椎间盘退变的生物化学改变
椎间盘是由多种结缔组织构成的高度特异性结构。这些成分有序合理的组织是椎间盘行使正常功能的基本要求。在椎间盘的结构组成中，胶原和蛋白多糖两种大分子化合物起关键作用。随着年龄增加，椎间盘逐渐发生退行性变化，在退变椎间盘中，胶原类型发生很大变化，甚至完全转换；蛋白多糖含量下降，其中呈聚集状态的蛋白多糖下降尤为明显，非聚集状态蛋白多糖比例相对增加。硫酸软骨素浓度下降，硫酸角质素浓度增加。因此，伴随年龄增大所引起的椎间盘老化或退变可能是基质合成和破坏之间不平衡所引起的。到底哪种成分在椎间盘退变中起主要作用还不清楚。从机体的生长与发育过程看，椎间盘退变是一个与年龄相关的自然老化过程。在出生后不久，椎间盘的高度和直径快速增长以适应椎体生长的需要。椎间盘的结构和组成必然先于其形态学的变化，这些变化出现在退变之前，同时也构成了成熟的基础。从生物化学角度上讲，与年龄相关的椎间盘退变始于出生后不久。每一个人的每一个椎间盘在其自然生长过程中都要经历过程相似的变化，只不过程度及早晚不同而已。退变是随着细胞或组织的退变性病理改变出现的生物化学变化，进而引起组织物理特性的衰变，最后表现为功能破坏或受限。椎间盘退变表现为蛋白多糖、胶原及水等生化成分变化，椎间盘营养供应减少、降解酶活性升高、活细胞数量下降、细胞老化、翻译后蛋白质修饰和基质疲劳衰竭等，这些变化构成了椎间盘突出的病理基础。
（一）胶原的变化
椎间盘退变时，Ⅰ型胶原的含量增加，纤维环中Ⅰ／Ⅱ型胶原之比升高；髓核PG及水分的减少，胶原含量相对增加，并且出现Ⅰ型胶原，Ⅰ型胶原的出现，使髓核吸收震荡和变形能力减弱。尽管纤维环中Ⅰ型胶原的含量较高，但由于形成在早期阶段，加之蛋白酶的降解作用，使纤维环胶原纤维的力学强度降低，这种变化主要发生在胶原含量最低的纤维环的后外侧区，这是椎间盘后外侧区容易突出的原因。
近年来，对退变椎间盘微量胶原类型的分布有了初步认识。Ⅲ型胶原由纤维细胞合成，分布于细胞周围，Ⅳ型胶原在突出的椎间盘的纤维环及髓核中含量明显降低，它所具有的保护软骨细胞作用丧失，加之髓核细胞的凋亡，不能合成Ⅱ型胶原，导致椎间盘主胶原比例失调。Nerilch（1998）采用免疫组化方法研究退变椎间盘中各型胶原的分布规律，认为Ⅱ型、Ⅲ型胶原在正常的髓核及内层纤维环中存在，轻度退变的椎间盘中，Ⅱ、Ⅸ型胶原增加，椎间盘显著退变时，Ⅱ、Ⅸ型胶原明显减少；Ⅲ、Ⅺ型胶原均显著增加，Ⅴ型胶原轻度增加，以上诸型胶原的变化与退变椎间盘的修复有关。Boos等（1997）发现Ⅹ型胶原在明显退变的椎间盘中表达，但表达的机制尚不清楚，有待于从细胞生物学行为方面深入探讨。
纤维连接素片断可以刺激细胞产生金属蛋白酶和细胞分裂素，并且抑制基质的合成。Oegema（2000）研究发现退变椎间盘的纤维连接素水平升高，多数断裂成为片断，提示椎间盘细胞对环境的改变发生了应答，说明细胞的蛋白水解酶活性的增强产生了纤维连接素片断，并且进一步导致基质的降解。
（二）蛋白多糖（PG）变化
PG是通过与核心蛋白结合到透明质酸上聚合而成的大分子，性质较稳定。在髓核中与水结合成凝胶状，使之产生弹性与膨胀性。椎间盘退变时，PG降解增多，含量明显减少，稳定性下降，分布异常，PG各种成分比例改变，导致胶原纤维力学特性下降，椎间盘退变加速。
椎间盘主要的蛋白多糖成分是硫酸软骨素和硫酸角质素。椎间盘退变时，硫酸软骨素合成减少，硫酸角质素与硫酸软骨素的比例增高。研究表明，硫酸角质素含量增高也与椎间盘退变相关。
Kuiper等（1998）研究认为硫酸角质素含量的血液检测，可作为椎间盘退变发生的敏感指标。硫酸软骨素中4-硫酸软骨素含量明显减少，而6-硫酸软骨素含量相对升高。由于核心蛋白的含量减少，因而，蛋白多糖的聚合能力显著降低。洪军等的研究结果表明，退变椎间盘中几乎观察不到PG的聚合体，胎儿至成人乃至退变的椎间盘蛋白多糖的聚合体含量依次减少。PG聚合体的分解而导致含量减少，早期可通过自身的修复方法重新合成PG聚合体；当组织退变时，这种修复难以进行，最后髓核纤维化，PG被胶原纤维取代，水分随即丧失。在应力作用下，易发生椎间盘髓核脱出。
蛋白多糖的减少与椎间盘退变程度成正比。这是因为一方面椎间盘细胞的退变导致PG合成减少，另一方面，椎间盘细胞释放的基质金属蛋白酶降解PG为短肽碎片，同样是PG含量减少的原因。大量证据表明，椎间盘退变时，基质金属蛋白酶（MMP）含量明显增高，各类型的MMP，除了降解PG外，还对各类胶原及其他基质成分起破坏作用，从而影响了椎间盘的生物力学特性。Crean等（1997）应用酶免疫检测法对34个椎间盘手术标本的MMP2、MMP9及PG的含量进行检测，发现椎间盘退变时MMP2，9的活性与含量均高；PG的降解也很明显。Roberts（1994）应用硫酸软骨素残端的单克隆抗体检测PG的分布及硫酸软骨素新表位片段，发现硫酸软骨素新表位片段在退变椎间盘中大量表达，其含量明显高于无退变的椎间盘，这种新表位片段的表达与MMP的降解相关。新表位片段的表达被认为是椎间盘退变的标志。
（三）水
正常椎间盘中含丰富的水分，椎间盘的水分出生时为88%，18岁时为80%，到77岁时只有69%；其中纤维环的水分在出生时为78%，30岁时髓核及纤维环的水分含量降至70%，这是因为年龄增大后蛋白多糖及水化程度下降，导致含水量减少。Kingma（2000）使用MRI监测研究椎间盘水分的变化，发现髓核部分是水分最容易丢失的部位，而且个体之间的差异非常显著。(https://www.daowen.com)
（四）椎间盘营养供应
椎间盘是人体最大的无血管组织，其营养及代谢产物的处理，是在椎间盘以外的血管进行。纤维环中外层营养依靠椎体周围起自脊椎动脉的小血管；软骨终板的营养是依靠与椎体松质骨骨髓的直接接触而获得；髓核的营养是通过椎体骨髓的血管与软骨终板间面穿过的微血管和软骨终板半透膜性渗透作用提供。所以椎间盘细胞的营养物质依赖纤维环外周和椎体内血管通过基质弥散供应。在生长过程中椎间盘体积增大，机体老化过程中供应椎间盘周围的动脉数量减少，软骨终板逐渐钙化，这些改变妨碍了营养物质的供应和废物的排除。椎间盘周围血供的减少，降解的基质大分子聚集和椎间盘内水含量的降低也影响了代谢物通过基质的弥散，进一步损害了细胞营养供应。营养物的降低加上代谢产物的聚集势必引起乳酸浓度的升高，pH水平的降低，使细胞代谢功能障碍，导致细胞死亡。电子显微镜观察发现，随年龄增大，椎间盘内死亡细胞增多，活细胞比例下降。在胎儿和婴儿椎间盘内，元核细胞死亡比例不足总细胞的2%，而一些少年和成年人多达50%以上，老年人超过80%。所以进一步研究椎间盘营养与退变的关系是深入理解椎间盘退变生理学的重要步骤。
（五）椎间盘基质降解酶活性升高
椎间盘内存在调节基质代谢的酶系统。椎间盘是一个无血管组织，基质的分解主要依靠自身各种降解酶的作用。显然椎间盘的退变与酶系统的激活具有密切的关系。在椎间盘退变过程中，各种降解酶（胶原酶、丝氨酸蛋白酶、基质溶解酶等）的活性升高，可对相应的底物产生分解、破坏作用，加剧了椎间盘的进一步退变。在髓核中含有依赖于钙粒子的高度磷脂酶A2活性（占所有磷脂酶A2的70%），其活性是在椎间盘纤维环和脾脏中的6～7倍。Goupille（1998）通过细胞培养研究认为基质金属蛋白酶的活性与椎间盘变性的程度相关。
椎间盘内各种降解酶一般与抑制物共同存在呈潜伏状态。随着椎间盘退变，内环境发生改变，如pH降低和不断受到的机械作用使椎间盘细胞崩解、酶抑制物合成减少；溶酶体内组织蛋白酶B释放，激活潜伏状态的降解酶，使椎间盘基质分解加速。
目前对降解酶在椎间盘疾病中的作用的认识都来源于对手术切除的突出椎间盘，且绝大多数是腰椎间盘。突出椎间盘与退变椎间盘不是同一概念。最新的研究发现突出椎间盘中基质降解酶大多来源于肉芽组织的巨噬细胞等炎性细胞。这可能主要表明，突出椎间盘中的降解酶与椎间盘突出物的降解吸收有关。对降解酶在椎间盘退变过程中的作用机制的认识则是预防椎间盘退变的关键。
（六）翻译后蛋白质的修饰作用增加
随着年龄增长，结缔组织基质包括椎间盘趋向于丢失弹性和强度。这些改变的原因可能是由于基质中弹性蛋白、蛋白多糖和胶原大分子尤其是后者合成后的修饰作用。胶原蛋白之间交叉连接的增加，可能是引起组织退变的原因。胶原通过非酶的糖化作用或脂质过氧化作用增加胶原间相互连接，从而引起褐色素的沉着。更重要的是改变了椎间盘力学特征。除此之外，糖化产物还能刺激细胞，包括椎间盘软骨细胞释放细胞因子和引起组织降解的蛋白酶。
（七）基质的疲劳衰竭
维持直立姿势将会使椎间盘排出水分，从而降低椎间盘高度。适当休息后，椎间盘水分恢复，椎间盘形状和体积恢复正常。椎间盘的反复变形－恢复过程将会导致基质疲劳衰竭，尤其是在高载荷、不适当的运动等情况下更是如此。疲劳衰竭可以引起椎间盘出现裂隙、碎片或黏液样退变，或出现糖蛋白小片断裂，胶原纤维断裂以及胶原纤维和基质大分子相互关系改变等微小变化。这些变化可以使椎间盘细胞直接暴露于力的作用之下，易于损害细胞功能，导致椎间盘退变。
（八）其他
Razaq（2000）应用荧光测量技术观察到细胞外酸度通过改变细胞内pH值，成为决定椎间盘基质转化的决定因素。Takae（1999）进行退变椎间盘BMP及其受体的研究，观察到了BMP2／4及其受体Ⅰ和Ⅱ的表达。认为BMP及其受体在椎间盘退变中发挥了一定的作用。Hayes（1999）在研究发育学的过程中发现，胶原原纤维的发育倾向性是决定许多组织发育的关键因素。