应力作用胶原的变化

胶原蛋白是结缔组织中重要的蛋白大分子，为椎间盘的主要组织成分和结构单位，构成椎间盘的框架。胶原纤维作为脊柱包括椎间盘在内的大多数结缔组织的主要结构单位，在椎间盘内形成网架，细胞蛋白多糖等生化成分则整合于这些网架结构中。椎间盘胶原纤维的高度排列使组织具有高度的抗张强度和基本无伸展性，不同方位的排列使组织具有韧性，使其在脊椎中发挥连接作用奠定了良好的结构基础。

椎间盘由四周纤维环、中心的髓核及上下软骨终板组成。纤维环由胶原纤维层组成，层内胶原纤维平行排列，层间纤维相互交叉，相邻两层纤维与椎间盘平面的夹角为30°，纤维环外层纤维相连接，而内层纤维则在形态上向软骨终板过渡；因此，外层纤维受到的张力较内层纤维大，承受纵向压力较强，易于受到扭转应力的作用而撕裂。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。髓核为胶冻状物质，包含软骨细胞和胶原纤维网结构，含丰富的蛋白多糖与水分，故具有较好的弹性与膨胀性。上下软骨终板的透明软骨厚约1．0mm，为椎间盘水分、营养物质代谢产物交换的通路，同时具有纵向应力传导功能。软骨板由透明软骨组成，其胶原纤维排列与关节软骨相似。

正常人的椎间盘含有Ⅰ型和Ⅱ型胶原，其中纤维环含有40%的Ⅰ型胶原和60%的Ⅱ型胶原；髓核主要为Ⅱ型胶原。经X线衍射发现，Ⅱ型胶原纤维间隙大于Ⅰ型胶原，这一现象与水含量增加有关，提示高水含量的Ⅱ型胶原纤维可更有效地变形，吸收压力。正常椎间盘髓核呈流体静压状态，椎间盘内压（intradiscal pressure，IDP）为轴间压载荷的1．3～1．5倍，当外载荷达2 000N之前，椎间盘内压与外载荷呈线性关系，垂直应力约为外载荷的50%，切向应力与张力却达外载荷的4～5倍。通过活体椎间盘内压测量发现，受脊柱周围肌肉及韧带的作用，各种姿势和动作，椎间盘内压力有显著差异。站立位时椎间盘内压是平卧位时的4倍，坐位时为站立位的1．4倍，站立前倾位是直立位的2．2倍等。

椎间盘内细胞合成基质的速度很慢，胶原和蛋白多糖的合成，在某种程度上受椎间盘所承受应力的控制，适合的应力刺激可促使基质成分合成增强，而应力丧失则软骨细胞合成基质成分减少，分解增多。Handa（1997）研究椎间盘内流体静压力对基质成分及基质金属蛋白酶的影响，将28例新鲜尸体椎间盘组织置于流体静压装置内，分别施以1、3、30个大气压持续2h，用放射性同位素标记法检查蛋白多糖（proteoglycan，PG）的含量，用ELISA法测量基质金属蛋白酶－3（matrix metalloproteinase，MMP－3）及基质金属蛋白酶阻滞剂－1（tissue inhibitor of metalloprotinases－1，TIMP－1）的含量。结果：3个大气压能刺激椎间盘髓核及纤维环内层纤维细胞合成蛋白多糖（PG）及TIMP－1，而1、30个大气压下抑制纤维环内层合成蛋白多糖，髓核内30个大气压时MMP－3合成显著增多、TIMP－1合成减少并抑制蛋白多糖合成，且降解增多。因此认为，流体静压影响椎间盘代谢。生理状态下的流体静压（3．0atm）是刺激蛋白多糖及TIMP合成，维持基质代谢所必须的；过大或过小（30atm，1．0atm）则有抑制蛋白多糖合成，增加MMPs合成降解椎间盘基质的作用。Ishihara（1996）对流体静压力为1～10MPa、持续20s或2h的人与牛的椎间盘对蛋白多糖合成的影响进行研究，发现纤维环内层及髓核给予1～7．5MPa的流体静压下仅20s，刺激蛋白多糖基质合成作用是正常大气压下持续作用2h的2倍。外科手术摘除的髓核组织，在2．5MPa流体静压的作用下刺激基质蛋白多糖合成，而7．5MPa则抑制蛋白多糖合成；同样压力下持续2h，没有刺激牛髓核合成蛋白多糖，但在5．0MPa下，则显著刺激基质合成。10．0MPa下无论持续20s还是2h均抑制蛋白多糖合成。由于外层纤维环不形成流体静压作用，椎间盘在1．0～10．0MPa压力下无任何反应。因此，适当的流体静压刺激椎间盘内的纤维环及髓核细胞合成蛋白多糖增多，过大的流体静压力则明显抑制基质合成作用。