椎体终板在椎间盘退变中作用机制的研究进展

陈诗谋，肖福涛，李锐冬综述，邓忠良审校

（重庆医科大学附属第二医院，重庆400010）

椎体终板在椎间盘退变中作用机制的研究进展

陈诗谋，肖福涛，李锐冬综述，邓忠良审校

（重庆医科大学附属第二医院，重庆400010）

椎体终板；椎间盘/病理学；生物力学；综述

腰痛是骨科的常见疾病，其中一部分发展为慢性疼痛，严重影响患者的生活质量。虽然腰痛可由诸多因素引起，但目前学术界普遍认为椎间盘退变（intervertebral disc degeneration，IDD）是引起腰痛的最重要原因[1]。因此，IDD的影响因素及其作用机制引起了国内外学者的广泛关注。近年来的研究表明，椎体终板对调节椎间盘应力和维持椎间盘营养起着重要作用，终板与IDD有着密切关系。本文就椎体终板的结构、生理功能及其与IDD的关系作一综述。

1 椎体终板的结构与生化成分

椎体终板呈扁圆盘状，位于椎体与椎间盘之间。目前，学术界认为终板包括骨性及软骨成分[2]。在生长发育过程中，椎体上下面的骺软骨骨化停止后变薄、轻度凹陷，形成骨性终板。椎体终板中央仍有一层薄而透明的软骨覆盖，形成软骨终板。典型的软骨终板厚0.1～2.0 mm[3]，但在不同部位及节段有所差异：中央较薄而边缘较厚，高节段较薄而低节段较厚[4]。骨性终板的结构与椎体骨质相近，近似于厚而多孔的松质骨，骨细胞分布于碟形的薄层状的网格中[5]。与软骨终板类似，骨性终板的厚度因部位和节段而异，但多在0.2～0.8 mm[6]。对腰椎的骨性终板研究发现其中央较边缘薄，同一椎间隙上方的骨性终板厚度及骨密度较下方的大[7]。

终板的软骨成分由胶原蛋白（Ⅰ型和Ⅱ型）、蛋白多糖和水组成。在幼儿的软骨终板中，蛋白多糖含量约300 μg/mg，Ⅰ型胶原蛋白含量约0.9 ng/mg，水占78%[8]，之后随着年龄增加而减少。胶原蛋白构成了软骨基质的主要支架，这与关节软骨类似，不同的是关节软骨存在异向分布的胶原蛋白纤维，而软骨终板的胶原蛋白纤维分布是水平平行的，在外周与椎间盘纤维环的胶原蛋白纤维相连续[9]，在中央与髓核的胶原纤维形成复杂相连的结构[10]。蛋白多糖分子带有负电荷，对水及阳离子亲和力较高，具有一定水化作用，可维持椎间盘内的水分，并使带电溶质在椎间盘内正常弥散和分布。

2 软骨终板的生理功能

2.1 调节应力 脊柱在人体日常活动中起到了重要的支撑作用。人体活动产生的应力改变也引起软骨终板承受负荷的改变。据测量，站立时腰部承受的压力约为800 N，而负重时可达到约3 000 N。平卧时髓核承受压强为0.4 MPa，而站立及坐位时为1.5 MPa，负重时可达2.3 MPa[11]。软骨终板的中心部位与髓核相接触，受压的髓核可引起终板像鼓面一样被动紧张、拉伸，而软骨终板的边缘与纤维环的胶原纤维相连接，二者共同形成一个容纳髓核的容器，包容于其中的胶体状髓核则起到类似轴承样的作用。终板、纤维环与髓核构成了一个对抗、缓冲应力的整体[4]。在脊柱应力过程中，终板还起到缓压屏障的作用：把应力分散到邻近椎体，防止受力的髓核突入椎体形成许莫氏结节。有研究表明，厚、致密、弯曲度大的终板较薄、多孔、平坦的终板强度大[12]。

2.2 营养作用 成年人的椎间盘无直接血供，是人体内最大的无血管组织，其维持正常代谢所需的营养主要来源于2个途径：一是终板途径，即营养物质到达椎体内血管后通过骨髓腔-血窦-软骨终板界面扩散进入椎间盘，营养髓核及内层纤维环；二是纤维环途径，即纤维环表面血管营养外层纤维环。其中终板途径是椎间盘营养的主要途径，为椎体骨髓中的葡萄糖、氧气等物质进入椎间盘提供了重要通道，代谢废物也经此途径转运出。其中央区域的渗透性高于外周区域，而在软骨终板接近外层纤维环处则完全不能渗透[13]。

在胎儿时期，终板内有自椎体至椎间盘的血管通过，直接营养椎间盘。这些血管通路在髓核对应的区域分布密集而纤维环对应的区域分布稀疏[4]。出生后跨越终板的血管逐渐消失，软骨终板成为无血管的组织。对幼兔的终板研究发现，软骨终板内有大量由椎体骨髓腔发出的血管交织而成的血窦，这些血窦被称为血管芽。终板髓核区的血管芽膨大且交织缠绕，结构复杂，表面积较大；内层纤维环区血管芽结构简单，表面积较小；外层纤维环区未见血管芽[14]。而血管芽的表面积与软骨终板的渗透力呈正相关[15]。虽然通过软骨终板的血管会消失，但终板上仍有许多微孔，这些开放的微孔对保持软骨终板的半渗透膜特性具有重要意义，使水和溶质能随渗透压的变化在其间扩散。此外，脊柱轴向的机械应力可引起终板周围的液体对流，有助于溶质的转运。血浆和椎间盘组织液间的渗透压梯度及压力改变引起物质在终板和椎间盘间的交换，从而使椎间盘内环境达到一种供需的平衡。

椎体终板的特殊结构在生物力学及营养方面有着重要功能，在机械强度及渗透性之间取得了一种平衡。薄而多孔有益于保障椎间盘正常代谢，而厚且致密有益于对抗应力[16]。近年来的研究数据表明，终板的双层结构可能是一种最佳的构造[5]，在防止机械损害的同时支持了物质转运。

3 终板的退变

3.1 生理退变 随着年龄增长，软骨终板的细胞凋亡增加，细胞密度减低，基质中的蛋白多糖及胶原蛋白等成分含量发生变化，导致软骨终板逐渐变薄和钙化[4，8]。蛋白多糖含量在2岁时约为300 μg/mg，而到了80岁减少到150 μg/mg。同时，水的含量从78%减少到67%，Ⅰ型胶原蛋白从0.9 ng/mg减少到0.25 ng/mg[8]。软骨终板各组成成分的必要含量是其发挥正常生物学功能的生化基础。随着这些成分的减少，软骨终板在生物力学及维持椎间盘内环境稳定方面的能力逐渐下降。目前研究还发现，终板中一种X型胶原的表达与一系列年龄相关变化是一致的。该胶原是一种钙结合胶原，为软骨细胞肥大和钙化的特异性标志[17]。

骨性终板的骨密度也与年龄增长有关。对沙鼠终板的骨密度进行定量测定发现，终板的骨密度与年龄相关，老龄沙鼠的终板骨密度显著高于年轻沙鼠[18]。

3.2 损伤退变 异常的应力会对椎体终板产生不良影响。终板在脊柱的力学功能，尤其是在分散应力负荷方面具有重要作用，同时终板也是脊柱中最容易受到损伤的部位。许多因素可影响终板对损伤的敏感性，如机械应力的性质、终板的结构形态、组织的生物力学特性以及椎间盘的情况[19]。终板的生物力学特性使其本身具有一定对抗损伤的能力，普通强度的负荷不会引起终板不可逆性变形损伤，但随着负荷增加或重复施加负荷可能导致终板疲劳骨折的发生。高节段的终板比低节段的终板更容易受损伤，因为前者较后者薄且支撑的骨小梁少。同样，终板中央因较薄而成为损伤易发部位[7]。随着时间推移，终板的损伤逐渐积累，由点状损伤发展成为环状裂缝，最终导致终板强度减弱。

目前认为程度较轻的终板损伤在老化过程中普遍存在，但很难被影像学手段观察到[16]。损伤继续发展可能出现许莫氏结节、终板撕裂、钙化等。许莫氏结节常发生于胸腰段的终板中央[20]，此部位松质骨骨密度较低，终板强度较弱[21]。相反，终板撕裂及钙化多发生于下腰段的终板边缘，此部位因屈伸的活动范围较大致软骨终板与纤维环的连接部位受牵拉力较大[22]，钙化可能系反复压缩损伤的结果[19]。

4 终板与IDD的关系

IDD是以椎间盘结构及基质成分的改变为主要机制。椎体终板随着年龄增长及损伤的积累，成分及结构改变达到一定程度时，可引起椎间盘的应力异常、自身免疫和营养障碍，进而加快椎间盘的退变。

4.1 应力异常 椎体终板的生理退变可使软骨终板的弹性下降，削弱其均匀传递和缓冲应力的能力，从而影响椎间盘承受负荷的能力。而终板损伤可导致其结构完整性破坏。当脊柱轴向压力超过终板局部可承受的极限时，髓核可通过较大的终板缺口突入到邻近椎体中，形成许莫氏结节。许莫氏结节的形成意味着终板的破坏及椎间盘的退变[20]。Adams等[23]研究发现，终板破坏后相邻髓核内压力减少25%～27%，并加重纤维环上的负荷，尤其在脊柱前凸姿势中最为显著。终板结构的异常损坏了椎间盘应力分布的均匀性。

然而更重要的是，力学因素可影响椎间盘细胞的正常合成代谢。因为静水压对软骨细胞代谢具有强有力的调整作用，异常高的静水压和低的静水压均抑制细胞代谢，终板损伤后降低了髓核的静水压，抑制了椎间盘软骨细胞合成基质，从而加速基质降解[24]，诱发和加速IDD。

4.2 自身免疫 椎间盘是无血管组织，具有自身抗原性。通常情况下髓核与血液系统彼此隔绝，但终板的损伤为髓核和骨髓的交流创造了条件。在终板损伤的情况下，髓核中的抗原成分暴露在免疫系统中，引发自身免疫反应。炎性反应和炎症因子与椎间盘的退变关系密切。在此过程中，人体脑脊液、血液中的免疫球蛋白增多，并产生细胞毒性T细胞。巨噬细胞浸润髓核，产生多种炎症介质。椎间盘的细胞在白介素-1β的刺激下产生基质金属蛋白酶、一氧化氮、白介素-6及前列腺素E2的量增加，这些炎症因子可造成IDD[25]。

4.3 营养障碍 营养供应减少是IDD的最关键因素，特别是髓核细胞营养供应的不足在IDD中起重要作用[26]。椎间盘的主要营养途径是终板途径，软骨终板上的微孔对于营养渗透有重要作用。有研究表明，其密集程度与蛋白多糖含量有关，微孔密集程度的减少，尤其是髓核区的微孔密集程度的减少与IDD关系密切[16]。此外，终板骨折、撕裂等因素也会引起其营养通路受阻，特别是软骨终板钙化对营养成分的输送有明显的阻碍作用。这不仅会直接导致椎间盘因营养不足，而且会使椎间盘内代谢产物聚集。特别是乳酸的堆积引起某些酶的激活，导致细胞代谢异常甚至死亡及基质破坏[27]。对沙鼠的研究同时也发现椎间盘发生楔形退变与邻近的终板骨密度升高相关[18]。该研究结果支持终板硬化可能是IDD原因之一的假说。其引起IDD的具体机制尚未明确，可能与骨性终板内微血管通道体积下降有关。

5 小结与展望

椎体终板的退变是IDD的重要影响因素。椎体终板在调节应力及营养支持方面对椎间盘具有重要作用。但年龄的增长及脊柱异常的应力可能引起终板胶原蛋白、蛋白多糖等生化成分的丢失及钙化、破裂等结构上的改变，这些不良的改变可进一步引起椎间盘的应力异常、自身免疫和营养障碍，进而诱发、加快椎间盘的退变。但目前临床上对于IDD仍未有特别有效的治疗方法。对于终板退变的研究可能指导对IDD的防治，成为今后临床工作的突破口。

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10.3969/j.issn.1009-5519.2015.16.016

A

1009-5519（2015）16-2452-03

2015-04-01）

关于论文“讨论”的基本要求

本刊编辑部

陈诗谋（1989-），男，重庆北碚人，硕士研究生，主要从事脊柱骨科学方向的研究；E-mail：csm19890504@163.com。

邓忠良（E-mail：zhongliang.deng@qq.com）。

现就有关论文中讨论的基本要求介绍如下：（1）讨论应围绕论文的主题及中心内容，阐明本论文研究的原理和概念；（2）分析结果中各种数据或现象的理论根据；（3）对结果的理论或实践意义进行科学评价，但应与主题和结果紧密联系；（4）客观、恰当地评价研究成果的应用价值，指出结果的可能误差；（5）指出存在的问题，提出新的研究方向或展望，给读者以启迪；（6）用语应精炼，避免对前文内容、方法与结果的过多重复；（7）应重点突出，主次分明。