软骨终板钙化在椎间盘退变过程中的作用机理
作者：彭宝淦 贾连顺 施杞 沈培芝
单位：彭宝淦(解放军第304医院骨科，北京 100037)；贾连顺(上海长征医院骨科 200003)；施杞(上海长征医院骨科 200003)；沈培芝(上海中医药大学骨伤所)
关键词：椎间盘；退变；软骨终板；钙化
中国矫形外科杂志000215
摘 要：目的：研究椎体软骨终板钙化在椎间盘退变过程中的作用。方法：20只新西兰兔随机分为造模与对照组2组，每组再分3个月和8个月2个观察亚组。切除造模组动物颈棘上、棘间韧带及分离颈椎后旁两侧肌肉，造成颈椎力学上的失衡而诱导兔颈椎间盘退行性改变。在术后3个月和8个月时分别处死动物，取颈椎间盘组织，行病理学检查在形态学上评定颈椎间盘退变程度，测定不同退变程度椎间盘软骨终板钙化层厚度。结果：退变程度较轻或基本正常的颈椎间盘，软骨终板结构良好，潮标清晰；退变程度较重的颈椎间盘，软骨终板发生明显纤维化，潮标前移，钙化软骨和软骨下骨板增厚。软骨终板钙化层厚度与椎间盘退变程度呈非常明显的相关性。结论：颈椎软骨终板的不断钙化和骨化导致颈椎间盘营养发生障碍可能是启动颈椎间盘退变的关键因素。
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分类号：R681.55 文献标识码：A
文章编号：1005-8478(2000)02-0147-04
Study on the Mechanism of Cartilage End-plate Calcification on Dise Degeneration
PENG Bao-gan,JIA Lian-shun,SHI Qi,et al.
(Department of Orthopaedics,Changzheng Hospital,The Secondary Military Medical University,Shnaghai,200003)
Abstract：Objective:To study the mechanism of the cartilage end-plate calcification on intervertebral disc degeneration.Methods:In experiment,20 white New Zealand rabbits were used and divided into two groups:control group and model group.Each group consisted of two subgroup:3 months group and 8 months group.An experimental model of the cervical disc degeneration in the rabbits was established by resection of the cervical supraspinous and interspinous ligaments and detachment of the posterior paravertebral muscles from the cervical vertebrae.Mechanical instability in the cervical spine elicited by this surgical intervention accelerated the process of intervertebral disc degeneration.The degrees of intervertebral disc degeneration were graded in morphology;and the thickness of the calcified layer of the cartilage end-plate was measured in each degenerated cervical disc.Results:In less severely degenerative cervical disc,morphology of cartilage end-plate showed nearly normal construction,and tidemark was clear.In severely degenerative disc,its matrix and cells showed fibrosis,tidemark advanced forwardly,and calcified cartilage thickened.There exists a positive correlation between the thickness of the calcified layer of the cartilage end-plate and the degree in cervical disl coninues to calcify and ossify result in of the cervical disc degeneration.Conclusion:The cartilage end-plate and the degree of the cervical disc degeneration.nutrition supply impediment,which is key factor that initiates cervical disc degeneration.
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Key words：Intervertebral disc Degeneration Cartilage end-plate Calcification▲
以前的研究已经表明，无血管的椎间盘营养主要通过软骨终板中心部位扩散，而软骨终板的渗透能力是随年龄增大而逐渐降低的。Bernick等[1]通过研究人类从出生到老年的腰椎标本发现，软骨终板随年龄增大逐渐发生钙化。终板的钙化妨碍了营养物质进入椎间盘，导致椎间盘退变。目前还不清楚软骨终板的渗透能力下降是由于物理或化学因素或由于软骨下骨组织血供的改变所引起。以前还没有一项研究从形态学上表明终板钙化厚度与椎间盘退变程度的对应关系。本研究利用自制的颈椎间盘退变动物模型[2]，动态观察软骨终板各层次，尤其观察钙化层厚度与椎间盘退变的关系，为进一步研究椎间盘退变机理提供客观依据。
1 材料与方法
1.1 动物及分组 实验选用20只6～10个月龄新西兰兔，体重2.5～3.0kg,雌雄不分。将动物随机分为造模与对照组2组，每组再分为3个月和8个月观察组2个亚组，每个亚组5只动物。
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1.2 造模方法[2] 将实验动物颈后部剪毛及清洁后，氯胺酮0.1g/kg肌注麻醉，俯卧固定于手术台上，消毒铺巾，从环枕关节至第2胸椎棘突处切开长约7～8cm皮肤后，钝性分离，暴露棘突。将附着于棘突、椎板及小关节的肌肉全部分离开，然后切除C1～C7的棘上及棘间韧带，依次缝合各层组织。术后让动物在笼中自由活动。对照组动物切开皮肤，不作肌肉分离及韧带切除。在术后3个月和8个月时，分别作颈椎X线正侧位摄片，分别处死对应组动物，完整取下包含上下椎体的C4～5和C5～6椎间盘。标本经10%中性甲醛固定，用Jenkins固定脱钙液脱钙，再经乙醇逐渐脱水，石蜡包埋切片，HE染色，在OlympusBH-2生物显微镜下观察每个正中矢状面椎间盘。
1.3 观察指标 (1)椎间盘退变程度分级：选取每个动物C4～5和C5～6椎间盘正中矢状切片，根据Thompson法[3]，对颈椎间盘退变程度作分级评定。(2)关节软骨钙化层厚度测定：测定每个椎体头、尾侧关节软骨正中矢状位中心部位的钙化层与非钙化层厚度，均数行t检验。
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2 结 果
2.1 颈椎间盘退变的组织学表现[2] 对照组术后3个月动物颈椎间盘显示正常的组织结构。椎间盘由外周规则排列的纤维环和中央大的髓核组成。造模组术后3个月动物颈椎间盘出现轻度退变表现，纤维环前缘软骨组织增生，排列轻度不规则，髓核偏向后方。对照组术后8个月兔颈椎间盘的组织学表现与造模组术后3个月基本相似，髓核皱缩，纤维环出现裂隙。造模组术后8个月动物颈椎间盘出现明显的退行性变化，纤维环完全纤维化，髓核消失，椎体前后缘骨赘形成。各组颈椎间盘退变程度分级见表1。
表1 各组椎间盘退变程度分级及百分比 分级
对照组
术后3月
对照组
术后8月
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造模组
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2.2 颈椎关节软骨的组织学表现 对照组术后3个月动物关节软骨层由一薄层透明软骨组成，与继发性骨化中心相连接的透明软骨钙化，潮标(tidemark)清晰可见，钙化的关节软骨极薄，钙化软骨与骨髓腔直接接触或与一薄层骨板相邻，钙化的软骨下分布有大量粗大血管。对照组术后8个月动物关节软骨钙化层及非钙化层均增厚，潮标前移，但透明组织结构清晰，细胞排列有序，软骨陷窝存在(见图1)。造模组术后3个月动物颈椎间盘退变程度与对照组术后8个月基本相似，关节软骨钙化厚度相当，但软骨下骨板增厚，血管明显减少。(4)造模组术后8个月动物关节软骨钙化层明显增厚，潮标明显增厚模糊，整个关节软骨层结构紊乱，细胞和基质发生明显纤维化，软骨陷窝消失，细胞核固缩、碎裂、溶解(见图2)。
图1 8月对照组动物C4～5椎间盘NP与AC交界处，钙化层增厚，潮标前移。(箭头示潮标，NP为髓核，MS为髓腔，B为继发性骨化中心，AC为关节软骨，下同，HE×200)
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图2 8月造模组动物AC钙化层明显增厚，潮标前移、增粗和模糊，关节软骨基质纤维化，细胞核固缩、碎裂、溶解。(HE×400)
2.3 关节软骨钙化层厚度测定
测定每组10个椎间盘20个正中矢状面头、尾测关节软骨与髓核中心交界处的钙化层厚度。由于潮标呈波浪型，取每个视野钙化层的最大与最小值的平均值作为钙化层厚度。结果表明对照组术后3个月和8个月动物颈椎间盘关节软骨钙化层厚度分别为22μm±7μm和35μm±13μm，统计学上有非常显著性差异(P>0.01)。造模组术后3个月和8个月动物颈椎间盘关节软骨钙化层厚度分别为36μm±8μm和61μm±21μm，统计学上有非常显著性差异(P<0.01)。造模组术后3个月与对照组术后8个月动物颈椎间盘关节软骨钙化层厚度相当，统计学上无差异(P>0.05)。对比椎间盘退变程度分级与关节软骨各层厚度测定可以表明：(1)随着增龄，椎间盘老化退变，关节软骨钙化层厚度明显增加。(2)关节软骨钙化层厚度与椎间盘退变程度呈高度正相关(r=0.98)。
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3 讨 论
3.1 软骨终板钙化的机制 正常椎间盘由外周规则排列的纤维环和中央髓核组成，软骨板分为生长软骨和关节软骨，其生长软骨对应于生长期长骨的生长板，关节软骨则为成年期的软骨终板[1]。对长骨关节软骨的研究已经表明，钙化软骨前沿(calcification front)—潮标终生存在，它不是处于一种静止状态，一直以缓慢速度向非钙化层进展，进行软骨内骨化[4]。我们现在的研究发现，椎体关节软骨内软骨内成骨方式与长骨关节软骨是一致的。随着增龄与退变，软骨终板不断钙化与骨化，骨组织不断取代软骨组织，骨性终板增厚导致椎间盘营养的障碍而发生退变；退变椎间盘涵水量减少，使髓核变小，纤维环松弛，这必然使纤维环作用于软骨终板的应力发生明显增加。根据Wolf定律，在负荷传导和支持中起关键作用的关节末端软骨钙化层有必要使潮标前移增加厚度，以软骨内骨化的方式进行骨塑形，以适应生理功能的需要。关节软骨基底层软骨细胞具有终生连续发生软骨内骨化的潜能。应力的增加导致软骨终板不断钙化和骨化。Anderson等[5]的研究表明，关节软骨最基层剪切力增加，导致潮标前移，钙化层和软骨下骨板增厚，非钙化层变薄。
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椎体软骨终板不断钙化和骨化的过程实际上是关节软骨中潮标不断进展的过程。潮标前移的控制是一非常复杂的过程，目前所知甚少。现有的来自于关节软骨的研究资料显示[4]，潮标附近的软骨细胞产生促进矿化的物质；产生细胞外基质囊泡的部位是羟基磷灰石沉积的部位；一些能增加局部钙和磷浓度的酶可促进钙化；一些因子可调节矿化晶体的大小和方向等。另一些因子能对钙化产生抑制作用，如蛋白多糖、ATP和焦磷酸盐等。潮标部位含有大量的软骨细胞，在潮标前移的过程中这些软骨细胞呈现非常活跃的功能状态，而在一般的组织学检查中，不易见到。上述研究说明潮标处于一种动力学平衡状态。
3.2 软骨终板钙化在椎间盘退变中的作用 Roberts等[6]比较了椎体软骨终板与长骨关节软骨的生物化学组成与形态结构后发现，两者高度相似。我们通过切除兔颈棘上、棘间韧带及分离颈椎后旁两侧肌肉，造成颈椎力学上的失衡，经3～8个月时间后诱发了颈椎间盘的退变。颈椎负荷异常导致关节软骨层细胞和基质成分的绝对增加。我们的实验结果也表明了这一点。造模组术后8个月动物由于长期颈椎的异常负荷，其关节软骨钙化层较造模组术后3个月动物明显增厚。
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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赖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排除。在上述三个变化中，软骨终板钙化的影响尤为重要，因为椎间盘营养通过软骨终板中央部位的弥散是其主要供应途径。Bernick等[1]通过研究狨猴和人不同年龄的椎体软骨终板后发现，从成年后随年龄增加，椎体关节软骨层逐渐钙化。Roberts等[6]认为营养物质与代谢废物通过终板转运的最重要因素是钙化软骨的厚度和完整性以及软骨下血管的数量、大小和与终板直接比邻的骨髓腔多少。Nachemson等表明钙化软骨是溶质转运的不可通透性屏障[6]。Higuchi等[7]对不同年龄的小鼠椎间盘组织学研究后发现，小鼠终板外区深层的钙化发生于出生后1周，这可导致髓核和终板表层软骨营养物质和水分的弥散发生困难。而髓核的退变发生于出生后的8周，这明显迟于软骨的钙化。最近，Nerlich等[8]研究发现，人类在2岁时椎间盘软骨终板就已开始退变，而髓核的退变在10岁以后。以前的电镜研究表明，髓核细胞包含不太丰富的粗面内织网和高尔基复合体，它们合成丰富的髓核基质中的蛋白多糖颗粒似乎是不可能的，终板软骨细胞正好与髓核细胞相反。组织化学研究也证明，髓核基质包含的氨基多糖和胶原与终板相似。Higuchi等[8]因此推测终板软骨细胞合成髓核基质物质，软骨的钙化减少了终板为髓核产生粘多糖，从而使髓核涵水能力降低，导致椎间盘进一步退变。Oda等[9]研究了从新生至老年的人类颈椎间盘后发现，髓核与终板交界处的细胞活力最强，进而推测髓核细胞起源于终板软骨细胞表层。只要软骨终板保持良好状态，髓核就可再生，终板的退变最终导致髓核的退变，而终板退变的标志是软骨内钙化。我们的研究中也观察到这一点，在基本正常的颈椎间盘，关节软骨细胞排列有序，基质显示正常形态，髓核与关节软骨交界处的基质和细胞结构良好。在退变严重的颈椎间盘，关节软骨层完全纤维化，细胞核固缩、溶解，而此阶段的髓核也发生纤维化，髓核细胞形态与关节软骨细胞相似。
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我们通过比较椎间盘退变程度与钙化关节软骨厚度发现，两者呈高度一致性，即关节软骨钙化层越厚，椎间盘退变越严重。本实验提示在椎间盘退变过程中，关节软骨的不断钙化和骨化导致椎间盘营养发生障碍可能是启动椎间盘退变的关键因素。■
作者简介：彭宝淦(1964-)，男，江苏东台人，主治医师，博士后。研究方向：脊柱外科的基础与临床。电话：(010)66867304-867154
参考文献：
[1]Bernick S,Caillet R.Vertebral end-plate changes with aging of human vertebrae [J]. Spine,1982,7:97～102.
[2]彭宝淦，施杞，沈培芝，等.一个新的实验性颈椎病动物模型[J].中国中医骨伤科杂志，1996，4(5)：10～12.
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[3]Thompson JP,Pearce RH,Schechter MT,et al.Preliminary evaluation of a scheme for grading the gross morphology of the human intervertebral disc[J].Spine,1990,15:411～415.
[4]Bullough PG,Jagannath A.The morphology of the calcification front in articular cartilage:Its significance in joint function [J].J Bone Joint Surg(Br),1983,65:72～78.
[5]Anderson DD,Brown TD,Radin EL.The influence of basal cartilage calcification on dynamic juxtaarticular stress transmission [J].Clin Orthop,1993,286:298～307.
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[6]Roberts S, Menage J, Urban JPG. Biochemical and struc-
tural properties of the cartilage end-plate and its relation to the intervertebral disc[J]. Spine,1989,14:166～174.
[7]Higuchi M,Kaneda K,Abe K.Postnatal histogenesis of the cartilage plate of the spinal column:Electron microscopic observations [J].Spine,1982,7:89～96.
[8]Nerlich AG,Schleicher ED,Boos N.Immunohistologic mar-
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kers for age-related changes of human lumbar intervertebr-
al discs[J].Spine,1997,22:2781～2795.
[9]Oda J, Tanaka H, Tsuzuki N. Intervertebral disc changes with aging of human cervical vertebra[J].Spine,1988,13:1205～1211.
收稿日期：1999-05-10
修回日期：1999-07-30, 百拇医药
单位：彭宝淦(解放军第304医院骨科，北京 100037)；贾连顺(上海长征医院骨科 200003)；施杞(上海长征医院骨科 200003)；沈培芝(上海中医药大学骨伤所)
关键词：椎间盘；退变；软骨终板；钙化
中国矫形外科杂志000215
摘 要：目的：研究椎体软骨终板钙化在椎间盘退变过程中的作用。方法：20只新西兰兔随机分为造模与对照组2组，每组再分3个月和8个月2个观察亚组。切除造模组动物颈棘上、棘间韧带及分离颈椎后旁两侧肌肉，造成颈椎力学上的失衡而诱导兔颈椎间盘退行性改变。在术后3个月和8个月时分别处死动物，取颈椎间盘组织，行病理学检查在形态学上评定颈椎间盘退变程度，测定不同退变程度椎间盘软骨终板钙化层厚度。结果：退变程度较轻或基本正常的颈椎间盘，软骨终板结构良好，潮标清晰；退变程度较重的颈椎间盘，软骨终板发生明显纤维化，潮标前移，钙化软骨和软骨下骨板增厚。软骨终板钙化层厚度与椎间盘退变程度呈非常明显的相关性。结论：颈椎软骨终板的不断钙化和骨化导致颈椎间盘营养发生障碍可能是启动颈椎间盘退变的关键因素。
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分类号：R681.55 文献标识码：A
文章编号：1005-8478(2000)02-0147-04
Study on the Mechanism of Cartilage End-plate Calcification on Dise Degeneration
PENG Bao-gan,JIA Lian-shun,SHI Qi,et al.
(Department of Orthopaedics,Changzheng Hospital,The Secondary Military Medical University,Shnaghai,200003)
Abstract：Objective:To study the mechanism of the cartilage end-plate calcification on intervertebral disc degeneration.Methods:In experiment,20 white New Zealand rabbits were used and divided into two groups:control group and model group.Each group consisted of two subgroup:3 months group and 8 months group.An experimental model of the cervical disc degeneration in the rabbits was established by resection of the cervical supraspinous and interspinous ligaments and detachment of the posterior paravertebral muscles from the cervical vertebrae.Mechanical instability in the cervical spine elicited by this surgical intervention accelerated the process of intervertebral disc degeneration.The degrees of intervertebral disc degeneration were graded in morphology;and the thickness of the calcified layer of the cartilage end-plate was measured in each degenerated cervical disc.Results:In less severely degenerative cervical disc,morphology of cartilage end-plate showed nearly normal construction,and tidemark was clear.In severely degenerative disc,its matrix and cells showed fibrosis,tidemark advanced forwardly,and calcified cartilage thickened.There exists a positive correlation between the thickness of the calcified layer of the cartilage end-plate and the degree in cervical disl coninues to calcify and ossify result in of the cervical disc degeneration.Conclusion:The cartilage end-plate and the degree of the cervical disc degeneration.nutrition supply impediment,which is key factor that initiates cervical disc degeneration.
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Key words：Intervertebral disc Degeneration Cartilage end-plate Calcification▲
以前的研究已经表明，无血管的椎间盘营养主要通过软骨终板中心部位扩散，而软骨终板的渗透能力是随年龄增大而逐渐降低的。Bernick等[1]通过研究人类从出生到老年的腰椎标本发现，软骨终板随年龄增大逐渐发生钙化。终板的钙化妨碍了营养物质进入椎间盘，导致椎间盘退变。目前还不清楚软骨终板的渗透能力下降是由于物理或化学因素或由于软骨下骨组织血供的改变所引起。以前还没有一项研究从形态学上表明终板钙化厚度与椎间盘退变程度的对应关系。本研究利用自制的颈椎间盘退变动物模型[2]，动态观察软骨终板各层次，尤其观察钙化层厚度与椎间盘退变的关系，为进一步研究椎间盘退变机理提供客观依据。
1 材料与方法
1.1 动物及分组 实验选用20只6～10个月龄新西兰兔，体重2.5～3.0kg,雌雄不分。将动物随机分为造模与对照组2组，每组再分为3个月和8个月观察组2个亚组，每个亚组5只动物。
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1.2 造模方法[2] 将实验动物颈后部剪毛及清洁后，氯胺酮0.1g/kg肌注麻醉，俯卧固定于手术台上，消毒铺巾，从环枕关节至第2胸椎棘突处切开长约7～8cm皮肤后，钝性分离，暴露棘突。将附着于棘突、椎板及小关节的肌肉全部分离开，然后切除C1～C7的棘上及棘间韧带，依次缝合各层组织。术后让动物在笼中自由活动。对照组动物切开皮肤，不作肌肉分离及韧带切除。在术后3个月和8个月时，分别作颈椎X线正侧位摄片，分别处死对应组动物，完整取下包含上下椎体的C4～5和C5～6椎间盘。标本经10%中性甲醛固定，用Jenkins固定脱钙液脱钙，再经乙醇逐渐脱水，石蜡包埋切片，HE染色，在OlympusBH-2生物显微镜下观察每个正中矢状面椎间盘。
1.3 观察指标 (1)椎间盘退变程度分级：选取每个动物C4～5和C5～6椎间盘正中矢状切片，根据Thompson法[3]，对颈椎间盘退变程度作分级评定。(2)关节软骨钙化层厚度测定：测定每个椎体头、尾侧关节软骨正中矢状位中心部位的钙化层与非钙化层厚度，均数行t检验。
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2 结 果
2.1 颈椎间盘退变的组织学表现[2] 对照组术后3个月动物颈椎间盘显示正常的组织结构。椎间盘由外周规则排列的纤维环和中央大的髓核组成。造模组术后3个月动物颈椎间盘出现轻度退变表现，纤维环前缘软骨组织增生，排列轻度不规则，髓核偏向后方。对照组术后8个月兔颈椎间盘的组织学表现与造模组术后3个月基本相似，髓核皱缩，纤维环出现裂隙。造模组术后8个月动物颈椎间盘出现明显的退行性变化，纤维环完全纤维化，髓核消失，椎体前后缘骨赘形成。各组颈椎间盘退变程度分级见表1。
表1 各组椎间盘退变程度分级及百分比 分级
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2.2 颈椎关节软骨的组织学表现 对照组术后3个月动物关节软骨层由一薄层透明软骨组成，与继发性骨化中心相连接的透明软骨钙化，潮标(tidemark)清晰可见，钙化的关节软骨极薄，钙化软骨与骨髓腔直接接触或与一薄层骨板相邻，钙化的软骨下分布有大量粗大血管。对照组术后8个月动物关节软骨钙化层及非钙化层均增厚，潮标前移，但透明组织结构清晰，细胞排列有序，软骨陷窝存在(见图1)。造模组术后3个月动物颈椎间盘退变程度与对照组术后8个月基本相似，关节软骨钙化厚度相当，但软骨下骨板增厚，血管明显减少。(4)造模组术后8个月动物关节软骨钙化层明显增厚，潮标明显增厚模糊，整个关节软骨层结构紊乱，细胞和基质发生明显纤维化，软骨陷窝消失，细胞核固缩、碎裂、溶解(见图2)。
图1 8月对照组动物C4～5椎间盘NP与AC交界处，钙化层增厚，潮标前移。(箭头示潮标，NP为髓核，MS为髓腔，B为继发性骨化中心，AC为关节软骨，下同，HE×200)
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图2 8月造模组动物AC钙化层明显增厚，潮标前移、增粗和模糊，关节软骨基质纤维化，细胞核固缩、碎裂、溶解。(HE×400)
2.3 关节软骨钙化层厚度测定
测定每组10个椎间盘20个正中矢状面头、尾测关节软骨与髓核中心交界处的钙化层厚度。由于潮标呈波浪型，取每个视野钙化层的最大与最小值的平均值作为钙化层厚度。结果表明对照组术后3个月和8个月动物颈椎间盘关节软骨钙化层厚度分别为22μm±7μm和35μm±13μm，统计学上有非常显著性差异(P>0.01)。造模组术后3个月和8个月动物颈椎间盘关节软骨钙化层厚度分别为36μm±8μm和61μm±21μm，统计学上有非常显著性差异(P<0.01)。造模组术后3个月与对照组术后8个月动物颈椎间盘关节软骨钙化层厚度相当，统计学上无差异(P>0.05)。对比椎间盘退变程度分级与关节软骨各层厚度测定可以表明：(1)随着增龄，椎间盘老化退变，关节软骨钙化层厚度明显增加。(2)关节软骨钙化层厚度与椎间盘退变程度呈高度正相关(r=0.98)。
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3 讨 论
3.1 软骨终板钙化的机制 正常椎间盘由外周规则排列的纤维环和中央髓核组成，软骨板分为生长软骨和关节软骨，其生长软骨对应于生长期长骨的生长板，关节软骨则为成年期的软骨终板[1]。对长骨关节软骨的研究已经表明，钙化软骨前沿(calcification front)—潮标终生存在，它不是处于一种静止状态，一直以缓慢速度向非钙化层进展，进行软骨内骨化[4]。我们现在的研究发现，椎体关节软骨内软骨内成骨方式与长骨关节软骨是一致的。随着增龄与退变，软骨终板不断钙化与骨化，骨组织不断取代软骨组织，骨性终板增厚导致椎间盘营养的障碍而发生退变；退变椎间盘涵水量减少，使髓核变小，纤维环松弛，这必然使纤维环作用于软骨终板的应力发生明显增加。根据Wolf定律，在负荷传导和支持中起关键作用的关节末端软骨钙化层有必要使潮标前移增加厚度，以软骨内骨化的方式进行骨塑形，以适应生理功能的需要。关节软骨基底层软骨细胞具有终生连续发生软骨内骨化的潜能。应力的增加导致软骨终板不断钙化和骨化。Anderson等[5]的研究表明，关节软骨最基层剪切力增加，导致潮标前移，钙化层和软骨下骨板增厚，非钙化层变薄。
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椎体软骨终板不断钙化和骨化的过程实际上是关节软骨中潮标不断进展的过程。潮标前移的控制是一非常复杂的过程，目前所知甚少。现有的来自于关节软骨的研究资料显示[4]，潮标附近的软骨细胞产生促进矿化的物质；产生细胞外基质囊泡的部位是羟基磷灰石沉积的部位；一些能增加局部钙和磷浓度的酶可促进钙化；一些因子可调节矿化晶体的大小和方向等。另一些因子能对钙化产生抑制作用，如蛋白多糖、ATP和焦磷酸盐等。潮标部位含有大量的软骨细胞，在潮标前移的过程中这些软骨细胞呈现非常活跃的功能状态，而在一般的组织学检查中，不易见到。上述研究说明潮标处于一种动力学平衡状态。
3.2 软骨终板钙化在椎间盘退变中的作用 Roberts等[6]比较了椎体软骨终板与长骨关节软骨的生物化学组成与形态结构后发现，两者高度相似。我们通过切除兔颈棘上、棘间韧带及分离颈椎后旁两侧肌肉，造成颈椎力学上的失衡，经3～8个月时间后诱发了颈椎间盘的退变。颈椎负荷异常导致关节软骨层细胞和基质成分的绝对增加。我们的实验结果也表明了这一点。造模组术后8个月动物由于长期颈椎的异常负荷，其关节软骨钙化层较造模组术后3个月动物明显增厚。
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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赖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排除。在上述三个变化中，软骨终板钙化的影响尤为重要，因为椎间盘营养通过软骨终板中央部位的弥散是其主要供应途径。Bernick等[1]通过研究狨猴和人不同年龄的椎体软骨终板后发现，从成年后随年龄增加，椎体关节软骨层逐渐钙化。Roberts等[6]认为营养物质与代谢废物通过终板转运的最重要因素是钙化软骨的厚度和完整性以及软骨下血管的数量、大小和与终板直接比邻的骨髓腔多少。Nachemson等表明钙化软骨是溶质转运的不可通透性屏障[6]。Higuchi等[7]对不同年龄的小鼠椎间盘组织学研究后发现，小鼠终板外区深层的钙化发生于出生后1周，这可导致髓核和终板表层软骨营养物质和水分的弥散发生困难。而髓核的退变发生于出生后的8周，这明显迟于软骨的钙化。最近，Nerlich等[8]研究发现，人类在2岁时椎间盘软骨终板就已开始退变，而髓核的退变在10岁以后。以前的电镜研究表明，髓核细胞包含不太丰富的粗面内织网和高尔基复合体，它们合成丰富的髓核基质中的蛋白多糖颗粒似乎是不可能的，终板软骨细胞正好与髓核细胞相反。组织化学研究也证明，髓核基质包含的氨基多糖和胶原与终板相似。Higuchi等[8]因此推测终板软骨细胞合成髓核基质物质，软骨的钙化减少了终板为髓核产生粘多糖，从而使髓核涵水能力降低，导致椎间盘进一步退变。Oda等[9]研究了从新生至老年的人类颈椎间盘后发现，髓核与终板交界处的细胞活力最强，进而推测髓核细胞起源于终板软骨细胞表层。只要软骨终板保持良好状态，髓核就可再生，终板的退变最终导致髓核的退变，而终板退变的标志是软骨内钙化。我们的研究中也观察到这一点，在基本正常的颈椎间盘，关节软骨细胞排列有序，基质显示正常形态，髓核与关节软骨交界处的基质和细胞结构良好。在退变严重的颈椎间盘，关节软骨层完全纤维化，细胞核固缩、溶解，而此阶段的髓核也发生纤维化，髓核细胞形态与关节软骨细胞相似。
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我们通过比较椎间盘退变程度与钙化关节软骨厚度发现，两者呈高度一致性，即关节软骨钙化层越厚，椎间盘退变越严重。本实验提示在椎间盘退变过程中，关节软骨的不断钙化和骨化导致椎间盘营养发生障碍可能是启动椎间盘退变的关键因素。■
作者简介：彭宝淦(1964-)，男，江苏东台人，主治医师，博士后。研究方向：脊柱外科的基础与临床。电话：(010)66867304-867154
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收稿日期：1999-05-10
修回日期：1999-07-30, 百拇医药