椎间盘生物化学与生理功能的关系

椎间盘在脊柱众多功能中发挥着特殊的作用，它不但是椎体间的主要联系支持结构，而且起着保持脊柱高度，并使椎间产生一定活动度的作用，同时也是脊柱运动和吸收震荡的主要结构，起着弹性垫的作用，能够承受躯体的重力，将施加于脊柱的力吸收并重新分布。椎间盘能保护和控制脊柱的各种活动，具有平衡、缓冲外力的作用。此外，它维持着脊柱的生理曲度，维持人体的正常姿势。椎间盘生物化学与其生理功能关系密切，其生理功能各有特点：

髓核位于椎间盘的中央偏后，占椎间盘断面的50%～60%，不接触椎体，富有蛋白多糖、水和Ⅱ型胶原，具有较好的弹性和膨胀性。髓核为有孔弹性组织，为固体和流体的混合物。蛋白多糖水化后以凝胶状态填充在胶原纤维的网眼中，其分子体积可压缩至疏松状态的20%，产生一种抗压强度，使髓核具有弹性和膨胀性，维持髓核在压力作用下不被压缩，在承受突然外力时有吸收震荡作用。当椎间盘承受负荷解除后，蛋白多糖使椎间盘恢复原来体积。在承受外力时变扁平，流体静压均匀的向纤维环及软骨板各个方向传布，起吸收震荡的作用。在相邻椎骨间的运动中，髓核具有支点作用。脊柱垂直方向压力使椎间盘受到挤压，髓核在水平方向膨胀作用于纤维环，使纤维环亦产生相应的辐射膨胀。纤维环膨胀的产生是不同方向胶原纤维层间滑动旋转和弹性蛋白纤维向外膨胀弹性伸长的结果，外力得以缓冲。压力解除作用后，弹性蛋白收缩又使胶原纤维层反向旋转到原位，恢复椎间盘的初始状态。脊柱弯曲时，椎间盘一侧延伸，另一侧压缩，亦与胶原纤维层的滑动旋转和弹性蛋白纤维弹性伸长和回缩有关。因此椎间盘弹性蛋白纤维将不同方向排列的胶原纤维层形成束缚系统，形成一个自行限制的弹性容器包绕着髓核，与终板共同构成一个密闭的缓冲系统，完成震荡吸收作用。髓核在椎体和椎间盘之间起液体交换作用，其内部液体可借渗透压扩散至椎体。如白天由于劳动或体重压力髓核内液体外渗，夜间平卧时，液体又吸入髓核。所以，清晨起床时要比睡前高1．25cm左右。

纤维环主要由紧密分层的胶原纤维组成，并且按一定的规律排列，环绕髓核，形成一个紧密的束缚系统，维持髓核组织的位置和形状。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。髓核在受压力的情况下，可按压力大小而塑形，使其形态可轻度变扁，并将所受的压力均匀地分布于纤维环各部分，使纤维环纤维轻度延长。当脊柱突然承受外力时整个脊柱的纤维环均发生上述改变，外力即被纤维环吸收。纤维环的弹性可以消除由髓核传来的冲击，这种弹性机制是由纤维环的交叉排列所产生的。胶原纤维交叉排列的特点及本身具有的弹性，可消除髓核传来的冲击，发挥吸收震荡的作用。纤维环的强度及其在骺环软骨盘上附着点的坚实性，使上下椎体相连接，保持了脊椎在运动中的稳定性。纤维环是椎间盘最主要的维持负重的组织，但由于纤维环为同心层排列，各层纤维的方向又彼此交错，犹如肋间内外肌排列一样，故使椎间盘又有一定的活动，有利于在负重条件下完成脊柱的平衡功能。纤维环与软骨终板一起构成髓核的容器，不仅保持髓核组织的液体成分，还维持髓核组织的位置和形状，以发挥髓核的功能。纤维环内层纤维附着于软骨终板，而外层纤维则直接止于椎体的骨性部分。纤维环是脊柱椎体间活动的纽带，但在脊柱的前纵韧带和后纵韧带加强下，使脊柱的前屈、后伸、侧倾和旋转等运动又能得到制约。

软骨终板由透明软骨构成，位于椎体上、下面，其大小和形态与上、下向相连的椎体相当，厚约1mm，这种椎体上、下无血管软骨终板如同膝关节、髋关节的关节软骨，可以承受压力，保护椎体，防止椎体遭受压力而受损，只要软骨终板保持完整，椎体就不会因压力而发生吸收现象。但在静载荷作用下，椎体终板首先发生破坏，这说明终板是一个较为薄弱的结构。脊柱软骨终板破裂多发生于胸腰椎软骨板中部，髓核向椎体骨松质内突出，故形成Schmorl结节。完整无损的软骨终板是不会出现Schmorl结节的。椎体与椎间盘之间的液体、营养的交换，髓核代谢物质的传递都是通过软骨终板进行的。髓核的营养经软骨终板渗透，后者与椎体骨松质密切相连，其间无皮质骨相隔。椎体的骨松质有丰富的血供，尤其是软骨中板的中心部位渗透性更强，在人体活动和负重情况下，更有利于软骨终板弥散过程的完成，使椎体内的液体流出流进，营养物质和代谢产物顺利进行交换。软骨终板是椎间盘内水分、营养物质和代谢产物交换的通路。蛋白多糖水化后以凝胶状态填充在胶原纤维的网眼中，其分子体积可压缩至疏松状态的20%，产生一种抗压强度，使髓核具有弹性和膨胀性，维持髓核在压力作用下不被压缩，在承受突然外力时有吸收震荡作用。当椎间盘承受负荷解除后，蛋白多糖使椎间盘恢复原来体积。所以当直立位时髓核内压力加大，液体自髓核渗透出，卧位时，压力消除，肌肉张力减少，液体又经软骨终板渗透至髓核。软骨终板与纤维环一起固定髓核，使髓核发挥其功能。另外，椎间盘的弹性及张力取决于软骨终板的通透性和髓核的渗透性。椎间盘的吸液性如发生改变，不仅影响椎间盘的稳定性，而且可使椎间盘发生变性。在机体生长发育和老化过程中，椎间盘中央部位细胞和基质最关键的变化是营养供应减少。椎间盘细胞的营养物质依靠纤维环外周和椎体内血管通过基质弥散供应。在生长过程中，椎间盘体积增大、机体老化过程中供应椎间盘周围的动脉数量减少、软骨终板逐渐钙化，这些改变妨碍了营养物质的供应和废物的清除。有人研究认为正常椎间盘中除软骨终板含有少许活性蛋白酶外，在髓核和纤维环中并没有发现此酶的存在，此酶被软骨终板阻隔于椎体内，当软骨终板退变变薄时，此酶经软骨终板进入髓核和纤维环，使弹性蛋白降解，并分解蛋白多糖和胶原纤维，从而使椎间盘发生退变。在上述变化中，软骨终板钙化的影响尤为重要，因为椎间盘营养是通过软骨终板中央部位的弥散而摄取的。