夏子寰，鄭 超，崔玉明，黃蓉蓉 綜述 伍 驥 審校

1安徽醫(yī)科大學(xué)，安徽合肥 230032；2空軍總醫(yī)院，北京 100142

脊柱退行性病變是和平時期我空軍飛行人員新機型改裝不合格、暫時停訓(xùn)和非戰(zhàn)斗停飛減員的主要原因。美國近10年統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明： 在空軍停飛病種中脊柱退變性疾病位居第三位。國外相關(guān)流行病學(xué)調(diào)查顯示： 在飛行員肌肉骨骼疼痛癥狀中，下腰痛占54% ~ 86%，而腰椎退行性病變所導(dǎo)致的腰椎滑脫、椎間盤突出、椎管狹窄、小關(guān)節(jié)突紊亂等是引起飛行人員下腰痛主要病因。而國內(nèi)空軍總醫(yī)院最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示[1]： 脊椎退變性病變?yōu)楝F(xiàn)役飛行員停飛原因的第三位，主要包括頸椎病及腰椎間盤突出癥。在2005 - 2010年的新型殲擊機飛行員和直升機飛行員改裝體檢和醫(yī)學(xué)鑒定及隨訪中發(fā)現(xiàn)[2-3]，頸腰椎的退變性疾病是導(dǎo)致飛行員飛行不合格或暫時飛行不合格的首要病種。根據(jù)空軍總醫(yī)院對不同年齡段飛行員中長期(超過4年)的隨訪觀察發(fā)現(xiàn)：飛行人員的脊柱呈現(xiàn)早熟老化現(xiàn)象，尤其是職業(yè)早期較為明顯。腰椎退行性病變以腰5骶1最為常見，其次是腰4-5，腰3-4節(jié)段。病變的出現(xiàn)與飛行中的失重及高載荷(+Gz)環(huán)境密切相關(guān)[4-5]。+Gz條件下椎間盤結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生生物力學(xué)及生物化學(xué)的變化，繼而導(dǎo)致椎間盤的病理改變，表現(xiàn)為： 椎間盤病變、脊椎骨贅、韌帶增厚、脊髓和神經(jīng)根受壓等，這在西方國家的臨床航空醫(yī)學(xué)流行病調(diào)查中也得到證實[6-7]。失重環(huán)境往往被認為是太空飛行中宇航員肌肉骨骼系統(tǒng)產(chǎn)生病理生理變化主要因素。最近的國外文獻報道，在模擬失重環(huán)境中，小鼠椎間盤蛋白多糖和膠原含量也明顯降低，這與椎間盤退變的病理改變是相一致的。在飛行機訓(xùn)練過程中，飛行員不僅要承受高加速度的負荷，同時也受到失重條件的影響。在兩種致病因素的環(huán)境中反復(fù)暴露，極有可能對飛行員的腰椎退變產(chǎn)生不同于普通人群的加速影響。本文就目前國內(nèi)外關(guān)于飛行人員高載荷及失重環(huán)境對于腰椎退變的影響研究及進展作一綜述。

1 飛行人員腰椎退行性疾病的國內(nèi)外流行病學(xué)調(diào)查

近10年的臨床航空醫(yī)學(xué)流行病學(xué)調(diào)查結(jié)果顯示： 在美國，因脊柱退變性疾病導(dǎo)致現(xiàn)役飛行員停飛的占據(jù)各大停飛病種的第三位，我國最新研究資料同樣為第三位。

腰椎退行性病變是導(dǎo)致下腰痛癥狀的主要原因之一，一項針對33名西班牙空軍飛行員的調(diào)查顯示，85%的飛行員出現(xiàn)過背部疼痛，腰骶部疼痛的高達68%，背部非局限性疼痛的為39%。Sovelius等回顧了14名患有椎間盤病變的西班牙空軍飛行員，病變位于腰4-骶1的為12例(86%)。Simpon和Porter[8]對英國174名飛行員肌肉骨骼疼痛發(fā)病率進行研究，結(jié)果顯示： 53%的飛行員出現(xiàn)肌肉骨骼疼痛不適癥狀，其中以下腰痛發(fā)病率最高，占所有疼痛發(fā)病的54% ~ 86%。

國內(nèi)曾有對殲擊機飛行員腰椎退行性病變進行中長期隨訪觀察(4年以上)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)飛行人員發(fā)生腰椎退行性病變的時間較普通人員及地勤人員要早，患病率高，疾病影響時間長。腰椎退行性病變的發(fā)生部位以腰5骶1最為常見，其次是腰4-5，腰3-4[4]?？哲娍傖t(yī)院在對261名殲擊機飛行人員的體檢中發(fā)現(xiàn)脊柱退變性病癥188例，其中僅腰椎間盤突出等87例，占所有脊柱疾病的33%，因此而飛行不合格的飛行員11名，不合格率為6%[9]。對另外的102名新型殲擊機飛行員改裝體檢不合格的原因進行分析，發(fā)現(xiàn)因腰椎退變性疾病而改裝不合格者為16例，比例為15.7%[10]。在空軍總醫(yī)院長達10年的數(shù)十批高性能戰(zhàn)斗機飛行員改裝體檢和醫(yī)學(xué)鑒定中，發(fā)現(xiàn)腰椎的退變性疾病是飛行員整個骨骼肌肉系統(tǒng)的首要病種。

2 腰椎退行性病變的影像學(xué)研究

腰椎退變從病因?qū)W上其發(fā)病機制十分復(fù)雜，具體原因仍不十分明確，總體來講，是由于遺傳、衰老等自然因素及機械負荷、營養(yǎng)供應(yīng)因素等共同作用的結(jié)果[11]。而最新研究發(fā)現(xiàn)，在腰椎間盤退變的各種因素中，機械負荷和營養(yǎng)供應(yīng)起著非常重要的作用。影響飛行員脊柱退變的原因有高載荷(+Gz)作用、失重作用、坐艙環(huán)境、飛行器震動、個體耐受等因素[5]。機械負荷增加、力學(xué)方式變化，腰椎生物力學(xué)及椎間盤細胞流體力學(xué)的失衡，進而出現(xiàn)營養(yǎng)供應(yīng)障礙和細胞分子生物學(xué)水平的病理改變。目前普遍認為高載荷(+Gz)和失重環(huán)境在各種影響因素中占主要作用，可能是影響飛行員腰椎退變的直接原因。

對于腰椎退變的影像學(xué)研究，多為飛行員體檢、隨訪及因不適癥狀就診時的X線片、CT及MRI的回顧性分析研究。也有Sovelius等[12]人所做的前瞻性對比研究，該類研究可準確地反映飛行人員長期暴露于高載荷及失重條件下所致的腰椎退變的患病率或發(fā)病率，并可與一般人群進行比較。同時影像學(xué)研究可以準確、直觀地觀察到高載荷及失重作用所致的腰椎各結(jié)構(gòu)的變化及退變程度。但由于目前尚缺乏控制變量的單純隨機對照研究，無法說明高載荷或失重單一因素對于腰椎退變的影像學(xué)改變的影響。故認為飛行人員與一般人群相比，為承受高載荷與失重因素反復(fù)交替暴露的綜合影響。高載荷或失重的單獨效應(yīng)在此部分不做分述。

高載荷(+Gz)及失重環(huán)境是飛行人員腰椎退變特有致病因素。歐洲早期研究發(fā)現(xiàn)： 高載荷(+Gz)及失重不僅可以引起飛行員急性脊柱損傷，導(dǎo)致戰(zhàn)斗力突然下降，還可能造成機毀人亡的重大事故。更是引起飛行員慢性脊柱退變的主要因素[13-15]。大量研究表明高載荷及失重環(huán)境引起的腰椎損傷及退變主要位于下位頸椎及腰椎[16-20]。退變主要表現(xiàn)為明顯的骨贅形成、腰椎間盤突出、脊髓受壓和神經(jīng)根孔狹窄[14,19]。同時研究發(fā)現(xiàn)，高性能戰(zhàn)斗機飛行員的脊柱病變及慢性損傷的程度與飛行時間的長短直接相關(guān)，年輕的高性能戰(zhàn)斗機飛行員脊柱退變性損害比飛行時間長的飛行員輕，發(fā)生率也較低[15,19]。Sovelius等對12名芬蘭特技飛行員進行了長達13年的核磁共振前瞻性對照分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)飛行員長期暴露在高載荷及失重的環(huán)境中，腰椎退變情況有增加的趨勢，其中以腰4-5最多見。研究所見退變增加趨勢與對照組之間比較并無統(tǒng)計學(xué)意義。作者認為可能由于單純的影像學(xué)分級并未能準確反映出脊柱退變的顯著程度，于是該文獻指出不能單純通過核磁檢查進行診斷及隨訪，同時也要根據(jù)飛行員的臨床癥狀[12]。特技飛行中高載荷及失重使飛行員腰椎患骨軟骨病加重了1.5 ~ 1.75倍[21]，說明高性能軍用飛機與飛行員脊柱的損傷和退變有明顯的關(guān)系，飛機性能越高，飛行員脊柱退變的發(fā)生率也越高，程度也越重[8,22]。有證據(jù)表明在反復(fù)的高載荷及失重作用下，可引起飛行員脊柱過早的退變，特別是椎間盤[8,23]。

國內(nèi)研究結(jié)果與國外相似，其中腰椎退變及椎間盤突出所占比例更高[10,24]?？哲娍傖t(yī)院朱克順、伍驥等對殲擊機飛行員外科體檢261人進行常規(guī)頸、胸、腰正側(cè)位以及腰椎雙斜位計算機X線攝影術(shù)檢查，部分飛行員進行腰椎CT掃描。所有CR和CT片均在隱去受檢者身份情況下由相關(guān)專業(yè)人員讀片。結(jié)果顯示： 腰椎間盤突出者49例，骶椎隱裂者37例，頸椎退變者33例，腰椎峽部裂者24例。其中飛行不合格原因及所占比例為： 腰椎峽部裂伴Ⅰ°滑脫者9例(45%)，頸椎病5例(25%)，腰椎間盤突出癥2例(10%)[9]。劉紅巾、徐先榮等對2004 - 2008年新機改裝資料進行回顧性分析顯示：飛行不合格飛行員中，外科病癥最多為26例(其中頸腰椎病19例，腰5雙側(cè)椎弓峽部裂伴Ⅰ°滑脫者12例，頸、腰椎間盤突出6例，環(huán)樞關(guān)節(jié)半脫位1例，左肩關(guān)節(jié)習(xí)慣性脫位1例，右膝骨性關(guān)節(jié)炎1例，腎結(jié)石3例，先天性心臟病2例)[10]。多組研究結(jié)果均表明：腰椎峽部裂及腰椎間盤突出是我軍飛行員飛行不合格的主要因素。既往研究證明高載荷及失重作用是加速脊柱退變主要因素之一，并可引起和加重脊柱的病變和損傷[14,25-27]。

高載荷及失重環(huán)境對飛行員脊柱可以引起明顯的慢性損傷和退變，但最先受到高載荷及失重影響的是脊柱的哪些結(jié)構(gòu)？對此外軍進行了有關(guān)的研究。1)椎間盤退變：椎間盤退變是整個脊柱退變性病變的始動環(huán)節(jié)。外軍通過CT掃描和MRI等有關(guān)的檢查方法，發(fā)現(xiàn)飛行員脊柱損傷主要表現(xiàn)于椎間盤，其形式主要是椎間盤退變、突出和脫出[8,22-23,28]。德國空軍航空醫(yī)學(xué)研究所的一份調(diào)查表明，由椎間盤病變導(dǎo)致的脊椎疼痛，減少了飛行員的飛行時間，甚至導(dǎo)致停飛[29]。2)脊椎骨贅： 外軍還發(fā)現(xiàn)反復(fù)暴露于及失重環(huán)境中，引起高性能戰(zhàn)斗機飛行員脊柱過早出現(xiàn)骨贅[8,22,30-31]。3)韌帶增厚： 反復(fù)接受高載荷及失重作用后，不僅引起了椎間盤退變、骨贅形成，同時還導(dǎo)致了脊柱韌帶的增厚[8,22,30-31]。4)椎管和神經(jīng)根孔狹窄：椎間盤的退變、突出和脫出，脊椎骨贅的形成，脊椎韌帶增厚等的廣泛出現(xiàn)，進一步導(dǎo)致了椎管退變性的狹窄[8,22,30]。5)脊髓和神經(jīng)根受壓： 椎間盤突出和(或)脫出，脊髓骨贅的形成，韌帶增厚，退變性椎管狹窄，導(dǎo)致了脊髓和(或)神經(jīng)根受壓[22,31]。

3 高載荷對腰椎退行性病變的病理生理學(xué)研究

已有大量研究表明高載荷作用可引起急性脊柱損傷，加速脊柱退變，引起腰痛不適等癥狀[8]。同時大量影像學(xué)研究也已證明高載荷可引起腰椎間盤退變、骨贅增生、小關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)退變等一系列改變[11-12,30,32]。Cs-Szab等對椎間盤退變進行相關(guān)分子生物學(xué)研究發(fā)現(xiàn)：Ⅰ型膠原在椎間盤發(fā)生嚴重退變時表達在髓核與纖維環(huán)內(nèi)均明顯增加，Ⅱ型膠原在輕度退變時增加而在嚴重退變后表達下調(diào)[28-29]，退變椎間盤中炎性因子增多，基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)活性增加，基質(zhì)金屬蛋白酶是一類結(jié)構(gòu)中含有Zn2+、Ca2+的蛋白水解酶類，是椎間盤基質(zhì)的主要降解酶，幾乎可以降解細胞外基質(zhì)的所有成分?；|(zhì)金屬蛋白酶和金屬蛋白酶組織抑制因子失衡是導(dǎo)致基質(zhì)過度降解的根本原因[33]。但國內(nèi)外目前對于高載荷引起的腰椎退變的組織學(xué)、病理生理學(xué)及分子生物學(xué)研究尚缺乏。對于長期反復(fù)暴露于高載荷作用所導(dǎo)致的腰椎退變的分子生物學(xué)變化及機制仍有待進一步研究。

空軍總醫(yī)院對+Gz重復(fù)暴露的大鼠腰椎間盤的膠原蛋白分布進行試驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)： +6Gz暴露30 d后可引起大鼠腰椎間盤膠原蛋白排列紊亂，+10Gz重復(fù)暴露后，就會加快上述排列變化出現(xiàn)的時間，提示椎間盤退變的程度更嚴重。高載荷(+Gz)條件下飛行，飛行人員姿勢相對固定，腰椎間盤受到的垂直軸向壓力、水平方向扭轉(zhuǎn)力和矢狀位上切力增加，同時力學(xué)分布不均勻，直接引起椎間盤的負荷增大，細胞流體靜力學(xué)變化，加速了椎間盤的退變進程。

目前，空軍總醫(yī)院擬下一步行大鼠反復(fù)+Gz暴露實驗，模擬飛行員長期反復(fù)高載荷作用，加速大鼠腰椎退變，并進行退變腰椎間盤的分子生物學(xué)研究。

4 失重對腰椎退變的影響及病理生理學(xué)研究

關(guān)于失重環(huán)境對人體骨骼、脊柱影響的試驗研究一般針對于太空飛行及宇航員。失重環(huán)境可以引起人體內(nèi)環(huán)境、代謝等多系統(tǒng)的改變，使骨質(zhì)降低、骨量減少，延遲軟組織、骨折的愈合。失重環(huán)境直接降低了重力對機體變形和機械作用，改變了機體正常的生理條件，使機械感受器傳入沖動減少，降低血管流體靜壓，血液和體液頭向分布，血供減少[34]。近年來，國外有關(guān)失重對椎間盤的病理影響研究也逐漸增加，Sayson和Hargens等[35]研究宇航員在失重環(huán)境中下腰痛的病理生理學(xué)變化時發(fā)現(xiàn)，宇航員在飛行后椎間盤突出的發(fā)病率較高，是引起下腰痛的主要原因。失重環(huán)境中，腰椎的屈曲固定體位增加了腰椎間盤前部的壓力，減少了椎間盤容積，刺激Ⅰ型、Ⅱ型機械刺激受體的表達，進而在脊髓后角產(chǎn)生P物質(zhì)等炎性介質(zhì)，導(dǎo)致疼痛發(fā)生。Yasuoka等[36]模擬微重力條件下小鼠腰椎間盤髓核和纖維環(huán)組織中蛋白多糖(proteoglycan，PG)含量和蛋白多糖相關(guān)mRNA基因表達的變化，發(fā)現(xiàn)尾部懸吊3周小鼠組中腰椎間盤髓核和纖維環(huán)組織中黏多糖(glycosaminoglycan)含量顯著降低(27% ~ 42%)，基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP3)的mRNA基因水平顯著提升。蛋白多糖的調(diào)節(jié)在維持腰椎間盤應(yīng)有的張力中起重要作用，這可能與蛋白多糖相關(guān)的分子水平基因表達有關(guān)。一般認為，在失重環(huán)境下，椎間盤承受壓力低，相應(yīng)的椎間盤細胞也承受著較低的流體靜力壓力，這種作用于細胞間的低流體靜力學(xué)壓力導(dǎo)致椎間盤的退行性病理生理改變，最終引起椎間盤蛋白多糖和膠原蛋白的比例發(fā)生改變，Hutton等[37]研究尾部懸吊小鼠腰椎間盤組織中蛋白多糖和膠原含量的改變，結(jié)果顯示對比對照組，4周懸吊組中蛋白多糖含量有顯著性降低(35%)，而2周組與4周組、2周組與對照組的蛋白多糖含量相比無統(tǒng)計學(xué)差異。膠原蛋白含量在三組中均無統(tǒng)計學(xué)差異。

對于失重環(huán)境對腰椎退變的影響，國內(nèi)多為對于失重暴露后腰椎骨量、骨質(zhì)及生物力學(xué)變化等特征的研究。萬玉明和崔偉[38]采用尾部懸吊法模擬微重力條件飼養(yǎng)大鼠21 d，解懸7 d、21 d并分別與非懸吊對照組對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大鼠腰椎礦鹽含量在懸吊21 d后有非常顯著性統(tǒng)計學(xué)意義的降低，解懸7 d后未見恢復(fù)，解懸21 d后有恢復(fù)的趨勢，但仍顯著低于對照組。骨鈣素含量在懸吊21 d后顯著降低，并且在整個恢復(fù)期中未見明顯變化。同時，懸吊21 d后大鼠腰椎載荷、應(yīng)力、強度及硬度均較對照組有明顯降低。吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院臧虎、馬洪順等經(jīng)過多組多次實驗證實：失重環(huán)境下，骨微觀結(jié)構(gòu)改變，骨小梁變細、變薄，排列紊亂，骨密度減低，骨質(zhì)疏松。失重所致骨質(zhì)疏松對骨的膠原纖維和彈性纖維造成損壞，彈性纖維和膠原的強度和剛度降低。骨應(yīng)力松弛、蠕變流變學(xué)指標降低，骨的機械支撐功能減退[39-41]。傅騫等[42]研究尾部懸吊3周大鼠發(fā)現(xiàn)： 模擬失重大鼠全身骨礦物質(zhì)密度(bone mineral density，BMD)變化呈現(xiàn)特定趨勢，頭部BMD提高，上肢及第二胸椎BMD保持不變，第四腰椎及后肢BMD明顯下降。這些改變可能為飛行員腰椎急性損傷、腰椎峽部裂及腰椎退變加速的病理學(xué)基礎(chǔ)。目前國內(nèi)尚缺乏對于模擬失重所致腰椎退變的分子生物學(xué)研究。空軍總醫(yī)院擬進行尾部懸吊大鼠模擬失重環(huán)境實驗，進行模擬失重對腰椎退變的影響的分子生物學(xué)研究。

5 結(jié)語與展望

脊柱退變性疾病直接導(dǎo)致的飛行員停訓(xùn)停飛已成為國際航空航天醫(yī)學(xué)高度關(guān)注的課題。飛行人員飛行相關(guān)性下腰痛，脊柱退變加速病因十分復(fù)雜，為高載荷(+Gz)作用、失重作用、坐艙環(huán)境、飛行器震動、飛行時間、機種等多因素綜合作用結(jié)果，目前普遍認為高載荷(+Gz)和失重環(huán)境在各種影響因素中占主要作用。盡管目前對于高載荷及失重環(huán)境影響腰椎退變的機制尚未完全闡明，但大量的研究已使大家對高載荷及失重對于腰椎退變的影響有了較深入了解，并為更深層次的研究提供了可靠的理論基礎(chǔ)和可行的實驗方法。目前我國尚未開展對+Gz或失重環(huán)境下人體脊柱退變性改變的系統(tǒng)研究，更缺乏將兩種危險因素(+Gz和失重)結(jié)合起來進行腰椎退行性病變的研究，進而缺乏針對飛行員及航天員腰椎退變性病變的病情評估、診療手段、改進訓(xùn)練方式和研究預(yù)防措施的試驗依據(jù)?？哲娍傖t(yī)院擬通過模擬+Gz和失重環(huán)境下動物腰椎退變的形態(tài)學(xué)、組織學(xué)、病理學(xué)、分子生物學(xué)變化，探索+Gz和失重環(huán)境下腰椎退變發(fā)生機制。此研究可為飛行員腰椎退變預(yù)防措施的提出，保護我國飛行員(包括民用航空飛行員)和航天員脊柱，減少其退變發(fā)病率，降低停飛率等提供理論依據(jù)。

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