软骨终板退变的研究进展

【关键词】  软骨终板退变 研究进展

椎间盘作为一个完整的结构单元，有纤维环、髓核和软骨终板三部分组成。由于生理性和病理性因素，椎间盘容易发生退行性变。长期以来，对纤维环和髓核退变引起的椎间盘退变研究很多，而对由软骨终板退变引起的椎间盘退变研究较少。但是已有证据证明：椎间盘的退变源于软骨终板的退变[1]，软骨终板治疗利于退变椎间盘的修复和再生[2]。

　　1 软骨终板的生物学特性

　　软骨终板位于椎体上下表面与椎间盘的纤维环和髓核之间。终板很薄，尤其是在椎间盘的中央，成熟的终板不超过1 mm[3]，但是从一边到另一边变化是相当大的。软骨终板的形状在各个椎体之间不同。

　　1.1 软骨终板的生化成分

　　软骨终板为透明软骨，由细胞和基质两部分组成。细胞中以软骨细胞和成纤维细胞为主，其合成和分泌细胞外基质。基质主要由蛋白多糖(PG)和Ⅱ型胶原组成，而由基质所维持的正常分解和合成代谢对于其生物学功能至关重要。蛋白多糖是维持椎间盘正常结构、代谢和生物力学性能的生化基础。软骨终板PG还能调节基质大分子间的有效孔径，控制带电溶质在椎间盘中分布和转运，对保持椎间盘组织和外界环境间的物质交换及防止终板自身的钙化都具有重要的作用[4]。软骨终板的胶原成分主要是Ⅱ型胶原，为其构成软骨终板的纤维网状支架。Ⅱ型胶原相对于I型胶原来说体积较大，含水量也较高，故II型胶原更适合变形、承受和吸引压应力。水分是软骨终板的重要组成成分之一，其含量的变化与蛋白多糖的含量密切相关，这与硫酸软骨素中的硫酸阴离子和糖醛酸有较强的水化作用有关[5]。

　　1.2 软骨终板的结构

　　软骨终板上有许多的微孔，是髓核水分、营养成分及代谢产物进出的通道。软骨终板的基质中蛋白多糖主要是硫酸软骨素，因其具有毛刷样结构和自身带有电荷，利于基质大分子的通过。软骨终板内无神经组织，因此当软骨终板损伤后，既不能产生疼痛症状亦不能自行修复。此外，软骨终板内的血管及其分布不同于其他组织。吕刚等[6]采用血管灌注ABS制备兔腰椎体软骨终板血管铸型标本，投射光显微镜及扫描电镜观察发现血管呈树枝状形态，缠绕形成微血管襻，即血管芽，在终板内层纤维环部位血管芽形状呈简单的襻祥结构，但在髓核部位则是一种膨大且复杂缠绕的襻样结构，这种形态学差异与不同部位终板的渗透性高低密切相关。在椎间盘退变过程中，椎间盘终板内的血管芽形态逐渐被破坏，微血管数量相应减少，终板内的血流量也明显减少，同时终板内血流量中心部位(靠近髓核区域)血流量多于终板内周围区域的血流量[7]。

　　1.3 软骨终板的功能

　　软骨终板在椎间盘结构中具有重要作用：一方面，软骨终板覆盖在椎体的上下面，维持椎体的正常形态，保护椎体在承受压力下免于发生压迫性骨萎缩;另一方面，通过软骨终板的渗透功能进行椎体与椎间盘之间的液体和营养的交换。椎间盘的营养通路主要有二：一是终板途径，椎体内血管的营养物质通过骨髓腔—血窦—软骨终板界面扩散到椎间盘，营养纤维环及髓核内层(髓核营养的80%由软骨终板的渗透作用来完成);二是纤维环途径，即纤维环表面血管营养纤维环外层。软骨终板途径是椎间盘营养通路的主要途径，在椎间盘营养供应和代谢产物的排出方面发挥了重要的作用。

　　2 软骨终板的退变

　　许多研究已经证实椎间盘退变是多种环境因素共同作用的结果，其发病机制大致可归结为：①软骨终板的退变，椎间盘营养供应减少;②细胞老化，分泌基质减少;③椎间盘内部降解酶活性的升高，基质降解增多;④基质疲劳衰竭等。而上述机理中最重要的是椎间盘软骨终板的退变[8]。这是因为椎间盘的生物化学构成成分包括水、胶原、蛋白多糖等，它们是椎间盘发挥生理机能的物质基础，而软骨终板是供应椎间盘营养的主要通道。因此如果软骨终板发生退变，造成椎间盘营养供应的障碍，则可使其生化成分发生变化，从而导致椎间盘退变。

　　2.1 炎性因子导致软骨终板退变

　　多项研究已经证明，炎症因子在椎间盘退变的发生和发展中起了重要的作用。以前作者把目光集中在炎症因子引起髓核和纤维环中基质成分的变化，忽视了炎症因子在软骨终板退变中的作用。刘斌等[9]发现在退变的软骨终板中IL-1β、IL-6、TNF-α含量随时间延长而增高，实验组较对照组增高明显。IL-6可以抑制软骨细胞合成基质，从而降低了基质的量，IL-6受到IL-1的作用而被激活，蛋白聚糖为首的基质成分对于IL-1的破坏作用也非常敏感，这种破坏作用被认为是由基质金属蛋白酶(MMPs)来完成的。现有研究认为，IL-1在椎间盘退变的过程中扮演了关键的角色[10]。髓核内TNF-α的表达能够诱发多种细胞反应，包括蛋白聚糖和Ⅱ型胶原表达同时下降，蛋白聚糖和胶原的合成和积累减少，MMP-1、MMP-3、MMP-13、ADAMTS-4、ADAMTS-5表达增加，以及ADAMTS-5介导的蛋白聚糖降解增加。在48 h内，这些细胞反应导致髓核内蛋白聚糖含量下降到原有含量的25%[11]。基质金属蛋白酶在正常椎间盘中起到降解基质的作用以维护基质的随时更新。软骨终板退变时其含量表达增加，基质降解加快破坏了基质的动态平衡引起软骨终板退变。NO和NOS在软骨终板的退变中也扮演了重要的角色[12]。NO可以作为一种炎症因子能抑制蛋白多糖的合成并且诱导MMPs降解基质，基质降解酶能降解蛋白多糖核心。NOS是合成NO的限速酶，是调节NO的最重要成分。因此，作者可以通过抑制软骨终板基质中炎性因子的产生来抑制软骨终板的退变，从而为预防和治疗椎间盘退变提供一条新的途径。

　　2.2 细胞凋亡导致软骨终板退变

　　凋亡是细胞死亡的一种形式，其由细胞内发生的一系列有序的级联反应发展而成。研究表明，软骨终板中存在细胞凋亡现象，且经NO和Fas-抗体处理后软骨终板细胞凋亡更为明显[3]。细胞凋亡，细胞合成基质的能力下降，基质合成和降解平衡打破，导致软骨终板的退变继而引起椎间盘退变。由此可知，凋亡可能是软骨终板退变，乃至椎间盘退变的重要原因。椎间盘软骨终板内凋亡细胞的数量随着年龄和外在压力的增加而增多，细胞密度显著降低，细胞凋亡越明显，软骨终板消失越快。张振雨等[14]通过热刺激诱导软骨终板细胞凋亡时发现，Caspase-3和Fas参与了软骨终板细胞的凋亡过程;Caspase-3是软骨终板细胞凋亡进程中的重要物质之一。近来有研究表明，在椎间盘细胞的凋亡过程中，细胞色素C、BID、Caspase-3、Caspase-9等表达较高，线粒体途径在其凋亡过程中可能起着主要的作用，细胞表面死亡受体途径则作用较小[15]。椎体软骨终板细胞凋亡引起Ⅱ型胶原表达减少，引起软骨终板的退变最终引起椎间盘的退变[16]。研究表明凋亡的诱导因素包括：NO过度产生，Fas与Fas配体(FasL)的结合，软骨细胞肥大，细胞外基质缺乏，细胞黏附缺陷等[17]。它们诱导软骨细胞的凋亡，使其合成基质的能力下降而基质的降解能力相对增加(因降解酶此时仍然保持较高的活性)。基质的平衡发生失调引起软骨终板的退变进而影响椎间盘功能。

　　2.3 异常应力导致软骨终板退变

　　在椎间盘退变的过程中，异常应力是诱导椎间盘退变的主要因素。椎间盘退变是积累性轻微损伤的结果，应力在椎间盘退变中扮演了非常重要的角色。软骨终板在承受压力防止发生压缩性骨萎缩方面发挥了重大的作用。长时间的异常应力作用可促使软骨终板蛋白多糖聚合体解聚，含量减少，成分构成发生变化，其中以硫酸软骨素(CS)减少最为明显。CS带有硫酸基和羧基的负电荷，其含量急剧减少引起终板钙化，生物力学性能改变及椎间盘营养物质交换通路破坏，诱发和促进椎间盘退变的发生[18]。Liu等[19]研究发现处于异常高应力环境下的椎间盘细胞产生基质金属蛋白酶(MMPs)和NO等细胞因子，抑制PG的合成并促进降解反应。异常力学环境下终板下血管分布明显减少，其结果必然是细胞外环境氧合和葡萄糖等营养物质的减少，异常应力环境促进终板蛋白多糖含量及成分变化是软骨终板退变的另一个重要机制[20]。因此防止或者减少异常应力的作用时间可以延缓软骨终板的退变。

　　2.4 老龄导致软骨终板退变

　　椎间盘退变的发生率随年龄的增长而成指数增长。约10%的50岁年龄段和60%的70岁年龄段的人的椎间盘存在严重的椎间盘退变。软骨终板细胞在青少年时期就开始退变，但是细胞功能活跃，死亡细胞少，处于代偿期;但是随着年龄的增长，细胞功能下降，死亡细胞的数量增多，合成基质的能力下降引起软骨终板的不可逆性损伤。由此可见软骨终板的退变是一个自然老化的过程。有研究表明随着年龄的增长，软骨细胞凋亡数目增多，细胞凋亡在与年龄相关的椎间盘改变中扮演着重要的角色[21]。研究表明，随着年龄的增长，软骨终板血管芽的相对面积减少，非钙化/钙化比率下降，Ⅱ型胶原含量下降，X型胶原增多。这些都是软骨终板退变的敏感指标[22]。同时随着年龄的增长，椎体的成熟，软骨终板的渗透性下降，流入的渗透性比流出的渗透性低35%[23]。渗透性下降必然导致椎间盘营养供应受阻进而促进椎间盘的退变。

　　综上所述，软骨终板的退变是多种因素相互作用的结果。各种因素通过某种机制引起软骨终板基质成分的减少，进而引起水分的丢失软骨终板发生硬化。研究证明，软骨终板硬化在椎间盘退变中扮演了非常重要的角色[24]。软骨终板的退变早于椎间盘的退变，且在正常青壮年时期就已经开始退变。软骨终板的退变虽然是一个自然老化的过程，但又可因为炎症、异常应力及细胞过多凋亡而加重，加速其退变的过程。软骨终板途径是椎间盘营养供应和代谢产物输出的主要途径，其退变必然导致椎间盘营养不足和代谢产物的堆积最终导致椎间盘的退变。

　　3 小结

　　软骨终板是椎间盘三个组成部分中最易损伤的部位，其具有缓冲压力防止椎体发生压迫性骨萎缩以及通过其渗透作用介导营养髓核的作用。软骨终板退变在椎间盘退变中起了非常重要的作用。软骨终板的退变是多种因素相互作用的结果，炎性因子、凋亡以及异常应力等因素可以加速软骨终板的退变。上述各种致退变因素均可使基质合成减少，表现为蛋白多糖含量下降，Ⅱ型胶原减少，Ⅰ、X型胶原增多，软骨终板含水量减少，继而引起软骨终板钙化、软骨终板出现裂痕，承受压力时受力不均等导致软骨终板正常功能丧失最终引起椎间盘的退变。通过对软骨终板退化的研究将有助于揭示椎间盘退变的发病机理，寻找在椎间盘退变发生早期进行修复治疗的途径，这将给椎间盘退变的患者带来福音。

【参考文献】
  　　[1] Peng BG, Hou SX, Shi Q,et al.The relationship between cartilage endplate calcification and disc degeneration: an experimental study[J]. Chin Med J,2001,3:308-312.

　　[2] Boyd LM, Carter AJ. Injectable biomaterials and vertebral endplate treatment for repair and regeneration of the intervertebral disc[J]. Eur Spine J，2006,3:414-421.

　　[3] Edwards WT, Zheng Y, Ferrara LA,et al. Structural features and thickness of the vertebral cortex in the thoracolumbar spine[J]. Spine, 2001,26:218-225.

　　[4] Roberts S, Urban JPG, Evans H,et al.Transport properties of the human cartilage endplate in relation to its composition and clacification[J]. Spine, 1996,4:415-420.

　　[5] Taylor IR, Scott JE, Cribb AM,et al.Human intervertebral disc acid glycosaminoglycans[J]. J Anut,1992,180:137-141.

　　[6] 吕刚，芮钢，王星铎，等.椎体软骨终板血管芽的形态学实验研究[J].中华骨科杂志，1998，12：722-724.

　　[7] 彭城，任先军，梅芳瑞.椎间盘退变与终板内微血管形态改变的相关性研究[J].中国矫形外科杂志，2003，19：1355-1357.

　　[8] Kang JD, Georgeseu HI, Mclntyre-Larkin L,et al.Herniated cervical intervertebral discs spontaneously produce matrix metalloproteinases, nitric oxide, interleukin-6, and prostaglandin E2[J].Spine, 1995,22:2373-2378.

　　[9] 刘斌，金大地，瞿东滨，等.IL-1β、IL-6、TNF-α在兔腰椎软骨终板退变中的变化及作用[J].中国矫形外科杂志，2007，1：64-66.

　　[10]Goupille P, Mulleman D, Chevalier X. Is interleukin-1 a good target for therapeutic intervention in intervertebral disc degeneration: lessons from the osteoarthritic experience[J]. Arthritis Res Ther，2007,6:110.

　　[11]Séguin CA, Pilliar RM, Roughley PJ,et al.Tumor necrosis factor-alpha modulates matrix production and catabolism in nucleus pulposus tissue. Spine,2005,17:1940-1948.

　　[12]刘斌，瞿东滨，金大地，等.NO含量和NOS活性在兔软骨终板退变过程中的变化[J].第一军医大学学报，2004，3：278-281.

　　[13]Hashimoto S, Setareh M, Ochs RL,et al.Fas/Fas ligand expression and induction of apoptosis in chondrocytes[J]. Arthritis Rheum, 1997,10:1749-1755.

　　[14]张振雨，叶伟，黄东生，等.兔软骨终板细胞凋亡与Caspase-3和Fas表达的实验研究[J].中国临床解剖学杂志，2006，5：553-556.

　　[15]Park JB, Lee JK, Park SJ,et al.Mitochondrial involvement in fas-mediated apoptosis of human lumbar disc cells[J]. J Bone Joint Surg Am,2005,6:1338-1342.

　　[16]Xu HG, Chen XW, Wang H,et al. Correlation between chondrocyte apoptosis of vertebral cartilage endplate and degeneration of intervertebral disc[J]. Zhonghua Yixue Zazhi,2008,3:194-197.

　　[17]Lotz M, Hashimoto S, Kuhn K,et al.Mechanisms of chondrocyte apoptosis[J]. Osteo Cartilage,1999,4:389-391.

　　[18]谭炳毅，张佐伦，袁泽农，等.颈椎间盘纤维及髓核生化成分的分析[J].中国矫形外科杂志，2000，7：64.

　　[19]Liu GZ, Ishihara H, Osda R,et al.Nitric oxide mediates the changes of proteoglycan synthesis in the human lumbar intervertebral disc in response to hydrostatic pressure[J].Spine,2001,26：134-141.

　　[20]陈立，詹红生，应航，等.异常应力环境下兔颈椎软骨终板蛋白聚糖变化的实验研究[J].中国矫形外科杂志，2003，2：110-112.

　　[21]Ariga RM, Miyamoto S, Nakase T,et al.The relationship between apoptosis of endplate chondrocytes and aging and degeneration of the intervertebral disc[J]. Spine,2001,24:2414-2420.

　　[22]Zhang YG, Liu JT, Wang JT,et al.Indexes of intervertebral disc degeneration in rats during the aging process[J]. Nanfang Yike Daxue Xuebao,2008,2:169-172.

　　[23]Accadbled F, Laffosse JM, Ambard D,et al.Influence of location, fluid flow direction, and tissue maturity on the macroscopic permeability of vertebral end plates[J]. Spine, 2008,6:612-619.

　　[24]Gruber HE, Gordon B, Williams C,et al.Vertebral endplate and disc changes in the aging sand rat lumbar spine: cross-sectional analyses of a large male and female population[J]. Spine, 2007,23:2529-2536.

作者单位：华中科技大学同济医学院附属协和医院，武汉 430027