人类椎间盘退变与年龄的关系_安胜军

#综 述#

人类椎间盘退变与年龄的关系

安胜军 李 恩

中图分类号 R681. 5 文献标识码 A 文章编号 1005-8478(2000) 04-0379-03

人类椎间盘退变与年龄相关, 并引起中老年患者的脊柱损伤甚至致残。脊柱强硬、颈部及腰背疼痛, 其可能的原因是:椎间盘内营养物质的降低, 盘内活性细胞数量减少或细胞外基质的敏感性丧失, 盘内基质蛋白翻译后的修饰, 降解基质翻译后的积累, 基质疲劳等。其中最重要的原因是椎间盘中央营养物质的降低, 细胞代谢废物的堆积及降解的基质分子的积累, 引起pH 降低, 并进而影响盘内细胞的功能甚至导致细胞死亡。因此随着年龄的增长, 椎间盘退变是不可避免的。

椎间盘的主要功能是通过固定相邻的椎体而稳定脊柱, 同时维持椎体之间的运动并具有灵活性。随年龄的增长, 椎间盘经历了体积、形状、结构及组成的巨大变化, 改变了脊柱的力学特性, 使椎体之间的运动能力降低。脊柱功能失调及与脊柱相关的疼痛也与年龄变化相关, 儿童及青少年极少有与脊柱相关的持续或复发的腰背及颈部强硬及疼痛, 而中老年人则相反, 与年龄相关的椎间盘退变的临床问题尚不清[1, 2]楚, 本文综述了与年龄相关的椎间盘结构、组成的变化, 提出了一个假说以解释与年龄相关的椎间盘退变过程及再生椎间盘组织的方法。1 椎间盘结构和组成

如同其他的结缔组织, 椎间盘仅含有少量的细胞及丰富的细胞外基质, 主要由充满水分的大分子网络结构组成。细胞合成大分子并维持、修复网络结构, 椎间盘结构的完整性及力学特性依靠大分子物质及其与水之间的相互作用。因为成熟的椎间盘缺乏血液供应, 细胞赖以生存的营养和细胞代谢的废物通过扩散作用摄取和排泄, 这种分子的运输依靠大分子网络结构进行, 基质中水的含量取决于蛋白多糖的浓度[3], 椎间盘由4种成份组成:(1) 外层纤维环, 是一种高度定向的紧密的胶原纤维环。(2) 纤维软骨的内层纤维环。(3) 透明带区, 内层纤维环与髓核之间的区域。(4) 中央髓核。椎体骺板最初组成透明软骨, 然后形成钙化软骨和骨, 形成椎间盘上下界限。在透

作者单位:河北医科大学基础医学院生化教研室, 石家庄 050017作者简介:安胜军(1966-) , 男, 博士研究生。

明软骨中软骨骺板的细胞与软骨细胞相似, 外层纤维

环有纤维样细胞而内层纤维环和透明区有类似软骨细胞的细胞, 开始时髓核有脊索细胞, 成年后消失, 留下软骨样细胞[4], 胶原和蛋白多糖最初是构成椎间盘大分子网络的主要成分, 胶原有强的张力, 而蛋白多糖通过与水之间的相互作用, 给予组织一定的弹力。青年人胶原占外层纤维环干重的70%, 比中央髓核少20%, 而在儿童, 蛋白多糖在外层纤维环中仅有百分之几, 髓核中较多, 约占50%[5]。椎间盘组成中胶原类型也不同, 外层主要由Ñ型胶原组成占80%, 极少量Õ型占3%, 内部区域, 向内Ò型胶原及蛋白多糖的量逐渐递增, 而Ñ型胶原逐渐减少, 髓核Ò型胶原占80%, 无Ñ型胶原, 有少量Û型胶原占3%, 在纤维环和髓核中Ù型胶原均较少占2%左右, 椎间盘有较多的Ö型胶原, 10%在纤维环, 15%左右在髓核。这些胶原纤维与中央透明区横向连结[6], 其作用尚不清楚, 可能与椎间盘的力学特性有关。

儿童及少年椎间盘组织有丰富的透明质酸及聚糖分子。连接蛋白、小分子蛋白连结到聚糖分子和透明质酸分子上形成稳定聚合体。纤维环及软骨骺板的多糖分子与关节软骨的分子很相似, 而即使是婴儿的椎间盘组织髓核多聚分子也较少, 且随年龄的增加浓度迅速降低[7], 另外随年龄增加, 非聚合蛋白多糖进行性增加, 蛋白多糖分子明显变小, 特别是髓核, 这种蛋白多糖的变化先于与年龄相关的形态学变化。

各种不同的非胶原蛋白和少量弹性蛋白也存在于椎间盘组织中[8, 9], 其作用尚未作深入广泛的研究, 弹性蛋白的含量较低, 对维持椎间盘的力学特性作用可能较小。

2 与年龄相关的椎间盘结构和组成的变化

椎间盘的体积、形状随发育、生长及骨骼的成熟而变化, 初生后椎间盘的高度、直径迅速增长以适应脊柱的生长, 骨骼成熟后其体积、形状的改变人与人不同, 不同的椎间盘也不同。其改变主要有:椎间盘高度变短, 髓核突出入椎体并伴有纤维环高度缩短和突出。

椎间盘结构、组成的变化先于或与椎间盘形态学

及骺板变化一直在进行, 但最广泛的变化是髓核, 其中活性细胞数量、蛋白多糖浓度及水分含量均随蛋白多糖片段的增多而降低。2. 1 新生儿

在初生后, 明显的透明软骨骺板区分椎间盘组织和椎体, 外环边缘富含环状胶原纤维层, 插入软骨板, 少量的弹性纤维与胶原共存, 在外层纤维环薄层与软骨板之间有小血管, 少量的血管伸入内层环, 许多外周血管和游离神经末端位于纤维环外周, 髓核充满大部分椎间盘, 主要是脊索组织, 髓核基质中有少量的胶原纤维, 甚至含有少量弹性纤维埋于大量高度水合状态的蛋白多糖中。新生儿的椎间盘大小一致, 新生儿及婴幼儿椎间盘纤维环和软骨骺板的蛋白多糖聚合程度与透明软骨相同, 而髓核中只有1/3的蛋白多糖聚合, 其余2/3的蛋白多糖无可见的透明质酸。2. 2 儿童和少年

在骨骼成熟的过程中, 椎间盘体积成倍增长, 因而椎间盘中央区与外周血管的距离增大, 同时纤维环与椎体软骨骺板中的血管逐渐变小且数量越来越少, 纤维环中纤维软骨变大, 儿童期髓核占椎间盘一半, 与内环纤维软骨之间有明显界限, 同时, 脊索细胞减少, 盘中央区出现软骨样细胞, 髓核出现较多的胶原纤维, 整个椎间盘中胶原纤维环直径增大, 蛋白多糖聚合度及分子大小都降低[10], 到青少年期, 髓核中蛋白多糖完全是成簇的小的聚糖分子或非聚合的蛋白多糖。功能性的连接蛋白的浓度降低可能是引起蛋白多糖聚合度降低的原因。2. 3 成人

随着骨骼的成熟, 外周血管大多消失, 外层纤维环大小相对不变, 但内层纤维软骨增多, 髓核变小。在纤维环部分, 随着胶原纤维的变化而发生粘液性退变, 椎间盘出现破裂, 裂隙从外周延伸到中央区, 随着胶原纤维环的直径和含量的增大, 髓核逐渐变得坚硬和透明, 椎间盘内部活性细胞数量大大减少, 特别是中央区脊索细胞极少, 而中央区散在着软骨样细胞。蛋白多糖及水含量降低, 非胶原蛋白浓度增加, 基质中累积有致密的颗粒物质, 大多在细胞周围, 其组成尚不清楚, 可能含有降解的基质分子(包括非胶原蛋白) , 其沉积同与年龄相关的非胶原蛋白浓度增多有关。

总之, 骨骼成熟后与年龄相关的椎间盘的改变) ) ) 椎间盘结构完整性丧失与椎间盘体积、形状的改变及椎间盘突出有关。2. 4 老年

老年人椎间盘内部变成僵硬的纤维软骨板, 椎间盘高度缩短, 中央形成明显的破裂, 髓核较小, 有少量胶原纤维, 活性细胞极少存留。椎间盘高度缩短和组荷。这些变化导致脊柱运动强硬及关节面的退变。3 与年龄相关的椎间盘退变的机制3. 1 细胞营养减少

在椎间盘退变过程中关键的原因是:盘内细胞及其基质中营养成分的减少, 椎间盘细胞的营养物质靠纤维环周围血管和椎体内血管的扩散供给, 随着生长过程中椎间盘体积的增大, 进行性的引起外周血管数量减少及软骨骺板的钙化, 阻止了营养物质扩散进入

[11]

细胞及代谢废物的排出, 同时外周血液供应减少, 降解的基质分子的积累, 水含量减少, 均可影响扩散作用, 进一步影响细胞的营养供应, 不仅营养供应减少, 乳酸含量也增加, pH 值降低, 因而影响细胞代谢及生物合成, 进而导致细胞死亡。加重与年龄相关的椎间盘退变的因素有:吸烟、血管疾病和糖尿病。3. 2 活性细胞减少

进行性营养供应的降低及pH 值降低, 对活性细胞有负性作用, 电镜观察表明:随着年龄增大, 坏死细胞增多, 在胚胎和新生儿椎间盘髓核中, 坏死细胞不到2%, 在青少年中超过50%, 而在老年人中超过了

[14]

80%。

3. 3 细胞开始衰老

目前, 对随着年龄变化的椎间盘细胞的功能未作广泛的研究, 但对其它组织的研究表明与年龄相关的退变与细胞功能的降低密切相关, 即使营养供应不变, 许多正常分化的细胞随年龄增大而衰老, 它们仍能存活, 但丧失了合成DNA 和其它物质的能力及其特殊功能。实验研究表明:这些变化是由于基因表达、转录因子、反式作用因子及调控的改变而引起。如果这种关系在椎间盘组织一经证明, 应用适当的转录因子、反式作用因子等可阻止或逆转与年龄相关的细胞功能的变化。

3. 4 翻译后蛋白质的修饰

随着年龄增大, 椎间盘的弹性和强度均降低, 其中有些变化是由于基质中弹性蛋白、蛋白多糖特别是

[3, 8]

胶原大分子合成后的修饰引起的, 其中胶原交联的增加可能利于退变, 特别是通过非酶促糖基化, 增加胶原交联度或脂质过氧化, 引起色素沉着增多, 改变椎间盘力学特性[13]。此外, 糖基化产物可能刺激细胞释放细胞因子和蛋白酶, 参与组织退变。最近研究表明, 抑制糖基化作用, 可防止或逆转胶原组织如血管和神经的与年龄相关的变化, 但在椎间盘中尚未见有关报道。

3. 5 降解基质分子的积累

在生命过程中, 新合成的基质分子取代酶解的分子。随着年龄的增加, 降解分子增多可能会改变组织的特性, 包括营养物质的供应及代谢废物的排泄和力学特性, 降解分子的积累, 可影响新合成的分子的聚[12]

中国矫形外科杂志 2000年4月第7卷第4期 Ort hop J Chin, V ol. 7, No. 4April 2000#381#

的积累, 可干扰蛋白多糖聚合体的组成。在血液供应缺乏和分子扩散较慢的区域如中央区, 这种现象更为明显。

3. 6 基质的疲劳

正常的脊柱运动使椎间盘负重变形, 而后恢复形状。另外, 垂直的姿势, 可趋使水分渗出基质而降低椎间盘高度。休息后水分回到椎间盘而恢复原状, 这些重复性的变形可导致基质疲劳, 如破裂、粘液性退变或较为轻微的变化, 包括蛋白多糖片段的产生, 胶原纤维断裂, 这些基质改变可能使细胞暴露于负重下而损伤其功能。

基质蛋白多糖和水分的丢失使胶原网络的负重增加, 翻译后的修饰作用、水含量的降低及降解基质分子的堆积, 使胶原网络更加脆弱而易于疲劳。细胞营养供应和活性细胞数量的减少, 细胞衰老及其它基质的变化, 影响细胞修复损伤的功能。4 椎间盘组织的再生

尽管与年龄相关的椎间盘组织的改变是不可避免的, 但椎间盘的再生也是可能的。一系列研究证实, 旧的基质分子的去除允许细胞增殖并合成新的基质, 正常中央区酶促降解, 可刺激新组织的再生, 即使在老年动物中也是如此。然而应用酶使椎管狭窄再扩治疗椎间盘突出症并不是始终都能如愿的, 这是因为椎间盘退变的可能性、酶扩散的可变性、有限的活性细胞数量或机械性限制阻止了再扩。另一方面去除退变组织中的酶, 结合其它方法如人工基质、生长因子、软骨细胞等的应用, 也可能恢复椎间盘组织的活性。

5 结 论

人类椎间盘经历与年龄相关的退行性改变, 导致椎间盘和关节面退变, 使脊柱运动性降低, 目前研究表明:早期广泛的改变发生于椎间盘的中央区, 最初改变包括蛋白多糖片段的增加, 长链蛋白多糖和水含量的降低及活性细胞数量减少, 这些改变先于或伴随纤维环粘液区的出现、椎间盘破裂的发生、椎间盘体积和形状的改变。中央区这些基质变化的结果揭示:基质蛋白多糖的丢失可能是由于细胞生物合成功能改变和降解分子的堆积, 导致蛋白多糖浓度降低, 随之其水合能力也降低, 这些变化可增加胶原基质负荷, 预示着基质功能丧失:椎间盘形状的改变和机械功能的丧失。

参考文献:

112 Buckwalter JA. F ine structural studies of t he human inter -ver ebral disc. In:White AA. Gor don SL, eds. I diopat hic

Low Back Pain. St. Loui s:CV M osby, 1982, 108~43. 122 Buckwalter JA , W oo SL -Y, Goldcerg V M , et al. Soft tis -sue ag ine and musculoskeletal function. J Bone Joint Sur g

132

142

152

162

172

182

192

1102

1112

1122

11321142

[Am]. 1993, 75:1533~48.

Ur ban JPG. T he effect of physical factors on di sc cell eds. Musculoskeletal So ft T issue Aging:Impact on M obility. Rosemont, IL :Acdemy of Ort hopaedic Sur geons, 1993, 391~412.

T rout JJ, Buckwalter JA , M oore KC. U ltrastr ucture of human interv er tebral disc I I. Cells of the nucleus pulposus. A nat Rec, 1982, 204:307~14.

Eyr e D, Benva P, Buckwalter J, et al. T he intervertebr al disc:Basic science perspect ives. In:Fry mo yer JW, Gor don SL , eds. N ew Perspectives on L ow Back Pain. Park R idge, IL:American Academy of Orthopaedic Surg eons, 1989, 147~207.

Buckw alter JA, M ay nard JA, Cooper RR. Banded struc -tures in human nucleus pulposus. Clin Orthop 1979, 139:259~66.

Buckw alter JA , Pedrini A , T udisco C, Pedrini V. Proteo -g lycans of human infaant intervertebral disc. Electron m-i croscopic and biochemical studeies. J Bone Joint Surg 1985, 67A :284~294.

Buckw alter JA , Roughley PI, Rosenberg L C. A ge -related changes in cartilage proteoglycans:Quantitativ e electron microscopic studies. M icroscopy Research and T echniques, 1994, 28:398~408.

Pearce RH. M or pho logic and chemical aspects of interverte -bral disc ag ing. In:Buckw alter JA, Goldberg V M , Woo SL -Y, eds. M usculoskeletal Soft T issue Ag ing :Impacton Mobility. Rosemo nt, IL :American Academy of Or -thopaedic Surgeons, 1993:363~79.

A ndersson G BJ. Inter vertebral disc:Clinical aspects. M us -culoskeletal Soft T issue Ag ing :Impact on M obility. I n:Buckw alter JA , Goldberg V M , Woo SL -Y , eds. Rose -mont , IL :1993A mer ican Academy of Or thopaedic Sur -geons, 1993:331~47.

M onnier , VM , Sell DR, Pokharna H, Moskow itz R. Posttranslational protein modification by the M aillard ac -tion:Relevance to aging of the ex tracellular matrix molecules. In:Buckwalter JA , Goldberg VM , Woo SL -Y, eds. M usculoskeletal Soft T issue A ging:Impact on M obil-i

ty. Rosemont , IL :A mer ican Academy o f Ort hopaedic Sur -geons, 1993:49~50.

Roughley P J, White R J, Poole A R. Ident ification of a hyaluronic acid -binding prot ein t hat interferes w ith the preperation of high bouyant -density proteogly can agg regates from adult human articular car tilage. Biochem J 1985, 231:129~38.

胡侦明, 戴克戎. 椎体结构与其力学强度的关系. 医用生物力学, 1997, 12:119~122.

Vedantam R, Lenke LC, Keeney JA , et al. Comparison of standing sagittal spinal alig nment in asymptomatic and adults. Spine, 1998, 23:211~215.

(收稿:1999-06-07 修回:1999-11-08)