腰椎退行性疾病中的黄韧带超微结构的改变

腰椎退行性疾病中的黄韧带超微结构的改变 腰椎退行性疾病中的黄韧带超微结构的改 变 26 第11卷天津医科大学学报Vo1.1l 第1期删U2005No.I 腰椎退行I生疾病中的黄韧带超微结构的改变 王凯,陈新,吉宁 (1.天津医科大学第二医院骨科,天津30021l;2.天津医院急创科;3.天津医院脊柱外科) 【摘要】目的:通过对5例腰椎骨折患者及6例腰椎退行性疾病患者黄韧带组织超微结构 的研究,探讨其组织结构方 面的变化特征及其与腰椎退行性疾病间的关系,讨论其在腰椎退行性疾病中的病因学意义. 方法:应用光镜及透射 电镜和扫描叱镜观察上述标本超微结构的变化.结果:黄韧带组织显示细胞数量明显增多, 弹力纤维成分减少,胶 原纤维成分增多.中央部分组织表现出有合成活性的成纤维细胞及软骨化生的形态学特征. 侧隐窝部黄韧带表现出 纤维软骨的特征.结论:腰椎退变性疾病患者的黄韧带组织有不同程度的纤维化,软骨化生 及纤维软骨化的退变特 征.这些改变降低了其弹性.这些超微结构的变化与腰椎退行性疾病的病理过程有密切的关 系. 【关键词】腰椎;退行性疾病;黄韧带;超微结构 【中图分类号】R681.5【文献标识码】A[文章编号]1006—8147(2005)01-0026-05 Ultramicrostructurechangesofthehuamnligamentumflavuminlumbar degenerativediseases WANGKai.CHENXin,JINing3 (1.DepartmentofOrthopaedic,The2ndHospitalofTianjinMedicalUniversity,Tianjin300211,China; 2.DepartmentofEmergencyandTrauma,TianjinHospital;3.DepartmentofSpineSurgery,TianjinHospital1 ABSTRACTObjective:Todescribetheuhramierostructuralfeaturesoftheligamentumflavumin5 patientsoflumbardegenerativediseasesand6patientsoflumbarspinefracturetodeterminewhether therewererelationshipbetweenmorphologicchangesandlumbardegenerativediseases.Methods:The ligamentumflavumofL4/5obtainedfrom5patientsoflumbardegenerativediseasesand6patiensof lumbarspinefracturewerestudiedatlightandelectronmicroscope.(SEM&TEM)Results:The ligamentumflavumfrompatientsWithlumbardegenerativediseasesshowedthecellsincreaseinnumber andhadfewerandthinnerelastiecfibersandamoreabundantcollagencomponentwerevisible.Inthe centralportion,theligamentumflavumshowedareasoffibrosisinwhichthecellswereoften representedbyactivelysnthesizingfibroblastandareasofchondroidmetaplasia.Inthecloseproximity totheboneattachment,theligamentoustissueshowedfibrocartilagineousfeatures.Conclusion:The ligamentumflavumfrompatientsWithlumbardegenerativediseasesshowedvariousdegreefibrosis, chondroidmetaplasiaandfibroeartilagineousfeatures,Theseuhramicrostructurechangesreducethe elasticityoftheligamentsandsuggestacorrelationbeweenlumbardegenerativediseasesand uhramicrostuuctruechangesoflumbarligamentumflavum. KEYWORDSLumbarspine;Degenerativediseases;Ligamentumflavum;Ultramierostrueture 脊柱韧带对于维持脊柱的正常机械力学功能具 有重要的意义.腰椎后柱结构中的韧带可以维持脊 该课题项目由天津医科大学青年基金资助(编号:96Q07) 作者简介:王凯(1965-),男,副主任医师,硕士学位,研究方向:脊柱 外科;陈新(1966-),男,主治医师,学士学位,研究方向:运动创伤. 柱的稳定性,保护椎体关节,同时在脊柱生理活动时 积蓄肌肉能量.因此,这些韧带有两种基本的功能: 力学方面和神经方面的功能.黄韧带含有丰富的弹 力纤维,对于维持脊柱的正常生理功能具有重要的 意义.腰椎退行性疾病是在椎间盘退行性变的基础 27 上出现椎间隙变窄,小关节肥大,关节囊退变,椎体 边缘骨赘形成,黄韧带肥厚,退变,钙化,骨化.因此. 笔者对黄韧带进行了超微结构的研究,探讨其超微 结构的变化与腰椎退行性疾病的关系,进而讨论其 在腰椎退行性疾病中病因学的意义. 1材料和方法 1.1材料正常对照组:标本取自5例腰椎爆裂骨 折患者术中切除的黄韧带组织.患者均为男性,年龄 24-27岁.取材部位均为L4,5间隙中央部及侧隐窝 部小关节下方的黄韧带组织.术前体格检查.X光 片,CT及MRI检查均诊断为腰椎爆裂骨折.且无 黄韧带的退变,钙化及骨化.术中所见及术后病理诊 断与术前诊断相符.试验组:标本取自6例腰椎退 行性疾病的男性患者.3例为单纯L4,5椎管狭窄 症伴腰椎轻至中度退行性变,年龄48-55岁.3例为 腰椎广泛性多节段椎管狭窄症伴腰椎退变性滑脱患 者,病变范围L2-5,年龄59-68岁.6例患者的取 材部位均为L4,5间隙中央部及侧隐窝部小关节下 方的黄韧带组织.术前体格检查,X光片(正侧位,前 屈后伸位),CT及MRI检查均发现有重度的腰椎退 行性变,包括椎间隙变窄,小关节肥大,椎体边缘骨 赘形成,黄韧带肥厚等退变表现.术中所见及术后病 理诊断与术前诊断相符. 1.2标本的制备光镜标本的制备:切取组织均以 10%福尔马林液固定,常规石蜡切片,HE染色,奥林 帕斯光镜下观察.透射电镜标本制备:切取组织用 NS冲洗,修剪成(1xlx1)mm的组织块,浸泡于3% 戊二醛中固定,1%锇酸固定,pH7.4磷酸缓冲液冲洗 后,酒精逐级脱水,环氧丙烷过渡,使用Epon812透 入,包埋,将包埋组织块置于ReicherUhracutE型 超薄切片机上做超薄切片,柠檬酸铅和醋酸双氧铀 双重染色,使用日立H-600型透射电子显微镜观察 并摄片.扫描电镜标本制备:切取组织先后经过 2.5%戊二醛,1%锇酸固定,二甲基亚砜做冷冻保护 剂进行冷冻割断,经l%锇酸二次固定,酒精逐级脱 水,临界点干燥和离子溅射仪溅射后.以KYKY— AMRAY1000B扫描电子显微镜观察并摄片. 2结果 2.1光镜观察结果正常对照组:光镜下中央部黄 韧带组织以弹力纤维为其主要组成成分,其间可见 少量胶原纤维.弹力纤维排列紧密,均匀一致,且与 黄韧带的长轴相平行走行.侧隐窝部小关节下方的 黄韧带组织光镜下所见仅为胶原纤维含量稍增加, 偶可见细胞成分.试验组:黄韧带组织发生广泛退 变,排列紊乱.弹力纤维断裂且分布不均匀.胶原纤 维含量增加.细胞成分增加(见图1). 2.2电镜观察结果 2.2.1正常对照组 2…211透射电镜观察结果(TEM)中央部分的黄韧 带组织为均匀一致的表现.黄韧带组织由大的弹力 纤维组成,彼此间被纤细的胶原纤维束分隔.弹力纤 维走行与黄韧带的纵轴相平行,各种长度的细纤维 分支将邻近的弹力纤维彼此相连接.弹力纤维由外 周的微纤丝和非晶形的核心组成,这种大的非晶形 的核心为弹性蛋白.胶原纤维纤细且均匀一致,几乎 与弹力纤维相平行走行.细胞数量极少,为梭形的成 纤维细胞,胞浆稀少,细胞突出少且小.侧隐窝部小 关节下方的黄韧带组织显示出纤维软骨的特征.弹 力纤维与中央部分的黄韧带组织相比稀少且纤细, 偶可见由较少数量的弹性蛋白和紧密包裹的微纤丝 组成的Elaunin纤维.细胞的形态学特征为典型的 成软骨细胞或是成纤维细胞与成软骨细胞的中 间体. 2.2.1.2扫描电镜观察结果(SEM)弹力纤维呈束带 状排列,密度均匀一致且排列规整,纤维走行呈波浪 状,各种长度的细纤维分支将邻近的弹力纤维彼此 相连接(见图2.3). 2.2.2试验组 2.2.2.1透射电镜观察结果(TEM)中央部分的黄 韧带组织弹力纤维成分减少,胶原纤维成分增多.弹 力纤维变得纤细且被粗大的胶原纤维束所分隔且排 列不规则,可见呈片状断裂,非晶形的核心不明显. 有一些区域极度缺乏弹力纤维或以胶原纤维成分为 主,含有纤细的弹力纤维,由微纤丝组成或表现出 Elaunin纤维的特征.胶原原纤维增加,散布在成熟 的胶原纤维中,可见明暗周期带状结构.细胞数量与 正常对照组相比,明显增多,表现出有合成活性的成 纤维细胞的形态学特征,同时可见退变的成纤维细 胞.侧隐窝部小关节下方的黄韧带组织表现出纤维 软骨的特征.弹力纤维成分减少且变得纤细,胶原纤 维的成分却很丰富.成软骨细胞孤立或成对出现.细 胞间基质含有少量的弹力纤维,坏死细胞残余物和 基质空泡.在胶原纤维中散布电子致密非晶形物质 聚集物. 2.2.2.2扫描电镜观察结果(SEM)中央部及侧隐窝 部小关节下方的黄韧带组织的纤维均表现出排列紊 28 图1弹力纤维与胶原纤维(x2OO) 图2弹力纤维与胶原纤维束(×6000) 图3成纤维细胞(×6ooo) 乱,走行不规则,密度不均匀且可见纤维断裂.常可 见纤维扭曲缠绕在一起.束层间的间隙较宽大.腰椎 广泛性多节段椎管狭窄症伴腰椎退变性滑脱患者的 黄韧带超微结构改变与单纯椎管狭窄症伴腰椎轻至 中度退行性变的黄韧带超微结构改变无明显差异. 仅由于年龄的差异及病变严重程度的不同而表现出 超微结构改变的程度不同而已(见图4-7). 3讨论 黄韧带是以弹力纤维为主要成分的致密结缔组 织,NachemsonIl?的报告示黄韧带中弹力纤维占 70%,而胶原纤维占30%.Yong-Hingt21的研究表 明二者所占比例分别为80%和20%.我们对正 常对照组黄韧带组织的观察也证实弹力纤维是黄韧 带的主要成分.Frankf]等认为黄韧带中弹力纤维 和胶原纤维的力学性能,二者所占比例及走行方向 图4弹力纤维与胶原纤维束.走行紊乱.相互缠绕(x7soo) 图5非晶形物质(x8S00) 图6软骨细胞(×8500) 图7纤维断裂【×88oo) 决定了黄韧带组织的力学性能.因此黄韧带的组织 结构决定了其独特的功能,既具有很高的弹性,又有 一 定的韧性.国内学者认为当脊柱前屈使得黄韧带 受到牵拉时,弹力纤维被拉长而处于蓄能状态,同时 胶原纤维的抗拉性能又可防止弹力纤维过分牵拉. 29 当外力去除后,弹力纤维所积蓄的能量立即释放而 使韧带组织恢复原状.我们在扫描电镜观察到纤维 呈波浪状走行也提示黄韧带承受拉伸载荷后纤维可 由弯曲状变为伸直状.黄韧带的这一独特的组织结 构对于脊柱的解剖学及生物力学功能具有十分重要 的意义阁.(1)有助于防止相邻椎体间的异常活动. (2)将拉伸载荷在椎体间传递.(3)其具有的”预张 力”对椎间盘有一定的压力,既维持了脊柱的稳定, 又有助于椎间盘的营养供给. 在腰椎退行性疾病组中,笔者发现(1)黄韧带的 纤维化,即弹力纤维成分明显减少,细胞间基质中含 有极纤细的弹力纤维,表明韧带组织既有退化改变 又有新生组织替代的活动.(2)软骨化生改变,尤其 在侧隐窝部小关节下方的黄韧带组织明显表现出纤 维软骨的特征.(3)弹力纤维的退化改变,弹力纤维 成分减少且变得纤细,胶原纤维的成分却很丰富,有 一 些区域极度缺乏弹力纤维或以胶原纤维成分为 主,扫描电镜观察纤维均表现出排列紊乱,走行不规 则,密度不均匀且可见纤维断裂.常可见纤维扭曲缠 绕在一起.束层间的间隙较宽大.这些退行性改变严 重影响了黄韧带正常的生理功能.Yoshida嘲观察了 腰椎管狭窄症患者的黄韧带组织,发现其主要的病 理改变为骨化,钙盐沉积,透明样变,囊性变及软骨 细胞,成纤维细胞和血管的增生,关节囊部比椎板间 部更为严重,由此引起的神经根管的狭窄,其临床表 现既不同于椎间盘突出症又不同于中央性椎管狭 窄症. Nakamura利用组化方法研究腰椎管狭窄症患 者和退变性腰椎滑脱症患者的黄韧带组织,发现后 者的黄韧带组织的基质中有更多数量的蛋白多糖及 组织中高度的软骨化生,作者认为脊柱不稳加速了 黄韧带组织的退变.笔者的观察二组间未见明显的 差异,仅由于年龄的差异及病变严重程度的不同而 表现出超微结构改变的程度不同而已,结果与 Postacehini等『81的研究结果相似. 腰椎退行性疾病的病程与韧带组织退变的关系 一 直存在着争议.Verbiest即认为腰椎管狭窄症为腰 椎椎管的先天性狭窄,与黄韧带组织的退变无关. Nakamurat~为脊柱不稳加速了黄韧带组织的退变. Yong-Hin认为黄韧带组织的增生肥厚是由于增生 的椎板及小关节将黄韧带组织顶向椎管内,不存在 所谓的黄韧带组织的增生肥厚.Peter等【101人的研究 认为黄韧带组织的超微结构的变化与椎管内的神经 结构有着密切的关系,尤其是在黄韧带组织明显退 变的情况下,黄韧带组织的退变涉及到弹力纤维的 钙化程度增加,数量减少,失去正常的平行走向等正 常结构.Okuda等”“人的研究认为老年性腰椎管狭 窄患者的黄韧带钙化非常常见且与临床症状有着密 切的关系,在退变性滑脱患者中常见软骨样细胞且 伴有骨化的患者的滑脱程度加大,可能黄韧带的软 骨化生及骨化与导致滑脱的机械载荷有关,同时作 者认为所有的病理改变源于组织的退变,而且为探 讨腰椎退行性疾病的病因提供了重要的基础.笔者 在临床中通过CT,MRI等影像学检查及术中所见发 现黄韧带组织的增生肥厚确实存在.因此,腰椎退行 性疾病的病程与韧带组织退变的关系中,通过笔者 对黄韧带组织的超微结构的研究认为:(1)黄韧带组 织的增生肥厚是由于胶原纤维的增生所致,同时小 关节的增生肥大将纤维软骨样变的黄韧带组织顶向 椎管内.这就是腰椎管狭窄症患者的CT片所见中 央部黄韧带组织明显增生肥厚,而关节囊部却变薄 的原因.(2)腰椎管狭窄症患者的黄韧带组织弹力纤 维成分明显减少,韧带组织出现纤维化,软骨化生及 弹力纤维的退变,使其弹性大为降低,”预张力”遭 到破坏,无法保证在正常状态下脊柱后伸时虽然黄 韧带短缩,变厚,但由于”预张力”的作用而不会出 现因皱褶及叠曲而凸人椎管内压迫脊髓的现象.因 此,当脊柱前屈时,黄韧带在牵引力作用下延伸,不 会出现脊髓压迫症状,中立位时也不会出现症状,当 后伸位时,初始状态不会出现黄韧带短缩,变厚,一 旦后伸角度超过残留的”预张力”时,黄韧带出现皱 褶及叠曲而凸入椎管内压迫脊髓,从而出现腰椎管 狭窄的临床症状及体征.有时即使黄韧带厚度正常 也会出现临床症状及体征,可能与增生肥厚无关,而 与黄韧带退变的程度有关.(3)神经根管的狭窄或 称侧隐窝狭窄则由于增生的椎板及小关节将黄韧带 组织顶向椎管内,压迫神经根所致,其临床表现既不 同于椎间盘突出症又不同于中央性椎管狭窄症. 参考文献: 【l】NachemsonAI?EvansJH.Somemechanicalpropertiesofthethird humanlumbarinterlaminarligamentm跚岫mthrum)[J1.JBiomeeh, 1968,1:211 [2】Yong-HingKReillyJ,Kirkaldy—wWH.Theligamentumflavum Il1.Spine,1976,1:226 【3】FrankC,AmielMS,WooSY,eta1.Normal?ligamentproperties andligamentheMing[J】.ClinOrthop,1985,196:15 (下转第35页) 35 的吸收破坏作用增加而引起骨的过快丢失.可见BA 关节局部炎症虽不是引起骨质疏松的独立危险因 素,但能协同加快炎性关节附近骨质丢失. 参考文献: 【l】马东来,李俊,陈敏珠,等.大鼠佐剂性关节炎的诱导及其免疫 异常研究[J].中华实验临床免疫学杂志,1995,7(3):13 【2】章明放,张乃鑫,谭郁彬,等.不同剂量羟乙磷酸钠周期口服对 雌性大鼠去势后骨质疏松的作用[J].中华骨科杂志,1996,16 (9):581 【3】ShibuyaK,HaginoH,MorioY,eta1.Cross-sectionalandlongi- tudinalstudyofosteoporosisinwithrheumatoidarthritis[J].Clin Rheumtol,2002,21:150 [4】RravalleseEM,GoldringSB.Cellularmechanismsandtherolesof eytokinesinboneerosionsinheumatoid忉.ArthritisRheulII?2OOO, 43:2143 【5】蔡春友,张维铭,孙保存,等.白细胞介素l对?型胶原诱导类 风湿性关节炎模型的影响[J].中华骨科杂志.1999,19(10):614 【6】goingSB,GravalhseEM.Psthologenesis0fboneerosinsinrheuma— toidarthritis[J].CurrOpinBheumetol,200o?12:195 【7】K.l(„TakahashiN,JimiE,eta1.Tumornecrosisfaet~astim— ulatesosteoelastdifferentionbyamechanismindependencentofthe ODF/RANKinteractin[J].JExdMed,200lo,191:275 (2004-07-02收稿) (上接第25页王新允文章) 不断地更新和发展,必将在将来的科研和临床诊断 等方面发挥重大的作用. 参考文献: 【l】朱丛中,王新允,刘婷,等.肺癌中EphlM表达的生物学意义 [J】.世界肿瘤杂志,2004,3(2):154 【2】李艳,王新允,刘婷,等.Survivin在肺癌中的表达和生物学意义 [J].世界肿瘤杂志,2004,3(2):157 【3】WangXin-yun,YaoZhi,LiYan,eta1.ExpressionofSurvivin, PTENandbFGFinlungefltne~rprogressiontissuemieroarray[J]. 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