椎體終板在椎間盤退變中作用機制的研究進展

陳詩謀，肖福濤，李銳冬綜述，鄧忠良審校

（重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院，重慶400010）

椎體終板在椎間盤退變中作用機制的研究進展

陳詩謀，肖福濤，李銳冬綜述，鄧忠良審校

（重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院，重慶400010）

椎體終板；椎間盤/病理學(xué)；生物力學(xué)；綜述

腰痛是骨科的常見疾病，其中一部分發(fā)展為慢性疼痛，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。雖然腰痛可由諸多因素引起，但目前學(xué)術(shù)界普遍認為椎間盤退變（intervertebral disc degeneration，IDD）是引起腰痛的最重要原因[1]。因此，IDD的影響因素及其作用機制引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。近年來的研究表明，椎體終板對調(diào)節(jié)椎間盤應(yīng)力和維持椎間盤營養(yǎng)起著重要作用，終板與IDD有著密切關(guān)系。本文就椎體終板的結(jié)構(gòu)、生理功能及其與IDD的關(guān)系作一綜述。

1 椎體終板的結(jié)構(gòu)與生化成分

椎體終板呈扁圓盤狀，位于椎體與椎間盤之間。目前，學(xué)術(shù)界認為終板包括骨性及軟骨成分[2]。在生長發(fā)育過程中，椎體上下面的骺軟骨骨化停止后變薄、輕度凹陷，形成骨性終板。椎體終板中央仍有一層薄而透明的軟骨覆蓋，形成軟骨終板。典型的軟骨終板厚0.1～2.0 mm[3]，但在不同部位及節(jié)段有所差異：中央較薄而邊緣較厚，高節(jié)段較薄而低節(jié)段較厚[4]。骨性終板的結(jié)構(gòu)與椎體骨質(zhì)相近，近似于厚而多孔的松質(zhì)骨，骨細胞分布于碟形的薄層狀的網(wǎng)格中[5]。與軟骨終板類似，骨性終板的厚度因部位和節(jié)段而異，但多在0.2～0.8 mm[6]。對腰椎的骨性終板研究發(fā)現(xiàn)其中央較邊緣薄，同一椎間隙上方的骨性終板厚度及骨密度較下方的大[7]。

終板的軟骨成分由膠原蛋白（Ⅰ型和Ⅱ型）、蛋白多糖和水組成。在幼兒的軟骨終板中，蛋白多糖含量約300 μg/mg，Ⅰ型膠原蛋白含量約0.9 ng/mg，水占78%[8]，之后隨著年齡增加而減少。膠原蛋白構(gòu)成了軟骨基質(zhì)的主要支架，這與關(guān)節(jié)軟骨類似，不同的是關(guān)節(jié)軟骨存在異向分布的膠原蛋白纖維，而軟骨終板的膠原蛋白纖維分布是水平平行的，在外周與椎間盤纖維環(huán)的膠原蛋白纖維相連續(xù)[9]，在中央與髓核的膠原纖維形成復(fù)雜相連的結(jié)構(gòu)[10]。蛋白多糖分子帶有負電荷，對水及陽離子親和力較高，具有一定水化作用，可維持椎間盤內(nèi)的水分，并使帶電溶質(zhì)在椎間盤內(nèi)正常彌散和分布。

2 軟骨終板的生理功能

2.1 調(diào)節(jié)應(yīng)力 脊柱在人體日?；顒又衅鸬搅酥匾闹巫饔谩Ｈ梭w活動產(chǎn)生的應(yīng)力改變也引起軟骨終板承受負荷的改變。據(jù)測量，站立時腰部承受的壓力約為800 N，而負重時可達到約3 000 N。平臥時髓核承受壓強為0.4 MPa，而站立及坐位時為1.5 MPa，負重時可達2.3 MPa[11]。軟骨終板的中心部位與髓核相接觸，受壓的髓核可引起終板像鼓面一樣被動緊張、拉伸，而軟骨終板的邊緣與纖維環(huán)的膠原纖維相連接，二者共同形成一個容納髓核的容器，包容于其中的膠體狀髓核則起到類似軸承樣的作用。終板、纖維環(huán)與髓核構(gòu)成了一個對抗、緩沖應(yīng)力的整體[4]。在脊柱應(yīng)力過程中，終板還起到緩壓屏障的作用：把應(yīng)力分散到鄰近椎體，防止受力的髓核突入椎體形成許莫氏結(jié)節(jié)。有研究表明，厚、致密、彎曲度大的終板較薄、多孔、平坦的終板強度大[12]。

2.2 營養(yǎng)作用 成年人的椎間盤無直接血供，是人體內(nèi)最大的無血管組織，其維持正常代謝所需的營養(yǎng)主要來源于2個途徑：一是終板途徑，即營養(yǎng)物質(zhì)到達椎體內(nèi)血管后通過骨髓腔-血竇-軟骨終板界面擴散進入椎間盤，營養(yǎng)髓核及內(nèi)層纖維環(huán)；二是纖維環(huán)途徑，即纖維環(huán)表面血管營養(yǎng)外層纖維環(huán)。其中終板途徑是椎間盤營養(yǎng)的主要途徑，為椎體骨髓中的葡萄糖、氧氣等物質(zhì)進入椎間盤提供了重要通道，代謝廢物也經(jīng)此途徑轉(zhuǎn)運出。其中央?yún)^(qū)域的滲透性高于外周區(qū)域，而在軟骨終板接近外層纖維環(huán)處則完全不能滲透[13]。

在胎兒時期，終板內(nèi)有自椎體至椎間盤的血管通過，直接營養(yǎng)椎間盤。這些血管通路在髓核對應(yīng)的區(qū)域分布密集而纖維環(huán)對應(yīng)的區(qū)域分布稀疏[4]。出生后跨越終板的血管逐漸消失，軟骨終板成為無血管的組織。對幼兔的終板研究發(fā)現(xiàn)，軟骨終板內(nèi)有大量由椎體骨髓腔發(fā)出的血管交織而成的血竇，這些血竇被稱為血管芽。終板髓核區(qū)的血管芽膨大且交織纏繞，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表面積較大；內(nèi)層纖維環(huán)區(qū)血管芽結(jié)構(gòu)簡單，表面積較??；外層纖維環(huán)區(qū)未見血管芽[14]。而血管芽的表面積與軟骨終板的滲透力呈正相關(guān)[15]。雖然通過軟骨終板的血管會消失，但終板上仍有許多微孔，這些開放的微孔對保持軟骨終板的半滲透膜特性具有重要意義，使水和溶質(zhì)能隨滲透壓的變化在其間擴散。此外，脊柱軸向的機械應(yīng)力可引起終板周圍的液體對流，有助于溶質(zhì)的轉(zhuǎn)運。血漿和椎間盤組織液間的滲透壓梯度及壓力改變引起物質(zhì)在終板和椎間盤間的交換，從而使椎間盤內(nèi)環(huán)境達到一種供需的平衡。

椎體終板的特殊結(jié)構(gòu)在生物力學(xué)及營養(yǎng)方面有著重要功能，在機械強度及滲透性之間取得了一種平衡。薄而多孔有益于保障椎間盤正常代謝，而厚且致密有益于對抗應(yīng)力[16]。近年來的研究數(shù)據(jù)表明，終板的雙層結(jié)構(gòu)可能是一種最佳的構(gòu)造[5]，在防止機械損害的同時支持了物質(zhì)轉(zhuǎn)運。

3 終板的退變

3.1 生理退變 隨著年齡增長，軟骨終板的細胞凋亡增加，細胞密度減低，基質(zhì)中的蛋白多糖及膠原蛋白等成分含量發(fā)生變化，導(dǎo)致軟骨終板逐漸變薄和鈣化[4，8]。蛋白多糖含量在2歲時約為300 μg/mg，而到了80歲減少到150 μg/mg。同時，水的含量從78%減少到67%，Ⅰ型膠原蛋白從0.9 ng/mg減少到0.25 ng/mg[8]。軟骨終板各組成成分的必要含量是其發(fā)揮正常生物學(xué)功能的生化基礎(chǔ)。隨著這些成分的減少，軟骨終板在生物力學(xué)及維持椎間盤內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定方面的能力逐漸下降。目前研究還發(fā)現(xiàn)，終板中一種X型膠原的表達與一系列年齡相關(guān)變化是一致的。該膠原是一種鈣結(jié)合膠原，為軟骨細胞肥大和鈣化的特異性標(biāo)志[17]。

骨性終板的骨密度也與年齡增長有關(guān)。對沙鼠終板的骨密度進行定量測定發(fā)現(xiàn)，終板的骨密度與年齡相關(guān)，老齡沙鼠的終板骨密度顯著高于年輕沙鼠[18]。

3.2 損傷退變 異常的應(yīng)力會對椎體終板產(chǎn)生不良影響。終板在脊柱的力學(xué)功能，尤其是在分散應(yīng)力負荷方面具有重要作用，同時終板也是脊柱中最容易受到損傷的部位。許多因素可影響終板對損傷的敏感性，如機械應(yīng)力的性質(zhì)、終板的結(jié)構(gòu)形態(tài)、組織的生物力學(xué)特性以及椎間盤的情況[19]。終板的生物力學(xué)特性使其本身具有一定對抗損傷的能力，普通強度的負荷不會引起終板不可逆性變形損傷，但隨著負荷增加或重復(fù)施加負荷可能導(dǎo)致終板疲勞骨折的發(fā)生。高節(jié)段的終板比低節(jié)段的終板更容易受損傷，因為前者較后者薄且支撐的骨小梁少。同樣，終板中央因較薄而成為損傷易發(fā)部位[7]。隨著時間推移，終板的損傷逐漸積累，由點狀損傷發(fā)展成為環(huán)狀裂縫，最終導(dǎo)致終板強度減弱。

目前認為程度較輕的終板損傷在老化過程中普遍存在，但很難被影像學(xué)手段觀察到[16]。損傷繼續(xù)發(fā)展可能出現(xiàn)許莫氏結(jié)節(jié)、終板撕裂、鈣化等。許莫氏結(jié)節(jié)常發(fā)生于胸腰段的終板中央[20]，此部位松質(zhì)骨骨密度較低，終板強度較弱[21]。相反，終板撕裂及鈣化多發(fā)生于下腰段的終板邊緣，此部位因屈伸的活動范圍較大致軟骨終板與纖維環(huán)的連接部位受牽拉力較大[22]，鈣化可能系反復(fù)壓縮損傷的結(jié)果[19]。

4 終板與IDD的關(guān)系

IDD是以椎間盤結(jié)構(gòu)及基質(zhì)成分的改變?yōu)橹饕獧C制。椎體終板隨著年齡增長及損傷的積累，成分及結(jié)構(gòu)改變達到一定程度時，可引起椎間盤的應(yīng)力異常、自身免疫和營養(yǎng)障礙，進而加快椎間盤的退變。

4.1 應(yīng)力異常 椎體終板的生理退變可使軟骨終板的彈性下降，削弱其均勻傳遞和緩沖應(yīng)力的能力，從而影響椎間盤承受負荷的能力。而終板損傷可導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)完整性破壞。當(dāng)脊柱軸向壓力超過終板局部可承受的極限時，髓核可通過較大的終板缺口突入到鄰近椎體中，形成許莫氏結(jié)節(jié)。許莫氏結(jié)節(jié)的形成意味著終板的破壞及椎間盤的退變[20]。Adams等[23]研究發(fā)現(xiàn)，終板破壞后相鄰髓核內(nèi)壓力減少25%～27%，并加重纖維環(huán)上的負荷，尤其在脊柱前凸姿勢中最為顯著。終板結(jié)構(gòu)的異常損壞了椎間盤應(yīng)力分布的均勻性。

然而更重要的是，力學(xué)因素可影響椎間盤細胞的正常合成代謝。因為靜水壓對軟骨細胞代謝具有強有力的調(diào)整作用，異常高的靜水壓和低的靜水壓均抑制細胞代謝，終板損傷后降低了髓核的靜水壓，抑制了椎間盤軟骨細胞合成基質(zhì)，從而加速基質(zhì)降解[24]，誘發(fā)和加速IDD。

4.2 自身免疫 椎間盤是無血管組織，具有自身抗原性。通常情況下髓核與血液系統(tǒng)彼此隔絕，但終板的損傷為髓核和骨髓的交流創(chuàng)造了條件。在終板損傷的情況下，髓核中的抗原成分暴露在免疫系統(tǒng)中，引發(fā)自身免疫反應(yīng)。炎性反應(yīng)和炎癥因子與椎間盤的退變關(guān)系密切。在此過程中，人體腦脊液、血液中的免疫球蛋白增多，并產(chǎn)生細胞毒性T細胞。巨噬細胞浸潤髓核，產(chǎn)生多種炎癥介質(zhì)。椎間盤的細胞在白介素-1β的刺激下產(chǎn)生基質(zhì)金屬蛋白酶、一氧化氮、白介素-6及前列腺素E2的量增加，這些炎癥因子可造成IDD[25]。

4.3 營養(yǎng)障礙 營養(yǎng)供應(yīng)減少是IDD的最關(guān)鍵因素，特別是髓核細胞營養(yǎng)供應(yīng)的不足在IDD中起重要作用[26]。椎間盤的主要營養(yǎng)途徑是終板途徑，軟骨終板上的微孔對于營養(yǎng)滲透有重要作用。有研究表明，其密集程度與蛋白多糖含量有關(guān)，微孔密集程度的減少，尤其是髓核區(qū)的微孔密集程度的減少與IDD關(guān)系密切[16]。此外，終板骨折、撕裂等因素也會引起其營養(yǎng)通路受阻，特別是軟骨終板鈣化對營養(yǎng)成分的輸送有明顯的阻礙作用。這不僅會直接導(dǎo)致椎間盤因營養(yǎng)不足，而且會使椎間盤內(nèi)代謝產(chǎn)物聚集。特別是乳酸的堆積引起某些酶的激活，導(dǎo)致細胞代謝異常甚至死亡及基質(zhì)破壞[27]。對沙鼠的研究同時也發(fā)現(xiàn)椎間盤發(fā)生楔形退變與鄰近的終板骨密度升高相關(guān)[18]。該研究結(jié)果支持終板硬化可能是IDD原因之一的假說。其引起IDD的具體機制尚未明確，可能與骨性終板內(nèi)微血管通道體積下降有關(guān)。

5 小結(jié)與展望

椎體終板的退變是IDD的重要影響因素。椎體終板在調(diào)節(jié)應(yīng)力及營養(yǎng)支持方面對椎間盤具有重要作用。但年齡的增長及脊柱異常的應(yīng)力可能引起終板膠原蛋白、蛋白多糖等生化成分的丟失及鈣化、破裂等結(jié)構(gòu)上的改變，這些不良的改變可進一步引起椎間盤的應(yīng)力異常、自身免疫和營養(yǎng)障礙，進而誘發(fā)、加快椎間盤的退變。但目前臨床上對于IDD仍未有特別有效的治療方法。對于終板退變的研究可能指導(dǎo)對IDD的防治，成為今后臨床工作的突破口。

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10.3969/j.issn.1009-5519.2015.16.016

A

1009-5519（2015）16-2452-03

2015-04-01）

關(guān)于論文“討論”的基本要求

本刊編輯部

陳詩謀（1989-），男，重慶北碚人，碩士研究生，主要從事脊柱骨科學(xué)方向的研究；E-mail：csm19890504@163.com。

鄧忠良（E-mail：zhongliang.deng@qq.com）。

現(xiàn)就有關(guān)論文中討論的基本要求介紹如下：（1）討論應(yīng)圍繞論文的主題及中心內(nèi)容，闡明本論文研究的原理和概念；（2）分析結(jié)果中各種數(shù)據(jù)或現(xiàn)象的理論根據(jù)；（3）對結(jié)果的理論或?qū)嵺`意義進行科學(xué)評價，但應(yīng)與主題和結(jié)果緊密聯(lián)系；（4）客觀、恰當(dāng)?shù)卦u價研究成果的應(yīng)用價值，指出結(jié)果的可能誤差；（5）指出存在的問題，提出新的研究方向或展望，給讀者以啟迪；（6）用語應(yīng)精煉，避免對前文內(nèi)容、方法與結(jié)果的過多重復(fù)；（7）應(yīng)重點突出，主次分明。