研究酶有何意义论文

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正常腰椎间盘是由纤维环、髓核及软骨板构成。人体椎间盘髓核是一个高度含水的组织，水分占80%～90%；干性成分中，蛋白多糖占65%，胶原约占25%，胶原纤维无定向排列成一疏松的立体网络。纤维环中水分占60%～70%；干性成分中，蛋白多糖占20%，胶原占60%。椎间盘内主要含有Ⅰ型和Ⅱ型胶原分子，从纤维环的外层到内层，胶原构成由Ⅰ型逐渐变为Ⅱ型。Ⅰ型胶原提供纤维环的张力强度，Ⅱ型胶原提供承受压力强度。当腰椎间盘突出时，髓核中的水分含量下降，胶原含量可达60%或更高。Bromley等〔5〕用狗进行的实验认为：胶原酶注入盘内剂量达400u～500u时，有纤维环内缘的轻微溶解，超过这个剂量溶解作用将增加，但也只是纤维环内缘的溶解，注入胶原酶2w之后溶解程度不再增加。孙磊等〔6〕将胶原酶注入兔椎间盘内后观察到：胶原酶注入盘内24h，可见髓核结构破坏；1w后髓核浓缩，纤维组织增生；2w时椎间盘髓核结构界线不清；4w时椎间隙狭窄，髓核结构消失。被纤维软骨替代，但纤维环的外层胶原纤维结构无变化。Sussman(1968)〔4〕首先提出并证明胶原酶可以溶解术中切取的人体椎间盘组织，证明胶原酶能迅速地、选择性地溶解髓核和纤维环中的胶原纤维。Sussman(1975)〔7〕进行的毒性试验表明：胶原酶行盘内、静脉内、腹腔内、脊柱旁及硬膜外注射有相当大的安全范围，胶原酶对透明软骨、骨及成熟的纤维组织如前、后纵韧带作用极小，对硬脊膜、马尾神经等接触也不会造成损害，腰神经根等神经实质对胶原酶不敏感，但认为胶原酶鞘内注射可引起严重的并发症。3 胶原酶用于腰椎间盘突出症治疗中的若干问题 胶原酶治疗机理 胶原蛋白水解酶(collagenase，简称胶原酶)，其化学本质是蛋白质，是一种有催化作用的高度特异性生物催化剂，是唯一能作用于胶原组织螺旋结构的酶，能在生理pH值及温度条件下水解天然胶原纤维。人体内源性胶原酶与胶原分子在细胞内共同合成，以酶原的方式处于潜伏状态〔8〕。当椎间盘内环境改变或受到机械作用时，椎间盘纤维细胞崩解，酶激活物进入基质激活处于酶原状态的胶原酶，使其具有生物活性，胶原纤维出现降解。降解的结果引起椎间盘本身出现自溶，使纤维环强度下降，出现裂隙或破裂，并引起相应的临床症状。当外源性胶原酶以酶原的形式大量注入病变的椎间盘，便被其中的酶激活物激活。胶原酶被激活后作用于胶原分子的全部3条α-链，距氨基酸端的3/4处，将胶原分子水解为3/4和1/4两个片段，使之溶解度增加，易解链变性被其他 蛋白酶水解〔9〕，最终降解为相关的氨基酸，被血浆中和吸收。由于椎间盘的总体积明显缩小，从而使突出物减小或消失，对神经组织的压迫得以缓解或消除，临床症状得以改善或消失。 胶原酶治疗对象选择 对胶原酶治疗对象的选择至今仍缺乏统一认识，国内外至今尚无统一标准，如何选择病例，提高治疗效果，是有待进一步探索和研究的课题。有作者〔10〕提出对椎间盘向侧后方突出大于10mm，椎间盘突出伴钙化、伴侧隐窝狭窄等均可列为适应症。目前国内多数学者比较一致认定的是：单侧腰腿痛有明显神经根压迫症状；经系统保守治疗无效者。凡伴有过敏体质、马尾综合征、代谢性疾病、椎间盘炎或椎间盘感染、心理变态、腰椎管狭窄或脊椎滑脱、非椎间盘源性腿腰痛、孕妇及14岁以下儿童、突出物游离于腰椎管内及突出物已钙化或骨化者均不宜列为治疗选择。适应症的选择恰当与否，直接关系治疗效果，故此笔者认为对治疗对象应慎重选择，不宜过宽。 胶原酶治疗方法 目前临床上主要有以下5种方法：(1)经皮斜刺或侧方直刺椎间盘(盘内)注射法。此法是经典注射法，适用于各种类型的椎间盘突出，尤其适用于椎间盘膨出、中央型突出或偏斜不重者。其穿刺途径安全，定位客观，精确可靠，效果确实，但操作要求准确。笔者主要采用此法，我们认为此法具有针对性强，直接溶解胶原纤维的作用。(2)经皮椎间孔硬膜外侧隐窝突出物局部(盘外)注射法。此法适于突出物偏向一侧，而且突向神经根管，临床有神经根刺激症状者。此法针对突出物，准确性要求高，术中需造影确定，效果可靠。(3)经椎板外切迹或小关节内缘行硬膜外侧隐窝穿刺法。此法系盘外注射的改进法，由宋文阁等〔11〕提出并应用于临床。此法进路骨性标志清楚，定点明确，进针角度和方向固定，可变范围小，但其应用时间较短，目前临床报道较少。(4)经皮棘突旁硬膜外注射法。它是经椎板间隙利用硬膜外套管注射法。适用于多间隙突出或老年体弱有明显骨质增生并有骨桥形成者。在操作时需在最高位间隙穿刺插管，并将硬膜外导管送到最低突出间隙，边退管边向突出区域注药。此法简单、安全，但效果不如其他方法 。(5)经皮切吸与胶原酶注射联合法。此法是先将椎间盘髓核组织吸出，使椎间盘内压力降低并有一定空隙，再注入胶原酶，使药液均匀地渗透到纤维环部，髓核及纤维环得到充分溶解。但其操作复杂，外套管针较粗，创伤相对较大。目前国外均采用盘内法注射，国内盘内、盘外均有使用。 胶原酶临床疗效及与手术疗效对比 目前国内报道胶原酶治疗优良率在60%～84%，有效率在83%～96%。笔者治疗25例，优良率为74%，有效率为92%，基本上报道一致。经过比较，盘内法与盘外法治疗疗效并无明显差异。Weinstein(1986)〔12〕将胶原酶注射与手术组进行了详细比较，其结果为：化学溶核组治疗后近期疼痛缓解者为51%，手术组为41%；3个月后疼痛缓解者化学溶核组为75%，手术组为70%；1年后化学溶核组为86%，手术组为80%；2年以上无需其他治疗者分别为86%与88%。治疗后第一年度复发率化学溶核组12%，手术组18%；10年后化学溶核组为32%，手术组为39%，需再次手术。治疗后短期感觉良好，恢复工作者化学溶核组为90%，手术组87%。根据比较，化学溶核组的有效率高于手术组，而复发率却低于手术组。化学溶核术显得更为优越。 胶原酶治疗的副反应与并发症 副反应 ①疼痛反应。一般在治疗后3～10天疼痛可比治疗前加重，但笔者体会往往多在注药后1～2h后即开始出现疼痛加重。其原因是胶原酶的注入增加了盘内容积，同时胶原纤维在胶原酶作用下出现降解。导致椎间盘内容物增加，使盘内压升高及降解过程中的化学刺激反应，窦椎神经受到激惹后出现的〔13〕。 ②尿潴留和肠麻痹。是由于盘内压力增高后窦椎神经受到激惹引起植物神经功能紊乱所致〔13〕。 ③脊柱失稳性腰背痛。椎间盘溶解后椎间隙变窄，小关节将出现重叠，对窦返神经的刺激，出现反射性腰背部不适和疼痛。 并发症 ①过敏反应。胶原酶作为一种生物制剂，存在过敏反应的可能。杨述华等〔14〕报道1例二次注射发生过敏反应；谢国华等〔15〕报道1例于注射后8h出现过敏性休克。 ②椎间隙感染。主要表现为腰肌痉挛，腰痛加剧，有深压痛，白细胞计数和分类可正常或升高，血沉增快。高翔等〔16〕报道1例椎间隙感染。 ③神经损伤。多为穿刺针刺伤脊神经根或穿刺过程中误伤脊膜或神经外膜，高浓度胶原酶使神经根发生脱水、变性，一旦误入蛛网膜下腔，轻者出现化学性脑膜炎，重者可发生截瘫。高翔等〔16〕报道2例神经损伤致腓骨长、短肌瘫疾，经治疗后一个月恢复。汤华丰等〔17〕报道全麻下2例产生腰神经根症状，半年后随访尚未完全恢复。鞠作金等〔18〕报道1例出现化学性脑膜炎及严重的神经根损伤，术后1年随访肌力仍未完全恢复。 ④继发性腰椎管狭窄。 尚未解决的问题 胶原酶用量问题 目前报道盘外注射胶原酶用量基本一致，都为1200u；但盘内注射用量尚未完全统一，各家报道有400u、600u、1200u三种规格。另外，椎间盘病变程度与所用胶原酶剂量问题尚未达成统一标准。 有关造影剂使用问题 目前盘外注射一致使用造影剂进行定位，而盘内注射定位时是否非要使用造影剂问题并未达成一致，各家观点不一。临床上有单纯靠腰椎正、侧位定位的，也有在此基础上注射造影剂行椎间盘造影定位。另外，造影剂是否对胶原酶的溶解作用产生影响这一问题仍未见有系统研究报道。 副作用和并发症问题 如何有效地预防和治疗胶原酶注射产生的副反应及并发症，目前尚未达成一致的方案。另外，对所有治疗的病例进行系统、完整的CT及X线复查结果方面，仍未见有完整、准确的临床报道。 综上所述，只要严格掌握适应症以及正确熟练的操作方法，胶原酶注射溶解术不失为一种有效的治疗方法。且疗效与手术治疗无明显差异。它住院时间短、操作较简单、并发症少、痛苦小、病人负担较轻且安全有效，即使失败也不影响再次手术，为腰椎间盘突出症增加了一种可供选择的治疗方法。相信随着胶原酶基础研究的不断深入及临床应用的进一步开展，胶原酶注射法必将成为继传统保守治疗之后首选的治疗方法，值得临床推广应用。参考文献1 Mixter WJ,Barr of the intervertebral disc with involvement of the spinal Eng J Med,1934,211:2102 Hirsh on the pathology of low back Bone Joint Surg,1959,41B:2373 Smith dissolution of the nucleus pulposus in (2):1374 Sussman clisolysis with Natal Med Assoc 60(may),1968:1845 Bromely JW,Varma AJ,et evaluation of collagenase injection for herniated lumbar 孙 磊，宁志杰，王培杰，等.胶原酶椎间盘内注射后的形态观察.中国矫形外科杂志，1997，4(5)：3947 Sussman NeuroSurg,1975,42:389～3958 张昌疑.主编.生物化学.第2版.人民卫生出版社，1984：85～1169 Smith of York:Mc Graw-Hill,1983:22310 王执民，王义清，吴智群，等.注射胶原酶治疗腰椎间盘突出症的临床应用研究.实用放射学杂志，1997，13(8)：458～46011 宋文阁，傅志俭，马 玲，等.硬膜外腔侧隐窝穿刺的研究.中华麻科学杂志，1998，18(4)：25012 Weinstein JN,Lehman TR,Hejna versus open discectomy-a ten year follow-up Orthop,1986,206:5013 刘 伟，杨 华，雷云坤，等.注射用胶原酶治疗腰椎间盘脱出症疗效及影像学分析.云南医药，1999，20(1)：29～3014 杨述华，杜靖远，罗怀灿，等.化学溶核术治疗椎间盘突出症的临床研究.中华骨科杂志，1996，16(7)：415～41715 谢国华，蒋慧娟.胶原酶盘内注射治疗腰椎间盘突出症.江苏中医，1999，20(2)：3216 高 翔，李加坤.胶原酶注射治疗腰椎间盘突出症.中国厂矿医学，1999，1：7～817 汤华丰.丁鑫昌.髓核化学溶解(胶原酶)治疗腰椎间盘突出症30例近期随访报道.中华骨科杂志，1989，9(2)：88～9018 鞠作金，吴旭东，赵勇进.胶原酶溶解术治疗腰椎间盘突出症严重并发症1例.骨与关节损伤杂志.1997，12(6)：325

简而言之，酶工程就是将酶或者微生物细胞，动植物细胞，细胞器等在一定的生物反应装置中，利用酶所具有的生物催化功能,借助工程手段将相应的原料转化成有用物质并应用于社会生活的一门科学技术。它包括酶制剂的制备,酶的固定化,酶的修饰与改造及酶反应器等方面内容。酶工程的应用，主要集中于食品工业，轻工业以及医药工业中。 实际上，人类有意识地利用酶已经有好多年历史了，也经历了几个发展阶段，开始的时候，人们直接从动植物或微生物体内提取酶做成酶制剂，用于产品生产，这种方法直到现在仍被诞用。 比如说，现在我们使用的洗涤剂，大部分是加酶的，其去污力大大加强了。此外，在制造奶酪、水解淀粉、酿造啤酒及砚烤制中，酶制剂都可以得到直接的应用。 由于从动植物中撮酶化较麻烦，数量也有限，人们普遍看好通过微生物大规模培养，然后从中提取酶，以获取大量酶制剂的方法。目前，很多的商品酶，如淀粉酶、糖化酶、蛋白酶等等，主要是来自于微生物的。所以酶工程离不开微生物发酵工程，也可以说是发酵工程的产物。 在七十年代以后，伴随着第二代酶——固定化酶及其相关技术的产生，酶工程才算真正登上了历史舞台。固定化酶正日益成为工业生产的主力军，在化工医药、轻工食品、环境保护等领域发挥着巨大的作用。不仅如此，还产生了威力更大的第三代酶，它是包括辅助因子再生系统在内的固定化多酶系统，它正在成为酶工程应用的主角。 我们知道，酶在生物体内的含量是有限的，不管是哪种酶，在细胞中的浓度都不会是很高的，这也是出于生物机体生命活动平衡调节的需要。可是这样一来，就限制了直接利用天然酶更有效地解决很多化学反应的可能性。 利用基因工程的方法可以解决这一难题。 只要在生物体内找到了某种有用的酶，即使含量再低，只要应用基因重组技术，通过基因扩增与增强表达，就可能建立高效表达特定酶制剂的基因工程菌或基因工程细胞了。把基因工程菌或基因工程细胞固定起来，就可构建成新一代的生物催化剂——固定化工程菌或固定化工程细胞了。人们也把这种新型的生物催化剂称为基因工程酶制剂。 新一代基因工程酶制剂的开发研制，无疑是使酶工程如虎添翼。固定化基因工程菌、基因工程细胞技术将使酶的威力发挥得更出色，科学家们预言，如果把相关的技术与连续生物反应器巧妙结合起来，将导致整个发酵工业和化学合成工业的根本性变革。 对酶进行改造和修饰也是酶工程的一项重要内容。 酶的作用力虽然很强，尤其是被固定起来之后，力量就更大了，但并不是所有的酶制剂都适合固定化的，即使是用于固定化的天然酶，其活性也往往不能满足人们的要求，需要改变其某些性质、提高其活性，以便更好地发挥其催化功能。 于是，酶分子修饰和改造的任务就被提出来了。 一般来说，科学家们是通过对酶蛋白分子的主链进行“切割”、“剪切”以及在侧链上进行化学修饰来达到改造酶分子的目的的。被修饰、改造的酶分子，无论是物化性质，还是生物活性都得到了改善，甚至被赋予了新的功能。 人工设计和合成具有生物活性的非天然大分子物质，是科学家们共同努力的目标。

酶作为一种生物催化剂，已广泛地应用于轻工业的各个生产领域。近几十年来，随着酶工程不断的技术性突破，在工业、农业、医药卫生、能源开发及环境工程等方面的应用越来越广泛。—、食品加工中的应用酶在食品工业中最大的用途是淀粉加工，其次是乳品加工、果汁加工、 酶工程烘烤食品及啤酒发酵。与之有关的各种酶如淀粉酶、葡萄糖异构酶、乳糖酶、凝乳酶、蛋白酶等占酶制剂市场的一半以上。 目前，帮助和促进食物消化的酶成为食品市场发展的主要方向，包括促进蛋白质消化的酶（菠萝蛋白酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶等），促进纤维素消化的酶（纤维素酶、聚糖酶等），促进乳糖消化的酶（乳糖酶）和促进脂肪消化的酶（脂肪酶、酯酶）等。二、轻化工业中的应用酶工程在轻化工业中的用途主要包括：洗涤剂制造（增强去垢能力）、毛皮工业、明胶制造、胶原纤维制造（粘接剂）牙膏和化妆品的生产、造纸、感光材料生产、废水废物处理和饲料加工等。三、医药上的应用重组DNA技术促进了各种有医疗价值的酶的大规模生产。用于临床的各类酶品种逐渐增加。酶除了用作常规治疗外，还可作为医学工程的某些组成部分而发挥医疗作用。如在体外循环装置中，利用酶清除血液废物，防止血栓形成和体内酶控药物释放系统等。另外，酶作为临床体外检测试剂，可以快速、灵敏、准确地测定体内某些代谢产物，也将是酶在医疗上一个重要的应用。四、能源开发上的应用在全世界开发新型能源的大趋势下，利用微生物或酶工程技术从生物体中生产燃料也是人们正在探寻的一条新路。例如，利用植物、农作物、林业产物废物中的纤维素、半纤维素、木质素、淀粉等原料，制造氢、甲烷等气体燃料以及乙醇和甲醇等液体燃料。另外，在石油资源的开发中，利用微生物作为石油勘探、二次采油、石油精炼等手段也是近年来国内外普遍关注的课题。五、环境工程上的应用在科学技术高度发展的同时，环境净化尤其是工业废水和生活污水的净化，作为保护自然的一项措施，具有十分重要的意义。 在现有的废水净化方法中，生物净化常常是成本最低而最可行的。 酶工程食品微生物的新陈代谢过程，可以利用废水中的某些有机物质作为所需的营养来源。因此利用微生物体中酶的作用，可以将废水中的有机物质转变成可利用的小分子物质，同时达到净化废水的目的。人们利用基因工程技术创造高效菌种，并利用固定化活微生物细胞等方法，在废水处理及环境保护工作中取得了显著的成效。 另外，生物传感器的出现为环境监测的连续化和自动化提供了可能，降低了环境监测的成本，加强了环境监督的力度。