丁浚哲 魯世保 孫祥耀 孔超

隨著對椎間盤退行性改變的了解不斷加深，椎體終板作為椎間盤的重要組成部分，受到了研究者越來越多的關(guān)注。椎體終板位于椎間盤頭尾兩端，是椎間盤和椎體的連接部分。終板在椎間盤和椎體的松質(zhì)骨之間形成一個結(jié)構(gòu)邊界，承擔了椎間盤內(nèi)因負載出現(xiàn)的靜水壓力，并防止壓力較高的椎間盤結(jié)構(gòu)突入疏松多孔的椎體松質(zhì)骨。椎體終板具有營養(yǎng)椎間盤和傳遞應(yīng)力的重要作用，終板對腰椎間盤的正常生理狀態(tài)以及病理性改變有著顯著影響。椎體終板的衰老和退行性改變，能夠顯著影響椎間盤的生物力學和營養(yǎng)供應(yīng)狀態(tài)，成為腰椎退變進程中的重要影響因素。現(xiàn)結(jié)合國內(nèi)外新進研究進展，對腰椎終板退變與椎間盤退變，終板形態(tài)學和生物力學特性，以及終板的臨床意義綜述如下。

一、終板退變與椎間盤退變

1. 終板退變及其影響因素：腰椎終板為中央菲薄凹陷，邊緣隆起形成環(huán)狀骨突的薄層樣結(jié)構(gòu)，由軟骨終板和骨性終板組成[1]。骨性終板并非皮質(zhì)骨，而是由密集的松質(zhì)骨骨小梁疊加融合形成的多孔層狀結(jié)構(gòu)，骨性終板中存在大量孔隙，中央?yún)^(qū)域較多，邊緣相對較少；同時，終板中央的髓核區(qū)域較薄，在外周區(qū)域較厚。終板的這一結(jié)構(gòu)特征為其作為椎間盤的營養(yǎng)通路提供了解剖基礎(chǔ)[2]。終板退變受多種因素影響，機械刺激、代謝改變和體內(nèi)激素水平均能夠影響終板退變進程。近年來，關(guān)于機械應(yīng)力對軟骨終板細胞代謝的影響受到越來越多的關(guān)注。Hee 等[3]研究了脊柱的壓縮負荷對兔的終板退行性改變影響，表明壓縮負荷導致終板內(nèi)血管袢容積減少；而去除壓縮負荷能夠促使軟骨終板的細胞外基質(zhì)再生和血管袢容積恢復。Honda 等[4]認為作用于軟骨的過高機械載荷能夠減少軟骨細胞外基質(zhì)中的大分子，如蛋白多糖和 II 型膠原的產(chǎn)生，從而改變軟骨細胞代謝，影響軟骨的退變進程；同時，作用于軟骨的過高循環(huán)拉伸載荷能夠直接誘導軟骨細胞基質(zhì)金屬蛋白酶 ( matrix metalloproteinases，MMPs ) 基因表達，造成 MMPs 與基質(zhì)金屬蛋白酶組織抑制因子 ( tissue inhibitors of matrix metalloproteinases，TIMPs ) 失衡，其已被證明是細胞外基質(zhì)降解的原因，軟骨終板內(nèi)的細胞外基質(zhì)減少可能是軟骨終板退變的促進因素。Xiao 等[5]表明間歇性循環(huán)機械張力 ( intermittent cyclic mechanical tension，ICMT ) 能夠通過激活體內(nèi) Nuclear Factor-κB 信號通路，促進軟骨終板退變的發(fā)生。Xu 等[6]研究了 ICMT 誘導的軟骨終板鈣化過程，其結(jié)果顯示 ICMT 誘導終板軟骨細胞的鈣化過程進展，ICMT 作用導致軟骨細胞 ankh 基因和TGF-β1 基因表達下降，I 型膠原蛋白、X 型膠原蛋白、骨鈣素和骨橋蛋白的 mRNA 表達上升，這些進程加速了軟骨鈣化的發(fā)生。

雌激素水平對骨及軟骨的代謝調(diào)節(jié)作用已被廣泛認識。既往研究討論了雌激素對終板退行性改變的影響，表明絕經(jīng)后的雌激素缺乏可能影響終板結(jié)構(gòu)，加速椎間盤退行性改變，目前有觀點認為，絕經(jīng)后少量補充雌激素可能對腰椎退行性疾病產(chǎn)生保護性影響[7]。絕經(jīng)后女性的椎間盤退變和椎間盤突出程度均大于同年齡段男性，而在絕經(jīng)前這一趨勢相反，研究者認為相對雌激素缺乏可能通過直接刺激椎間盤細胞和間接改變椎體骨髓灌注來加速絕經(jīng)后婦女的椎間盤退變[8]。動物研究表明，雌激素減少導致的骨密度降低對于軟骨終板鈣化的進展有促進作用，且與軟骨終板血管容積減少相關(guān)；骨密度降低及其相關(guān)的終板鈣化以及進一步導致的軟骨終板血管容積減少，是椎間盤退變的促進因素[9]。研究者認為雌激素能夠通過細胞上的雌激素受體影響軟骨細胞代謝。雌激素水平改變引起的軟骨終板的變性可能是椎間盤退變的致病因素之一[10]。

另一方面，炎癥介質(zhì)也在終板退變過程中發(fā)揮作用。炎癥介質(zhì)通路已被證明參與體內(nèi)多種退行性改變進程，研究發(fā)現(xiàn) NLRP3 / caspase-1 / IL-1b 通路在退行性改變的終板中出現(xiàn)上調(diào)，在軟骨終板退變中扮演重要角色[11]。

2. 終板滲透與椎間盤退變：椎間盤是人體內(nèi)最大的無血管組織，其營養(yǎng)供應(yīng)和代謝依賴于兩個途徑：軟骨終板-髓核 ( cartilaginous endplate-nucleus pulposus，CEP-NP ) 通路和纖維環(huán) ( annulus fibrosus，AF ) 外周通路[12]。軟骨終板的營養(yǎng)通路是椎間盤的重要營養(yǎng)來源，終板的退行性改變顯著影響椎間盤的生理狀態(tài)和退行性改變進程[13]。Iwahashi 等[14]討論了尼古丁對椎間盤退變的影響，應(yīng)用兔模型皮膚吸收尼古丁，使其血液濃度達到110 ng / ml 并維持 8 周，解剖發(fā)現(xiàn)該組兔的軟骨終板內(nèi)血管袢數(shù)量較對照組兔明顯減少；同時，相應(yīng)的椎間盤內(nèi)蛋白多糖合成減少，表明終板內(nèi)血管袢的營養(yǎng)支持作用對椎間盤的內(nèi)環(huán)境具有顯著影響。在脊柱退變進程中，椎間盤、椎體終板以及椎體骨髓的退行性改變是一個整體，其間具有緊密聯(lián)系[15]。

椎間盤由內(nèi)側(cè)的髓核，外側(cè)的纖維環(huán)以及頭尾兩端的終板構(gòu)成，髓核中存在大量硫酸化糖胺聚糖和 II 型膠原。椎間盤退變的初始階段即出現(xiàn)蛋白多糖和 II 型膠原的減少及其導致的髓核含水量下降[16]。目前對于終板退變作用于椎間盤的具體機制尚存在爭議。目前的觀點認為，隨著衰老和終板退行性改變，終板出現(xiàn)鈣化，通過性降低，進而阻斷終板對椎間盤的營養(yǎng)通路，導致椎間盤細胞不足以分泌和維持健康的細胞外基質(zhì)，從而加速椎間盤退變[9,17-20]。而有研究者提出，骨性終板硬化并不影響其物質(zhì)交換功能[21]。Rodriguez 等[13]進行的尸體研究發(fā)現(xiàn)，隨著年齡增加和退變進展，標本的椎體終板的孔隙密度和滲透率出現(xiàn)上升，同時椎間盤內(nèi)髓核細胞密度也出現(xiàn)升高；然而，髓核細胞合成糖胺聚糖 ( glycosaminoglycan，GAG )的能力下降，因此，作者認為是髓核細胞的功能減低導致了椎間盤退行性改變的發(fā)生，而非先前認為的終板物質(zhì)交換功能減弱導致椎間盤退變。該研究者的進一步研究表明，終板鈣化并不會阻斷營養(yǎng)通路，椎間盤的營養(yǎng)障礙可能由細胞功能減低或終板血管密度下降所引起[22]。近年來的觀點認為，椎間盤退變可能是由終板退變、椎間盤應(yīng)力改變、椎間盤細胞代謝改變，及其它多種因素共同作用的結(jié)果。

二、腰椎終板形態(tài)學和生物力學

1. 終板形態(tài)學分型及特點：腰椎終板大多為中央凹陷的曲面。終板的形態(tài)在冠狀位上較為一致，而在矢狀位上差異較大。目前對于成年人腰椎終板矢狀面形態(tài)的測量結(jié)果將腰椎終板的矢狀面形態(tài)分為三種，即平坦型 ( flat )，均勻凹陷型 ( oblong ) 和非均勻凹陷型 ( ex-centric )。測量結(jié)果表明，成人腰椎終板多為屈曲型，而骶骨上終板多為平坦型，在下腰椎 ( L3～5) 中，偏中心型 ( ex-centric ) 終板更多見，其屈曲頂點多位于終板的后半部分；在同一椎間隙中，上終板的屈曲程度一般大于下終板，同一椎體上終板最凹點深度小于其下終板最凹點深度[23-24]。

2. 終板形態(tài)與椎間盤退變：椎間盤退變的進程并不是均一的，退變可能突出發(fā)生于終板、髓核和纖維環(huán)中的任何一環(huán)[25]。綜合目前的研究觀點，終板矢狀面形態(tài)與腰椎間盤退變及腰椎疾病的發(fā)生顯著相關(guān)。Pappou 等[26]研究了腰椎終板的矢狀面形態(tài)與腰椎退行性改變及腰椎間盤突出癥患者癥狀之間的關(guān)系；表明不同形態(tài)的腰椎終板對腰椎退變患者和腰椎間盤突出癥患者的癥狀均有影響；屈曲型 ( concave ) 癥狀最輕，平坦型 ( flat ) 次之，不規(guī)則型( irregular ) 癥狀最重。MRI 顯示屈曲型終板退變程度最輕，平坦型終板椎間盤的退變較重。He 等[27]比較了腰椎椎體終板屈曲角度 ( concave angle of vertebral endplate，CAVE )與腰椎間盤退變的關(guān)系，提出腰椎間盤退變能夠增大腰椎終板的屈曲角度，使終板趨于平坦，終板的平坦化程度能夠反映椎間盤退變嚴重程度。腰椎終板形態(tài)同樣與腰椎間盤疾病的發(fā)生相關(guān)。Pouriesa 等[28]認為椎間盤終板不對稱是腰椎間盤突出癥重要的危險因素，這一趨勢在下腰椎( L3～5) 更為顯著。Harrington 等[29]研究了椎體終板的軸位形狀，結(jié)果表明相對于類圓形的終板，在軸位上類橢圓形的終板更易導致腰椎間盤突出癥的發(fā)生。目前，對于椎體終板形態(tài)與椎間盤退變進程之間的因果關(guān)系尚無定論，腰椎終板形態(tài)學特性可能是導致椎間盤退變的原因，也可能是椎體重塑的結(jié)果，此方面仍需要進行進一步研究。

3. 終板的生物力學：Grant 等[30]研究了腰椎終板的結(jié)構(gòu)特性，表明終板在不同位置的結(jié)構(gòu)特性差異巨大，后外側(cè)較中央?yún)^(qū)域有更大的剛度，同時椎體上下終板的負載能力也存在顯著差異，椎體下終板和骶骨終板較椎體上終板負載能力更強。Lowe 等[31]測量了 127 塊人類椎體標本的終板抗壓縮負荷能力，結(jié)果提示終板的后外側(cè)區(qū)域具有最高的最大失效負荷，能夠提供最大的支撐作用，而最易發(fā)生假體下沉的是終板的中心區(qū)域。終板形態(tài)與終板應(yīng)力密切相關(guān)，終板的應(yīng)力分布隨著終板屈曲頂點的改變而發(fā)生顯著改變[32]。腰椎生物力學與終板形態(tài)密切相關(guān)，終板形態(tài)顯著影響椎間盤的負載情況和退行性改變進程。終板形態(tài)學和生物力學的研究也為椎間植入物設(shè)計提供了解剖依據(jù)。

三、腰椎終板的臨床意義

1. 終板損傷：終板損傷在椎間盤退變和椎間盤疾病的發(fā)生過程中扮演重要的角色。以往的觀點認為椎體終板是非滲透性的剛性結(jié)構(gòu)[33-34]。但目前已有研究表明，椎體終板在軸向負載的作用下會出現(xiàn)膨出甚至骨折[35]。

腰椎終板的損傷對椎間盤退行性改變的作用可能由營養(yǎng)障礙和應(yīng)力改變兩個途徑發(fā)生。終板損傷，特別是軟骨終板的損傷，已被證明能夠?qū)е伦甸g盤纖維化及髓核細胞基質(zhì)減少，導致?lián)p傷終板所在椎間盤的漸進性結(jié)構(gòu)改變。同時尸體標本研究表明，終板損傷能夠減少髓核內(nèi)壓，在纖維環(huán)內(nèi)產(chǎn)生過高的壓力。這種壓力的峰值通常出現(xiàn)在髓核后方的纖維環(huán)[35]。Rajasekaran 等[36]的研究表明，相比纖維環(huán)撕裂所致的腰椎間盤突出，由終板連接損傷( endplate junction failure ) 所導致的椎間盤突出更為普遍。Berger-Roscher 等[37]研究了復雜負載 ( complex loading ) 對椎間盤的影響，軟骨終板損傷可能是腰椎間盤突出癥的必要條件。目前有研究表明終板損傷可能是椎間盤退行性改變進程的獨立且強影響因素。由于終板損傷與 BMI 增加和年齡增加有關(guān)，這可能是高 BMI 和高齡成為椎間盤退行性改變危險因素的原因[38]。部分研究者發(fā)現(xiàn)，突出的腰椎間盤常帶有軟骨碎片。Lama 等[39]對其來源進行了研究，通過組織學檢查，證明椎間盤突出時帶有的軟骨碎片來自于軟骨終板，出現(xiàn)軟骨終板碎片可能由于軟骨終板與椎體結(jié)合較疏松，而與髓核結(jié)合較為緊密；而軟骨碎片的存在會增加坐骨神經(jīng)痛的持續(xù)時間；同時，軟骨終板的損傷會增加終板炎和椎間盤感染的發(fā)生幾率。以上結(jié)果表明，終板損傷與椎間盤退行性改變和椎間盤疾病的發(fā)生密切相關(guān)。

終板損傷被認為與椎間盤退變有關(guān)，但其臨床病程仍不明確。Sahoo 等[40]研究了腰椎間盤突出癥患者中終板損傷的發(fā)生率和類型，結(jié)果表明骨性終板損傷和軟骨終板損傷的對臨床癥狀的影響類似，但出現(xiàn)骨性損傷的腰椎間盤突出癥患者在病程初始階段的神經(jīng)功能損害更為嚴重；同時骨性終板的損傷會降低保守治療的改善效果。既往研究表明，終板囊腫形成被證明與融合術(shù)后較差的融合率相關(guān)[41]。Weiner 等[42]的研究表明，椎間盤切除術(shù)后的終板，常在術(shù)前已有的終板損傷基礎(chǔ)上出現(xiàn)輕度的加重，但這種術(shù)后的終板損傷并不影響手術(shù)后的預后。終板損傷和缺損的類型和機制各不相同，其在腰椎退變和腰椎間盤突出癥病程中可能存在更大影響，在這一方向上仍需要進一步研究。

2. 終板與脊柱截骨手術(shù)：在考慮進行截骨手術(shù)時，患者的終板狀態(tài)是重要的參考因素之一。截骨手術(shù)會對椎體終板的功能狀態(tài)產(chǎn)生巨大影響，同時狀態(tài)良好的終板也是截骨手術(shù)成功的關(guān)鍵。在三種常見的截骨術(shù)式中，椎弓楔形截骨術(shù) ( smith-petersen osteotomy，SPO ) 會造成脊柱力線后移和椎間盤前方結(jié)構(gòu)的撕裂，經(jīng)椎弓根椎體截骨術(shù)( pedicle subtraction os-teotomy，PSO ) 保留了椎體終板，但對終板下方的椎體松質(zhì)骨破壞巨大。同時，截骨去除了關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)，破壞了三關(guān)節(jié)復合體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，增加終板的應(yīng)力負荷。這些因素均可能引起術(shù)中和術(shù)后的終板損傷。

既往研究表明，終板損傷是脊柱截骨術(shù)后的常見并發(fā)癥[43-44]。Kadam 等[44]認為，良好的骨密度狀況是防止終板損傷的重要前提，而仔細防止終板損傷是手術(shù)成功的關(guān)鍵之一。

3. 腰椎手術(shù)中的終板處理：目前腰椎終板與手術(shù)關(guān)聯(lián)最為密切的領(lǐng)域在于椎間融合器和人工椎間盤的使用。作為椎間植入物與椎體的接觸面，終板的狀態(tài)直接影響術(shù)后的癥狀改善程度和并發(fā)癥發(fā)生率。

植入物沉降是椎間融合術(shù)和腰椎非融合手術(shù)的一種較為常見的并發(fā)癥，可能與終板局部薄弱或損傷以及植入物設(shè)計不合理有關(guān)[45]。Adam 等[46]對植入物沉降的研究表明，終板的負載能力很大程度上取決于終板下松質(zhì)骨的骨密度。Oxland 等[47]研究了下腰椎 ( L3～5) 椎體終板去除對椎體結(jié)構(gòu)影響，在終板完整的情況下，終板不同區(qū)域的剛度和最大失效負荷有顯著區(qū)別，終板后側(cè)區(qū)域的剛度比中央?yún)^(qū)域更高；而在終板被去除后，平均失效載荷下降到終板完好時的 33% 左右，平均剛度也出現(xiàn)顯著下降。目前大多數(shù)椎間融合器的設(shè)計放置位置在終板中央?yún)^(qū)域，易導致植入物沉降等并發(fā)癥的發(fā)生，影響手術(shù)預后[30,48]。同時，在相同椎間隙的上下終板間存在較高的不對稱性，且終板的形狀及大小隨著腰椎節(jié)段的變化差異顯著，表明成人的腰椎終板并非對稱的規(guī)則結(jié)構(gòu)；而目前的人工椎間盤和椎間融合器的設(shè)計主要以規(guī)則形態(tài)為主，并未充分考慮椎間隙形態(tài)的適配[49]。Chen 等[50]應(yīng)用 CT 影像測量了83 例的終板形態(tài)學數(shù)據(jù)，證明 CT 測量椎間隙形態(tài)參數(shù)能夠為椎間植入物的設(shè)計提供參考，改善適配性以增強椎間植入物的生物力學性能。為適應(yīng)不同節(jié)段終板的形態(tài)和生物力學特點，不同節(jié)段的人工椎間盤應(yīng)該分別設(shè)計，為不同形態(tài)特征的椎間隙提供合適的椎間植入物[51]。目前已有的人工椎間盤的設(shè)計所參考的椎間盤和終板形態(tài)學數(shù)據(jù)的可靠性和準確性可能需要進一步研究來證明[45]。

目前，關(guān)于椎間融合術(shù)中是否應(yīng)去除終板仍存在爭議。部分研究者認為在椎間融合術(shù)中去除融合節(jié)段椎間隙的終板，能夠給椎間隙提供良好的血運，促進植骨融合，而保留軟骨終板會導致植骨處血運不足，影響融合效果。其他研究者認為，去除終板會顯著降低終板的負載能力，增加植入物相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生率。Lowe 等[31]認為良好的植入物結(jié)構(gòu)和正確的放置位置能夠降低植入物沉降的風險；研究發(fā)現(xiàn)去除終板會顯著降低終板的負載能力；同時去除終板能夠獲得良好的局部血運，對促進植骨融合有積極意義，作者認為，去除部分終板可以達到機械功能和營養(yǎng)功能的平衡。

椎間盤退行性改變是一個復雜的過程，退變過程受到多重因素影響。作為椎間盤的重要組成部分和營養(yǎng)途徑，終板退變程度、終板形態(tài)和生物力學狀態(tài)、終板損傷等因素與椎間盤退變密切相關(guān)。同時，終板狀態(tài)顯著影響包括非融合技術(shù)和截骨手術(shù)在內(nèi)的多種腰椎手術(shù)預后。揭示椎體終板在椎間盤退變中的參與途徑仍需要進一步的研究。