸。通过化学改性，研究人员可以将其变成多种形式，包括水凝胶，通常用作组织修复。

 

　　但是，设计一个新的椎间盘需要找对合适的材料。纤维环由15-25同心环组成，就象圆型树干一样，除了胶原蛋白外，要被弹性蛋白纤维隔离开。层纤维在方向上也是相互交替的，在一个环内的层纤维角度高于椎间盘平面约30度，在接下来的环中的层纤维方向低于平面30度等等。这样的布局能让椎间盘具备一定的强度。莫克、伯迪克及他们的同事特拉华大学的道恩·艾略特采用了静电纺丝法，从液体中生成精细的纤维，使其构架于生长的干细胞上。

 

　　研究人员希望利用这些技术制作出新的椎间盘，目前，他们正在对试验鼠尾巴进行测试。菲克提出警告：“如果承诺过度，会对我们的领域产生不利影响。”他所要表达的意思是，在某些方面工作进展的顺利，并非代表着在其他方面也一切都好。

 

　　纽约伊萨卡康奈尔大学生物医学工程师劳伦斯·波那萨（Lawrence Bonassar）做过一些最先进的椎间盘替换工作。他和他的同事们利用藻酸盐中另一种糖链的髓核细胞生成的、悬浮在果冻状胶原蛋白上的纤维细胞环设计了一个椎间盘，他们制成了两块组织，并将它们复合在一起协同工作。他的团队利用这种结构替换了老鼠尾巴上的一块椎间盘，经历半年的试验，结果发现，老鼠尾巴的功能作用一切正常。我们设问，如果为我们自己的身体更换一个健康的椎间盘，让其融入周围的脊柱，以便承载正常的身体负荷模式，波那萨肯定地说，这样的结果一定会受到大众欢迎的。

 

　　波那萨坦承，毕竟老鼠的尾巴与人类的腰部或颈部是有很大区别的。下一步将测试狗脖子上的椎间盘。一来可以帮助治疗患有颈椎疾患的狗，再者还可以为人类的研究提供借鉴。波那萨正试图将源于人类骨髓的细胞应用到他的基因工程椎间盘上，直至向人类提供最终的应用。

 

　　设计本身并不能创建一次治疗过程。然而，当你开发出生物材料的椎间盘时，你还需要去适应它，因此工程师们必须要与外科医生通力合作。莫克说,“外科医生会问，在患者尚未出现麻痹症状前，我们该如何处置?”除了设计上要满足施加到椎间盘上的机械限制，以及生化限制要求外，还必须落实到位，并得以保持。

 

　　要让一个通过生物工程改造的椎间盘落实到位，这本身就构成了一项巨大的挑战。波那萨团队给老鼠制成的尾巴上椎间盘，其厚度是其间隙厚度的两倍，椎骨被展开之后，插入椎间盘，放松脊椎，让受压的椎间盘挤入椎骨之间就位。如果是较大型动物，可能会需要用胶水或手术缝合的方式来加以稳固。在此方面，则需要进行研究和测试才能确认稳固生物工程椎间盘的最佳方式。

 

　　大量的研究正在进行当中，以期开发出能够利用生物材料制成的椎间盘替代物，且在施用于人类之前，更需要做大量的测试工作。人们不禁会问，在已有金属或塑料椎间盘存在的情况下，这种努力还值得吗?有几个原因能证明是值得的。“对于人工椎间盘而言，一旦将其放入体内，你就无法控制它的延续时间。波那萨称，通过对比显示，他的生物工程椎间盘，随着时间的推移，这种椎间盘会变得越发地结实，因为有细胞在生长和增殖。另外，如果其中一个椎间盘发生了损坏，身体就会将其任何碎片吸收，因为他们都是用自然材料制成的。

 

　　此外，生物工程部件可以作为更现实的替代品，其性能优于金属，因为他们所制成的材料更接近自然结构。此外，生物工程部件，由于其所具有的相似成分，还能与周围组织融合得更好。

 

　　即使是现在，在治疗脊柱损伤的某些最先进的疗法中也有使用天然材料的案例。相信在不久的将来，会有更多的生物材料行将得到使用，允许部分椎骨通过刮骨再造。决不能忽视生物学上的再造修复能力。