椎间盘的微细结构

椎间盘的形态、微细结构组分的巧妙构筑，使其构成了一个完美的抗压力和缓冲张力的封闭系统，这种功能有赖于椎间盘各部结构尤其是细胞的正常功能，而带来的间质成分质和量的维持。椎间盘的细胞密度较大多数组织细胞密度低，细胞的分布也不均匀。软骨终板及外层纤维环细胞最多，髓核处细胞最少。椎间盘的细胞密度，在软骨终板由浅至深，纤维环由外至内，细胞数逐渐减少，在距离纤维环外层向内2～3mm处的细胞密度最低。软骨终板的细胞密度相当于髓核细胞密度的4倍，纤维环的细胞密度是髓核细胞密度的2倍。髓核细胞密度最低。整个椎间盘细胞密度约为6 400个/mm3。

1．髓核　　髓核是软而具有弹性的、高含水量的胶状物质。由少量细胞和细胞间质组成。

（1）细胞：髓核内有两种类型的细胞，脊索细胞和软骨样细胞（chondrocytelike cell），细胞较稀疏，每立方毫米约4 000个细胞，Urban报道细胞体积只占髓核体积的0．25%～0．5%。在胚18～24周髓核细胞为脊索细胞，26周以后软骨样细胞开始增多，4岁后被软骨样细胞代替。在某些动物，如猫、啮齿类等功能活跃的脊索细胞终身存在。

①脊索细胞：体外培养的不同物种的脊索细胞形态相似，新分离出的细胞呈圆形，初贴壁时呈短梭形或多角形，胞质向外伸突，然后突起逐渐伸长，达亚融合状态时呈团状，10～15d融合传代的细胞贴壁，胞体短梭形或多角形，随传代增多，细胞突起逐渐变长，最终演化为长梭形；传代越多生长越慢，融合时间明显延长，即出现老化现象。电镜观察，细胞周围可见绒毛状突起，胞质内细胞器丰富。随传代胞质内逐渐出现空泡，细胞器有所减少。相邻的细胞可通过桥粒紧密连接。胞质内有高尔基复合体、粗面内质网和大量的核糖体，并可见散在分布的圆形囊泡，泡间由平行或垂直的细丝连接，泡内充满颗粒，并被证实是蛋白多糖。胞核圆形，核膜界限明显，可见核仁。随着细胞的老化，细胞内线粒体和核糖体的数量逐渐减少，粗面内质网的囊池逐渐扩张。因体外培养的细胞处于有氧及营养充足的环境中，细胞形态结构与实际脊索细胞结构有所不同。

人脊索细胞分为团聚型和散在型两类，胎儿期以团聚型为主。出生后随增龄，团聚型细胞减少，游离型细胞增多。脊索细胞的形态与其发育程度及其周围环境密切相关。成团的脊索细胞形态不规则，细胞借突起相连接，细胞器不发达，但糖原沉积较多。游离型细胞小，胞体多呈梭形，周围有小的突起，细胞长轴与纤维平行，彼此借突起相互连接。细胞周无明显的“巢”或细胞周间质（nest or pericellular matrix），随着发育细胞变为圆形或不规则形。电镜观察，细胞间可见各种不同类型的细胞连接（图4－10），如紧密连接、桥粒、缝隙连接等，团聚型连接方式较全，前两种连接旨在加强细胞间的牢固性，缝隙连接保证了细胞间的信息交换，从而使细胞同步活动。胞质中有丰富的粗面内质网和明显的高尔基复合体，在成熟面可见较大的泡；多数细胞可见溶酶体及自噬泡。线粒体不发达，嵴短排列稀疏，有些被粗面内质网包绕；在一些细胞核周围可见中心体。不同年龄的人脊索细胞均可见到长数微米、直径不足40nm的细丝及糖原颗粒。核圆形或卵圆形，异染色质多，故电子密度高，常不见核仁。

图4－10　电镜照片（自Jerome J），左图：8周人胚脊索细胞；细胞核（N），线粒体（M），高尔基复合体

（Go），粗面内质网（rer）×25 000；右图：脊索细胞之间的特殊连接（10个月男性），桥粒连接（D），紧密连接（TJ）×41 000

Jerome和Ttrout对胚8周～91岁的老年人椎间盘的髓核细胞在光、电镜下进行了系统研究，结果在胚8周～32岁成年人均观察到了活的脊索细胞。有关脊索细胞的归宿和在形成髓核方面所起的作用目前仍无定论。Wolfe用组织化学的方法研究发现，髓核中的酶系统与酸性黏多糖的合成及氧化代谢有关，故认为脊索细胞参与胚胎时期及出生后一段时间髓核细胞间质的形成。而Peacock认为髓核的形成是脊索细胞退变，基质黏液及含水量改变的结果。Trout认为，在脊柱发育完成后的个体，髓核中的活细胞中仍有发育良好的粗面内质网、高尔基复合体及少量线粒体，它们具有合成细胞间质，参与髓核的形成、物质更新及维持髓核形态结构稳定的作用。超微结构及酶组织化学研究，均证明活的髓核细胞是功能活跃的实体，具有一定的合成和分泌活动。细胞质内较多的糖原颗粒和脂滴及嵴少而稀的线粒体，证明细胞获得能量的方式，是以无氧酵解为主。

②软骨样细胞：软骨样细胞沿胶原原纤维分布，形态与软骨细胞相似，胚胎时期胞体多呈卵圆形或不规则形。出生后随增龄胞体变圆，有的仍为不规则形，胞质中粗面内质网较丰富，高尔基复合体明显，线粒体不发达，溶酶体少见，可见大量的糖原颗粒和脂滴；核圆形或椭圆形，核仁不明显。随着分泌活动的增强和分泌产物的聚集，细胞外逐渐出现胞周基质，即“巢”（图4－11），进一步的研究证明“巢”的主要成分有胶原原纤维、细丝和致密颗粒，胞周基质的密度随增龄而增大，与周围间质界限明显。

图4－11　髓核内有“巢”活细胞电镜照片（自Jerome J），左图67岁女性；右图14个月男性细胞外箭头示“巢”，脂滴（Li），高尔基复合体（Go），胞质内细丝束（F）×49 000

“巢”是细胞分泌功能的体现，但却由于其结构致密而降低和阻碍了细胞的活性和代谢通路，随增龄细胞营养状况恶化，在“巢”内可见退化细胞和“空巢”，老年人髓核中活的细胞很少，但Jerome等在91岁老年人髓核中仍然见到了活的细胞。根据细胞和细胞周间质的关系可将细胞分为4种类型：即①无巢活细胞型；②有巢活细胞型；③无巢退化细胞型；④有巢退化细胞型。退化死亡细胞的主要形态学特点是：细胞缩小，粗面内质网池扩张及脱颗粒；线粒体少甚至固缩、嵴模糊；胞质内大空泡较多，可能是退化的细胞器，核固缩，最终细胞死亡，被清除后留下“空巢”。

椎间盘的病理变化均与细胞退化、代谢紊乱以及椎间盘代谢通路改变有关。研究发现，椎间盘脱出物中含有髓核和纤维环两种成分，并发现腰部椎间盘突出与椎间盘本身的组织成分改变有着密切的关系。陈晓亮等指出，腰椎间盘突出症髓核中活细胞甚少，多为退变、凋亡及坏死细胞（凋亡细胞的形态特点见第七节细胞凋亡）。朱同银等对椎间盘突出症髓核内的间质进行分子量级超微结构形态学研究，认为突出的椎间盘变性，首先是蛋白多糖聚合体分解引起的水分丢失，早期可以修复，可重新组合成蛋白多糖聚合体。电镜下显示胶原纤维间隙变小，排列紊乱，胶原原纤维粗细不均呈不规律的椭圆形，可见点状的断裂及钙化颗粒，胶原纤维由于损伤断裂，出现扭结现象而失去正常的抗阻能力。椎间盘突出症病程长、年龄较大的病人，椎间盘变性不易修复，最终髓核纤维化。胶原纤维的直径大小，周期性横纹结构的改变与年龄及病程有关。年轻患者病程短，胶原纤维网所连接的蛋白及蛋白多糖等成分变化不明显。老年病人、病程长者因承受异常应力的作用时间长，髓核微循环、营养状况恶化导致结构退变、钙化。王民生对正常椎间盘和手术切除的椎间盘脱出标本做了生物化学成分的比较研究，发现脱出物中蛋白多糖的一些成分明显下降，而合成胶原纤维的一些物质明显上升，提出蛋白多糖含量改变，可导致髓核凝胶性质的改变，抗压力减弱，而胶原蛋白含量增加，是椎间盘纤维化、硬化的组织学基础。

（2）细胞间质成分：细胞间质呈异质性，主要由胶原蛋白、胶原纤维、弹性纤维和基质组成。

①胶原蛋白和纤维：自20世纪70年代末以来，国内外学者就开始对椎间盘中的胶原类型和分布进行研究，但仍存在争论。一般认为，髓核中的胶原蛋白80%为Ⅱ型胶原（图4－12），占髓核组织干重的15%～20%，并有少量Ⅰ、Ⅲ及Ⅸ型，均由脊索细胞和软骨样细胞表达，分布于纤维环内层和髓核，承受压力。Ⅲ型胶原含量很少，仅占总量的3%，分布于纤维环Ⅰ、Ⅱ型胶原移行区。

胶原原纤维交织成网格状，两端全部锚在软骨终板上，其上附着直径0．003～0．02μm吸水性很强的蛋白多糖颗粒。胚胎时期及不同年龄人的椎间盘内含有不同类型的胶原。西永明等对Ⅸ型胶原的mRNA在不同发育阶段椎间盘中表达的研究表明：胎儿时期椎间盘髓核中软骨样细胞和脊索细胞合成代谢旺盛，Ⅸ型胶原基因表达活跃，大量合成Ⅸ型胶原，这些胶原与Ⅱ型胶原和蛋白多糖相互作用，对新合成的Ⅱ型胶原纤维起黏附作用，同时调节其直径，完成椎间盘自身生长、发育和发挥髓核承受压力的正常生理功能。随着年龄的增长和椎间盘的退变，髓核内细胞数量减少，细胞表型由主要表达Ⅱ型和Ⅸ型胶原的成熟软骨细胞向表达Ⅰ、Ⅴ、Ⅹ型胶原的肥厚型软骨细胞转化，Ⅸ型胶原基因的表达趋于静止或减少，这种基因表达的变化，使髓核Ⅱ型胶原和蛋白多糖之间，Ⅱ型胶原纤维之间黏附能力下降而变得松散，纤维丝直径也发生改变，从而使得髓核的生物力学特性逐步发生变化。椎间盘发生病理变化时，胶原的数量和类型也会发生改变，在椎间盘轻度损伤时，Ⅱ型和Ⅸ型胶原的免疫反应似有增强，可能是自我修复的表现。在退变的髓核中，Ⅱ型胶原减少，并可见Ⅰ型胶原，退变重者，则整个椎间盘被Ⅰ型胶原及部分Ⅲ型胶原取代，表现为明显的纤维化。Nerlieh等在人退变的髓核中检测到Ⅹ型胶原，而Ⅹ型胶原是有丝分裂期后的骺软骨的特异性标记，提示Ⅹ型胶原的产生可能是细胞对不正常压力的反应，并可能在修复中起作用。Gan等研究证实兔的髓核细胞主要产生聚合的蛋白多糖和Ⅱ型胶原，也可见CD44和少量的碱性磷酸酶，CD44是细胞表面的一种糖蛋白，可能在介导基质中蛋白多糖的聚合时发挥作用；研究还表明兔髓核无Ⅹ型胶原，这种差异可能是物种特异性或髓核尚未退变的表现。不同节段的椎间盘发生进行性退变时，Ⅲ型和Ⅵ型胶原明显增加，而Ⅴ型胶原的染色反应变化甚微。

图4－12　髓核内的胶原纤维（自胡有谷）×20 000

弹性纤维形状不规则，与胶原原纤维交错排列，弹性纤维网主要罩在髓核表面，与软骨终板相连接，使髓核具有一定的形状、较固定的位置，富于弹性且有很强的吸收振荡及抗压的能力。

②基质：包括蛋白多糖（proteoglycan）、水分和无机盐等。蛋白多糖由蛋白质和糖胺多糖（glycosaminoglycan）结合而成。蛋白质包括连接蛋白和核心蛋白，糖胺多糖包括透明质酸、硫酸软骨素、硫酸角质素、硫酸乙酰肝素和肝素等。蛋白多糖以透明质酸为中心形成一种稳定的蛋白多糖聚合体（蛋白聚糖），髓核中含量较多。Alini等报道每100mg正常牛的纤维环组织内蛋白多糖的含量为0．6～0．8mg，而髓核内的含量为3．1～4．7mg，约为纤维环的5～6倍。透明质酸是一种长链大分子（2．5μm），其他糖胺多糖则与核心蛋白相连，构成的蛋白多糖亚单位呈毛刷样结构，它的一端再借助连接蛋白与透明质酸结合在一起，上述各种成分形成一个三维的胶体系统，使髓核呈胶冻状而富有弹性。蛋白多糖聚合体上结合着许多亲水基团，能结合大量水分子，形成细胞外的“储水库”。正常髓核的含水量为80%～88%，成年后，随增龄含水量逐渐减少。髓核内水的含量呈日周期改变，晚间比晨起时水分要少，因而椎间盘的厚度下降，平均每个椎间盘厚度变化为0．68mm，这是正常人一日之间身高变化的主要原因。

近来有实验显示，退变髓核的再生也是可能的。Takuji等发现周期性机械张力、许多细胞因子，可促进髓核细胞增殖。另外，还有动物实验显示原本间隙狭窄的大鼠经数月机械应力刺激后，椎间盘获得接近正常的高度，这表示适度的机械刺激可改善基质的营养代谢，促进基质生物大分子的合成，这些均为预防和治疗腰椎间盘髓核退变提供了新的思路。

2．纤维环　纤维环由呈同心圆排列的纤维软骨板黏合而成，新鲜时呈乳白色不透明，环绕着髓核，呈现明显的分层结构。软骨板间有软骨细胞和多种细胞间质成分。

（1）细胞：纤维环内的细胞为软骨细胞，分布于纤维束之间。常单独散在、成对或呈单行排列。细胞一般为卵圆形，有的呈扁平形，细胞所在的部位称软骨陷窝，陷窝周围含较多的硫酸软骨素，嗜碱性较强，称软骨囊。软骨囊的形成及间质中纤维和基质的合成见软骨终板部分。软骨细胞的电镜结构与透明软骨细胞相似。软骨细胞具有合成纤维和基质的功能。

（2）细胞间质：包括胶原纤维束、蛋白多糖、少量弹性纤维及其他基质成分。

纤维环内的纤维束粗大，12层左右纤维软骨板呈同心圆排列，每层软骨板厚200～400μm，相邻板层纤维交叉，其间有50°～60°夹角，板内的胶原纤维相互平行呈螺旋走向，排列紧密构成板层束（lamellar bundles），纤维的两端分别固定在软骨终板中。椎间盘前部纤维环的板层束比后部强大，而且后中部往往不完整，这是髓核易在此处突出的组织学基础。根据纤维软骨板的结构，可将纤维环分为内、中、外三层，层间无明显的界限。由内至外软骨板的致密程度逐渐升高，无定型基质成分逐渐减少。纤维环中的胶原纤维直径为10～15μm。构成胶原纤维的胶原原纤维，直径为0．1～0．2μm，电镜下可见明显的横纹，I带（明带）宽40nm，A带（暗带）宽45nm。虽然纤维环中的胶原有7种，但主要为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型胶原，其中80%为Ⅰ型胶原，耐受张力及应力。胶原的大体分布外2/3以Ⅰ型胶原为主，内1/3则主要是Ⅱ型胶原。李书忠等采用聚丙烯酰胺凝胶电泳及梯度层析的方法研究证实，纤维环外层以Ⅰ型胶原为主，占61．5%，向内Ⅱ型胶原渐多，至纤维环与髓核移行区，则以Ⅱ型胶原为主，占70．6%。Roberts于1991年从鼠、羊、牛及不同年龄正常人的椎间盘中分离出了Ⅲ型胶原，并定位在细胞周围，认为该胶原组成软骨囊及细胞外基质，参与维持细胞周围微环境的稳定。在胶原纤维之间有少量环形、纵行及斜行排列的弹性纤维，外形呈菱形。儿童及成年人以弹性纤维为主，新生儿期以微原纤维为主，它们与胶原纤维相连接编织成网，赋予纤维环以可靠而适宜的张力。纤维束之间的无定形基质成分很少，含水量也很少，故很坚韧。

Trout使用放射自显影技术研究成年和未成年动物的椎间盘，发现纤维环与髓核之间存在着新陈代谢活跃区，称为过渡区（transitional zone），认为此区为髓核的生长板，是髓核更新和改建的结构基础。纤维环的前侧和两侧较厚，后侧较薄，大多只有内层软骨板，在某些病理情况下，纤维环内层破裂而表层尚完整，因髓核内压力较大，使椎间盘局限性向外突出而形成椎间盘膨隆。不同节段的纤维环及同一纤维环的不同部位，胶原的含量不同。一般认为高位比低位含量高。Adams发现高位腰椎间盘较低位者胶原含量高2倍，并认为是低位椎间盘易退变和损伤的原因之一。

纤维环的周围可见数层成纤维细胞，细胞呈椭圆形或长梭形，层内细胞长轴平行，层间细胞长轴相互垂直，这种细胞的排列方式决定了纤维的排列方式。成纤维细胞的功能与软骨细胞相同。

3．软骨终板　软骨终板的组织学结构为典型的透明软骨。软骨组织内有许多微小空隙，渗透性能很好，有利于椎体与椎间盘之间代谢物质的交流，在沟通纤维环、髓核与软骨下骨组织之间的物质交换中起半透膜的作用。软骨终板由软骨细胞和细胞间质组成。

（1）软骨细胞：软骨细胞被包埋于与其形态相似的基质小腔内，该小腔称为软骨陷窝（cartilage lacuna），陷窝周围的基质中含较多的硫酸软骨素和纤细的纤维网，嗜碱性较强，在HE染色的标本上呈紫蓝色，称软骨囊，厚1～3μm。软骨囊除维持细胞微环境稳定外，还在软骨遭受机械压力和张力的情况下，对软骨细胞有显著的保护作用。活的软骨细胞几乎充满陷窝，软骨经常规制片过程处理，细胞收缩变小，呈不规则形，软骨细胞与软骨囊之间出现较大的间隙。位于椎间盘周围的软骨终板较厚，此处的软骨细胞近椎体侧较远椎体侧胞体大，近似圆形，胞质弱嗜碱性，并可见一个软骨囊内有2个以上细胞（同源细胞群）的现象；细胞核较小，常居偏心位，有一个或数个核仁。电镜下，细胞表面有突起和皱褶；胞质内含丰富的线粒体、粗面内质网和发达的高尔基复合体，还有一些糖原和脂滴（图4－13）。

静止的软骨细胞缺乏粗面内质网和高尔基复合体，糖原和脂滴增多。胎儿及生长旺盛的软骨终板内细胞含量丰富，可见大量分裂的细胞，细胞核较圆，核内常染色质多，异染色质少，故着色较浅；电镜观察，细胞质内细胞器丰富，可见丰富的粗面内质网及大量液泡（内可能为蛋白质），脂滴少，高尔基复合体增大，成熟面的大泡内可见颗粒状和细丝状分泌物；核电子密度低，核质比例较小。在青壮年细胞也较多，除少量分裂细胞外，多数软骨细胞呈椭圆形或梭形，有较多的突起；细胞器以粗面内质网为多，可见少量液泡，细胞核椭圆形，核内异染色质增多，电子密度增高，核质比变大。

软骨细胞可合成和分泌间质中的蛋白多糖和各种胶原。胶原和其他蛋白质在软骨细胞的粗面内质网上合成，基质中的糖胺多糖在高尔基复合体中装配和硫化。利用放射自显影技术跟踪观察蛋白质的分泌过程发现：将氚标记的脯氨酸注射于软骨形成旺盛的动物体内后10min，即可在粗面内质网内检测到，在高尔基复合体内停留约30min，2～3h出现在软骨细胞周边的分泌泡内，随后便出现在细胞外基质中。

图4－13　软骨细胞超微结构模式图

（2）细胞间质：主要由胶原原纤维和大量基质组成。间质呈凝胶状半固体状态，具有一定的硬度和弹性。

①胶原及纤维：胶原是细胞间质的重要组成部分，以Ⅱ型胶原含量最多，占间质的40%，并构成直径为15～45nm的胶原原纤维，呈交织状分布于基质内，因其细小且与软骨基质的折光率相近，故在光镜下难以辨别，电镜下可见模糊的横纹。软骨囊基质内不含或仅含少量原纤维，且硫酸软骨素多，故嗜碱性明显。除Ⅱ型胶原外，还含有其他类型微量胶原，包括Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ型胶原等。已知软骨细胞周围Ⅵ和Ⅸ型胶原较多；成年前肥大的软骨细胞分泌Ⅹ型胶原；Ⅸ型胶原位于胶原原纤维的交叉点上，对纤维网络起稳定作用；Ⅺ型胶原分布于Ⅱ型胶原周围，可能在Ⅱ型胶原的装配过程中起调节作用。

在初步观察椎间盘各部的纤维构成时，选用显示胶原、网状和弹性纤维的三联染色法，能很好地显示3种不同的纤维。各部胶原的代谢受胶原酶及其他溶酶体酶的调节，酶的活性主要受周围环境的影响。局部适宜的pH使软骨细胞的功能、胶原的代谢及更新保持动态平衡，以维持胶原的正常数量、形态和功能。

②软骨基质：主要成分是蛋白多糖和大量的水。蛋白多糖的浓度很高，多糖部分主要是酸性糖氨多糖（glycosaminoglycans，GAG），包括透明质酸分子、硫酸软骨素、硫酸角质素及硫酸肝素，以硫酸软骨素A、C含量最高。它们以透明质酸为主干，借核心蛋白与透明质酸相连，构成的三维结构称“分子筛”（图4－14）。

“分子筛”再与Ⅱ型胶原原纤维网结合在一起。由于GAG都含有丰富的带负电荷的羧基和硫酸基，它们相互排斥，使蛋白多糖分子扩展到最大容积，从而有足够多的间隙容纳大量水分子，使水的量占到基质湿重的约75%。水分子一部分位于蛋白多糖的网眼内，另一部分则通过氢与GAG的负电荷相结合。这种结构形式，使软骨既有一定的弹性，又保证了营养物质随组织液渗透过基质，为软骨细胞提供营养并带走代谢产物。根据软骨终板的形态结构及其理化性质，其主要功能可归纳为三点：其一，作为髓核的水、营养物质等的代谢通路；其二，将纤维环与髓核限制在一定的解剖部位；其三，保护椎体，避免因受压而影响椎体的结构和功能。

椎间盘组成复杂，结构缜密，但其特殊的位置、周围环境及其重要功能，决定了它与临床的密切关系。因此，进一步研究椎间盘的组织学结构，仍是一项重要内容。

图4－14　透明软骨基质蛋白多糖分子构筑模式图