腰椎關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)退變的生物力學(xué)研究進(jìn)展

石松源 張麗 彭志輝

(1蘭州理工大學(xué)體育部，甘肅 蘭州 730050；2甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院基礎(chǔ)部；3甘肅中醫(yī)藥大學(xué)體育健康學(xué)院)

腰椎關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)(LFJ)退變作為腰痛根源之一，通常被稱為“小關(guān)節(jié)綜合征”，組織中發(fā)生率為15%～45%〔1〕。腰椎失穩(wěn)也與LFJ的退變、損傷密切相關(guān)〔2〕。臨床上，退變發(fā)生在結(jié)構(gòu)和細(xì)胞水平，與年齡，損傷，感染或炎癥有關(guān)。這個過程改變了小關(guān)節(jié)的材料和機(jī)械性能，最終導(dǎo)致受影響組織完整性的進(jìn)一步損害，其中最突出的標(biāo)志是病理學(xué)改變，包括軟骨磨損、撕裂、壞死、纖維化、硬化、軟骨下骨暴露、骨贅形成、軟骨下囊腫及關(guān)節(jié)囊鈣化等〔3〕。研究表明，LFJ是位于腰椎后外側(cè)真正的滑膜關(guān)節(jié)，除了抵抗腰椎平移，這些成對的關(guān)節(jié)根據(jù)不同的體位可以支撐3%～33%的壓縮負(fù)載，并通過促進(jìn)或限制腰椎運(yùn)動節(jié)段的運(yùn)動增加腰椎穩(wěn)定性〔4～6〕。與允許在各個方向上運(yùn)動并且主要通過對抗壓縮負(fù)載和抵抗旋轉(zhuǎn)作用的椎間盤不同，LFJ的運(yùn)動受到上位椎體下關(guān)節(jié)突和下位椎體上關(guān)節(jié)突凹凸半球面扣合形式、關(guān)節(jié)方向和關(guān)節(jié)囊的限制〔7〕。因此，LFJ的退變會影響所有的關(guān)節(jié)組織，以下將從小關(guān)節(jié)退變與椎間盤、軟骨、關(guān)節(jié)囊及神經(jīng)系統(tǒng)的病理生理、生物力學(xué)關(guān)系進(jìn)行探討。

1 LFJ退變和椎間盤退變的關(guān)系

1983年，LFJ的解剖和功能生物力學(xué)首次在Kirkaldy-Willis等〔8〕的三階段脊柱退變框架內(nèi)提出。每個腰椎運(yùn)動節(jié)段由位于前部的椎間盤和成對的后部滑膜關(guān)節(jié)組成“三關(guān)節(jié)復(fù)合體”。腰椎椎間盤和LFJ通過功能障礙階段、微觀和宏觀不穩(wěn)定性階段及最終穩(wěn)定階段的過程進(jìn)行退變演化。在退行性過程早期觀察到的腰椎節(jié)段運(yùn)動的增加會隨著退行性過程的繼續(xù)而減少〔9〕。

腰椎椎間盤的退化和小關(guān)節(jié)的退化在臨床上均能被一致或獨立地觀察到，Margulies等〔10〕首先發(fā)現(xiàn)腰椎退行性椎間盤疾病和小關(guān)節(jié)病之間存在顯著的相關(guān)性，在骨質(zhì)疏松癥體重過輕的患者，椎間盤退行性疾病會跟隨小關(guān)節(jié)的退變而發(fā)生。在該退變中，所提出的病理過程開始于骨質(zhì)疏松，其在椎體中產(chǎn)生微裂縫，導(dǎo)致關(guān)節(jié)面的相對位偏，然后導(dǎo)致軟骨磨損和撕裂。關(guān)節(jié)面的這種退變導(dǎo)致腰椎運(yùn)動節(jié)段的機(jī)械性不穩(wěn)定，增加了由椎間盤支撐的機(jī)械應(yīng)力，損傷其組織，并導(dǎo)致其進(jìn)行性退變。在大多數(shù)情況下，LFJ的退變總是與鄰近椎間盤退變相關(guān)聯(lián)〔11〕。胡迎春等〔12〕利用三維有限元分析人體L4-5節(jié)段幾何模型，模擬研究腰椎椎間盤發(fā)生退變等四種情況下關(guān)節(jié)峽部的受力情況。結(jié)果表明，椎間盤退變程度影響小關(guān)節(jié)處的接觸面積，從而使關(guān)節(jié)峽部應(yīng)力發(fā)生正相關(guān)變化。劉湘等〔13〕通過不對稱切除腰椎椎間盤，模擬椎間盤不對稱退變和椎間隙高度不對稱降低，觀察到后方小關(guān)節(jié)壓力不對稱性增大，推測出腰椎間盤不對稱退變后小關(guān)節(jié)的壓力明顯增大，時間越長，小關(guān)節(jié)退變則會越嚴(yán)重。

2 關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的方向和趨向性

小關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)面的方向和趨向性，是關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)退變發(fā)展的誘發(fā)因素〔14〕，特別是在腰椎。關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的趨向性是指左右椎小關(guān)節(jié)角不對稱，一側(cè)關(guān)節(jié)的矢狀位方向角比另一側(cè)大。由不同形態(tài)、弧度、方向、大小、面積或關(guān)節(jié)突置換等原因，可以出現(xiàn)不同的趨向性〔15〕。研究表明〔16〕，趨向性越明顯，越會加速腰椎椎間盤退變。由于LFJ在矢狀面及冠狀面均成角，導(dǎo)致腰椎側(cè)屈時伴有輕度軸向旋轉(zhuǎn)，而軸向旋轉(zhuǎn)的同時又能產(chǎn)生輕度側(cè)屈〔17〕。Cyron〔18〕最早運(yùn)用壓縮和剪切力測試尸體腰椎運(yùn)動節(jié)段后得出結(jié)論，由小關(guān)節(jié)不對稱引起的相對軸向旋轉(zhuǎn)，使具有最小冠狀取向的關(guān)節(jié)面上的壓縮載荷更高，并且在纖維環(huán)的對側(cè)和對側(cè)關(guān)節(jié)囊上增加了旋轉(zhuǎn)應(yīng)力。這種機(jī)械負(fù)載不平衡可加速組織的局部降解并觸發(fā)退變過程。Schleich等〔19〕運(yùn)用黏多糖化學(xué)交換飽和度轉(zhuǎn)移(gagCEST)成像評估具有關(guān)節(jié)趨向性和矢狀位關(guān)節(jié)健康志愿者的腰椎間盤中黏多糖的含量。分析表明，關(guān)節(jié)趨向性和矢狀位關(guān)節(jié)志愿者的髓核中黏多糖含量較低，說明LFJ不對稱與矢狀方向增大為腰椎椎間盤早期生化改變發(fā)展的危險因素。同時，Kim等〔20〕利用有限元分析發(fā)現(xiàn)腰椎融合術(shù)后鄰近融合節(jié)段的小關(guān)節(jié)的矢狀位方向和趨向性是相鄰節(jié)段退變的潛在危險因素。目前來看，許多研究一直致力于研究LFJ方向和趨向性在腰椎穩(wěn)定結(jié)構(gòu)退化進(jìn)展中的作用，但在這個研究領(lǐng)域仍然有許多爭議和矛盾的結(jié)果，導(dǎo)致這種情況最可能的原因是用于獲得結(jié)果的方法不同，尤其是研究者用于定義關(guān)節(jié)面方向和趨向性的不同標(biāo)準(zhǔn)。同時，大多研究都集中在研究形態(tài)、趨向性、腰椎退變和滑脫方面〔21〕，還沒有研究涉足LFJ方向和趨向性與肌肉不對稱的研究。

3 LFJ退變軟骨的代謝變化

LFJ透明軟骨的覆蓋可以為其提供低摩擦環(huán)境，具有韌性和抗壓強(qiáng)度的特性，有利于健康腰椎在正常情況下的運(yùn)動。在組織和細(xì)胞水平，通過結(jié)構(gòu)和代謝的變化使軟骨組織的成分發(fā)生變化，從而導(dǎo)致退變的發(fā)生，并因此改變其機(jī)械特性。Ziv等〔22〕最早發(fā)現(xiàn)LFJ關(guān)節(jié)面軟骨的水和蛋白多糖含量在人體的前30年間會增加，而膠原蛋白含量會降低，小關(guān)節(jié)軟骨的破壞主要由膠原網(wǎng)絡(luò)的破壞引起。Elder等〔23〕認(rèn)為LFJ軟骨與全身大關(guān)節(jié)的軟骨具有相似的生物學(xué)特性。在人類髕骨軟骨外植體的早期生物力學(xué)研究中Armstrong〔24〕發(fā)現(xiàn)，軟骨平衡壓縮模量會隨著年齡增加而降低，表明軟骨退變程度隨著年齡的增加而增加。Cao等〔25〕運(yùn)用X射線同軸相襯顯微層析(PPCT)方法觀察大鼠LFJ退變過程中發(fā)生的細(xì)微變化，通過PPCT提供的LFJ在退變過程中形態(tài)變化的三維圖像發(fā)現(xiàn)，在退變早期軟骨下骨的變化發(fā)生在軟骨退變之前。因此，LFJ軟骨的生物力學(xué)性質(zhì)主要取決于軟骨組成(膠原纖維、蛋白多糖和含水量等)、年齡及關(guān)節(jié)負(fù)載情況，而軟骨下骨的影響值得進(jìn)一步深入研究。

4 LFJ退變和關(guān)節(jié)囊的關(guān)系

LFJ的關(guān)節(jié)囊組織由圍繞關(guān)節(jié)滑膜的纖維結(jié)締組織構(gòu)成，含有豐富的神經(jīng)支配，包括痛覺神經(jīng)纖維、自主神經(jīng)纖維和機(jī)械感受器〔26〕。LFJ關(guān)節(jié)囊對限制腰椎運(yùn)動有重要作用，在前屈、側(cè)屈和扭轉(zhuǎn)過程中尤為顯著〔27〕。當(dāng)關(guān)節(jié)囊受壓、牽張，組織炎癥或化學(xué)物質(zhì)刺激時，不同閾值的神經(jīng)末梢感受器會出現(xiàn)激活和致敏。同時，LFJ病變或力學(xué)行為改變時，小關(guān)節(jié)囊神經(jīng)末梢感受器的分布會發(fā)生改變，進(jìn)而參與腰痛的發(fā)生發(fā)展〔28〕。另外，小關(guān)節(jié)軟骨磨損性退變、關(guān)節(jié)層變薄可以使關(guān)節(jié)囊韌帶的退變速率更快。Fujiwara等〔29〕調(diào)查了與LFJ軟骨退變相關(guān)的腰椎運(yùn)動的變化，得出結(jié)論，LFJ軟骨的退行性變薄可導(dǎo)致腰椎運(yùn)動節(jié)段的過度運(yùn)動和關(guān)節(jié)囊的松弛。關(guān)節(jié)囊的松弛可能是由于瘢痕組織的形成所致，而瘢痕組織是由于運(yùn)動節(jié)段的過度活動導(dǎo)致膠原纖維在抵抗較高強(qiáng)度的拉伸應(yīng)力時斷裂，為其修復(fù)新的連接而形成。Boszczyk等〔30〕從退化的腰椎獲得后關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)囊的細(xì)胞外基質(zhì)并進(jìn)行了免疫組織化研究，與取自健康運(yùn)動節(jié)段的關(guān)節(jié)囊相比，退化節(jié)段的后關(guān)節(jié)囊區(qū)是肥大的并且存在廣泛的纖維軟骨增生。Kim等〔31〕通過對腰椎重建手術(shù)和無背部疼痛史尸體的小關(guān)節(jié)進(jìn)行組織學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)退行性LFJ關(guān)節(jié)囊的炎癥反應(yīng)和血管生成明顯增加，這表明這些因素在LFJ退變進(jìn)程中起重要作用。

5 LFJ退化的神經(jīng)系統(tǒng)影響

作為神經(jīng)系統(tǒng)的保護(hù)結(jié)構(gòu)，雙側(cè)LFJ和椎間盤關(guān)節(jié)共同參與了神經(jīng)管道的管壁結(jié)構(gòu)。因此，LFJ組織的退變不僅影響關(guān)節(jié)的機(jī)械功能和性能，而且還可以對神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。退變LFJ發(fā)生運(yùn)動時，在退化的關(guān)節(jié)囊中誘導(dǎo)產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力可以撕裂關(guān)節(jié)囊，這可以使炎性細(xì)胞因子滲漏到椎管內(nèi)。這些腐蝕性化學(xué)因子可以刺激神經(jīng)根并觸發(fā)疼痛信號〔32〕。此外，作為LFJ退變的結(jié)果，關(guān)節(jié)囊的缺損或斷裂也可能導(dǎo)致關(guān)節(jié)囊滑膜內(nèi)膜的滑膜囊腫形成?；つ夷[壓迫神經(jīng)根或硬膜囊或在創(chuàng)傷時出血，可以促進(jìn)額外的神經(jīng)功能缺損，例如坐骨神經(jīng)痛或急性神經(jīng)根性疼痛〔33〕。此外，為了代償性恢復(fù)關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性并抵抗相應(yīng)的應(yīng)變和應(yīng)力的增加，退變LFJ關(guān)節(jié)柱所承受機(jī)械應(yīng)力的增加會過度刺激成骨細(xì)胞活性，促進(jìn)骨贅或骨刺的形成并且擴(kuò)大關(guān)節(jié)面。而骨贅可以在LFJ關(guān)節(jié)表面的邊緣地帶形成，并且具有縮小神經(jīng)孔和壓迫神經(jīng)或背根神經(jīng)節(jié)的可能，這可以誘發(fā)疼痛和神經(jīng)根處的局部炎癥及背根神經(jīng)節(jié)和脊髓的炎癥〔34〕。

6 LFJ退變研究的必要性

腰椎融合術(shù)是目前治療腰椎退行性疾病常用的手術(shù)方式，但術(shù)后并發(fā)癥，如運(yùn)動功能丟失和鄰近節(jié)段退變比較常見。運(yùn)動保護(hù)裝置和椎間盤置換術(shù)有助于減少這些并發(fā)癥。然而，對于嚴(yán)重的LFJ退變患者，椎間盤置換術(shù)后仍有腰痛存在，腰椎失穩(wěn)等并發(fā)癥較多〔35〕。因此，術(shù)前準(zhǔn)確評估LFJ退變有助于選擇合適的手術(shù)治療方法。而Zhou等〔36〕認(rèn)為目前的影像學(xué)技術(shù)在評估LFJ退變的準(zhǔn)確性和可靠性上屬于中等水平，更準(zhǔn)確的評估小關(guān)節(jié)變性的評級方法仍有待進(jìn)一步研究。因此，對LFJ退變的病理生理、生物力學(xué)研究，目前仍需更加精確、標(biāo)準(zhǔn)、微觀化的研究方法。

綜上所述，目前在病理生理、生物力學(xué)及臨床應(yīng)用等方面對腰椎小關(guān)節(jié)退變都有了較為深入的研究。盡管如此，該領(lǐng)域由于受到研究方法的限制，大多研究從宏觀角度對LFJ退變的生物力學(xué)有較為廣泛的探討，在軟骨和小關(guān)節(jié)其他結(jié)構(gòu)的微觀生物力學(xué)方面研究甚少。在腰椎小關(guān)節(jié)退變的研究中，對關(guān)節(jié)軟骨退變的微觀變化及針對腰椎小關(guān)節(jié)退變的生物力學(xué)研究，有限元分析和X射線顯微成像技術(shù)可以作為追蹤軟骨退變的診斷工具，也可以作為治療性干預(yù)措施對小關(guān)節(jié)退變影響的臨床前期研究工具。