椎间盘的营养通路

椎间盘是人体内最大的无血管结构，其营养代谢途径与机体其他组织有明显的不同。对椎间盘营养通路的观察始于20世纪60年代，经若干年的研究，已取得了很大进展。

1．营养代谢通路

（1）椎间盘内血管的变迁：在胚胎早期，血管进入椎间盘内，与脊索平行走行。在胎儿和婴儿期，与身体其他生长软骨一样，可观察到终板软骨被有规则的血管营养管道穿透，儿童期这些管道逐渐消失，至18～25岁大多数血管实际上已消失。椎体内的血管穿透软骨盘后与来自骨膜的血管形成吻合弓。这些血管沿着椎体缘进入椎间盘，每隔一定距离向髓核方向发出分支，故呈放射状排列。在血管完全退变闭锁时，这些软骨往往被瘢痕组织或钙化环所替代。Rudert采用组织化学和免疫组织化学的方法对不同年龄人的椎间盘血管构筑研究结果发现：各年龄组纤维环周围的结缔组织内均发现血管和淋巴管，在20岁组纤维环中也看到了血管和淋巴管，7岁组的软骨终板中能观察到血管，各年龄组的髓核中既无血管也无淋巴管。无疑胚胎及儿童时期椎间盘营养物质的来源渠道多，营养状况良好，细胞代谢功能旺盛。但由于椎间盘内血管退变缩闭较早，人18岁以后的营养及代谢物质的排出，主要是通过软骨终板弥散和纤维环弥散。

（2）软骨终板弥散：软骨终板平均厚度仅1mm，边缘较厚中心区菲薄，并有许多微孔，这种结构决定了它的屏障功能和营养的中介作用。椎骨骨髓腔中的血窦进入软骨终板界面，这里与血管丰富的骨松质密切相连，并有血管芽及髓腔间隙，许多物质扩散到椎间盘，营养纤维环内层及髓核，构成了椎间盘获得营养物质的主要途径。

Nachemson（1988）发现，边缘的软骨终板较厚，椎体血窦与软骨之间无直接沟通，该结构占整个终板面积的7%～10%。其余部分，特别是中央椎体骨髓腔血窦与软骨终板间有直接接触，说明终板中央部位的通透性强。Urban给狗注射四环素，所取材料在荧光显微镜下也观察到了这一现象。软骨终板周围部分的渗透率较中央部分为低，不同节段的血液供应也不相同，采用放射性微球技术测定猪椎间盘的血液循环发现，颈椎的血供最丰富，腰椎较差。毛细血管穿过软骨下骨板的腔隙，在骨—软骨交界处形成的血管襻的密度和完整性随年龄的增长而逐渐减少，在不同物种之间也有很大差别。吕刚等在电镜下观察兔软骨终板内具有由椎体骨髓腔发出的血管芽分支交织缠绕形成的微血管襻，三维结构显示：终板的髓核区血管扩张膨大，交织缠绕的襻样结构表面积较小；外层纤维环区终板内无血管芽，而血管芽的表面积与软骨终板的渗透力呈正相关。一方面，这些毛细血管的内皮似存在一种特殊物质，可根据外部信号的反应来调节血流量大小；另一方面，随着椎间盘中心和周边细胞周围的氧浓度和pH值的变化，椎间盘自主地进行营养的摄取和代谢物的排泄。

软骨终板具有选择性通透作用，小的无电荷的溶质，如氧、氨基酸和水等可以自由通过，而阴离子则部分通透。随着溶质分子量的增加，空间立体结构的增大，通透性逐渐降低，软骨终板对线形分子通过的阻挡作用较球形分子明显。髓核的代谢在很大程度上取决于软骨终板的通透性，软骨终板因骨折、破裂或钙化等因素引起其营养通路受阻，甚至能阻碍小分子溶质的通过，这样将不仅会直接导致椎间盘因营养供给不足而出现退化、钙化，而且会使代谢产物集聚于椎间盘内，特别是乳酸浓度升高，可激活椎间盘内的某些酶，导致基质破坏，细胞代谢障碍甚至死亡。由于终板硬化或软骨终板钙化，染料通过终板的量在退变椎间盘中明显减少。这些研究表明，终板钙化限制了营养成分的通过。但是，这是由终板钙化引起椎间盘退变，还是由椎间盘退变后终板理化环境的改变引起钙化，还不明确。

终板损伤、脊柱侧弯和有害的力学环境均可影响毛细血管床的结构和多孔性，进而影响椎间盘的营养供给。椎体本身的血液循环同样会影响营养成分向椎间盘内的扩散。吸烟过多与腰背痛有一定的相关性，其原因不甚明确，可能的原因是：①吸烟导致的严重咳嗽，使椎间盘及椎管内压升高；②香烟内某些化学物质可使全身血管内皮收缩，血管通透性降低，血管壁缺氧致椎间盘的营养日趋恶化，局部代谢能力减弱。总之，吸烟导致的微血管收缩，不但影响终板的微环境，也阻止乳酸等代谢产物的排出。

（3）经纤维环弥散：纤维环表面的血管构成纤维环通路，营养纤维环外层。纤维环外侧的结缔组织及纤维环中的小血管及淋巴管，为纤维环提供营养物质。虽然，椎间盘经纤维环周围的血液供给途径的报道较少，然而，纤维环周围区域，尤其在儿童期，却显示了较好的血管化。在婴儿期，毛细血管可穿过纤维环，随后逐渐消失，仅在椎间盘外层1～2mm处遗留一些细小的毛细血管和淋巴管。Brodin给兔注射荧光染料30s后处死取材，观察染料在椎间盘的分布，发现纤维环染料主要集中在外层，由外及内染色浓度逐渐下降，在纤维环与髓核交界处，无荧光染料出现，说明纤维环营养途径对内层纤维环和髓核的营养小到忽略不计。Holm（1988）用电极测量犬椎间盘纤维环的氧浓度，发现外层纤维环氧浓度随电极刺入的深度而减小，但与距软骨终板的距离无明显关系，提示外层纤维环的营养主要来源于表层血管。内层纤维环显示了完全相反的结果，其氧浓度取决于电极与软骨终板之间的距离，距软骨终板近者氧浓度高，说明该部纤维环的营养主要依靠终板途径提供。有人认为，由于内、外层纤维环的营养供应来自两个不同的途径，从而使两者交界处易发生营养障碍，组织结构容易退变，这也从另一个方面解释了椎间盘发生损伤断裂最先出现纤维环内、外层交界处的病理现象。

据观察，二足鼠（bipedalrats）软骨终板内血管的数量明显减少，说明异常的压力引起椎体循环紊乱，从而影响了椎间盘的营养通路。局部微环境的变化亦使与代谢有关的酶活性发生改变，如胶原酶及酸性磷酸酶活性增强，碱性磷酸酶活性下降，结果使胶原降解加速，胶原的修复能力降低。髓核中蛋白多糖含量下降，硫酸软骨素减少，硫酸角质素成比例升高，吸水能力下降，髓核体积缩小失去弹性。Pavlov用Chinchilla兔制作椎间盘供血不足模型，在缺血3个月后即发现脊索细胞死亡，而髓核周围的纤维细胞活性增强，产生大量的胶原，髓核最终被纤维代替而硬化。因此，椎间盘的形态及正常功能的维持与局部营养状况有着密切的关系。

2．影响椎间盘营养的其他因素

（1）细胞外基质的理化性质：营养成分通过基质的转运速度，受基质属性和溶质的理化性质两方面的影响。基质中的蛋白多糖聚合体以透明质酸为中心，形成的多微孔结构上结合着许多亲水基团构成的细胞外“储水库”，为物质的溶解和运输提供了最佳条件。其中的微孔可允许低浓度的大分子（如生长因子、蛋白酶抑制剂等）自由通过基质进入细胞，其余的分子甚至葡萄糖均受到一定的影响。电荷效应提高了小分子阳离子的通透性，如Na＋的通透性与基质内的蛋白聚糖浓度成正比，而阴离子如Cl一和硫酸盐则只是选择性通透。由于髓核内蛋白聚糖的浓度高于外纤维环的浓度，因此大的溶质分子和阴离子电荷能较容易地进入。由于椎间盘基质的多聚阴离子特性，故阳离子穿透能力比阴离子强，例如阴离子抗生素如青霉素、头孢呋辛很难有效地进入椎间盘，而阳离子抗生素如氨基糖苷类可有效地进入，这对临床治疗有重要意义。

（2）细胞代谢微环境：椎间盘为细胞提供能量的主要形式是糖酵解，椎间盘以较高的比例消耗葡萄糖并产生乳酸，故充足的葡萄糖是维持椎间盘细胞活性所必需的。如果葡萄糖浓度低于0．5mmol/L持续数天，椎间盘细胞就开始死亡。正常情况椎间盘中心是低氧、低葡萄糖和高乳酸浓度环境，退变的椎间盘内酸性代谢产物浓度更高，如果酸性环境不能得到改善，这种低pH（＜6．4）环境会影响细胞的活性，造成细胞基质的合成减少而蛋白酶合成不受影响，因此，可导致基质的过度降解。近来细胞培养实验表明，虽然髓核细胞可忍受低氧浓度，但功能活跃的细胞也消耗大量的氧，而产生少量的CO2，不过现在还不确定椎间盘细胞的多少能量是由氧化所提供的。营养成分的渗透速度和在椎间盘中的浓度，取决于溶质通过弥散进入组织的浓度和被消耗浓度之间平衡的调节。如硫酸盐和葡萄糖有同样的分子量和弥散度，它们能以同样的比例弥散通过基质，然而椎间盘细胞内葡萄糖是细胞能源的主要来源，其单位组织的消耗量是硫酸盐的10～100倍，故葡萄糖浓度可以快速下降，促使相对多量的葡萄糖通过弥散而进入细胞；硫酸盐是蛋白聚糖的主要成分，消耗相对较少，因此弥散也相对较慢。随年龄增长，椎间隙变窄，降低了椎间盘水分压力调节的能力，加之血管的退行性变，是椎间盘的物质交换受阻的另一因素。

营养成分的弥散也同时受细胞密度的调节，细胞数量越多，营养需求就越多。如前所述，整个椎间盘的细胞密度很不均匀，在邻近纤维环处，较易获得足够的营养，因此细胞密度较高，而越往中心，则细胞数量越快速下降，可见营养物质质和量的差别与细胞数量互为因果关系。营养不良乃至失去营养支持的细胞会死亡，在脊柱侧弯的病例中观察到了因软骨终板的钙化而导致细胞死亡的现象。

（3）体育锻炼与应力：椎间盘营养状况与椎间盘的应力及体育活动有关。正常应力有利于椎间盘的营养，但应力过高则是导致椎间盘变性的重要因素。临床上，椎间盘低应力环境主要见于脊柱内固定和融合术后。手术范围内的椎间盘处于低应力状态，从营养代谢的角度考虑，过低的应力环境可能导致椎间盘退变。由于椎间盘的营养主要由被动扩散而来，故融合节段内椎间盘的营养供应并无明显减少，但这时椎间盘细胞代谢明显下降，表现为：①氧张力升高4～6倍；②髓核水含量从80%降至65%，提示糖胺多糖的合成减少影响了基质的储水能力。

体育锻炼有利于椎间盘的营养，每周4～5d，每天30min中等强度体育活动即可满足椎间盘的营养需求。有人观察，短期锻炼（6h）对营养输送无明显影响，而3个月以上的长期锻炼则明显增加硫酸盐和氧的输送比例，这可能与椎体和椎间盘界面微循环的改善或再塑有关。体育锻炼使椎间盘处于某种“优化”力学环境中，在适当的高应力作用下，椎间盘细胞代谢水平提高，有氧氧化加强，乳酸浓度下降。推拿疗法可造成脊柱局部力学环境的改变。侯筱魁指出，脊柱推拿不仅可以松解粘连、调整神经根的位置缓解症状，而且，可以改善局部循环，加强组织营养，促进病变修复。另一个低应力环境的例子是，宇航员在太空停留一段时间后椎间盘高度增大，这种零重力环境下椎间盘营养途径的变化及其意义有待进一步研究，该项研究将有重要的生物学和临床意义。

椎体融合对邻近椎间盘营养输送尽管无明显影响，但会明显减少细胞的活性。由于不正常应力的出现，软骨终板内细胞间的信息和物质交流障碍，细胞功能紊乱，使基质成分发生改变，从而导致软骨终板逐渐变薄，中年以后可出现裂隙，甚至破裂。随年龄增长软骨终板血管关闭，加之而后发生的渗透功能减退，细胞代谢障碍在所难免，蛋白多糖含量减少，终板逐渐钙化，基质代谢失衡，影响代谢产物的排出，出现不同程度的退变，这些改变与整个椎间盘的负荷传递不均匀，发生应力改变互为因果。

（4）人体姿势：人体姿势对椎间盘内部液体的流动、氧气的弥散及营养物质输送有重要影响，这对高分子量代谢物质的运输尤其重要。可以弥散到椎间盘某一区域的代谢物质的量与弥散路径的长度有关，也即到达椎间盘表面或椎体血管的最近距离。与站位相比，屈曲姿势可以拉伸后侧纤维环达到50%，压迫前侧纤维环达到30%。屈曲增加了椎间盘内部的应力，同时使得后侧纤维环变薄，并增加其表面积，因此从承载负荷的椎间盘排出的水分就增加。当负荷去除时，高负荷下排出的液体将回流，并带入代谢物质。屈曲和伸展倾向于在前后纤维环分别产生最高压力，因此姿势的改变就会移动椎间盘内最大压力的位置，从而促进椎间盘内液体的流动。为了维持组织体积的恒定，前后侧纤维环的厚度（即弥散路径的长度）必须相应地增加或减少，屈曲缩短了后侧纤维环的弥散路径的长度。据研究，屈曲可以增加代谢物质弥散进入后侧内层纤维环。因为弥散是一个物理过程，故在活体椎间盘内也可发生这种弥散，弥散入活体椎间盘内的代谢物质的评估与标本实验的评估一致。屈曲的有益作用可以与后侧纤维环拉伸而致表面积增加相配合，这样很多代谢物质就会渗入到后侧内层纤维环。屈曲也可以导致增厚的前侧纤维环代谢物质弥散的相应降低，这是椎间盘退变的最后一个区域。