正常椎间盘的胶原

胶原（collagen，Col）是人体内最丰富的一簇结构蛋白质，约占人体蛋白总量的1/3，为椎间盘的主要组织成分和结构单位，占椎间盘干重的1/2，构成椎间盘的框架。胶原的定量分布大多具有组织特异性。纤维环的胶原纤维呈同心圆状致密排列，层间纤维方向相交90°，使其具有高度弹性和基本无伸展性。髓核中胶原呈松散网状排列，构成髓核的框架，围绕髓核周围少量的胶原纤维形成束带，构成移行区。软骨板由透明软骨组成，其胶原纤维排列与关节软骨相似。

既往的研究已发现15种类型的胶原蛋白分子，其中5种在人体中含量丰富。脊柱主要有两种胶原，即Ⅰ型、Ⅱ型。Eyre和Muir（1976）首先利用溴化氢裂解、磷酸纤维素层析，发现了Ⅰ型、Ⅱ型胶原在椎间盘组织中的分布规律。Ⅰ型胶原主要集中在纤维环的外层，占椎间盘Ⅰ型胶原总量的40%。由外层向内层及髓核方向，Ⅰ型胶原逐渐减少，Ⅱ型胶原含量逐渐增多，髓核则主要含Ⅱ型胶原。

Ⅰ型胶原：分子结构型［α1（Ⅰ）］2α2，长约300nm，直径1．5nm。由1 050个左右的氨基酸构成，相对分子量为3×105。胶原分子由细胞粗面内质网的核蛋白合成，经过细胞内外的修饰，在细胞外聚合成胶原原纤维。有12～15个羟赖氨酸残基，由于亚氨酸的糖化作用弱，分子的水含量较低，能耐受强的张力和剪力，不耐受压力。直径1mm的Ⅰ型胶原纤维能够耐受20～40kg的张力。

Ⅱ型胶原：分子结构型由3条α1（Ⅱ）链构成，在氨基酸构成上与Ⅰ型胶原明显不同。Ⅱ型胶原分子中的羟赖氨酸残基含量达36～72个。这些亚氨基酸的意义在于其携带侧链和高糖化作用；羟赖氨酸侧链经糖化作用后产生二糖衍生物（葡萄糖基半乳糖羟赖氨酸）和单糖衍生物（半乳糖基羟赖氨酸）。糖化作用使水分子在亚氨基酸的侧链上聚集，使胶原更适于承受压力，髓核中Ⅱ型胶原的糖化羟赖氨酸占羟赖氨酸总量的60%～70%。故Ⅱ型胶原体积较Ⅰ型胶原体积大25%。氨基酸构成的不同，使Ⅱ型胶原与Ⅰ型胶原的功能不同；高羟化（水化）纤维更适于变型，能承受和吸收压力。

纤维环含Ⅰ型和Ⅱ型胶原，髓核中心含Ⅱ型胶原，没有发现Ⅰ型胶原存在，纤维环外层（1～4层）以Ⅰ型胶原为主，为61．5%，Ⅱ型为38．5%；由外向内Ⅰ型胶原逐渐移行为Ⅱ型胶原，至纤维环和髓核移行区（9～10层）则以Ⅱ型胶原为主，Ⅱ型胶原为70．6%，Ⅰ型为29．4%。纤维环胶原含量明显高于髓核，而且主要以Ⅰ型和Ⅱ型胶原为主，两者共同编织成粗的纤维束，赋予纤维环可靠的张力强度，共同构成椎间盘的框架，而髓核中胶原含量较少。髓核胶原其主要成分为Ⅱ型胶原，纤维较细，与其上附着的具有吸水特征的黏多糖蛋白形成复合体微粒（直径0．003～0．02μm），共同维持髓核容积和性质的稳定，使髓核具有承受压力、吸收震荡和弹性形变的能力。

使用溴化氢裂解、磷酸纤维素层析、电泳等方法，显示出Ⅰ型、Ⅱ型胶原在椎间盘组织中的分布规律呈明显特征性移行变化，即Ⅰ型胶原主要集中在纤维环的外层（1～4层），为61．5%，Ⅱ型为38．5%；由外层向内层及髓核方向，Ⅰ型胶原逐渐减少，Ⅱ型胶原逐渐增多，至纤维环和髓核移行区（9～10层）Ⅱ型胶原含量可达70．6%，而Ⅰ型仅为29．4%。髓核则主要含Ⅱ型胶原，至髓核中心只含Ⅱ型胶原，没有发现Ⅰ型胶原存在。

Ⅲ型胶原：分子结构型为α1（Ⅲ）3链构成，Ⅲ型胶原纤维呈纤细的网状，在正常椎间盘组织中可用免疫荧光方法观察到。Roberts（1991）使用4种Ⅲ型胶原的抗血清，对不同物种正常椎间盘组织，采用免疫组化方法染色，结果发现在椎间盘细胞的周围有Ⅲ型胶原的阳性染色。退变椎间盘Ⅲ型胶原的含量明显高于正常椎间盘，提示Ⅲ型胶原含量增多与椎间盘退变、创伤和修复有关。

椎间盘微量胶原类型：已证实，除含Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型胶原成分外，还含有Ⅳ、Ⅴ、Ⅸ、Ⅹ……等15种不同类型的胶原成分。Nerlich等（1997）对不同年龄组椎间盘组织进行光镜观察及免疫组织化学染色，发现年轻及成年人中椎间盘髓核周围基底膜上有Ⅳ及Ⅹ型胶原存在，基底膜的形成是髓核细胞在应力作用下细胞自身稳定的特征。Ⅹ型胶原由椎间盘肥大的软骨细胞合成，同样受生物力学因素的影响，它的出现预示髓核细胞类型的改变。Nerlich（1998）采用相同的方法发现，在正常髓核、纤维环内缘及软骨终板中存在Ⅳ型胶原。Ⅳ型胶原的存在可能与椎间盘退变相关。Roberts（1991）应用免疫定位技术发现Ⅵ型胶原位于椎间盘及软骨终板细胞旁，其功能尚不清楚。有学者认为：Ⅵ型胶原是Ⅰ、Ⅱ型胶原即间质胶原与软骨细胞之间传递信息的桥梁，可能是控制胶原纤维形成的重要因素；Ⅵ型胶原与椎间盘结构及功能的稳定性有关。这些胶原成分的变化与椎间盘细胞的代谢直接相关，是椎间盘细胞表型改变的标志。上述微量胶原成分尽管含量少，但它们在椎间盘基质胶原纤维的组织过程及椎间盘生物力学等方面发挥着重要作用。