骨科

椎体软骨下骨与椎间盘退变

作者:王鹏 来源:中国修复重建外科杂志 日期:2015-03-16
导读

         椎体软骨下骨是脊柱一个重要的解剖学结构,其通过软骨终板与椎间盘相联系,在维持脊柱和椎间盘的正常生理功能方面发挥重要作用;同时,椎体软骨下骨组织形态和生物化学性质的改变与椎间盘退变有着密切联系。

  椎体软骨下骨是脊柱一个重要的解剖学结构,其通过软骨终板与椎间盘相联系,在维持脊柱和椎间盘的正常生理功能方面发挥重要作用;同时,椎体软骨下骨组织形态和生物化学性质的改变与椎间盘退变有着密切联系。MRI相关研究表明,椎体软骨下骨的Modic信号变化与非特异性慢性腰背痛有关。本文通过总结椎体软骨下骨解剖形态、微结构、组织病理学特征以及MRI成像特征,探讨椎体软骨下骨在维持椎间盘正常生理功能方面的作用以及与椎间盘退变之间的关系。

  椎体软骨下骨的解剖形态以及微结构

  解剖形态

  人脊柱的椎体终板由软骨终板和软骨下骨构成。椎体软骨下骨,又称为骨性终板,是位于软骨终板与椎体之间的带有血管蒂骨皮质和骨小梁层的总称。软骨下骨区含有数量众多的动脉和静脉,其细小分支穿透软骨下骨在骨-软骨交界面相互盘绕,形成营养椎间盘的血管床。

  微结构

  椎体软骨下骨的微结构与厚度有区域性差异。Laffosse等通过Micro-CT扫描测量了9只4月龄正常猪胸腰椎段软骨下骨标本,发现同一椎体单位中,上位软骨下骨的骨体积分数和骨小梁数量高于下位软骨下骨,而骨小梁分离度较低;软骨下骨中央部分的骨体积分数、骨小梁数量、骨小梁厚度和骨小梁各向异性度均高于外周部分,而骨小梁分离度较低;软骨下骨的厚度与骨体积分数、骨小梁数量和各向异性度成负相关,与骨小梁分离度成正相关。

  Wang等通过Micro-CT扫描测量48例年龄21~64岁的人尸体腰椎软骨下骨标本发现,椎间盘上位椎体软骨下骨厚于下位椎体,而且骨密度更高。软骨下骨骨小梁微结构的局部分布特征符合Wolff定律。当椎间盘运动或处于载荷状态时,椎体终板的主要作用是吸收和重新分配这些应力,防止椎间盘髓核机械性侵入椎体。由于软骨终板中央部分比较薄弱,其吸收、传递和抵抗应力的功能相对较弱,所以与其相邻的软骨下骨中央部分承担了较大压力,造成该部位骨小梁密集程度较高。

  软骨下骨外周部分承担的压力负荷呈同一方向且垂直于软骨终板,因此此处的骨小梁排列规则,各向异性度较低;中央部分承担的应力负荷是多个方向,造成此处骨小梁排列不规则,各向异性度较高。Grant等发现软骨下骨中央部分骨密度较外周部分高,但骨强度却较低,可能与中央部分有较高的骨小梁各向异性度有关。然而,Keller等发现位于髓核上方的软骨下骨强度较纤维环上方的软骨下骨约高25%,这可能与软骨下骨中央部分骨小梁的三维结构有关。

  椎体软骨下骨功能

  椎体软骨下骨通过以下三方面来保证椎间盘的完整性与正常生理功能。

  第一,椎体软骨下骨作为连接硬骨和弹性椎间盘的桥梁,能抵抗髓核的液体静水压,防止高度水合的髓核侵入椎体内,避免许莫结节的形成;同时也能帮助分散附加于椎体上的轴向压缩负荷,避免因受力过度而发生椎体压缩性骨折。在椎体压缩过程中,椎间盘和椎体的破坏程度是由椎体软骨下骨的完整性决定,而不是由椎间盘退变程度决定。

  第二,椎体软骨下骨对软骨终板有机械力支撑作用,在缓冲震荡中起重要衬垫作用,在维护软骨终板形态上起着关键作用。Jackman等对软骨终板在压缩负荷下其挠度变化与邻近软骨下骨微结构之间的关系进行了研究,发现随着软骨下骨骨小梁数量、骨小梁密度以及骨体积分数的增加,软骨终板挠度降低。而作用于软骨终板上的压缩负荷增加,会使终板挠度增加,造成邻近软骨下骨骨小梁塌陷,但此时软骨终板基本完好,提示软骨下骨强度在终板挠度的变化与椎体骨折中发挥着重要作用。骨质疏松患者随着年龄的增加和病情的发展,软骨终板更凹陷,与软骨下骨骨小梁密度的丢失有密切联系。而且软骨终板的纤维附着于软骨下骨骨小梁上,不仅可以传递应力以保护软骨终板在过重负荷下免于损伤,而且还增加了软骨下骨与软骨终板的接触面积,保证其营养供应。

  第三,软骨下骨对椎间盘营养物质的运输起着重要作用。一些小分子如氧气、葡萄糖等可通过软骨下骨处的血管进行扩散,穿透与骨髓相联系的通道到达软骨终板和椎间盘,保证其营养供应。但是一些大分子如生长因子、蛋白酶及其抑制因子,因其扩散速率较低,所以主要通过对流运输到达椎间盘。对流运输对椎间盘的营养和髓核的水合作用非常重要,软骨下骨则在压力诱导的对流运输中起着关键作用。

  椎体软骨下骨与椎间盘退变关系

  椎体软骨下骨的早期变化与椎间盘退变

  椎体软骨下骨通过软骨终板与椎间盘紧密联系,在椎间盘生物力学失衡早期,软骨下骨会受到影响。有研究表明,椎间盘退变早期可观察到软骨下骨发生变化。当椎间盘发生退变或生物力学失衡时,椎体软骨下骨是椎体终板中发生骨微结构变化的主要部位。Ziran等对不同年龄的自发性椎间盘退变沙鼠模型进行组织学和X线评估,发现早期椎间盘退变与椎体软骨下骨的反应有关。组织学观察示,椎体软骨下骨骨体积和骨密度增加;X线片观察示,随着中央和周边骨小梁数目的增加,椎体软骨下骨边缘硬化。他们认为椎体软骨下骨的这些变化发生于椎间盘退变之前,而且会加速椎间盘退变。

  椎体软骨下骨厚度变化与椎间盘退变

  椎体软骨下骨厚度变化与椎间盘退变有密切关系,而且软骨下骨厚度增加程度与椎间盘退变程度成正相关。椎体软骨下骨厚度增加可能是由于骨重塑和骨小梁增厚造成,在此基础上可导致软骨下骨血窦缩小,进而影响椎间盘营养运输,最终造成椎间盘退变。同时椎体软骨下骨骨重塑也会改变脊柱内的载荷,造成软骨下骨硬化,椎间隙变窄,加速椎间盘退变。

  椎体软骨下骨的病理状态与椎间盘退变

  在病理环境下,椎体软骨下骨会发生变化。早期研究表明,椎体软骨下骨组织学变化,如软骨下骨破坏和裂缝、骨小梁变厚、破骨细胞与成骨细胞数量增多,造成的骨重塑、正常骨髓组织血管化以及软骨下骨MRI的变化与椎间盘退变性疾病密切相关。在椎间盘退变性疾病中,X线片显示软骨下骨硬化或骨赘形成,MRI显示椎体软骨下骨Modic信号变化。最近研究表明,局部促炎性介质的增加,包括IL-6、IL-8、前列腺素E2,以及表达TNF-α的细胞增加,均与椎体软骨下骨变化有关,尤其是IL-1a和基质金属蛋白酶3与软骨下骨的变化有密切联系。

  椎体软骨下骨Modic信号变化,尤其是ModicⅠ型信号变化,与慢性下腰痛有密切关系。椎体软骨下骨ModicⅠ型信号的变化表明椎间盘退变性疾病处于活跃期,由于局部促炎性介质的增加,包括IL-6、IL-8、前列腺素E2和TNF-α,会引起椎体软骨下骨炎性水肿。此时椎体软骨下骨有肉芽组织长入,纤维血管组织替代了增厚的骨小梁间骨髓,这一改变是炎症修复作用的表现。对于慢性下腰痛患者,存在椎体软骨下骨ModicⅠ型信号变化者的部分临床炎性症状,如晨僵、早晚疼痛、血清中高敏感性C-反应蛋白水平增高等,较软骨下骨无ModicⅠ型信号变化者严重。ModicⅡ型信号变化表明椎体软骨下骨有大量脂肪细胞沉积,出现黄骨髓;ModicⅢ型信号变化表明椎体软骨下骨发生硬化,虽然此期不常见,但在X线下也能发现广泛软骨下骨硬化,提示椎间盘退变处于晚期阶段。

  椎体软骨下骨营养功能与椎间盘退变

  软骨下血管对溶质分子的扩散是小溶质分子运输到椎间盘的主要机制。椎体软骨下骨硬化会影响软骨下血管床的构成,软骨下骨通透性减弱,从而影响椎间盘营养物质的运输和代谢产物的排出,椎间盘营养匮乏及代谢产物(如乳酸)浓度局部升高,会影响髓核细胞的功能,从而引起椎间盘退变。同时椎体软骨下骨硬化也会影响椎间盘大分子营养物质,如一些激素和酶类的对流运输,限制椎间盘内的液体交换,造成椎间盘内髓核的过度膨胀,引起椎间盘退变,也可引起下腰痛。

  在椎间盘退变过程中,软骨下骨硬化程度增加,穿透软骨下骨的血管通道减少,口径变小。这种血管通道的改变进一步影响了营养物质的扩散和代谢产物的排出,从而加速了椎间盘退变。然而,Rodriguez等对椎间盘退变过程中椎体终板的通透率进行了研究,发现随着椎间盘的退变,软骨下骨孔隙率增加,认为软骨下骨硬化未阻碍椎间盘营养物质的运输进而引起椎间盘退变。出现以上两种相反观点的原因可能与软骨下骨在椎间盘退变过程中发生硬化的部位有关,即在椎间盘退变过程中,软骨下骨前部和后部骨量增加,中央区域几乎不发生变化,所以软骨下骨主要在边缘发生硬化。

  有研究表明,软骨下骨边缘部分的硬化不会影响椎间盘主要的营养途径;而在椎间盘退变过程中,软骨下骨孔隙率增加主要表现在中央部分,会使椎间盘主要营养途径变的更通畅。在椎间盘退变过程中软骨下骨孔隙率的增加可能是对椎间盘组织在退变过程中的一种积极修复,也可能是对髓核渗透压降低的一种适应,但也可能形成许莫结节。许莫结节的形成与椎间盘退变性疾病(如下腰痛)有密切联系。Zhao等提出了一种假设,即ModicⅢ型信号变化与许莫结节的形成是同一病理变化。如果能够证明这种假设成立,那么将会为治疗椎间盘退变性疾病提供新的治疗方法。

  小结与展望

  虽然椎体软骨下骨在椎间盘退变发病机制中的作用尚不完全清楚,但是软骨下骨与椎体、软骨终板以及椎间盘之间的解剖关系决定了其特殊作用。在外部异常因素作用下,软骨下骨代谢加强、骨重塑加快所致的软骨下骨增厚、密度增高和硬化,可能是引起椎间盘退变的始发因素。通过对椎体软骨下骨的研究有助于揭示椎间盘退变的发病机制,寻找在椎间盘退变发生早期即进行修复治疗的途径。另外,MRI是一种检测软骨下骨病理改变的敏感手段,通过MRI对软骨下骨进行Modic分型对治疗椎间盘退变性疾病有着重要意义。因此,未来可以尝试将椎体软骨下骨列为治疗椎间盘退变的靶目标,通过改善椎体软骨下骨的炎性病理状态、维持椎体软骨下骨结构的完整和调节椎体软骨下骨骨代谢来延缓椎间盘退变,甚至将其治愈。

  

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