椎体终板参与腰椎间盘退变机制及临床意义的研究进展

丁浚哲 鲁世保 孙祥耀 孔超

随着对椎间盘退行性改变的了解不断加深，椎体终板作为椎间盘的重要组成部分，受到了研究者越来越多的关注。椎体终板位于椎间盘头尾两端，是椎间盘和椎体的连接部分。终板在椎间盘和椎体的松质骨之间形成一个结构边界，承担了椎间盘内因负载出现的静水压力，并防止压力较高的椎间盘结构突入疏松多孔的椎体松质骨。椎体终板具有营养椎间盘和传递应力的重要作用，终板对腰椎间盘的正常生理状态以及病理性改变有着显著影响。椎体终板的衰老和退行性改变，能够显著影响椎间盘的生物力学和营养供应状态，成为腰椎退变进程中的重要影响因素。现结合国内外新进研究进展，对腰椎终板退变与椎间盘退变，终板形态学和生物力学特性，以及终板的临床意义综述如下。

一、终板退变与椎间盘退变

1. 终板退变及其影响因素：腰椎终板为中央菲薄凹陷，边缘隆起形成环状骨突的薄层样结构，由软骨终板和骨性终板组成[1]。骨性终板并非皮质骨，而是由密集的松质骨骨小梁叠加融合形成的多孔层状结构，骨性终板中存在大量孔隙，中央区域较多，边缘相对较少；同时，终板中央的髓核区域较薄，在外周区域较厚。终板的这一结构特征为其作为椎间盘的营养通路提供了解剖基础[2]。终板退变受多种因素影响，机械刺激、代谢改变和体内激素水平均能够影响终板退变进程。近年来，关于机械应力对软骨终板细胞代谢的影响受到越来越多的关注。Hee 等[3]研究了脊柱的压缩负荷对兔的终板退行性改变影响，表明压缩负荷导致终板内血管袢容积减少；而去除压缩负荷能够促使软骨终板的细胞外基质再生和血管袢容积恢复。Honda 等[4]认为作用于软骨的过高机械载荷能够减少软骨细胞外基质中的大分子，如蛋白多糖和 II 型胶原的产生，从而改变软骨细胞代谢，影响软骨的退变进程；同时，作用于软骨的过高循环拉伸载荷能够直接诱导软骨细胞基质金属蛋白酶 ( matrix metalloproteinases，MMPs ) 基因表达，造成 MMPs 与基质金属蛋白酶组织抑制因子 ( tissue inhibitors of matrix metalloproteinases，TIMPs ) 失衡，其已被证明是细胞外基质降解的原因，软骨终板内的细胞外基质减少可能是软骨终板退变的促进因素。Xiao 等[5]表明间歇性循环机械张力 ( intermittent cyclic mechanical tension，ICMT ) 能够通过激活体内 Nuclear Factor-κB 信号通路，促进软骨终板退变的发生。Xu 等[6]研究了 ICMT 诱导的软骨终板钙化过程，其结果显示 ICMT 诱导终板软骨细胞的钙化过程进展，ICMT 作用导致软骨细胞 ankh 基因和TGF-β1 基因表达下降，I 型胶原蛋白、X 型胶原蛋白、骨钙素和骨桥蛋白的 mRNA 表达上升，这些进程加速了软骨钙化的发生。

雌激素水平对骨及软骨的代谢调节作用已被广泛认识。既往研究讨论了雌激素对终板退行性改变的影响，表明绝经后的雌激素缺乏可能影响终板结构，加速椎间盘退行性改变，目前有观点认为，绝经后少量补充雌激素可能对腰椎退行性疾病产生保护性影响[7]。绝经后女性的椎间盘退变和椎间盘突出程度均大于同年龄段男性，而在绝经前这一趋势相反，研究者认为相对雌激素缺乏可能通过直接刺激椎间盘细胞和间接改变椎体骨髓灌注来加速绝经后妇女的椎间盘退变[8]。动物研究表明，雌激素减少导致的骨密度降低对于软骨终板钙化的进展有促进作用，且与软骨终板血管容积减少相关；骨密度降低及其相关的终板钙化以及进一步导致的软骨终板血管容积减少，是椎间盘退变的促进因素[9]。研究者认为雌激素能够通过细胞上的雌激素受体影响软骨细胞代谢。雌激素水平改变引起的软骨终板的变性可能是椎间盘退变的致病因素之一[10]。

另一方面，炎症介质也在终板退变过程中发挥作用。炎症介质通路已被证明参与体内多种退行性改变进程，研究发现 NLRP3 / caspase-1 / IL-1b 通路在退行性改变的终板中出现上调，在软骨终板退变中扮演重要角色[11]。

2. 终板渗透与椎间盘退变：椎间盘是人体内最大的无血管组织，其营养供应和代谢依赖于两个途径：软骨终板-髓核 ( cartilaginous endplate-nucleus pulposus，CEP-NP ) 通路和纤维环 ( annulus fibrosus，AF ) 外周通路[12]。软骨终板的营养通路是椎间盘的重要营养来源，终板的退行性改变显著影响椎间盘的生理状态和退行性改变进程[13]。Iwahashi 等[14]讨论了尼古丁对椎间盘退变的影响，应用兔模型皮肤吸收尼古丁，使其血液浓度达到110 ng / ml 并维持 8 周，解剖发现该组兔的软骨终板内血管袢数量较对照组兔明显减少；同时，相应的椎间盘内蛋白多糖合成减少，表明终板内血管袢的营养支持作用对椎间盘的内环境具有显著影响。在脊柱退变进程中，椎间盘、椎体终板以及椎体骨髓的退行性改变是一个整体，其间具有紧密联系[15]。

椎间盘由内侧的髓核，外侧的纤维环以及头尾两端的终板构成，髓核中存在大量硫酸化糖胺聚糖和 II 型胶原。椎间盘退变的初始阶段即出现蛋白多糖和 II 型胶原的减少及其导致的髓核含水量下降[16]。目前对于终板退变作用于椎间盘的具体机制尚存在争议。目前的观点认为，随着衰老和终板退行性改变，终板出现钙化，通过性降低，进而阻断终板对椎间盘的营养通路，导致椎间盘细胞不足以分泌和维持健康的细胞外基质，从而加速椎间盘退变[9,17-20]。而有研究者提出，骨性终板硬化并不影响其物质交换功能[21]。Rodriguez 等[13]进行的尸体研究发现，随着年龄增加和退变进展，标本的椎体终板的孔隙密度和渗透率出现上升，同时椎间盘内髓核细胞密度也出现升高；然而，髓核细胞合成糖胺聚糖 ( glycosaminoglycan，GAG )的能力下降，因此，作者认为是髓核细胞的功能减低导致了椎间盘退行性改变的发生，而非先前认为的终板物质交换功能减弱导致椎间盘退变。该研究者的进一步研究表明，终板钙化并不会阻断营养通路，椎间盘的营养障碍可能由细胞功能减低或终板血管密度下降所引起[22]。近年来的观点认为，椎间盘退变可能是由终板退变、椎间盘应力改变、椎间盘细胞代谢改变，及其它多种因素共同作用的结果。

二、腰椎终板形态学和生物力学

1. 终板形态学分型及特点：腰椎终板大多为中央凹陷的曲面。终板的形态在冠状位上较为一致，而在矢状位上差异较大。目前对于成年人腰椎终板矢状面形态的测量结果将腰椎终板的矢状面形态分为三种，即平坦型 ( flat )，均匀凹陷型 ( oblong ) 和非均匀凹陷型 ( ex-centric )。测量结果表明，成人腰椎终板多为屈曲型，而骶骨上终板多为平坦型，在下腰椎 ( L3～5) 中，偏中心型 ( ex-centric ) 终板更多见，其屈曲顶点多位于终板的后半部分；在同一椎间隙中，上终板的屈曲程度一般大于下终板，同一椎体上终板最凹点深度小于其下终板最凹点深度[23-24]。

2. 终板形态与椎间盘退变：椎间盘退变的进程并不是均一的，退变可能突出发生于终板、髓核和纤维环中的任何一环[25]。综合目前的研究观点，终板矢状面形态与腰椎间盘退变及腰椎疾病的发生显著相关。Pappou 等[26]研究了腰椎终板的矢状面形态与腰椎退行性改变及腰椎间盘突出症患者症状之间的关系；表明不同形态的腰椎终板对腰椎退变患者和腰椎间盘突出症患者的症状均有影响；屈曲型 ( concave ) 症状最轻，平坦型 ( flat ) 次之，不规则型( irregular ) 症状最重。MRI 显示屈曲型终板退变程度最轻，平坦型终板椎间盘的退变较重。He 等[27]比较了腰椎椎体终板屈曲角度 ( concave angle of vertebral endplate，CAVE )与腰椎间盘退变的关系，提出腰椎间盘退变能够增大腰椎终板的屈曲角度，使终板趋于平坦，终板的平坦化程度能够反映椎间盘退变严重程度。腰椎终板形态同样与腰椎间盘疾病的发生相关。Pouriesa 等[28]认为椎间盘终板不对称是腰椎间盘突出症重要的危险因素，这一趋势在下腰椎( L3～5) 更为显著。Harrington 等[29]研究了椎体终板的轴位形状，结果表明相对于类圆形的终板，在轴位上类椭圆形的终板更易导致腰椎间盘突出症的发生。目前，对于椎体终板形态与椎间盘退变进程之间的因果关系尚无定论，腰椎终板形态学特性可能是导致椎间盘退变的原因，也可能是椎体重塑的结果，此方面仍需要进行进一步研究。

3. 终板的生物力学：Grant 等[30]研究了腰椎终板的结构特性，表明终板在不同位置的结构特性差异巨大，后外侧较中央区域有更大的刚度，同时椎体上下终板的负载能力也存在显著差异，椎体下终板和骶骨终板较椎体上终板负载能力更强。Lowe 等[31]测量了 127 块人类椎体标本的终板抗压缩负荷能力，结果提示终板的后外侧区域具有最高的最大失效负荷，能够提供最大的支撑作用，而最易发生假体下沉的是终板的中心区域。终板形态与终板应力密切相关，终板的应力分布随着终板屈曲顶点的改变而发生显著改变[32]。腰椎生物力学与终板形态密切相关，终板形态显著影响椎间盘的负载情况和退行性改变进程。终板形态学和生物力学的研究也为椎间植入物设计提供了解剖依据。

三、腰椎终板的临床意义

1. 终板损伤：终板损伤在椎间盘退变和椎间盘疾病的发生过程中扮演重要的角色。以往的观点认为椎体终板是非渗透性的刚性结构[33-34]。但目前已有研究表明，椎体终板在轴向负载的作用下会出现膨出甚至骨折[35]。

腰椎终板的损伤对椎间盘退行性改变的作用可能由营养障碍和应力改变两个途径发生。终板损伤，特别是软骨终板的损伤，已被证明能够导致椎间盘纤维化及髓核细胞基质减少，导致损伤终板所在椎间盘的渐进性结构改变。同时尸体标本研究表明，终板损伤能够减少髓核内压，在纤维环内产生过高的压力。这种压力的峰值通常出现在髓核后方的纤维环[35]。Rajasekaran 等[36]的研究表明，相比纤维环撕裂所致的腰椎间盘突出，由终板连接损伤( endplate junction failure ) 所导致的椎间盘突出更为普遍。Berger-Roscher 等[37]研究了复杂负载 ( complex loading ) 对椎间盘的影响，软骨终板损伤可能是腰椎间盘突出症的必要条件。目前有研究表明终板损伤可能是椎间盘退行性改变进程的独立且强影响因素。由于终板损伤与 BMI 增加和年龄增加有关，这可能是高 BMI 和高龄成为椎间盘退行性改变危险因素的原因[38]。部分研究者发现，突出的腰椎间盘常带有软骨碎片。Lama 等[39]对其来源进行了研究，通过组织学检查，证明椎间盘突出时带有的软骨碎片来自于软骨终板，出现软骨终板碎片可能由于软骨终板与椎体结合较疏松，而与髓核结合较为紧密；而软骨碎片的存在会增加坐骨神经痛的持续时间；同时，软骨终板的损伤会增加终板炎和椎间盘感染的发生几率。以上结果表明，终板损伤与椎间盘退行性改变和椎间盘疾病的发生密切相关。

终板损伤被认为与椎间盘退变有关，但其临床病程仍不明确。Sahoo 等[40]研究了腰椎间盘突出症患者中终板损伤的发生率和类型，结果表明骨性终板损伤和软骨终板损伤的对临床症状的影响类似，但出现骨性损伤的腰椎间盘突出症患者在病程初始阶段的神经功能损害更为严重；同时骨性终板的损伤会降低保守治疗的改善效果。既往研究表明，终板囊肿形成被证明与融合术后较差的融合率相关[41]。Weiner 等[42]的研究表明，椎间盘切除术后的终板，常在术前已有的终板损伤基础上出现轻度的加重，但这种术后的终板损伤并不影响手术后的预后。终板损伤和缺损的类型和机制各不相同，其在腰椎退变和腰椎间盘突出症病程中可能存在更大影响，在这一方向上仍需要进一步研究。

2. 终板与脊柱截骨手术：在考虑进行截骨手术时，患者的终板状态是重要的参考因素之一。截骨手术会对椎体终板的功能状态产生巨大影响，同时状态良好的终板也是截骨手术成功的关键。在三种常见的截骨术式中，椎弓楔形截骨术 ( smith-petersen osteotomy，SPO ) 会造成脊柱力线后移和椎间盘前方结构的撕裂，经椎弓根椎体截骨术( pedicle subtraction os-teotomy，PSO ) 保留了椎体终板，但对终板下方的椎体松质骨破坏巨大。同时，截骨去除了关节突关节，破坏了三关节复合体的稳定结构，增加终板的应力负荷。这些因素均可能引起术中和术后的终板损伤。

既往研究表明，终板损伤是脊柱截骨术后的常见并发症[43-44]。Kadam 等[44]认为，良好的骨密度状况是防止终板损伤的重要前提，而仔细防止终板损伤是手术成功的关键之一。

3. 腰椎手术中的终板处理：目前腰椎终板与手术关联最为密切的领域在于椎间融合器和人工椎间盘的使用。作为椎间植入物与椎体的接触面，终板的状态直接影响术后的症状改善程度和并发症发生率。

植入物沉降是椎间融合术和腰椎非融合手术的一种较为常见的并发症，可能与终板局部薄弱或损伤以及植入物设计不合理有关[45]。Adam 等[46]对植入物沉降的研究表明，终板的负载能力很大程度上取决于终板下松质骨的骨密度。Oxland 等[47]研究了下腰椎 ( L3～5) 椎体终板去除对椎体结构影响，在终板完整的情况下，终板不同区域的刚度和最大失效负荷有显著区别，终板后侧区域的刚度比中央区域更高；而在终板被去除后，平均失效载荷下降到终板完好时的 33% 左右，平均刚度也出现显著下降。目前大多数椎间融合器的设计放置位置在终板中央区域，易导致植入物沉降等并发症的发生，影响手术预后[30,48]。同时，在相同椎间隙的上下终板间存在较高的不对称性，且终板的形状及大小随着腰椎节段的变化差异显著，表明成人的腰椎终板并非对称的规则结构；而目前的人工椎间盘和椎间融合器的设计主要以规则形态为主，并未充分考虑椎间隙形态的适配[49]。Chen 等[50]应用 CT 影像测量了83 例的终板形态学数据，证明 CT 测量椎间隙形态参数能够为椎间植入物的设计提供参考，改善适配性以增强椎间植入物的生物力学性能。为适应不同节段终板的形态和生物力学特点，不同节段的人工椎间盘应该分别设计，为不同形态特征的椎间隙提供合适的椎间植入物[51]。目前已有的人工椎间盘的设计所参考的椎间盘和终板形态学数据的可靠性和准确性可能需要进一步研究来证明[45]。

目前，关于椎间融合术中是否应去除终板仍存在争议。部分研究者认为在椎间融合术中去除融合节段椎间隙的终板，能够给椎间隙提供良好的血运，促进植骨融合，而保留软骨终板会导致植骨处血运不足，影响融合效果。其他研究者认为，去除终板会显著降低终板的负载能力，增加植入物相关并发症的发生率。Lowe 等[31]认为良好的植入物结构和正确的放置位置能够降低植入物沉降的风险；研究发现去除终板会显著降低终板的负载能力；同时去除终板能够获得良好的局部血运，对促进植骨融合有积极意义，作者认为，去除部分终板可以达到机械功能和营养功能的平衡。

椎间盘退行性改变是一个复杂的过程，退变过程受到多重因素影响。作为椎间盘的重要组成部分和营养途径，终板退变程度、终板形态和生物力学状态、终板损伤等因素与椎间盘退变密切相关。同时，终板状态显著影响包括非融合技术和截骨手术在内的多种腰椎手术预后。揭示椎体终板在椎间盘退变中的参与途径仍需要进一步的研究。