CC BY
239
БЕНГУС Л.М., ДЕДУХН.В.
ГУ «Институт патологии позвоночника и суставов им. проф. М.И. Ситенко НАМНУ», г. Харьков
ХРЯЩЕВАЯ ЗАМЫКАТЕЛЬНАЯ ПЛАСТИНКА И ЕЕ РОЛЬ В ДЕГЕНЕРАЦИИ ДИСКА (аналитический обзор литературы)
ПОПЪ,
Лекцм, огляди СУ СТА БЫ.
ПШВОНОЧЕ [ИЕ\
Резюме. В обзоре обобщены современные данные литературы о структуре и функции хрящевой замыкательной пластинки у человека и животных. Представлен возрастной аспект изменений хрящевой замыкательной пластинки и ее нарушения при дегенерации диска. Подчеркнута роль апоптоза хондроцитов замыкательной пластинки в инициации дегенерации межпозвоночного диска. Проанализированы экспериментальные модели повреждений хрящевой замыкательной пластинки и каскад следующих за ними патологических событий. Приведены клинические данные с привлечением аутопсийных наблюдений, свидетельствующие о том, что в грыжах диска разрывного типа на фоне выраженной дегенерации хрящевой замыкательной пластинки и наличия дорсального углового дефекта тела позвонка присутствует гиалиновая хрящевая ткань.
Ключевые слова: хрящевая замыкательная пластинка, экспериментальные модели, дегенерация межпозвоночного диска.
Считается, что первичные нарушения структуры межпозвоночного диска возникают в студенистом ядре, которое в норме имеет высокий тургор, обусловленный большим количеством воды, находящейся в связанном виде и входящей в структуру молекул протеогли-канов [1, 2]. Такая высокая гидрофильность студенистого ядра обусловливает необходимые амортизационные свойства диска и обеспечивает его высокую устойчивость к вертикальным нагрузкам. При этом максимум биомеханической нагрузки сначала воспринимает студенистое ядро, как высокоспециализированная структура, а затем нагрузка распределяется на пластины фиброзного кольца, начиная с его внутренних слоев [3]. Постепенное гашение биомеханической нагрузки обусловлено последовательным растяжением пучков коллагеновых волокон фиброзного кольца.
Однако, по мнению многих авторов, ключевую роль в запуске механизмов дегенерации диска играют структурно-метаболические нарушения хрящевой за-мыкательной пластинки (ХЗП) [4—8].
Цель настоящей работы — провести аналитический обзор данных литературы о роли повреждений хрящевой замыкательной пластинки в патогенезе дегенеративных нарушений межпозвоночного диска.
Структура хрящевой замыкательной пластинки
Функциональной единицей позвоночника является позвоночный двигательный сегмент (ПДС), состоящий из 2 смежных тел позвонков и расположенного между ними межпозвоночного диска. ПДС рассматривают как модифицированный сустав, в котором роль сочленяющихся костей играют тела смежных позвонков, хрящевые замыкательные пластинки — это своеобразный аналог суставных поверхностей, студенистое ядро играет роль синовиальной жидкости в полости сустава, а фиброзное кольцо — капсулы сустава [9-12].
Поскольку сустав не может функционировать без суставных поверхностей, то, по аналогии, и позвоночный двигательный сегмент не может функционировать без хрящевых замыкательных пластинок, которые отграничивают тела смежных позвонков от вы-сокогидратированного студенистого ядра и препятствуют его выпячиванию в смежные тела позвонков. При повреждении или дегенерации хрящевой замы-кательной пластинки нарушается «герметичность» студенистого ядра, и оно вступает в контакт с костной тканью, при этом высвобождаются провоспа-
лительные цитокины — фактор некроза опухоли а (ФНО-а), интерлейкины, которые индуцируют деструкцию кости.
Большинство авторов рассматривают хрящевую замыкательную пластинку как компонент межпозвоночного диска [13—18] наряду со студенистым ядром и фиброзным кольцом. Другие исследователи считают ее частью тела позвонка [19, 20], некоторые авторы рассматривают ее как самостоятельное анатомическое образование — переходную структуру [21, 22], отделяющую ткань межпозвоночного диска от тел позвонков.
Несмотря на то, что хрящевая замыкательная пластинка является неотъемлемым компонентом позвоночника, ее структура у человека и животных существенно отличается. У животных различных видов ХЗП имеет специфические особенности структурной организации. По-видимому, это связано в первую очередь со спецификой биомеханической нагрузки, приходящейся на позвоночник, в особенности с наличием или отсутствием вертикальной нагрузки, которая максимально выражена при бипедальности.
Так, у человека хрящевая замыкательная пластинка представлена гиалиновой хрящевой тканью типичной структурной организации [15]. Она состоит из большого количества слоев хондроцитов и мат-рикса, который содержит преимущественно коллаген II типа и протеогликаны. Коллагеновые волокна ХЗП расположены горизонтально. Фибриллы внутренних пластин фиброзного кольца вплетаются в матрикс гиалинового хряща замыкательной пластинки, отделяя ткань межпозвоночного диска от спонгиозной кости тел позвонков [14]. Таким образом формируется «закрытая упаковка», которая замыкает студенистое ядро в непрерывный волокнистый каркас, представленный по периферии фиброзным кольцом, а сверху и снизу — гиалиновыми пластинками, образуя единую систему волокон.
До настоящего времени не существует окончательного мнения по поводу кровоснабжения хрящевой замыкательной пластинки. Преобладает мнение о том, что ХЗП у здоровых взрослых людей, как и любой гиалиновый хрящ, не имеет сосудов и нервов [14, 17, 18, 23, 24]. Однако ряд исследователей указывают на присутствие сосудов в хрящевой пластинке [25— 28]. Эти противоречия, по-видимому, связаны с исследованием замыкательной пластинки в разные возрастные периоды.
Как известно, трофика диска осуществляется благодаря активно протекающим процессам диффузии молекул и ионов в ткань диска из хрящевых замыкатель-ных пластинок. Таким образом осуществляются анаболические процессы и, соответственно, происходит обратный отток продуктов катаболизма. Однако, как показали некоторые данные [25, 26, 28], в хрящевой замыкательной пластинке (особенно в ее центральном отделе) содержится сеть мельчайших капилляров, которые были выявлены в результате инъекции контрастного вещества во внутрикостные сосуды. Именно эти капилляры играют ключевую роль в поступлении
нутриентов в диск [29, 30]. С возрастом или в процессе дегенерации гиалиновой замыкательной пластинки, сопровождающейся ее петрификацией и оссифи-кацией, эти капилляры кальцифицируются.
У детей хрящевые замыкательные пластинки намного толще, чем у взрослых. Согласно данным P.P. Raj (2008) [24], они содержат множество сосудистых каналов, проходящих сквозь фиброзное кольцо и студенистое ядро. У взрослых хрящевые замыкательные пластинки тонкие, сквозь них проходят единичные сосудистые каналы, или же они полностью отсутствуют. ХЗП взрослого человека обычно имеют толщину менее 1 мм, которая варьирует в каждом отдельном диске и имеет тенденцию к максимальному истончению в центральном регионе, смежном со студенистым ядром [31, 32].
У человека переднезадний диаметр замыкательной пластинки последовательно увеличивается от шейного к поясничному отделу, в то время как у четвероногих, таких как теленок, овца и свинья, ее диаметр остается одинаковым на всем протяжении позвоночника [33]. При этом замыкательная пластинка имеет немного больший диаметр в шейном отделе позвоночника и меньший — в поясничном, за исключением таковой у теленка, у которого диаметр замыкательной пластинки поясничного отдела сходен с таковым у человека. В поясничном отделе приматов (орангутанга, шимпанзе) и кенгуру диаметр замыкательной пластинки меньше, чем у человека [34].
Замыкательная пластинка у кролика состоит из наружного слоя гиалинового хряща и внутреннего слоя костной ткани, которая чаще непосредственно граничит с наружными пластинами фиброзного кольца, реже отделена от них тонким слоем (2—3 ряда клеток) гиалинового хряща. Этот слой обнаруживается не во всех дисках и только в его средней части. Такая слоистая структура замыкательной пластинки, характерная для кроликов, отличает ее от таковой человека, состоящей только из гиалинового хряща [16].
Хрящевой слой замыкательной пластинки кролика образован типичными для гиалинового хряща хон-дроцитами, окруженными широкой капсулой, которые формируют колонки. Межклеточный матрикс гомогенный, базофильный при окраске гематоксилином и эозином. При окраске толуидиновым синим матрикс хряща имеет метахромазию, что указывает на высокое содержание в нем протеогликанов. Костный слой ХЗП имеет структуру, идентичную костной ткани позвонков: губчатая кость с широкими трабекула-ми, формирующими полости, заполненные костным мозгом [16].
Согласно данным D.M. Elliott [35], химический состав [36], структура, биомеханические свойства [37, 38] и характер гибели нотохордальных клеток [39] межпозвоночного диска крысы имеют сходство с таковыми у человека (при учете различий их геометрических параметров: высоты и площади диска). Это свидетельствует о том, что характерная организация и свойства ткани диска сохраняются у представителей разных видов животных и человека.
Согласно мнению некоторых авторов, у крысы хрящевая замыкательная пластинка отсутствует. Другие авторы указывают на ее присутствие [40, 41], однако указывают на отличительные особенности ее организации. A.J. Hayes и соавт. (2011) [41] в своей работе исследовали эмбриогенез компонентов межпозвоночного диска, включая хрящевую замыкательную пластинку, и проанализировали ее структуру у взрослых крыс линии Вистар. Авторы показали, что пучки коллаге-новых волокон ХЗП крысы погружены во внутренний слой фиброзного кольца, формируя коллагено-вый каркас вокруг студенистого ядра. Хрящевая замыкательная пластинка у крыс тонкая, представлена несколькими слоями коллагеновых волокон и расположенными между ними хондроцитами. При этом сама структура ХЗП напоминает волокнистый хрящ, а не является гиалиновым хрящом, как у человека.
Возрастные изменения хрящевой замыкательной пластинки и ее изменения при дегенерации
Дегенерация хрящевой замыкательной пластинки начинается в области ее контакта со студенистым ядром, что приводит к нарушению сбалансированного процесса поступления веществ в диск [3] и обратного оттока неутилизированных продуктов метаболизма. Это приводит, с одной стороны, к дистрофии клеток студенистого ядра, с другой — к накапливанию в нем продуктов катаболизма и последующей деструкции.
У детей в возрасте от 3 до 10 лет отмечено снижение плотности сосудов в хрящевой замыкательной пластинке. С другой стороны, с возрастом увеличивается количество облитерированных сосудов. Появляются первые трещины в замыкательной пластинке. Эти изменения наиболее четко прослеживаются в ее центре [18]. В замыкательной пластинке подростков (11— 16 лет) наблюдается уменьшение количества кровеносных сосудов на фоне прогрессирования облитерации имеющихся, что оказывает неблагоприятное воздействие на поддержание структурной целостности матрик-са диска. Уменьшение просветов и численности кровеносных сосудов коррелирует со значительным увеличением протяженности участков дезорганизации хряща, снижением клеточной плотности и появлением в нем трещин.
Повреждения замыкательной пластинки в возрасте 17—20 лет подобны таковым, имеющим место в предыдущей группе. N. Boos. и соавт. (2002) [18] отметили наличие сосудистых каналов в хрящевой замыка-тельной пластинке человека до третьей декады жизни. Редукция сосудов сопровождалась прогрессивным истончением замыкательной пластинки и микроскопическими протрузиями в смежную субхондральную кость. С 20 до 30 лет нарушения замыкательной пластинки сходны с отмеченными в более молодых группах, но они более многочисленны.
Для возраста 31—50 лет характерно значительное увеличение частоты и протяженности нарушений за-мыкательной пластинки. На четвертом десятилетии ее дезорганизация приводит к формированию многочи-
сленных трещин и щелей, а также мукоидных и гранулярных изменений матрикса. В возрасте 51—70 лет нарушения ткани замыкательной пластинки наиболее выраженные. На протяжении шестого и седьмого десятилетий замыкательная пластинка замещается волокнистым хрящом с очагами фокальных некрозов. В пожилом возрасте дегенерация ХЗП может быть связана с инвазией сосудов и замещением кальцифициро-ванного хряща костной тканью, что приводит к редукции путей поступления веществ и дегенерации студенистого ядра [15]. В оссифицированной замыкатель-ной пластинке отмечены микропереломы и склероз кости. Некоторые исследователи отметили корреляцию между склерозом хрящевых замыкательных пластинок и дегенерацией диска [32, 42, 43]. У пожилых лиц старше 70 лет в замыкательной пластинке дезорганизация хряща и костной ткани остается на уровне нарушений, отмеченных в предыдущей группе [18].
Следует отметить, что возрастная дегенерация межпозвоночного диска имеет место у человека и животных, длительное время поддерживающих вертикальное положение тела. У крыс дегенерация межпозвоночного диска — явление редкое. Однако у песчаных крыс, которые значительное время проводят в положении стоя на задних конечностях, в зрелом возрасте (18 мес.) возникает радикулярный синдром. У более 50 % животных наблюдаются морфологические признаки дегенерации межпозвоночных дисков в поясничном отделе позвоночника [44, 45], что указывает на взаимосвязь между процессом дегенерации диска и бипедальностью. В связи с этим песчаные крысы являются удачной природной моделью для изучения дегенеративных заболеваний позвоночника.
При изучении (на протяжении 40 недель) пункци-онной модели остеохондроза у кроликов, полученной путем неполнослойного прокола фиброзного кольца [16], были обнаружены выраженные изменения в гиалиновом слое замыкательных пластинок интактных межпозвоночных дисков (смежных с поврежденными), которые начинались с 6-й недели эксперимента и затем прогрессировали. Имели место некроз, деструкция, кальциноз, оссификация, истончение и фрагментация гиалинового хряща, сопровождающиеся репа-ративной реакцией. К 40-й неделе в части дисков за-мыкательные пластинки содержали лишь отдельные фрагменты хряща, окруженные костной тканью. Подобные изменения, особенно оссификация ХЗП, были отмечены при старении и дегенерации межпозвоночных дисков у человека [46].
Роль апоптоза в патогенезе дегенерации хрящевой замыкательной пластинки
В настоящее время появляется все больше данных о связи дегенерации диска с апоптозом хондроцитов [47—53]. При этом первично апоптоз хондроцитов активизируется в хрящевой замыкательной пластинке [54, 55]. Полагают, что ему предшествует нарушение структуры хрящевого матрикса, в результате которого происходит обособление хондроцитов и нарушение их
трофики. Известно [1], что не только хондроциты оказывают влияние на структуру хрящевого матрикса, но существует и обратная связь, когда имеет место регулирующая функция матрикса на структуру клетки. Деструкция матрикса приводит к нарушению взаимодействия на уровне «матрикс — клетка — матрикс», при этом нарушение структуры хрящевого матрикса вызывает структурные, а затем и функциональные изменения хондроцитов, что, в свою очередь, приводит к нарушению биосинтеза компонентов матрикса такими деструктивно измененными клетками.
Нарушение взаимодействия «матрикс — клетка» индуцирует патологический апоптоз хондроцитов, когда гибель клетки осуществляется в более короткий срок, чем он запрограммирован физиологически. В процесс патологического апоптоза хондроцитов хрящевой за-мыкательной пластинки вовлечены сигнальные молекулы — члены суперсемейства фактора некроза опухоли — FasL (Fas-лиганд) и TRAIL (TRAI-лиганд) и их пары (система Fas-лиганда с Fas-рецептором, система TRAIL/DR4/DR5) [50, 52, 56]. Таким образом обеспечивается связь лиганда апоптоза и его рецептора на мембране хондроцита [57], что приводит к индукции апоптоза.
Активизация процесса апоптоза имеет место как в хрящевой замыкательной пластинке, так и в тканях студенистого ядра и фиброзного кольца. Однако самым ранним индикатором дегенерации диска является активизация апоптоза именно в ХЗП [8]. В результате нарушения структуры замыкательной пластинки и блокирования диффузии питательных веществ в диск прогрессирует апоптоз в хондроцитах студенистого ядра, а затем и фиброзного кольца. Именно в дисках с высокой степенью дегенерации зафиксирована наиболее высокая частота апоптоза хондроцитов, что было выявлено с помощью оценки экспрессии рецепторов клеточной смерти DR4 и DR5 (death receptor-4 и DR-5) и их лиганда TRAIL (TNF-related apoptosis-inducing ligand — связанный с фактором некроза опухолей апоптозиндуцирующий лиганд), являющегося триггером апоптоза. Экспрессия этих рецепторов коррелировала с прогрессированием дегенеративных изменений в межпозвоночных дисках [49]. По некоторым данным [48], при дегенерации межпозвоночного диска имеет место не повышение, а снижение экспрессии Fas-лиганда в клетках студенистого ядра.
В связи с этим следует отметить имеющий место значительный прогресс в области генной инженерии, позволяющей регулировать экспрессию генов апопто-за клеток студенистого ядра на уровне блокирования экспрессии Fas-лиганда с помощью метода РНК-интерференции [50]. Применение короткой двухцепо-чечной интерферентной РНК (short interferense RNA — siRNA) приводит к нарушению процесса транскрипции РНК (инактивации иРНК Fas-лиганда) или последующей трансляции, что в конечном итоге ведет к ингибированию апоптоза клеток студенистого ядра.
Wu Jing-ping и соавт. (2010) [40] исследовали влияние возраста и весовой нагрузки на морфологию хрящевой замыкательной пластинки и апоптоз хондро-
цитов у крыс. Для этого ими была создана модель би-педальных крыс путем ампутации передних конечностей (45 животных) и специальных условий содержания животных. Контролем служили интактные крысы (n = 40) того же возраста. По достижении животными 3, 6, 9 и 12 месяцев забивали по 8 крыс из каждой группы. Были проанализированы парафиновые срезы (окрашенные гематоксилин-эозином и с помощью TUNEL), изготовленные в сагиттальной плоскости на уровне L4—L5 позвоночника. Подсчитывали количество апоптотических и жизнеспособных клеток в хрящевых замыкательных пластинках, их толщину, проводилась оценка степени дегенерации ХЗП. Первоначально апоптоз был обнаружен в хрящевой замыкательной пластинке. Он усиливался с возрастом и приводил к заметному снижению плотности клеток. Темпы апоптоза хондроцитов в ХЗП 6-месячных бипедальных крыс были значительно выше, чем у животных контрольной группы. При сравнении показателей бипедальных крыс 6- и 9-месячного возраста было отмечено статистически достоверное увеличение темпов апоптоза у животных старшей возрастной группы (P < 0,05). Было выявлено наличие отрицательной корреляции между количеством жизнеспособных клеток хрящевой замыкательной пластинки и степенью ее дегенерации (г = —0,97, P < 0,05). При этом группа бипедальных крыс имела более тяжелую степень дегенерации ХЗП, более отчетливое утолщение ее кальцифицированного слоя и больше структурных дефектов хряща. Исходя из этих данных авторы [40] делают вывод, что вертикальная весовая нагрузка является ключевым фактором повышения апоптоза хондроцитов и дегенерации хрящевой замыкательной пластинки.
Экспериментальные повреждения хрящевой замыкательной пластинки
Экспериментальные модели, воспроизводящие повреждение хрящевой замыкательной пластинки, дают возможность проследить дегенеративные изменения, протекающие в межпозвоночном диске. На многих экспериментальных моделях была показана роль травматического повреждения хрящевой замыкатель-ной пластинки в прогрессировании дегенерации диска [4-8].
W.C. Hutton и соавт. [58] моделировали нарушение трофики диска у собак путем введения костного цемента в область тела позвонка, смежную с одной либо двумя хрящевыми замыкательными пластинками. Через 70 недель они обнаружили дегенеративные изменения в области экспериментальных дисков по сравнению с контрольными дисками тех же животных. В эксперименте на овцах вызывали нарушение кровоснабжения в замыкательных пластинках межпозвоночных дисков поясничного отдела позвоночника [59], затем с помощью титановой фольги предотвращали восстановление васкуляризации. Было показано, что данный способ вмешательства приводил к значительному снижению количества сосудистых почек, подходящих к студенистому ядру диска [60].
В эксперименте на 6 домашних свиньях S. Holm и соавт. [5] разработали модель дегенерации диска, имитирующую таковую у человека. Для этого животным выполняли перфорацию краниальной хрящевой за-мыкательной пластинки с проникновением отверстия в студенистое ядро. Через 3 месяца после операции проводили исследование компрессионных свойств на уровне Ь2-Ь4-двигательных сегментов, а также измеряли внутридисковое давление в поврежденных дисках. Наблюдали значительное снижение содержания воды в наружном отделе фиброзного кольца с вентральной стороны позвоночника. Внутридисковое давление студенистого ядра было значительно снижено.
Гистологические и гистохимические исследования показали заметное снижение содержания протеогли-канов в студенистом ядре, а также уменьшение плотности клеток в этой области. Студенистое ядро теряло свою гелеобразную структуру, не имело характерной окраски, а в фиброзном кольце наблюдалось расслоение пластин.
S. Sobajima и D.G. Anderson [4, 6] на модели раневого повреждения фиброзного кольца у кроликов показали, что начало дегенерации диска связано с патологической генной экспрессией. Было обнаружено, что после рассечения диска экспрессия генов коллагена II типа и аггрекана, а также тканевого ингибитора ме-таллопротеиназы TIMP-1 была снижена [6], в то время как экспрессия коллагена I типа была повышена. Подтверждением этому служат данные [4] о повышении генной экспрессии коллагеназ ММР-1 и ММР-13.
В работах многих авторов подчеркивается, что статически-механическая нагрузка является одним из важных факторов, индуцирующих апоптоз хондроцитов [8, 53, 61]. На 24-часовой органной культуре межпозвоночных дисков и хрящевых замыкательных пластинок копчикового отдела позвоночника мышей было показано, что с увеличением нагрузки (0; 0,2; 0,4; 0,8; 1,0 мкПа) количество апоптотических клеток в диске увеличивалось, особенно в области ХЗП [53].
Методом TUNEL было выявлено увеличение частоты апоптоза клеток в межпозвоночных дисках хвостового отдела позвоночника мышей, которое наблюдалось при статическом сжатии дисков (выше 1 мкПа) с помощью специальных устройств [61]. Частота апоптоза хондроцитов коррелировала с продолжительностью и интенсивностью применяемой компрессии.
В эксперименте на 40 половозрелых новозеландских кроликах [8] животным обнажали верхние и нижние края тел позвонков С4 и С5 и верхний край С6-позвонка. С дорсальной стороны по обнажившейся поверхности тела позвонка внутрь вводили костный цемент для того, чтобы нарушить питательные пути хрящевой замыкательной пластинки, и в этих условиях оценивали ее структуру. Через 4 и 8 недель в образцах хрящевой замыкательной пластинки проводили идентификацию апоптоза хондроцитов TUNEL-методом, а иммуногистохимическим методом в межпозвоночных дисках определяли экспрессию коллагена II типа. Было показано достоверное увеличение количества апоптотических клеток в хрящевой замы-
кательной пластинке в оба срока наблюдения. Между частотой апоптоза хондроцитов замыкательной пластинки и экспрессией коллагена II типа была обнаружена выраженная отрицательная корреляционная зависимость. Апоптоз хондроцитов хрящевой замыка-тельной пластинки приводит к снижению экспрессии коллагена II типа в межпозвоночном диске и вызывает его дегенерацию. Подобную зависимость подтвердил F. Wang [62] на первичной культуре хондроцитов хрящевой замыкательной пластинки, который показал снижение жизнеспособности клеток с увеличением частоты апоптоза.
D. Haschtmann и соавт. [7] впервые разработали экспериментальную модель травматического повреждения межпозвоночного диска in vitro. Для этого в органной культуре образцов, включающих хрящевую замы-кательную пластинку и межпозвоночный диск 4 половозрелых бургундских кроликов, с помощью специального устройства производили разрыв замыка-тельной пластинки с применяемой энергией разрыва 1,2 Дж. Это во всех случаях приводило к формированию грыжи студенистого ядра сквозь поврежденную замыкательную пластинку. Через 9 дней культивирования проводили анализ на наличие некротических или апоптотических клеток в диске и определение экспрессии проапоптотических генов, а также других генов, принимающих участие в процессе дегенерации, таких как гены матриксных металлопротеиназ. Повреждения клеток оценивали путем измерения активности лактатдегидрогеназы (ЛДГ). Было обнаружено значительное повышение активности ЛДГ в опытных образцах по сравнению с контролем. Кроме того, имело место постоянное повышение экспрессии гена кас-пазы-3 во всех отделах диска. Экспрессия проапоптотических протеинов, таких как FasL и TNF-a, была повышена в студенистом ядре, в то время как транскрипты металлопротеиназ ММР-1 и ММР-13 (коллагеназ) повышались во всех структурных отделах диска.
Эти исследования показали, что разрывы хрящевой замыкательной пластинки приводят как к некротической, так и к апоптотической гибели клеток студенистого ядра и фиброзного кольца. Более того, экспрессия клетками студенистого ядра проапоптоти-ческих протеинов FasL и TNF-a может приводить к прогрессированию апоптоза, индуцированного клеточными рецепторами Fas и TNF-a. Избыточная экспрессия ФНО-a и ММР-аз может повреждать метаболизм диска. Быстрый биологический ответ диска на повреждение замыкательной пластинки показал, каким образом может инициироваться дегенерация межпозвоночного диска.
Фрагменты хрящевой замыкательной пластинки в послеоперационном материале больных с грыжей диска
Традиционно принято считать, что при повреждении либо дегенерации хрящевой замыкательной пластинки имеет место формирование грыж Шморля [9]. При этом сквозь образовавшиеся дефекты (разрывы) гиалиновой замыкательной пластинки в тело смежно-
го с ней позвонка проникает студенистое ядро. Грыжи Шморля в большинстве случаев протекают асим-птомно. При исследовании аутопсийных образцов R.C. Hilton и соавт. [63] установили, что грыжи Шморля наблюдались более чем в 70 % случаев, с одинаковой частотой среди лиц старше и младше 50 лет, что указывает на то, что они возникают в течение жизни относительно рано.
Однако наблюдения многих исследователей [64—68] свидетельствуют о том, что разрывы хрящевой замыкательной пластинки, на фоне ее выраженной дегенерации, зачастую могут приводить не только к грыжам Шморля, но и к формированию так называемых грыж разрывного типа, при которых в экструзионных эпи-дуральных и субдуральных [68] или секвестрированных грыжах [65, 67] присутствуют фрагменты хрящевой ткани. Одним из важных условий для возникновения грыж такого типа является наличие у пациента дорсального углового дефекта тела позвонка [68]. На этом фоне разрывы хрящевой замыкательной пластинки на участке, равном 1/3 ее протяженности с дорсальной стороны позвоночника, приводят к выпячиванию грыжевого материала в направлении канала спинного мозга. При сравнении МР-изображений двух групп пациентов с угловым дефектом дорсальной области тел позвонков было обнаружено, что в группе больных с невыраженным угловым дефектом хрящевой материал присутствовал в 40 % случаев, тогда как у пациентов с выраженным дефектом — в 82 % (Р = 0,019 по Фишеру).
Такой тип грыжеобразования чаще всего встречается у лиц среднего возраста (31—45 лет). У молодых индивидуумов частота его встречаемости увеличивается с возрастом, а у лиц пожилого и старческого возраста снижается. Имеется также прямая зависимость между весом послеоперационных грыжевых масс (в граммах) и наличием в них фрагментов хрящевой замыкательной пластинки [68].
По данным некоторых авторов [66], в грыжевых образцах шейного отдела позвоночника лиц зрелого и пожилого возраста присутствовали фрагменты гиалинового и волокнистого хряща, а грыжа хрящевой замыкательной пластинки была преобладающим типом грыжеобразования на этих участках. Сходные результаты были получены и на поясничном отделе позвоночника [64] при детальном изучении 100 пациентов с грыжами диска. Было обнаружено, что в 44 % случаев свободные фрагменты грыжи содержали главным образом материал замыкательной пластинки, а у 54 % пациентов — студенистое ядро.
G. Schmid и соавт. [68] показали, что примерно у 50 % пациентов имел место разрывной тип образования грыжи в поясничном отделе позвоночника на уровне L4—L5 и L5—S1. При этом экструзион-ный материал грыжи содержал гиалиновый хрящ за-мыкательной пластинки, количество которого составляло 5—50 % от общего объема грыжевых масс. С помощью МР-исследований была установлена корреляция между интенсивностью изменений сигнала в средней части замыкательной пластинки и наличием хря-
щевого материала в грыже диска пациентов. Взаимосвязь между количеством хрящевого материала в грыже диска и степенью дегенерации гиалиновой замыка-тельной пластинки подтверждает гипотезу о том, что разрывы гиалиновой пластинки являются источником образования грыжи диска разрывного типа.
Эти данные хорошо согласуются c данными М. Tanaka и соавт. [65] о том, что большинство разрывов диска имеется в его внутренних или промежуточных отделах на границе раздела фиброзного кольца и гиалиновой замыкательной пластинки. Разрывной тип грыжеобразования также связан с образованием концентрических и радиальных трещин фиброзного кольца и преобладает у пожилых лиц. Однако этот тип грыж может также иметь место у значительного процента молодых пациентов, особенно при наличии у них грыжи диска большого размера.
Клинические наблюдения показали, что в ауто-псийных дисках с выраженной дегенерацией и разрывами фиброзного кольца с выпадением студенистого ядра были обнаружены разрывы гиалиновой замыкательной пластинки [65]. Авторы выяснили, что между хрящевой замыкательной пластинкой и суб-хондральной костью имеется непрочная связь, в то время как между хрящевой замыкательной пластинкой и внутренними волокнами фиброзного кольца связь прочная. После проведения аутопсийных исследований было установлено, что фрагменты гиалиновой замыкательной пластинки с прикрепленными к ней волокнами фиброзного кольца могут отделяться от тела позвонка и образовывать секвестрированную грыжу [65, 67]. Подтверждением этому являются данные [67], полученные при исследовании материала грыж диска послеоперационных больных, в котором фрагменты замыкательной пластинки были обнаружены в 49 % случаев.
Выводы
1. Хрящевая замыкательная пластинка, являясь компонентом межпозвоночного диска, выполняет барьерную и трофическую функцию, обеспечивая пространственное разграничение студенистого ядра и тел позвонков, а также поступление нутриентов в диск и выведение из него продуктов катаболизма.
2. Дегенерация межпозвоночного диска начинается с изменений хрящевой замыкательной пластинки: апоптоза хондроцитов, кальцификации хрящевого матрикса и блокирования транспортных путей диска.
3. Экспериментальные повреждения хрящевой замыкательной пластинки стимулируют дегенерацию диска и способствуют формированию грыж диска.
4. Наличие фрагментов хрящевой замыкательной пластинки в послеоперационном материале больных с грыжами диска подтверждает ее роль в патогенезе гры-жеобразования.
5. Вероятность присутствия материала хрящевой замыкательной пластинки в грыже диска возрастает, когда имеет место угловой дефект тела позвонка, который является одним из важных потенциальных источников грыжи диска разрывного типа.
Список литературы
1. Павлова В.Н., Копьева Т.Н., Слуцкий Л.И., Павлов Г.Г. Хрящ. — М.: Медицина, 1988. — 317 с.
2. Singh K. Age-related changes in the extracellular matrix of nucleus pulposus and anulus fbrosus of human intervertebral disc / K. Singh, K. Masuda, E.J.-M.A. Thonar et al. // Spine (Ph-ila Pa 1976). — 2009. — Vol. 34, № 1. — P. 10-16.
3. Rajasekaran S. Assessment of Status of End Plate and Diffusion in Degenerative Disc Disease // Selected abstracts delivered at the 8th Annual АО Spine North America Fellows Forum. — 2010. — Vol. 1, Iss. 2. — P. 47-55.
4. Anderson D.G., Izzo M.W., Hall D.J. et al. Comparative gene expression profiling of normal and degenerative discs: analysis of a rabbit annular laceration model // Spine. — 2002. — Vol. 27. — P. 1291-1296.
5. Holm S., Holm A.K., Ekstrom L. et al. Experimental disc degeneration due to endplate injury / S. Holm, A.K. Holm, L. Ekstrom et al. // J. Spinal. Disord. Tech. — 2004. — Vol. 17, № 1. — P. 64-71.
6. Sobajima S., Shimer A.L., Chadderdon R.C. et al. Quantitative analysis of gene expression in a rabbit model of intervertebral disc degeneration by real-time polymerase chain reaction // Spine. — 2005. — Vol. 5. — P. 14-23.
7. Haschtmann D., Stoyanov J.V., Gedet P., Ferguson S.J. Vertebral endplate trauma induces disc cell apoptosis and promotes organ degeneration in vitro // Eur. Spine J. — 2008. — Vol. 17, № 2. — P. 289-299.
8. Xu H.G., Chen X.W., Wang H. et al. Correlation between chondrocyte apoptosis of vertebral cartilage endplate and degeneration of intervertebral disc // Zhonghua Yi Xue Za Zhi. — 2008. — Vol. 88, № 3. — P.194-197.
9. Schmorl G. The human spine in health and disease / G. Schmorl, H. Junghanns. — 2nd edn. — New York: Grune and Stratton, 1971.
10. Повреждения позвоночника и спинного мозга / Под ред. Н.Е. Полищука, Н.А. Коржа, В.Я. Фищенко. — Часть I. Анатомия, механизмы и патогенез повреждений позвоночника и спинного мозга. — К.: Книга-плюс, 2001.
11. Никифоров А.С. Дегенеративные заболевания позвоночника, их осложнения и лечение / А.С. Никифоров, О.И. Мендель // Электронный ресурс. — Точка доступа: http://www.spinabezboli.ru/article47.htm.
12. Дегенеративно-дистрофические заболевания суставов. Остеохондроз позвоночника: Этиология и патогенез. 2 часть // Электронный ресурс. — Точка доступа: http://ortmed. ru/index.php?productID=137.
13. Погожева Т.И. Возрастная характеристика ультраструктуры межпозвоночных дисков человека: Дис... канд. биол. наук. — М., 1985. — 222 с.
14. Никонов С.В. Межпозвонковый диск и его кровоснабжение (обзор литературы) // Мануальная терапия. — 2008. — № 2. — Вып. 30. — С. 72-78.
15. Дедух Н.В. Межпозвонковые диски: структурная организация в норме и при патологии // Проблеми остеологи. — 2008. — Т. 11, № 3-4. — С. 11-17.
16. Шехтер А.Б., Басков В.А., Захаркина О.Л. и др. Моделирование дегенеративных изменений межпозвонковых дисков (остеохондроза) у кроликов: макроскопическое и гистологическое изучение / А.Б. Шехтер, В.А. Басков, О.Л. Захаркина и др. // Биомедицина. — 2009. — № 2. — С. 41-69.
17. Матхаликов Р.А. Межпозвонковый диск — патология и лечение // Независимое издание для практикующих врачей // Электронный ресурс. — Точка доступа: www.rmj.ru.
18. Boos N., Weissbach S., Rohrbach H. et al. Classification of Age-Related Changes in Lumbar Intervertebral Discs // Spine. — 2002. — Vol. 27, № 23. — P. 2631-2644.
19. Jayson M. Structural changes in the intervertebral disc / M. Jayson, J.S. Barks // Ann. Rheum. Diseases. — 1973. — Vol. 32, № 1. — P. 10-15.
20. Jensen G.M. Biomechanics of the lumbar intervertebral disc: a review // Phys. Ther. — 1980. — Vol. 60, № 6. — P. 765773.
21. Taylor J.B. Growth of human intervertebral discs and vertebral bodies // J. Anat. — 1975. — Vol. 120, № 1. — P. 49-68.
22. Цивьян Я.Л. Патология дегенерирующего межпозвонкового диска / Я.Л. Цивьян, А.А. Бурухин. — Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1988. — 127 с.
23. Oki S., Mastuda Y., Shibata Т. et al. Morphologic in differences of the vertebral endplate: scanning electron microscopic study / S. Oki, Y. Mastuda, Т. Shibata et al. // Spine. 1996. — Vol. 15-21, № 2. — P. 174-177.
24. Raj P.P. Intervertebral Disc: Anatomy-Physiology-Patho-physiology-Treatment // Pain. Practice. — 2008. — Vol. 8, Iss. 1. — Р. 18-44.
25. Maroudas A., Stockwell R.A., Nachemson A., Urban J. Factors involved in the nutrition of the human lumbar intervertebral disc: cellularity and diffusion of glucose in vitro // J. Anat. — 1975. — Vol. 120. — P. 113-130.
26. Crock H.V., Yoshizawa H. The blood supply of the lumbar vertebral column // Clin. Orthop. Rel. Res. — 1976. — Vol. 115. — P. 6-21.
27. Rubert M. Lymph and blood supply of the human intervertebral disc. Cadaver study of correlations to discitis / M. Ru-bert, B. Tillman // Acta Orthop. Scand. — 1993. — Vol. 2. -P. 37-40.
28. Moore R.J. The vertebral endplate: disc degeneration, disc regeneration // Eur. Spine J. — 2006. — Vol. 15, Suppl. 3. — Р. 333-337.
29. Urban J.P.G. Diffusion of small solutes into the intervertebral disc. An in vivo study / J.P.G. Urban, S. Holm, A. Maroudas // Biorheology. — 1978. — № 15. — P. 203-221.
30. Urban J.P.G., Holm S., Maroudas A., Nachemson A. Nutrition of the intervertebral disc. An in vivo study of solute transport // Clin. Orthop. Rel. Res. — 1977. — № 129. — P. 101-114.
31. Edwards W.T., Zheng Y., Ferrara L.A., Yuan H.A. Structural features and thickness of the vertebral cortex in the thoraco-lumbar spine // Spine. — 2001. — Vol. 26. — P. 218-225.
32. Roberts S. The cartilage endplate and intervertebral disc in scoliosis: calcification and other sequelae / S. Roberts, J. Menage, S.M. Eisenstein // J. Orthop. Res. — 1993. — Vol. 11. — P. 747-757.
33. Wilke H.J., Kettler A., Wenger K.H., Claes L.E. Anatomy of the sheep spine and its comparison to the human spine // Anat. Rec. — 1997. — Vol. 247. — P. 542-555.
34. Boszczyk B.M. Comparative and functional anatomy of the mammalian lumbar spine / B.M. Boszczyk, A.A. Boszczyk, R. Putz // Anat. Rec. — 2001. — Vol. 264. — P. 157-168.
35. Elliott D.M., Espinoza Orias A.A., Malhotra N.R. Rat Disc Torsional Mechanics: Effect of Lumbar and Caudal Levels and Axial Compression Load // Spine — 2009. — Vol. 9, № 3. — P. 204-209.
36. Beckstein J. Comparison of animal discs used in disc research to human lumbar disc: axial compression mechanics and glycosaminoglycan content / J. Beckstein, S. Sen, T. Schaer et al. // Spine. — 2008. — Vol. 33, Iss. 6. — P. 166-173.
37. Elliott D.M., Sarver J.J. Young investigator award winner: validation of the mouse and rat disc as mechanical models of the human lumbar disc // Spine. — 2004. — Vol. 29. — P. 713-22.
38. O'Connell G.D., Vresilovic E.J., Elliott D.M. Comparison of animals used in disc research to human lumbar disc geometry // Spine. — 2007. — Vol. 32. — P. 328-333.
39. Hunter C.J. Cytomorphology of notochordal and chon-drocytic cells from the nucleus pulposus: a species comparison / C.J. Hunter, J.R. Matyas, N.A. Duncan // J. Anat. — 2004. — Vol. 205. — P. 357-62.
40. Wu Jing-ping, Zhu Bin, Ding Lei, Yu Zuo-chong,Ye Xuan-guang Morphometric analysis of chondrocyte apoptosis and degeneration of vertebral cartilage endplate in rats // Fudan. Univ. J. Med. Sci. — 2010. — Vol. 37, № 2. — P. 140-145.
41. Hayes A.J., Isaacs M.D., Hughes C. et al. Collagen fibrillo-genesis in the development of the annulus fibrosus of the intervertebral disc // Europeаn Cells and Materials. — 2011. — Vol. 22. — P. 226-241.
42. Benneker L.M., Heini P.F., Alini M. et al. 2004 Young Investigator Award Winner: vertebral endplate marrow contact chan-
nel occlusions and intervertebral disc degeneration // Spine. —
2005. — Vol. 30. — P. 167-173.
43. Bernick S. Vertebral end-plate changes with aging ofhuman vertebrae / S. Bernick, R. Cailliet // Spine. — 1982. — Vol. 7. — P. 97-102.
44. Gruber H.E., Johnson T., Norton H.J., Hanley E.N. The sand rat model for disc degeneration: radiologic characterization of age-related changes: cross-sectional and prospective analyses // Spine. — 2002. — Vol. 27. — P. 230-234.
45. Волков А.В. Экспериментальные модели дегенеративных заболеваний межпозвонковых дисков // Хирургия позвоночника. — 2007. — № 4. — С. 41-46.
46. Roughley P.J. Biology of intervertebral disc aging and degeneration: involvement of the extracellular matrix // Spine. — 2004. — Vol. 29, № 23. — P. 2691-2699.
47. Zhao C.Q. Programmed cell death in intervertebral disc degeneration / C.Q. Zhao, L.S. Jiang, L.Y. Dai // Apoptosis. —
2006. — Vol. 11, № 12. — P. 2079-2088.
48. Kaneyama S., Nishida K., Takada T. et al. Fas ligand expression on human nucleus pulposus cells decreases with disc degeneration processes // J. Orthop. Sci. — 2008. — Vol. 13. — P. 130-135.
49. Bertram H., Nerlich A., Omlor G. et al. Expression of TRAIL and the death receptors DR4 and DR5 correlates with progression of degeneration in human intervertebral disks / H. Bertram, A. Nerlich, G. Omlor et al. // Modern Pathology. — 2009. — Vol. 22. — P. 895-905.
50. Han D., Ding Y., Liu S.-L. et al. Double role of Fas ligand in the apoptosis of intervertebral disc cells in vitro // Acta Biochim. Biophys. Sin. — 2009. — Vol. 4, Iss. 11. — P. 938-947.
51. Zhao C.-Q., Zhang Y.-H., Jiang S.-D. et al. Both endoplas-mic reticulum and mitochondria are involved in disc cell apopto-sis and intervertebral disc degeneration in rats // Age (Dordrecht, Netherlands). — 2010. — Vol. 32, № 2. — P. 161-177.
52. Park J.B., Kim K.W., Han C.W. et al. Expression of Fas receptor on disc cells in herniated lumbar disc tissue // Spine. — 2001. — Vol. 26. — P. 142-146.
53. Kenta A., Kazuo Y., Takanobu N. et al. Mechanical stress-induced apoptosis of endplate chondrocytes in organ-cultured mouse intervertebral discs: An ex vivo study // Spine. — 2003. — Vol. 28, Iss. 14. — P. 1528-1533.
54. Vernon-Roberts B. Age-related and degenerative pathology of intervertebral discs and apophyseal joints // Jayson M.I.V. (ed) The lumbar spine and back pain. — 4th edn. — Edinburgh: Churchill Livingstone, 1992. — P. 17-41.
55. Ariga K., Miyamoto S., Nakase T. et al. The relationship between apoptosis of endplate chondrocytes and aging and degen-
Бенгус Л.М., Дедух Н.В.
ДУ«1нститут патологи хребта та суглоб'в '¡м. проф. М.1. Ситенка НАМНУ», м.Харкв
Хрящова замикальна пластинка i 1*1 роль у дегенерацм диска (аналггичний огляд лггератури)
Резюме. В оглядi узагальнеш сучасш дат лггератури про структуру i функщю хрящово! замикально! пластинки у людини i тварин. Наданий вшовий аспект змш хрящово! замикально! пластинки i !"! порушення при дегенера-ци диска. Пщкреслена роль апоптозу хондроцилв замикально! пластинки в шщаци дегенераци мiжхребцевого диска. Проаналiзованi експериментальш моделi пошкод-жень хрящово! замикально! пластинки i каскад наступних за ними патолопчних подш. Наведет клшчш даш iз за-лученням аутопсшних спостережень, що свщчать про те, що в грижах диска розривного типа на тл виражено! дегенераци хрящово! замикально! пластинки i наявност дор-зального кутового дефекту тша хребця присутня палшова хрящова тканина.
Ключовi слова: хрящова замикальна пластинка, експериментальш модел^ дегенерацiя мiжхребцевого диска.
eration of the intervertebral disc // Spine. — 2001. — № 26. — P. 2414-2420.
56. Park Jong-Beom Chang, Han Kim Ki-Won. Expression of fas ligand and apoptosis of disc cells in herniated lumbar disc tissue // Spine. — 2001. — Vol. 26, Iss. 6. — P. 618-621.
57. Zhang L., Niu T., Yang S.Y. et al. The occurrence and regional distribution of DR4 on herniated disc cells: a potential apoptosis pathway in lumbar intervertebral disc // Spine. — 2008. — Vol. 33, № 4. — P. 422-427.
58. Hutton W.C., Murakami H., Li A. et al The effect ofblocking a nutritional pathway to the intervertebral disc in the dog model // J. Spinal. Disord. Tech. — 2004. — Vol. 17. — P. 53-63.
59. Van der Werf MJ, Lezuo P, Maissen O, Ito K. Decreased diffusion as a result of perfusion block in the ovine lumbar spine: a future model for disc degeneration // Proceedings of the 52nd annual meeting ofthe orthopaedic research society. — Chicago, IL, 2006. — P. 31.
60. Alini M., Eisenstein S.M., Ito К. et al. Are animal models useful for studying human disc disorders/degeneration? // Eur. Spine J. — 2008. — Vol. 17. — P. 2-19.
61. Lotz J.C. Intervertebral disc cell death is dependent on the magnitude and duration of spinal loading / J.C. Lotz, J.R. Chin // Spine. — 2000. — Vol. 25. — P. 1477-1483.
62. Wang F. Biological characteristics of human degenerative vertebral endplate cells / F. Wang, J.M. Jiang, F.L. Wang // Nan Fang Yi Ke Da Xue Xue Bao. — 2010. — Vol. 30, № 4. — P. 871-874.
63. Hilton R.C., Ball J., Benn R.T. Vertebral end-plate lesions (Schmorl's nodes) in the dorso-lumbar spine / R.C. Hilton, J. Ball, R.T. Benn // Ann. Rheum. Dis. — 1976. — Vol. 35. — P. 127-132.
64. Brock M. The form and structure of the extruded disc / M. Brock, S. Patt, H.M. Mayer // Spine. — 1992. — Vol. 17. — P. 1457-1461.
65. Tanaka M. A pathologic study of discs in the elderly: separation between the cartilaginous endplate and the vertebral body / M. Tanaka, S. Nakahara, H. Inoue // Spine. — 1993. — Vol. 18. — P. 1456-1462.
66. Kokubun S. Cartilaginous endplate in cervical disc herni-ation / S. Kokubun, M. Sakurai, Y. Tanaka // Spine. — 1996. — Vol. 21. — P. 190-195.
67. Moore R.J., Vernon-Roberts B., Fraser R.D., Schembri M. The origin and fate of herniated lumbar intervertebral disc tissue // Spine. — 1996. — Vol. 21. — P. 2149-2155.
68. Schmid G., Witteler A., Willburger R. et al. Lumbar disk herniation: correlation of histologic findings with marrow signal intensity changes in vertebral endplates at MR Imaging // Radiology. — 2004. — Vol. 231. — P. 352-358.
Получено 25.05.12 ■
Bengus L.M., Dedukh N.V.
State Institution «Institute of Spine and Joint Pathology named after M.I. Sitenko of National Academy of Medical Sciences of Ukraine», Kharkiv, Ukraine
Cartilage Endplate and its Role in Disk Degeneration (Analytical Review of the Literature)
Summary. This review summarizes the current literature data on the structure and function of the cartilage endplate in humans and animals. Age aspect of the cartilage endplate changes and its disturbances in disk degeneration is presented. The role of endplate chondrocyte apop-tosis in the initiation of the intervertebral disk degeneration is shown. The experimental models of cartilage endplate damage and following them cascade of pathological events were analyzed. Presented clinical data involving autopsy observations indicates that avulsion-type disc herniation in the background of severe degeneration of the cartilage endplate and the dorsal corner defect of the vertebral body contains hyaline cartilage.
Key words: cartilage endplate, experimental models, intervertebral disk degenera-tion.
