引用本文： 王鵬, 周莊, 張恒, 田發明, 王文雅, 張柳. 椎體軟骨下骨與椎間盤退變. 中國修復重建外科雜志, 2015, 29(3): 377-380. doi: 10.7507/1002-1892.20150079 復制
椎體軟骨下骨是脊柱一個重要的解剖學結構，其通過軟骨終板與椎間盤相聯系，在維持脊柱和椎間盤的正常生理功能方面發揮重要作用；同時，椎體軟骨下骨組織形態和生物化學性質的改變與椎間盤退變有著密切聯系[1-2]。MRI相關研究表明，椎體軟骨下骨的Modic信號變化與非特異性慢性腰背痛有關[3]。本文通過總結椎體軟骨下骨解剖形態、微結構、組織病理學特征以及MRI成像特征，探討椎體軟骨下骨在維持椎間盤正常生理功能方面的作用以及與椎間盤退變之間的關系。
1 椎體軟骨下骨的解剖形態以及微結構
1.1 解剖形態
人脊柱的椎體終板由軟骨終板和軟骨下骨構成[4]。椎體軟骨下骨，又稱為骨性終板，是位于軟骨終板與椎體之間的帶有血管蒂骨皮質和骨小梁層的總稱[2, 4]。軟骨下骨區含有數量眾多的動脈和靜脈，其細小分支穿透軟骨下骨在骨-軟骨交界面相互盤繞，形成營養椎間盤的血管床[5]。
1.2 微結構
椎體軟骨下骨的微結構與厚度有區域性差異。Laffosse等[6]通過Micro-CT掃描測量了9只4月齡正常豬胸腰椎段軟骨下骨標本，發現同一椎體單位中，上位軟骨下骨的骨體積分數和骨小梁數量高于下位軟骨下骨，而骨小梁分離度較低；軟骨下骨中央部分的骨體積分數、骨小梁數量、骨小梁厚度和骨小梁各向異性度均高于外周部分，而骨小梁分離度較低；軟骨下骨的厚度與骨體積分數、骨小梁數量和各向異性度成負相關，與骨小梁分離度成正相關。Wang等[1]通過Micro-CT掃描測量48例年齡21～64歲的人尸體腰椎軟骨下骨標本發現，椎間盤上位椎體軟骨下骨厚于下位椎體，而且骨密度更高。
軟骨下骨骨小梁微結構的局部分布特征符合Wolff定律。當椎間盤運動或處于載荷狀態時，椎體終板的主要作用是吸收和重新分配這些應力，防止椎間盤髓核機械性侵入椎體[7]。由于軟骨終板中央部分比較薄弱，其吸收、傳遞和抵抗應力的功能相對較弱，所以與其相鄰的軟骨下骨中央部分承擔了較大壓力，造成該部位骨小梁密集程度較高。軟骨下骨外周部分承擔的壓力負荷呈同一方向且垂直于軟骨終板，因此此處的骨小梁排列規則，各向異性度較低；中央部分承擔的應力負荷是多個方向，造成此處骨小梁排列不規則，各向異性度較高。Grant等[8]發現軟骨下骨中央部分骨密度較外周部分高，但骨強度卻較低，可能與中央部分有較高的骨小梁各向異性度有關。然而，Keller等[9]發現位于髓核上方的軟骨下骨強度較纖維環上方的軟骨下骨約高25%，這可能與軟骨下骨中央部分骨小梁的三維結構有關。
2 椎體軟骨下骨功能
椎體軟骨下骨通過以下三方面來保證椎間盤的完整性與正常生理功能。
第一，椎體軟骨下骨作為連接硬骨和彈性椎間盤的橋梁，能抵抗髓核的液體靜水壓，防止高度水合的髓核侵入椎體內，避免許莫結節的形成；同時也能幫助分散附加于椎體上的軸向壓縮負荷，避免因受力過度而發生椎體壓縮性骨折[10]。在椎體壓縮過程中，椎間盤和椎體的破壞程度是由椎體軟骨下骨的完整性決定，而不是由椎間盤退變程度決定 [10]。
第二，椎體軟骨下骨對軟骨終板有機械力支撐作用，在緩沖震蕩中起重要襯墊作用，在維護軟骨終板形態上起著關鍵作用[11]。Jackman等[12]對軟骨終板在壓縮負荷下其撓度變化與鄰近軟骨下骨微結構之間的關系進行了研究，發現隨著軟骨下骨骨小梁數量、骨小梁密度以及骨體積分數的增加，軟骨終板撓度降低。而作用于軟骨終板上的壓縮負荷增加，會使終板撓度增加，造成鄰近軟骨下骨骨小梁塌陷，但此時軟骨終板基本完好[12-13]，提示軟骨下骨強度在終板撓度的變化與椎體骨折中發揮著重要作用。骨質疏松患者隨著年齡的增加和病情的發展，軟骨終板更凹陷，與軟骨下骨骨小梁密度的丟失有密切聯系[1]。而且軟骨終板的纖維附著于軟骨下骨骨小梁上，不僅可以傳遞應力以保護軟骨終板在過重負荷下免于損傷，而且還增加了軟骨下骨與軟骨終板的接觸面積，保證其營養供應[14]。
第三，軟骨下骨對椎間盤營養物質的運輸起著重要作用。一些小分子如氧氣、葡萄糖等可通過軟骨下骨處的血管進行擴散，穿透與骨髓相聯系的通道到達軟骨終板和椎間盤，保證其營養供應[15]。但是一些大分子如生長因子、蛋白酶及其抑制因子，因其擴散速率較低，所以主要通過對流運輸到達椎間盤[16]。對流運輸對椎間盤的營養和髓核的水合作用非常重要，軟骨下骨則在壓力誘導的對流運輸中起著關鍵作用[16]。
3 椎體軟骨下骨與椎間盤退變關系
3.1 椎體軟骨下骨的早期變化與椎間盤退變
椎體軟骨下骨通過軟骨終板與椎間盤緊密聯系，在椎間盤生物力學失衡早期，軟骨下骨會受到影響。有研究表明，椎間盤退變早期可觀察到軟骨下骨發生變化[17]。當椎間盤發生退變或生物力學失衡時，椎體軟骨下骨是椎體終板中發生骨微結構變化的主要部位[18]。Ziran等[19]對不同年齡的自發性椎間盤退變沙鼠模型進行組織學和X線評估，發現早期椎間盤退變與椎體軟骨下骨的反應有關。組織學觀察示，椎體軟骨下骨骨體積和骨密度增加；X線片觀察示，隨著中央和周邊骨小梁數目的增加，椎體軟骨下骨邊緣硬化。他們認為椎體軟骨下骨的這些變化發生于椎間盤退變之前，而且會加速椎間盤退變。
3.2 椎體軟骨下骨厚度變化與椎間盤退變
椎體軟骨下骨厚度變化與椎間盤退變有密切關系，而且軟骨下骨厚度增加程度與椎間盤退變程度成正相關[1]。椎體軟骨下骨厚度增加可能是由于骨重塑和骨小梁增厚造成，在此基礎上可導致軟骨下骨血竇縮小，進而影響椎間盤營養運輸，最終造成椎間盤退變[20]。同時椎體軟骨下骨骨重塑也會改變脊柱內的載荷[21]，造成軟骨下骨硬化，椎間隙變窄，加速椎間盤退變。
3.3 椎體軟骨下骨的病理狀態與椎間盤退變
在病理環境下，椎體軟骨下骨會發生變化。早期研究表明，椎體軟骨下骨組織學變化，如軟骨下骨破壞和裂縫、骨小梁變厚、破骨細胞與成骨細胞數量增多，造成的骨重塑、正常骨髓組織血管化以及軟骨下骨MRI的變化與椎間盤退變性疾病密切相關[22]。在椎間盤退變性疾病中，X線片顯示軟骨下骨硬化或骨贅形成，MRI顯示椎體軟骨下骨Modic信號變化[22]。最近研究表明，局部促炎性介質的增加，包括IL-6、IL-8、前列腺素E2，以及表達TNF-α的細胞增加，均與椎體軟骨下骨變化有關[23-24]，尤其是IL-1a和基質金屬蛋白酶3與軟骨下骨的變化有密切聯系[25]。
椎體軟骨下骨Modic信號變化，尤其是Mod icⅠ型信號變化，與慢性下腰痛有密切關系[26]。椎體軟骨下骨ModicⅠ型信號的變化表明椎間盤退變性疾病處于活躍期[27]，由于局部促炎性介質的增加，包括IL-6、 IL-8、前列腺素E2和TNF-α，會引起椎體軟骨下骨炎性水腫[28]。此時椎體軟骨下骨有肉芽組織長入，纖維血管組織替代了增厚的骨小梁間骨髓，這一改變是炎癥修復作用的表現。對于慢性下腰痛患者，存在椎體軟骨下骨ModicⅠ型信號變化者的部分臨床炎性癥狀，如晨僵、早晚疼痛、血清中高敏感性C-反應蛋白水平增高等，較軟骨下骨無ModicⅠ型信號變化者嚴重[29-30]。ModicⅡ型信號變化表明椎體軟骨下骨有大量脂肪細胞沉積，出現黃骨髓；Modic Ⅲ型信號變化表明椎體軟骨下骨發生硬化，雖然此期不常見，但在X線下也能發現廣泛軟骨下骨硬化，提示椎間盤退變處于晚期階段[22]。
3.4 椎體軟骨下骨營養功能與椎間盤退變
軟骨下血管對溶質分子的擴散是小溶質分子運輸到椎間盤的主要機制[15]。椎體軟骨下骨硬化會影響軟骨下血管床的構成，軟骨下骨通透性減弱，從而影響椎間盤營養物質的運輸和代謝產物的排出[31]，椎間盤營養匱乏及代謝產物（如乳酸）濃度局部升高，會影響髓核細胞的功能，從而引起椎間盤退變。同時椎體軟骨下骨硬化也會影響椎間盤大分子營養物質，如一些激素和酶類的對流運輸，限制椎間盤內的液體交換，造成椎間盤內髓核的過度膨脹，引起椎間盤退變，也可引起下腰痛[16]。在椎間盤退變過程中，軟骨下骨硬化程度增加[22]，穿透軟骨下骨的血管通道減少，口徑變小[15]。這種血管通道的改變進一步影響了營養物質的擴散和代謝產物的排出，從而加速了椎間盤退變。然而，Rodriguez等[32]對椎間盤退變過程中椎體終板的通透率進行了研究，發現隨著椎間盤的退變，軟骨下骨孔隙率增加，認為軟骨下骨硬化未阻礙椎間盤營養物質的運輸進而引起椎間盤退變。出現以上兩種相反觀點的原因可能與軟骨下骨在椎間盤退變過程中發生硬化的部位有關，即在椎間盤退變過程中，軟骨下骨前部和后部骨量增加，中央區域幾乎不發生變化[33]，所以軟骨下骨主要在邊緣發生硬化[19, 34]。有研究表明，軟骨下骨邊緣部分的硬化不會影響椎間盤主要的營養途徑[35]；而在椎間盤退變過程中，軟骨下骨孔隙率增加主要表現在中央部分[32]，會使椎間盤主要營養途徑更通暢。在椎間盤退變過程中軟骨下骨孔隙率的增加可能是對椎間盤組織在退變過程中的一種積極修復，也可能是對髓核滲透壓降低的一種適應，但也可能形成許莫結節。許莫結節的形成與椎間盤退變性疾病（如下腰痛）有密切聯系[36]。Zhao等[37]提出了一種假設，即ModicⅢ型信號變化與許莫結節的形成是同一病理變化。如果能夠證明這種假設成立，那么將會為治療椎間盤退變性疾病提供新的治療方法。
4 小結與展望
雖然椎體軟骨下骨在椎間盤退變發病機制中的作用尚不完全清楚，但是軟骨下骨與椎體、軟骨終板以及椎間盤之間的解剖關系決定了其特殊作用。在外部異常因素作用下，軟骨下骨代謝加強、骨重塑加快所致的軟骨下骨增厚、密度增高和硬化，可能是引起椎間盤退變的始發因素。通過對椎體軟骨下骨的研究有助于揭示椎間盤退變的發病機制，尋找在椎間盤退變發生早期即進行修復治療的途徑。另外，MRI是一種檢測軟骨下骨病理改變的敏感手段，通過MRI對軟骨下骨進行Modic分型對治療椎間盤退變性疾病有著重要意義。因此，未來可以嘗試將椎體軟骨下骨列為治療椎間盤退變的靶目標，通過改善椎體軟骨下骨的炎性病理狀態、維持椎體軟骨下骨結構的完整和調節椎體軟骨下骨骨代謝來延緩椎間盤退變，甚至將其治愈。
椎體軟骨下骨是脊柱一個重要的解剖學結構，其通過軟骨終板與椎間盤相聯系，在維持脊柱和椎間盤的正常生理功能方面發揮重要作用；同時，椎體軟骨下骨組織形態和生物化學性質的改變與椎間盤退變有著密切聯系[1-2]。MRI相關研究表明，椎體軟骨下骨的Modic信號變化與非特異性慢性腰背痛有關[3]。本文通過總結椎體軟骨下骨解剖形態、微結構、組織病理學特征以及MRI成像特征，探討椎體軟骨下骨在維持椎間盤正常生理功能方面的作用以及與椎間盤退變之間的關系。
1 椎體軟骨下骨的解剖形態以及微結構
1.1 解剖形態
人脊柱的椎體終板由軟骨終板和軟骨下骨構成[4]。椎體軟骨下骨，又稱為骨性終板，是位于軟骨終板與椎體之間的帶有血管蒂骨皮質和骨小梁層的總稱[2, 4]。軟骨下骨區含有數量眾多的動脈和靜脈，其細小分支穿透軟骨下骨在骨-軟骨交界面相互盤繞，形成營養椎間盤的血管床[5]。
1.2 微結構
椎體軟骨下骨的微結構與厚度有區域性差異。Laffosse等[6]通過Micro-CT掃描測量了9只4月齡正常豬胸腰椎段軟骨下骨標本，發現同一椎體單位中，上位軟骨下骨的骨體積分數和骨小梁數量高于下位軟骨下骨，而骨小梁分離度較低；軟骨下骨中央部分的骨體積分數、骨小梁數量、骨小梁厚度和骨小梁各向異性度均高于外周部分，而骨小梁分離度較低；軟骨下骨的厚度與骨體積分數、骨小梁數量和各向異性度成負相關，與骨小梁分離度成正相關。Wang等[1]通過Micro-CT掃描測量48例年齡21～64歲的人尸體腰椎軟骨下骨標本發現，椎間盤上位椎體軟骨下骨厚于下位椎體，而且骨密度更高。
軟骨下骨骨小梁微結構的局部分布特征符合Wolff定律。當椎間盤運動或處于載荷狀態時，椎體終板的主要作用是吸收和重新分配這些應力，防止椎間盤髓核機械性侵入椎體[7]。由于軟骨終板中央部分比較薄弱，其吸收、傳遞和抵抗應力的功能相對較弱，所以與其相鄰的軟骨下骨中央部分承擔了較大壓力，造成該部位骨小梁密集程度較高。軟骨下骨外周部分承擔的壓力負荷呈同一方向且垂直于軟骨終板，因此此處的骨小梁排列規則，各向異性度較低；中央部分承擔的應力負荷是多個方向，造成此處骨小梁排列不規則，各向異性度較高。Grant等[8]發現軟骨下骨中央部分骨密度較外周部分高，但骨強度卻較低，可能與中央部分有較高的骨小梁各向異性度有關。然而，Keller等[9]發現位于髓核上方的軟骨下骨強度較纖維環上方的軟骨下骨約高25%，這可能與軟骨下骨中央部分骨小梁的三維結構有關。
2 椎體軟骨下骨功能
椎體軟骨下骨通過以下三方面來保證椎間盤的完整性與正常生理功能。
第一，椎體軟骨下骨作為連接硬骨和彈性椎間盤的橋梁，能抵抗髓核的液體靜水壓，防止高度水合的髓核侵入椎體內，避免許莫結節的形成；同時也能幫助分散附加于椎體上的軸向壓縮負荷，避免因受力過度而發生椎體壓縮性骨折[10]。在椎體壓縮過程中，椎間盤和椎體的破壞程度是由椎體軟骨下骨的完整性決定，而不是由椎間盤退變程度決定 [10]。
第二，椎體軟骨下骨對軟骨終板有機械力支撐作用，在緩沖震蕩中起重要襯墊作用，在維護軟骨終板形態上起著關鍵作用[11]。Jackman等[12]對軟骨終板在壓縮負荷下其撓度變化與鄰近軟骨下骨微結構之間的關系進行了研究，發現隨著軟骨下骨骨小梁數量、骨小梁密度以及骨體積分數的增加，軟骨終板撓度降低。而作用于軟骨終板上的壓縮負荷增加，會使終板撓度增加，造成鄰近軟骨下骨骨小梁塌陷，但此時軟骨終板基本完好[12-13]，提示軟骨下骨強度在終板撓度的變化與椎體骨折中發揮著重要作用。骨質疏松患者隨著年齡的增加和病情的發展，軟骨終板更凹陷，與軟骨下骨骨小梁密度的丟失有密切聯系[1]。而且軟骨終板的纖維附著于軟骨下骨骨小梁上，不僅可以傳遞應力以保護軟骨終板在過重負荷下免于損傷，而且還增加了軟骨下骨與軟骨終板的接觸面積，保證其營養供應[14]。
第三，軟骨下骨對椎間盤營養物質的運輸起著重要作用。一些小分子如氧氣、葡萄糖等可通過軟骨下骨處的血管進行擴散，穿透與骨髓相聯系的通道到達軟骨終板和椎間盤，保證其營養供應[15]。但是一些大分子如生長因子、蛋白酶及其抑制因子，因其擴散速率較低，所以主要通過對流運輸到達椎間盤[16]。對流運輸對椎間盤的營養和髓核的水合作用非常重要，軟骨下骨則在壓力誘導的對流運輸中起著關鍵作用[16]。
3 椎體軟骨下骨與椎間盤退變關系
3.1 椎體軟骨下骨的早期變化與椎間盤退變
椎體軟骨下骨通過軟骨終板與椎間盤緊密聯系，在椎間盤生物力學失衡早期，軟骨下骨會受到影響。有研究表明，椎間盤退變早期可觀察到軟骨下骨發生變化[17]。當椎間盤發生退變或生物力學失衡時，椎體軟骨下骨是椎體終板中發生骨微結構變化的主要部位[18]。Ziran等[19]對不同年齡的自發性椎間盤退變沙鼠模型進行組織學和X線評估，發現早期椎間盤退變與椎體軟骨下骨的反應有關。組織學觀察示，椎體軟骨下骨骨體積和骨密度增加；X線片觀察示，隨著中央和周邊骨小梁數目的增加，椎體軟骨下骨邊緣硬化。他們認為椎體軟骨下骨的這些變化發生于椎間盤退變之前，而且會加速椎間盤退變。
3.2 椎體軟骨下骨厚度變化與椎間盤退變
椎體軟骨下骨厚度變化與椎間盤退變有密切關系，而且軟骨下骨厚度增加程度與椎間盤退變程度成正相關[1]。椎體軟骨下骨厚度增加可能是由于骨重塑和骨小梁增厚造成，在此基礎上可導致軟骨下骨血竇縮小，進而影響椎間盤營養運輸，最終造成椎間盤退變[20]。同時椎體軟骨下骨骨重塑也會改變脊柱內的載荷[21]，造成軟骨下骨硬化，椎間隙變窄，加速椎間盤退變。
3.3 椎體軟骨下骨的病理狀態與椎間盤退變
在病理環境下，椎體軟骨下骨會發生變化。早期研究表明，椎體軟骨下骨組織學變化，如軟骨下骨破壞和裂縫、骨小梁變厚、破骨細胞與成骨細胞數量增多，造成的骨重塑、正常骨髓組織血管化以及軟骨下骨MRI的變化與椎間盤退變性疾病密切相關[22]。在椎間盤退變性疾病中，X線片顯示軟骨下骨硬化或骨贅形成，MRI顯示椎體軟骨下骨Modic信號變化[22]。最近研究表明，局部促炎性介質的增加，包括IL-6、IL-8、前列腺素E2，以及表達TNF-α的細胞增加，均與椎體軟骨下骨變化有關[23-24]，尤其是IL-1a和基質金屬蛋白酶3與軟骨下骨的變化有密切聯系[25]。
椎體軟骨下骨Modic信號變化，尤其是Mod icⅠ型信號變化，與慢性下腰痛有密切關系[26]。椎體軟骨下骨ModicⅠ型信號的變化表明椎間盤退變性疾病處于活躍期[27]，由于局部促炎性介質的增加，包括IL-6、 IL-8、前列腺素E2和TNF-α，會引起椎體軟骨下骨炎性水腫[28]。此時椎體軟骨下骨有肉芽組織長入，纖維血管組織替代了增厚的骨小梁間骨髓，這一改變是炎癥修復作用的表現。對于慢性下腰痛患者，存在椎體軟骨下骨ModicⅠ型信號變化者的部分臨床炎性癥狀，如晨僵、早晚疼痛、血清中高敏感性C-反應蛋白水平增高等，較軟骨下骨無ModicⅠ型信號變化者嚴重[29-30]。ModicⅡ型信號變化表明椎體軟骨下骨有大量脂肪細胞沉積，出現黃骨髓；Modic Ⅲ型信號變化表明椎體軟骨下骨發生硬化，雖然此期不常見，但在X線下也能發現廣泛軟骨下骨硬化，提示椎間盤退變處于晚期階段[22]。
3.4 椎體軟骨下骨營養功能與椎間盤退變
軟骨下血管對溶質分子的擴散是小溶質分子運輸到椎間盤的主要機制[15]。椎體軟骨下骨硬化會影響軟骨下血管床的構成，軟骨下骨通透性減弱，從而影響椎間盤營養物質的運輸和代謝產物的排出[31]，椎間盤營養匱乏及代謝產物（如乳酸）濃度局部升高，會影響髓核細胞的功能，從而引起椎間盤退變。同時椎體軟骨下骨硬化也會影響椎間盤大分子營養物質，如一些激素和酶類的對流運輸，限制椎間盤內的液體交換，造成椎間盤內髓核的過度膨脹，引起椎間盤退變，也可引起下腰痛[16]。在椎間盤退變過程中，軟骨下骨硬化程度增加[22]，穿透軟骨下骨的血管通道減少，口徑變小[15]。這種血管通道的改變進一步影響了營養物質的擴散和代謝產物的排出，從而加速了椎間盤退變。然而，Rodriguez等[32]對椎間盤退變過程中椎體終板的通透率進行了研究，發現隨著椎間盤的退變，軟骨下骨孔隙率增加，認為軟骨下骨硬化未阻礙椎間盤營養物質的運輸進而引起椎間盤退變。出現以上兩種相反觀點的原因可能與軟骨下骨在椎間盤退變過程中發生硬化的部位有關，即在椎間盤退變過程中，軟骨下骨前部和后部骨量增加，中央區域幾乎不發生變化[33]，所以軟骨下骨主要在邊緣發生硬化[19, 34]。有研究表明，軟骨下骨邊緣部分的硬化不會影響椎間盤主要的營養途徑[35]；而在椎間盤退變過程中，軟骨下骨孔隙率增加主要表現在中央部分[32]，會使椎間盤主要營養途徑更通暢。在椎間盤退變過程中軟骨下骨孔隙率的增加可能是對椎間盤組織在退變過程中的一種積極修復，也可能是對髓核滲透壓降低的一種適應，但也可能形成許莫結節。許莫結節的形成與椎間盤退變性疾病（如下腰痛）有密切聯系[36]。Zhao等[37]提出了一種假設，即ModicⅢ型信號變化與許莫結節的形成是同一病理變化。如果能夠證明這種假設成立，那么將會為治療椎間盤退變性疾病提供新的治療方法。
4 小結與展望
雖然椎體軟骨下骨在椎間盤退變發病機制中的作用尚不完全清楚，但是軟骨下骨與椎體、軟骨終板以及椎間盤之間的解剖關系決定了其特殊作用。在外部異常因素作用下，軟骨下骨代謝加強、骨重塑加快所致的軟骨下骨增厚、密度增高和硬化，可能是引起椎間盤退變的始發因素。通過對椎體軟骨下骨的研究有助于揭示椎間盤退變的發病機制，尋找在椎間盤退變發生早期即進行修復治療的途徑。另外，MRI是一種檢測軟骨下骨病理改變的敏感手段，通過MRI對軟骨下骨進行Modic分型對治療椎間盤退變性疾病有著重要意義。因此，未來可以嘗試將椎體軟骨下骨列為治療椎間盤退變的靶目標，通過改善椎體軟骨下骨的炎性病理狀態、維持椎體軟骨下骨結構的完整和調節椎體軟骨下骨骨代謝來延緩椎間盤退變，甚至將其治愈。