腰椎关节突关节退变的生物力学研究进展

石松源 张丽 彭志辉

(1兰州理工大学体育部，甘肃 兰州 730050；2甘肃交通职业技术学院基础部；3甘肃中医药大学体育健康学院)

腰椎关节突关节(LFJ)退变作为腰痛根源之一，通常被称为“小关节综合征”，组织中发生率为15%～45%〔1〕。腰椎失稳也与LFJ的退变、损伤密切相关〔2〕。临床上，退变发生在结构和细胞水平，与年龄，损伤，感染或炎症有关。这个过程改变了小关节的材料和机械性能，最终导致受影响组织完整性的进一步损害，其中最突出的标志是病理学改变，包括软骨磨损、撕裂、坏死、纤维化、硬化、软骨下骨暴露、骨赘形成、软骨下囊肿及关节囊钙化等〔3〕。研究表明，LFJ是位于腰椎后外侧真正的滑膜关节，除了抵抗腰椎平移，这些成对的关节根据不同的体位可以支撑3%～33%的压缩负载，并通过促进或限制腰椎运动节段的运动增加腰椎稳定性〔4～6〕。与允许在各个方向上运动并且主要通过对抗压缩负载和抵抗旋转作用的椎间盘不同，LFJ的运动受到上位椎体下关节突和下位椎体上关节突凹凸半球面扣合形式、关节方向和关节囊的限制〔7〕。因此，LFJ的退变会影响所有的关节组织，以下将从小关节退变与椎间盘、软骨、关节囊及神经系统的病理生理、生物力学关系进行探讨。

1 LFJ退变和椎间盘退变的关系

1983年，LFJ的解剖和功能生物力学首次在Kirkaldy-Willis等〔8〕的三阶段脊柱退变框架内提出。每个腰椎运动节段由位于前部的椎间盘和成对的后部滑膜关节组成“三关节复合体”。腰椎椎间盘和LFJ通过功能障碍阶段、微观和宏观不稳定性阶段及最终稳定阶段的过程进行退变演化。在退行性过程早期观察到的腰椎节段运动的增加会随着退行性过程的继续而减少〔9〕。

腰椎椎间盘的退化和小关节的退化在临床上均能被一致或独立地观察到，Margulies等〔10〕首先发现腰椎退行性椎间盘疾病和小关节病之间存在显著的相关性，在骨质疏松症体重过轻的患者，椎间盘退行性疾病会跟随小关节的退变而发生。在该退变中，所提出的病理过程开始于骨质疏松，其在椎体中产生微裂缝，导致关节面的相对位偏，然后导致软骨磨损和撕裂。关节面的这种退变导致腰椎运动节段的机械性不稳定，增加了由椎间盘支撑的机械应力，损伤其组织，并导致其进行性退变。在大多数情况下，LFJ的退变总是与邻近椎间盘退变相关联〔11〕。胡迎春等〔12〕利用三维有限元分析人体L4-5节段几何模型，模拟研究腰椎椎间盘发生退变等四种情况下关节峡部的受力情况。结果表明，椎间盘退变程度影响小关节处的接触面积，从而使关节峡部应力发生正相关变化。刘湘等〔13〕通过不对称切除腰椎椎间盘，模拟椎间盘不对称退变和椎间隙高度不对称降低，观察到后方小关节压力不对称性增大，推测出腰椎间盘不对称退变后小关节的压力明显增大，时间越长，小关节退变则会越严重。

2 关节突关节的方向和趋向性

小关节关节面的方向和趋向性，是关节突关节退变发展的诱发因素〔14〕，特别是在腰椎。关节突关节的趋向性是指左右椎小关节角不对称，一侧关节的矢状位方向角比另一侧大。由不同形态、弧度、方向、大小、面积或关节突置换等原因，可以出现不同的趋向性〔15〕。研究表明〔16〕，趋向性越明显，越会加速腰椎椎间盘退变。由于LFJ在矢状面及冠状面均成角，导致腰椎侧屈时伴有轻度轴向旋转，而轴向旋转的同时又能产生轻度侧屈〔17〕。Cyron〔18〕最早运用压缩和剪切力测试尸体腰椎运动节段后得出结论，由小关节不对称引起的相对轴向旋转，使具有最小冠状取向的关节面上的压缩载荷更高，并且在纤维环的对侧和对侧关节囊上增加了旋转应力。这种机械负载不平衡可加速组织的局部降解并触发退变过程。Schleich等〔19〕运用黏多糖化学交换饱和度转移(gagCEST)成像评估具有关节趋向性和矢状位关节健康志愿者的腰椎间盘中黏多糖的含量。分析表明，关节趋向性和矢状位关节志愿者的髓核中黏多糖含量较低，说明LFJ不对称与矢状方向增大为腰椎椎间盘早期生化改变发展的危险因素。同时，Kim等〔20〕利用有限元分析发现腰椎融合术后邻近融合节段的小关节的矢状位方向和趋向性是相邻节段退变的潜在危险因素。目前来看，许多研究一直致力于研究LFJ方向和趋向性在腰椎稳定结构退化进展中的作用，但在这个研究领域仍然有许多争议和矛盾的结果，导致这种情况最可能的原因是用于获得结果的方法不同，尤其是研究者用于定义关节面方向和趋向性的不同标准。同时，大多研究都集中在研究形态、趋向性、腰椎退变和滑脱方面〔21〕，还没有研究涉足LFJ方向和趋向性与肌肉不对称的研究。

3 LFJ退变软骨的代谢变化

LFJ透明软骨的覆盖可以为其提供低摩擦环境，具有韧性和抗压强度的特性，有利于健康腰椎在正常情况下的运动。在组织和细胞水平，通过结构和代谢的变化使软骨组织的成分发生变化，从而导致退变的发生，并因此改变其机械特性。Ziv等〔22〕最早发现LFJ关节面软骨的水和蛋白多糖含量在人体的前30年间会增加，而胶原蛋白含量会降低，小关节软骨的破坏主要由胶原网络的破坏引起。Elder等〔23〕认为LFJ软骨与全身大关节的软骨具有相似的生物学特性。在人类髌骨软骨外植体的早期生物力学研究中Armstrong〔24〕发现，软骨平衡压缩模量会随着年龄增加而降低，表明软骨退变程度随着年龄的增加而增加。Cao等〔25〕运用X射线同轴相衬显微层析(PPCT)方法观察大鼠LFJ退变过程中发生的细微变化，通过PPCT提供的LFJ在退变过程中形态变化的三维图像发现，在退变早期软骨下骨的变化发生在软骨退变之前。因此，LFJ软骨的生物力学性质主要取决于软骨组成(胶原纤维、蛋白多糖和含水量等)、年龄及关节负载情况，而软骨下骨的影响值得进一步深入研究。

4 LFJ退变和关节囊的关系

LFJ的关节囊组织由围绕关节滑膜的纤维结缔组织构成，含有丰富的神经支配，包括痛觉神经纤维、自主神经纤维和机械感受器〔26〕。LFJ关节囊对限制腰椎运动有重要作用，在前屈、侧屈和扭转过程中尤为显著〔27〕。当关节囊受压、牵张，组织炎症或化学物质刺激时，不同阈值的神经末梢感受器会出现激活和致敏。同时，LFJ病变或力学行为改变时，小关节囊神经末梢感受器的分布会发生改变，进而参与腰痛的发生发展〔28〕。另外，小关节软骨磨损性退变、关节层变薄可以使关节囊韧带的退变速率更快。Fujiwara等〔29〕调查了与LFJ软骨退变相关的腰椎运动的变化，得出结论，LFJ软骨的退行性变薄可导致腰椎运动节段的过度运动和关节囊的松弛。关节囊的松弛可能是由于瘢痕组织的形成所致，而瘢痕组织是由于运动节段的过度活动导致胶原纤维在抵抗较高强度的拉伸应力时断裂，为其修复新的连接而形成。Boszczyk等〔30〕从退化的腰椎获得后关节突关节囊的细胞外基质并进行了免疫组织化研究，与取自健康运动节段的关节囊相比，退化节段的后关节囊区是肥大的并且存在广泛的纤维软骨增生。Kim等〔31〕通过对腰椎重建手术和无背部疼痛史尸体的小关节进行组织学分析，发现退行性LFJ关节囊的炎症反应和血管生成明显增加，这表明这些因素在LFJ退变进程中起重要作用。

5 LFJ退化的神经系统影响

作为神经系统的保护结构，双侧LFJ和椎间盘关节共同参与了神经管道的管壁结构。因此，LFJ组织的退变不仅影响关节的机械功能和性能，而且还可以对神经系统产生影响。退变LFJ发生运动时，在退化的关节囊中诱导产生的机械应力可以撕裂关节囊，这可以使炎性细胞因子渗漏到椎管内。这些腐蚀性化学因子可以刺激神经根并触发疼痛信号〔32〕。此外，作为LFJ退变的结果，关节囊的缺损或断裂也可能导致关节囊滑膜内膜的滑膜囊肿形成。滑膜囊肿压迫神经根或硬膜囊或在创伤时出血，可以促进额外的神经功能缺损，例如坐骨神经痛或急性神经根性疼痛〔33〕。此外，为了代偿性恢复关节的稳定性并抵抗相应的应变和应力的增加，退变LFJ关节柱所承受机械应力的增加会过度刺激成骨细胞活性，促进骨赘或骨刺的形成并且扩大关节面。而骨赘可以在LFJ关节表面的边缘地带形成，并且具有缩小神经孔和压迫神经或背根神经节的可能，这可以诱发疼痛和神经根处的局部炎症及背根神经节和脊髓的炎症〔34〕。

6 LFJ退变研究的必要性

腰椎融合术是目前治疗腰椎退行性疾病常用的手术方式，但术后并发症，如运动功能丢失和邻近节段退变比较常见。运动保护装置和椎间盘置换术有助于减少这些并发症。然而，对于严重的LFJ退变患者，椎间盘置换术后仍有腰痛存在，腰椎失稳等并发症较多〔35〕。因此，术前准确评估LFJ退变有助于选择合适的手术治疗方法。而Zhou等〔36〕认为目前的影像学技术在评估LFJ退变的准确性和可靠性上属于中等水平，更准确的评估小关节变性的评级方法仍有待进一步研究。因此，对LFJ退变的病理生理、生物力学研究，目前仍需更加精确、标准、微观化的研究方法。

综上所述，目前在病理生理、生物力学及临床应用等方面对腰椎小关节退变都有了较为深入的研究。尽管如此，该领域由于受到研究方法的限制，大多研究从宏观角度对LFJ退变的生物力学有较为广泛的探讨，在软骨和小关节其他结构的微观生物力学方面研究甚少。在腰椎小关节退变的研究中，对关节软骨退变的微观变化及针对腰椎小关节退变的生物力学研究，有限元分析和X射线显微成像技术可以作为追踪软骨退变的诊断工具，也可以作为治疗性干预措施对小关节退变影响的临床前期研究工具。