Предыдущая часть документа
При сдавливании диска он деформируется и уплощается. Хрящевая пластинка и наружное кольцо выбухают, напряжение в этих структурах увеличивается, и давление в ядре растет. Степень деформации диска зависит от скорости увеличения нагрузки. При сгибании и разгибании позвоночника диск может сжиматься или растягиваться на 30-60% своей толщины, а расстояние между отростками соседних позвонков>> может увеличиваться более, чем в 4 раза. Если нагрузка исчезает в течение нескольких секунд, то диск быстро возвращается к исходным размерам. Однако если нагрузка сохраняется, то диск продолжает сжиматься. Эта “инерция” обусловлена продолжающейся деформацией структур диска и потерей жидкости из-за повышенного давления. Во время дневной физической активности, когда давление на диск повышено, диск теряет 10-25% своей воды. Эта вода восстанавливается ночью во время сна . Из-за потери воды и сжатия диска рабочие за день могут терять 1-2 см своего роста.
Состав диска изменяется также с возрастом и при развитии дегенерации, и при этом реакция диска на механическую нагрузку также меняется. Ядро, теряя воду и протеогликаны, уже не может столь же эффективно реагировать на нагрузку. Распределение нагрузки по волокнам фиброзного кольца и хрящевой пластинке становится неравномерным. При выраженной дегенерации диска внутренняя часть наружного кольца при нагрузке может выпячиваться внутрь ядра, и это может приводить к аномальному давлению на другие структуры диска, делая их в итоге неработоспособными. Скорость “инерционных” процессов в дегенеративных дисках также увеличена, и они по сравнению с нормальными дисками быстрее сжимаются при равной нагрузке. Сжатие диска влияет на другие структуры позвоночника, например, мышцы и связки. В частности, это может приводить к увеличению давления на суставные поверхности, что может являться причиной их дегенерации при нарушении функций дисков.
Взаимосвязь биохимической структуры и функций межпозвоночного диска
Протеогликаны
Функция диска зависит от равновесия между давлением воды и давлением набухания диска. Давление набухания определяется количеством ионов, притянутых в диск отрицательно заряженными протеогликанами, и, следовательно, прямо зависит от концентрации протеогликанов. При увеличении нагрузки на диск повышается давление воды, и равновесие нарушается. Для восстановления равновесия часть воды выходит из диска, в результате чего концентрация протеогликанов увеличивается вместе с создаваемым ими осмотическим давлением. Выход воды продолжается до восстановления равновесия или до устранения нагрузки на диск.
Протеогликаны влияют на перемещение воды и за счет других механизмов. Из-за высокой концентрации протеогликанов в ткани расстояние между цепями очень мало (3-4 нм). Через такое мелкое сито жидкость течет очень слабо, и даже при большой разнице давления скорость выхода жидкости, и, следовательно, скорость сжатия диска, очень мала. Однако в дегенеративном диске концентрация протеогликанов снижена, и жидкость протекает через матрикс быстрее. Может быть, поэтому дегенеративные диски сжимаются быстрее, чем нормальные. Заряд и высокая концентрация протеогликанов регулируют также вход и перемещение в диске и других веществ. Малые молекулы (питательные вещества типа глюкозы, кислорода) легко проникают в диск и перемещаются по матриксу. Концентрация положительно заряженных ионов (напр., натрия и кальция) в отрицательно заряженном диске выше, чем в окружающей межклеточной жидкости. Крупные молекулы, например, альбумин или иммуноглобулины плазмы крови, слишком велики, чтобы проникнуть в матрикс, и, соответственно, их концентрация в диске очень мала. Протеогликаны также влияют на активность и метаболизм клеток. Малые протеогликаны, например, бигликан, могут связывать факторы роста и другие медиаторы клеточной активности и могут высвобождать их при деградации матрикса.
Вода
Вода является основным компонентом межпозвоночного диска, и его жесткость обеспечивается гидрофильными свойствами протеогликанов. При небольшой потере воды коллагеновая сеть расслабляется, и диск становится более мягким и податливым. При потере значительной части воды механические свойства диска кардинально меняются, и при нагрузке ткань ведет себя не как многокомпонентный материал, а как твердое вещество. Вода также является средой, через которую осуществляется доставка питательных веществ из крови и удаление метаболитов.
Коллаген
Коллагеновая сеть, выдерживающая большую нагрузку на растяжение, формирует каркас диска и связывает его с телами прилежащих <<позвонков>> . Сеть разбухает под влиянием воды, которая притягивается протеогликанами; в свою очередь, эта сеть фиксирует протеогликаны, не давая им выйти из ткани. Таким образом, эти три компонента вместе образуют структуру, способную выдерживать сильное сдавливание.
Организация коллагеновых волокон обеспечивает гибкость диска. Волокна располагаются слоями, причем направление волокон, идущих к телам соседних <<позвонков>> , чередуется по слоям. В результате образуется переплетение, которое позволяет позвоночнику сгибаться за счет расклинивания диска, несмотря на то, что сами коллагеновые волокна могут растягиваться лишь на 3%.
Метаболизм
Клетки диска синтезируют как высокомолекулярные компоненты матрикса, так и расщепляющие их ферменты. В здоровом диске скорость синтеза и расщепления матрикса сбалансированы. При нарушении этого баланса состав диска резко изменяется. В период роста процессы синтеза и замены молекул преобладают над процессами их расщепления, и вокруг клеток накапливается матрикс. При старении и дегенерации наблюдается обратная картина. Срок жизни протеогликанов обычно составляет около 2 лет, а коллагена - значительно дольше. При нарушении баланса синтеза и расщепления матрикса и при ослаблении метаболической активности клетки содержание протеогликанов в матриксе снижается, и механические свойства диска ухудшаются.
На метаболизм диска влияет также механическая нагрузка, хотя механизм этой зависимости не ясен. В настоящее время невозможно предсказать, какая нагрузка поддерживает стабильный баланс, а какая способствует преобладанию расщепления матрикса над его синтезом.
Биофизика доставки питательных веществ
Поскольку диск получает питательные вещества из кровеносных сосудов прилежащих тканей, такие вещества, как кислород и глюкоза должны проникнуть путем диффузии через матрикс к клеткам, находящимся в центре диска. Расстояние от клеток до ближайшего кровеносного сосуда может достигать 7-8 мм. В процессе диффузии образуется градиент концентрации питательных веществ. На границе между диском и телом <<позвонка>> концентрация кислорода составляет примерно 50% от его концентрации в крови, а в центре диска эта концентрация не превышает 1%. Поэтому метаболизм диска идет в основном по анаэробному пути. При концентрации кислорода меньше 5% в диске усиливается образование продукта метаболизма - лактата, и концентрация лактата в центре диска может быть в 6-8 раз выше, чем в крови или межклеточной среде. (См. рис. 6.9).
--------------------------------------------------------------------------------
Рис. 6.9 Основные пути питания межпозвоночного диска заключаются в диффузии из кровеносного сосуда в теле <<позвонка>> (V)
через хрящевую пластинку (Е) в ядро (N) или из кровеносного сосуда вне фиброзного кольца (А)
--------------------------------------------------------------------------------
Часто высказывается мнение, что основной причиной дегенерации диска может быть нарушение доставки питательных веществ. С возрастом снижается проницаемость краевой пластинки диска, и это может затруднять проникновение в диск питательных веществ и выведение из диска продуктов метаболизма, в частности, лактата. При снижении проницаемости диска для питательных веществ концентрация кислорода в центре диска может упасть до очень низкого уровня. При этом активируется анаэробный метаболизм и усиливается образование лактата, выведение которого затруднено. В результате увеличивается кислотность в центре диска (рН снижается до 6,4), и, в сочетании с низким парциальным давлением кислорода, это приводит к снижению скорости синтеза протеогликанов и матрикса. Кроме того, сами клетки плохо переносят длительное пребывание в кислой среде, и в диске обнаруживается большой процент мертвых клеток.
Дегенерация диска приводит к потере протеогликанов, нарушению организации коллагеновой сети, изменению структуры диска и прорастанию в него кровеносных сосудов. Возможно, некоторые из этих изменений могут быть обратимы. Диск обладает некоторой способностью к восстановлению.
Заболевания
Сколиоз: сколиоз - это боковое искривление позвоночника, при котором расклинивается как межпозвоночный диск, так и <<позвонок>> . Сколиоз обычно сопровождается поворотом или скручиванием <<позвонка>> . Из-за особенностей прикрепления ребер к позвоночнику при этом образуется “реберный горб”, видимый при наклоне человека вперед. Сколиоз может быть проявлением врожденного дефекта позвоночника, например, врожденного клиновидного недоразвития половины <<позвонка>> , или может быть вторичным по отношению к другому заболеванию, например, нейромышечной дистрофии. Однако в большинстве случаев причина развития сколиоза остается неясной, и тогда это состояние называют идиопатическим сколиозом. При сколиозе боль ощущается редко, и лечение направлено в основном на предотвращение дальнейшего бокового изгиба позвоночника. Подробности клинического лечения сколиоза и других заболеваний позвоночника приведены в работе Tidswell (1992).
Спондилолистез: спондилолистез - это горизонтальное выскальзывание одного <<позвонка>> вперед по отношению к другим <<позвонкам>> . Это состояние может быть вызвано переломом костного мостика между передней и задней частями <<позвонка>> . Очевидно, при этом межпозвоночный диск растягивается и подвергается аномальной нагрузке. В матриксе затронутого диска, а также, в меньшей степени, в матриксе соседних дисков, происходит характерное для дегенерации изменение состава - потеря воды и протеогликанов. Спондилолистез выявляется путем рентгенографии.
Разрыв или выскальзывание диска: разрыв задней части наружного кольца диска происходит довольно часто у людей молодого и среднего возраста, испытывающих сильные физические нагрузки. Это состояние не выявляется на рентгенограмме, если только не проводится специальная радиодискография, при которой рентгеноконтрастное вещество вводят в центр диска. В этом случае можно выявить разрыв диска по характеру распределения рентгеноконтрастной жидкости. Иногда фрагменты диска могут проникнуть через разрыв диска в спинномозговой канал. При этом возникает раздражение или сдавливание седалищного нерва, сопровождающееся сильной болью и парестезией нижней конечности (ишиасом).
Дегенеративные заболевания диска: это термин применяется к болям поясничного отдела позвоночника неясной этиологии. У больных на рентгенограмме могут выявляться такие нарушения, как изменение высоты дисков, возможно формирование остеофитов по краю тел <<позвонков>> . Патологические механизмы развития заболевания у этой группы больных могут быть разными. Например, к дегенерации диска может приводить невылеченный разрыв диска.
Стеноз спинномозгового канала: сужение спинномозгового канала вызывает механическое сдавливание корешков спинномозговых нервов и нарушение их кровоснабжения. В результате могут развиться ослабление рефлексов, боль или онемение (парестезия); иногда может не быть никаких симптомов. Сужение спинномозгового канала может быть вызвано различными факторами, в том числе выпячиванием межпозвоночного диска в просвет канала, формированием дополнительной костной ткани в суставах (гипертрофия суставов), а также артритом с воспалением окружающих мягких тканей.
Роль современных томографических методов исследования в диагностике заболеваний межпозвоночных дисков до конца не установлена. Например, при ЯМР-томографии дегенеративный диск дает сигнал, отличающийся от сигнала здоровго диска. Однако корреляция между выявлением дегенеративного диска при ЯМР-томографии и наличием клинических симптомов очень слаба. В 45% случаев выявления дегенеративного диска методом ЯМР-томографии клинические симптомы отсутствуют, а у 37% больных с поясничной болью позвоночник при ЯМР-томографии выглядит нормально.
Факторы риска
Нагрузка
Нагрузка на межпозвоночные диски зависит от позы человека. В положении сидя давление на диск в 5 раз выше, чем в положении лежа (см. рис. 6.8). Давление на диски значительно увеличивается при поднятии тяжестей, особенно если тяжесть удерживается в отдалении от туловища. Очевидно, при повышенной нагрузке может произойти разрыв диска, который в нормальных условиях остался бы целым.
Эпидемиологические исследования, обобщенные Brinckmann и Роре (1990), согласуются в одном: повторяющийся подъем или перенос тяжестей или выполнение работы в согнутом или чрезмерно выпрямленном положении являются факторами риска для развития заболеваний поясницы. Аналогично некоторые виды спорта, например, тяжелая атлетика, связаны с повышенным риском развития поясничной боли. Механизм этой связи не ясен, хотя, возможно, играет роль характер приложения нагрузки.
Курение
Снабжение межпозвоночного диска питательными веществами очень неустойчиво, и даже при небольшом ослаблении питания оно становится недостаточным для обеспечения нормального метаболизма клеток диска. Это ослабление может быть вызвано курением, поскольку курение влияет на кровоток вне межпозвоночного диска. Доставка в диск питательных веществ, например, кислорода, глюкозы и сульфата, значительно снижается уже через 20-30 минут курения, что может объяснять более высокую частоту поясничной боли у курящих людей по сравнению с некурящими (Rydevik и Holm, 1992).
Вибрация
Эпидемиологические исследования выявили повышенную частоту развития поясничной боли среди лиц, подвергающихся интенсивной вибрации. Позвоночник имеет резонансную частоту колебаний 5-10 Гц, и при этих частотах вибрации он может повреждаться. Такую частоту вибрации создают многие автомобили. Brinckmann и Роре (1990) продемонстрировали зависимость между такой вибрацией и развитием поясничной боли. Поскольку вибрация неблагоприятно влияет на капилляры различных тканей, она может таким же образом влиять на позвоночник.