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

（重慶醫科大學附屬第二醫院，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

（重慶醫科大學附屬第二醫院，重慶400010）

椎體終板；椎間盤/病理學；生物力學；綜述

腰痛是骨科的常見疾病，其中一部分發展為慢性疼痛，嚴重影響患者的生活質量。雖然腰痛可由諸多因素引起，但目前學術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外學者的廣泛關注。近年來的研究表明，椎體終板對調節椎間盤應力和維持椎間盤營養起著重要作用，終板與IDD有著密切關系。本文就椎體終板的結構、生理功能及其與IDD的關系作一綜述。

1 椎體終板的結構與生化成分

椎體終板呈扁圓盤狀，位于椎體與椎間盤之間。目前，學術界認為終板包括骨性及軟骨成分[2]。在生長發育過程中，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]，但在不同部位及節段有所差異：中央較薄而邊緣較厚，高節段較薄而低節段較厚[4]。骨性終板的結構與椎體骨質相近，近似于厚而多孔的松質骨，骨細胞分布于碟形的薄層狀的網格中[5]。與軟骨終板類似，骨性終板的厚度因部位和節段而異，但多在0.2～0.8 mm[6]。對腰椎的骨性終板研究發現其中央較邊緣薄，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。膠原蛋白構成了軟骨基質的主要支架，這與關節軟骨類似，不同的是關節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的膠原蛋白纖維相連續[9]，在中央與髓核的膠原纖維形成復雜相連的結構[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，可維持椎間盤內的水分，并使帶電溶質在椎間盤內正常彌散和分布。

2 軟骨終板的生理功能

2.1 調節應力 脊柱在人體日常活動中起到了重要的支撐作用。人體活動產生的應力改變也引起軟骨終板承受負荷的改變。據測量，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、纖維環與髓核構成了一個對抗、緩沖應力的整體[4]。在脊柱應力過程中，終板還起到緩壓屏障的作用：把應力分散到鄰近椎體，防止受力的髓核突入椎體形成許莫氏結節。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 營養作用 成年人的椎間盤無直接血供，是人體內最大的無血管組織，其維持正常代謝所需的營養主要來源于2個途徑：一是終板途徑，即營養物質到達椎體內血管后通過骨髓腔-血竇-軟骨終板界面擴散進入椎間盤，營養髓核及內層纖維環；二是纖維環途徑，即纖維環表面血管營養外層纖維環。其中終板途徑是椎間盤營養的主要途徑，為椎體骨髓中的葡萄糖、氧氣等物質進入椎間盤提供了重要通道，代謝廢物也經此途徑轉運出。其中央區域的滲透性高于外周區域，而在軟骨終板接近外層纖維環處則完全不能滲透[13]。

在胎兒時期，終板內有自椎體至椎間盤的血管通過，直接營養椎間盤。這些血管通路在髓核對應的區域分布密集而纖維環對應的區域分布稀疏[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現，軟骨終板內有大量由椎體骨髓腔發出的血管交織而成的血竇，這些血竇被稱為血管芽。終板髓核區的血管芽膨大且交織纏繞，結構復雜，表面積較大；內層纖維環區血管芽結構簡單，表面積較小；外層纖維環區未見血管芽[14]。而血管芽的表面積與軟骨終板的滲透力呈正相關[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，使水和溶質能隨滲透壓的變化在其間擴散。此外，脊柱軸向的機械應力可引起終板周圍的液體對流，有助于溶質的轉運。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在終板和椎間盤間的交換，從而使椎間盤內環境達到一種供需的平衡。

椎體終板的特殊結構在生物力學及營養方面有著重要功能，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力[16]。近年來的研究數據表明，終板的雙層結構可能是一種最佳的構造[5]，在防止機械損害的同時支持了物質轉運。

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，基質中的蛋白多糖及膠原蛋白等成分含量發生變化，導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揮正常生物學功能的生化基礎。隨著這些成分的減少，軟骨終板在生物力學及維持椎間盤內環境穩定方面的能力逐漸下降。目前研究還發現，終板中一種X型膠原的表達與一系列年齡相關變化是一致的。該膠原是一種鈣結合膠原，為軟骨細胞肥大和鈣化的特異性標志[17]。

骨性終板的骨密度也與年齡增長有關。對沙鼠終板的骨密度進行定量測定發現，終板的骨密度與年齡相關，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 異常的應力會對椎體終板產生不良影響。終板在脊柱的力學功能，尤其是在分散應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，如機械應力的性質、終板的結構形態、組織的生物力學特性以及椎間盤的情況[19]。終板的生物力學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施加負荷可能導致終板疲勞骨折的發生。高節段的終板比低節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部位[7]。隨著時間推移，終板的損傷逐漸積累，由點狀損傷發展成為環狀裂縫，最終導致終板強度減弱。

目前認為程度較輕的終板損傷在老化過程中普遍存在，但很難被影像學手段觀察到[16]。損傷繼續發展可能出現許莫氏結節、終板撕裂、鈣化等。許莫氏結節常發生于胸腰段的終板中央[20]，此部位松質骨骨密度較低，終板強度較弱[21]。相反，終板撕裂及鈣化多發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的連接部位受牽拉力較大[22]，鈣化可能系反復壓縮損傷的結果[19]。

4 終板與IDD的關系

IDD是以椎間盤結構及基質成分的改變為主要機制。椎體終板隨著年齡增長及損傷的積累，成分及結構改變達到一定程度時，可引起椎間盤的應力異常、自身免疫和營養障礙，進而加快椎間盤的退變。

4.1 應力異常 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。而終板損傷可導致其結構完整性破壞。當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，形成許莫氏結節。許莫氏結節的形成意味著終板的破壞及椎間盤的退變[20]。Adams等[23]研究發現，終板破壞后相鄰髓核內壓力減少25%～27%，并加重纖維環上的負荷，尤其在脊柱前凸姿勢中最為顯著。終板結構的異常損壞了椎間盤應力分布的均勻性。

然而更重要的是，力學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，從而加速基質降解[24]，誘發和加速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彼此隔絕，但終板的損傷為髓核和骨髓的交流創造了條件。在終板損傷的情況下，髓核中的抗原成分暴露在免疫系統中，引發自身免疫反應。炎性反應和炎癥因子與椎間盤的退變關系密切。在此過程中，人體腦脊液、血液中的免疫球蛋白增多，并產生細胞毒性T細胞。巨噬細胞浸潤髓核，產生多種炎癥介質。椎間盤的細胞在白介素-1β的刺激下產生基質金屬蛋白酶、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 營養障礙 營養供應減少是IDD的最關鍵因素，特別是髓核細胞營養供應的不足在IDD中起重要作用[26]。椎間盤的主要營養途徑是終板途徑，軟骨終板上的微孔對于營養滲透有重要作用。有研究表明，其密集程度與蛋白多糖含量有關，微孔密集程度的減少，尤其是髓核區的微孔密集程度的減少與IDD關系密切[16]。此外，終板骨折、撕裂等因素也會引起其營養通路受阻，特別是軟骨終板鈣化對營養成分的輸送有明顯的阻礙作用。這不僅會直接導致椎間盤因營養不足，而且會使椎間盤內代謝產物聚集。特別是乳酸的堆積引起某些酶的激活，導致細胞代謝異常甚至死亡及基質破壞[27]。對沙鼠的研究同時也發現椎間盤發生楔形退變與鄰近的終板骨密度升高相關[18]。該研究結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，可能與骨性終板內微血管通道體積下降有關。

5 小結與展望

椎體終板的退變是IDD的重要影響因素。椎體終板在調節應力及營養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、破裂等結構上的改變，這些不良的改變可進一步引起椎間盤的應力異常、自身免疫和營養障礙，進而誘發、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方向的研究；E-mail：csm19890504@163.com。

鄧忠良（E-mail：zhongliang.deng@qq.com）。

現就有關論文中討論的基本要求介紹如下：（1）討論應圍繞論文的主題及中心內容，闡明本論文研究的原理和概念；（2）分析結果中各種數據或現象的理論根據；（3）對結果的理論或實踐意義進行科學評價，但應與主題和結果緊密聯系；（4）客觀、恰當地評價研究成果的應用價值，指出結果的可能誤差；（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）用語應精煉，避免對前文內容、方法與結果的過多重復；（7）應重點突出，主次分明。