二、病因、病理
（一）腰椎间盘突出症的流行病学
腰椎间盘突出症约占门诊腰痛患者的10％～15％，占骨科住院患者的25％左右。该病多见于青壮年，其中80％以上患者年龄为20～40岁，也有部分为16岁以下青少年，70岁以上高龄者也可出现，但高龄者多伴有椎管狭窄或神经根管狭窄；男女性别间的发病率差异较大，男女比例约为4∶1，推测其与男性患者劳动强度较大有关。
（二）腰椎间盘突出症的病因
腰椎间盘突出症的病因复杂，其根本原因是椎间盘退行性变。腰部的急、慢性损伤，特别是积累性劳损和弯腰负重是腰椎间盘突出症的重要原因，其他还包括自身免疫疾病、遗传等。
（三）腰椎间盘突出症的病理变化
在机械负荷作用下，椎间盘出现损伤后，由于直接化学刺激或髓核的自身免疫反应导致的炎症，进而在退变椎间盘边缘出现新血管形成。低营养、低代谢、高负荷等不平衡现象容易导致椎间盘早期发生退变。腰椎间盘突出的主要组织学改变包括椎间盘组织退行性变、纤维环断裂、髓核组织在压力梯度作用下经纤维环破裂处突出，突出椎间盘的密封性也遭到破坏。突出的髓核是由胶原黏多糖、蛋白、糖类组成的复合体，脱出早期，尚保持原有的弹性与坚韧性，但随着含水量不断降低，失去原有的弹性与韧性，并在椎管内形成扁平致压物。脱出的髓核早期仍有还纳或部分还纳的可能性，但如果脱离其中心部或与周围组织（包括后纵韧带裂隙处）有粘连时，无法还纳。且随着时间的延长，其粘连范围日益扩大，以致脱出物固定于椎管内为持续性的致压物。
1．髓核的改变
（1）髓核细胞的改变：髓核内细胞的改变是成年椎间盘髓核营养障碍的主要机制。退变、慢性损伤、畸形导致渗透作用降低，影响椎间盘内细胞外废物的排除途径，使废物在基质中积聚，同时髓核细胞退变导致含水量下降，出现细胞营养障碍和代谢障碍，包括蛋白多糖的合成受到巨大影响，髓核基质成分发生异常改变。研究发现在退变的椎间盘内细胞凋亡率较高。长久过高的应力负荷也影响细胞的存活和基质的合成。伴随着衰老，髓核细胞数目减少，活力下降，其产生基质的质和量也发生改变。
（2）髓核内细胞外基质的改变：髓核是无血管组织，其营养物质的吸收和代谢产物的排除主要靠软骨终板渗透作用，随年龄增大、慢性损伤、软骨终板变性钙化，髓核的营养状态发生改变，影响了髓核细胞的代谢和基质的生物合成。退变椎间盘水合能力下降，水分由出生时的90％逐渐下降到成人的70％。蛋白多糖含量减少，并失去其膨胀状态。退变椎间盘软骨素缺乏充分的硫酸化，退变程度越重，该变化越明显，在退变部位硫酸软骨素被还原为非硫酸化的软骨素。12岁以前髓核由纤维软骨和大量的胶原构成。随着年龄增加，胶原含量下降，为纤维软骨所替代，髓核和纤维环之间的界限不清晰。失去正常柔软有弹性的特点，易损伤。Ⅰ型胶原增多，Ⅰ/Ⅱ型比率亦增加，可出现Ⅲ型胶原。分解胶原的酶和胶原可溶性增加，PGs总量降低，髓核中PGs降低程度多于纤维环，椎间盘含水量降低与PGs减少有关。基质改变与椎间盘细胞功能有关，退变髓核细胞数量减少，活力下降。细胞不规整，类似骨关节炎中软骨深层退变细胞，坏死细胞的比例从胎儿的2％逐渐增加到50％以上。许多学者发现在退变组织内细胞凋亡率增高。细胞外基质合成量减少，合成基质类型发生变化。Bayliss等发现新合成的蛋白多糖不稳定，不易形成聚合体。随年龄增大，其中水分及蛋白多糖含量减少，并失去其膨胀状态。细胞功能下降导致髓核基质成分改变，黏弹性下降，蠕变率加快。弹性蛋白纤维含量少，分布不均匀，表面不光滑，胶原纤维增加，髓核缩小，在退变过程中，髓核逐渐与纤维环内层融合。胶原纤维的数目及大小逐渐增加，髓核失去原有形态，转化为纤维软骨。髓核退变使其负重及吸收震荡的能力均减弱，椎间活动由滚动变为滑动，椎间高度亦难保持，导致椎间不稳和应力集中。
2．纤维环的退行性变
胶原的交叉连接对胶原的机械稳定性相当重要，退变椎间盘的吡啉啶降低，而戊糖苷啶升高，导致胶原的形状改变，力学强度下降，不能将压缩力转化为纤维环的切线应力，转而使纤维环受力不均，出现磨损、裂隙，最终导致纤维撕裂或断裂。在长期负重和活动中，持续、反复的应力作用下，纤维环逐渐增宽，纤维环各层之间的胶原纤维发生断裂。约20岁后，纤维环开始发生透明性变、弹性减弱，内层纤维在压力下可逐渐发生环状断裂，剪切力导致放射状破裂。纤维环前侧厚、后侧薄，后侧的中部有后纵韧带加强。退变椎间盘高度下降、扁平、膨出，椎间盘后侧发生损伤机会更多，形成损伤修复的炎性病灶，该炎性病灶后，后外侧的纤维环和后纵韧带易再次损伤破裂，造成椎间盘脱出。纤维环各层之间胶原纤维在压应力和剪切应力作用下，可发生环状或放射状断裂，后外侧因缺乏后纵韧带加强更易发生。借助于Sharpey纤维附着于椎体边缘的纤维环外层因不断受到牵拉应力，可在椎体前缘形成水平方向的牵引性骨赘，同时前、后纵韧带可在椎体缘附着处，骨膜剥离后通过膜内成骨形成鸟嘴形骨赘。盘椎接合部，即椎体缘、软骨板和纤维环交界处的骨赘多通过软骨内成骨形成。椎间盘的解剖异常，如非典型Scheuermann病中椎体边缘的软骨结节使该部椎间盘移位，形成骨赘或骨嵴。一般椎体下缘骨赘多于上缘，有时相应上下缘骨赘融合形成骨桥。
纤维环破裂是椎间盘退变的重要病理改变之一，它的发生与退变过程相关联。MRI是明确椎间盘纤维环破裂的相对可靠的检查。腰椎间盘MRI局限性高信号区（high-intensity zone，HIZ）是MRI T2加权像中椎间盘后缘的1个高信号区，其周围由低信号包绕。HIZ作为纤维环破裂的影像学征象之一，与椎间盘退变存在某种关联。Aprill和Bogduk首先注意到HIZ与椎间盘造影中一致性疼痛之间的关系。他们认为HIZ是一个有价值的疼痛性破裂椎间盘的标志。与传统的椎间盘造影相比，具有无创的优点和较高敏感性。腰椎间盘局限性高信号区（HIZ）通常是指后缘HIZ，一般认为它代表了椎间盘纤维环的破裂。从理论上讲，HIZ与椎间盘退变、椎间盘源性腰痛的发生存在某种间接联系。研究证实间盘后缘HIZ与椎间盘源性腰痛存在较强的相关性。
3．终板的退行性变
软骨终板随年龄增长变薄，发生囊性变及软骨细胞坏死、基质钙化和不完整。软骨终板失去正常有光泽和弹性的特点，变薄，可出现一处或多处裂隙，来源于松质骨内的小血管可经软骨终板裂隙进入髓核。软骨终板无神经支配，不能再生修复。软骨终板深面的松质骨微骨折和髓核的压迫，髓核和软骨终板可向椎体内突入，其周围椎体出现终板炎，也称Modic改变。
Modic通过MRI发现脊柱终板退变，对其加与描述并给予其定义，引起人们注意，并对终板解剖、分型、病因，病理机制及生物力学，与下腰痛的关系及治疗展开了一系列的基础与临床研究。
（1）终板退变的机制：终板退变与诸多因素有关，包括年龄、体重、生物力学负荷以及椎间盘退变产生的炎性内环境等因素。软骨终板与骨性终板在脊柱的生物力学中有重要作用，而年龄、体重等都是影响终板退变的重要因素。Kuisma等认为除了年龄外，体重因素在终板退变中起了重要作用。脊柱负荷在影响椎间盘的容积和形状时，同时也对终板产生较大作用，尤其轴向负荷可以导致软骨终板和骨性终板及终板下骨小梁的弯曲变形。在承受中度负荷后，年轻健康的软骨终板可以恢复其正常的形状，但当施加超过一定强度的负荷，尤其是重复负荷的时候，可能会导致不可逆性变形损伤，而软骨终板和骨性终板的完整性则决定了载荷时的终板损伤程度。超过生理载荷的脊柱轴向屈伸压应力是终板损伤的重要因素，有学者认为反复的力学负荷所导致的终板显微损伤是导致Modic退变的主要原因，椎体骨性和软骨终板承受与椎间盘一样的压力，邻近椎间盘的区域通常比椎间盘薄弱，易于发生显微骨折，如果近期发生，就可以是终板水肿，表现为MRI上的T1低信号和高信号。如果椎间盘因为脱水而丧失了其吸收震荡的功能，那么这种类似于活塞的机械运动将会加剧。
（2）终板退变与腰痛的关系：据文献报道仅有约20％的腰痛可以通过病理解剖得以证实。为了证实终板退变与腰痛之间的关系，许多学者做了大量前瞻性研究，Albert与Manniche的研究表明在持续性腰痛患者的随访中，患者的Modic Ⅰ型改变从9％增加到19％，表明Modic Ⅰ型改变与非特异性腰痛有明确的联系。Kjaer等通过对412例平均年龄40岁的病例进行MRI检查，发现与腰痛具有最为强烈相关关系的MRI异常是Modic退变和腰椎滑移。然而，Carragee等研究表明中度或重度的终板改变与腰持续疼痛的患者关联性不大，同时Jarvi等通过对148例无腰痛的患者出现新的腰痛症状研究后表明终板改变不是腰痛的危险因素，说明腰痛与终板改变不存在完全的同一性。
尽管存在争论，然而目前大多数的研究结果表明终板退变与腰痛有紧密联系，特别是Modic Ⅰ型改变与腰痛最有可能相关。
（3）终板改变与腰椎间盘突出症之间的关系：终板退变与腰椎间盘突出症的因果关系尚不明确，是终板退变引起腰椎间盘突出还是椎间盘突出导致的终板退变目前还存在较大争议。Kim等认为终板退变是腰椎经皮内镜下微创椎间盘髓核摘除术术后复发的重要危险因素，Barth等认为终板改变是影响腰椎间盘突出症术后疗效的因素之一。因此，终板改变与腰椎间盘突出症究竟谁是启动因素存在较大争议，但从目前研究可以看出两者是相互影响的：终板退变可能导致椎间盘突出并影响椎间盘突出症手术治疗效果，而椎间盘突出症反过来也会促进终板退变。(https://www.daowen.com)
（4）终板退变转归：长期以来，许多学者认为Modic Ⅰ型改变为不稳定的改变，是炎症水肿期的表现，ModicⅡ改变为稳定的病变，为炎症水肿发展至脂肪增生而来，故Ⅱ型改变为血管形成，脂肪增生。Modic等对其中6例Modic Ⅰ型退变、10例ModicⅡ型退变进行前瞻性研究。发现虽然Modic Ⅰ型患者接受了药物（镇痛药和抗感染药）和外固定治疗，但随访结果表明，6例ModicⅠ型退变病例中，5例在14个月～3年中转变为ModicⅡ型，而10例ModicⅡ型病变在2～3年内仍然保持为稳定的ModicⅡ型。Mitra等对Modic退变Ⅰ型进行了随访研究，发现在48例Ⅰ型退变中，经过12～72个月的随访后，18例完全转化为Ⅱ型，7例部分转化为Ⅱ型，19例在Ⅰ型改变中进一步加重，4例未改变，结合疼痛视觉模拟评分VAS（VASS）和奥斯维斯问卷评分（OQS）评分结果，认为Modic退变Ⅰ型代表一个动态的过程，在多数的病例中或者变得更严重，或者转化为Ⅱ型。因此认为ModicⅠ型为不稳定的病变，ModicⅡ型为一稳定的病变。但Kuisma等对70例终板退变患者进行为期3年随访的纵向研究，终板退变的发生率为23％，7例合并有Modic Ⅰ型与Ⅱ型改变，63例为ModicⅡ型改变，病变部位主要在L4/S1，病变与年龄明显相关，3年随访70例中有10例（14％）出现了Modic Ⅰ型与Ⅱ型之间的转变，因此作者认为ModicⅡ型改变也可能是一种不稳定病变，可向Modic Ⅰ型转换。Marshman等也作出了相类似的报道。因此，可以看出，Modic Ⅰ型与Ⅱ型改变可以在特定条件下发生转化，越来越多的学者趋向于认为Modic Ⅰ型与Ⅱ型改变均为不稳定的改变，这一观点的转变，必将使终板退变的治疗也发生改变。
4．椎间盘退变中具体生化成分的变化
（1）蛋白多糖（PGs）的改变：PGs的丢失是退行性椎间盘病最主要的生化改变。与同龄相对“正常”的椎间盘相比，退变椎间盘中PGs的丢失量可能会超过糖胺聚糖（GAG）总量的80％。PGs含量的降低对椎间盘基质的负重特性产生重要影响。随着PGs的丢失，椎间盘渗透压下降，椎间盘在负重时很难维持水合作用。因此退变的椎间盘水分含量较低，退变的椎间盘高度下降并且在负重时液体丢失更快、更多。退变的椎间盘硬度降低并且在负重时比正常椎间盘变形更大。椎间盘的这些巨大变化会对其他脊柱结构产生重要影响。例如，由于退变椎间盘负重时高度迅速降低，关节突将承担过度的压力负荷，很可能导致小关节骨关节炎的发生。椎间盘高度下降还有其他方面的影响，如降低椎旁韧带特别是黄韧带的紧张度，导致其重塑和增厚，这可能是椎管狭窄的机制之一。
随着水合作用的丧失，退变的椎间盘在负重时不再具有正常的流体静力学特性，此时，负重可导致终板和纤维环上压力分布不均，损害基质结构和细胞活性。退变椎间盘上的压力分布不均与椎间盘造影时发生的椎间盘性复制疼痛有联系。退变椎间盘中PGs的丢失能增加大分子的通透性，如生长因子复合物和细胞因子可以进入椎间盘，这可能会加快椎间盘退变的发生发展过程。PGs丢失的另一重要影响是增加了退变椎间盘中血管和神经的内向性生长；椎间盘内正常含量的PGs已经被证明可以阻碍神经长入。
（2）胶原蛋白和其他结构成分的改变：在退行性椎间盘病中胶原蛋白也有所变化，但不像PGs改变得那样明显。胶原蛋白很少单纯发生量的改变，而是在类型和分布上发生变化以及结构变得混乱。例如，在退变椎间盘中会发现更多的Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ和Ⅹ型胶原蛋白；正常情况下存在于细胞周围的Ⅱ型和Ⅵ型胶原蛋白却沉积在整个退变椎间盘的基质中。与关节软骨相比，同一个体中退变椎间盘的Ⅱ型胶原蛋白纤维更易变性，三螺旋结构也更易破裂，胶原交联和完整性也发生改变，且随着退变不断加剧。
5．腰椎间盘退变和营养供应
营养供应缺乏被认为是椎间盘退变的一个重要原因。尽管营养供应缺乏和椎间盘退变的关系不能直接观测记录，数项研究仍显示椎骨血供降低或影响血液流动的疾病如镰状红细胞性贫血可能与椎间盘退变有联系。与此相似，在退变或脊柱侧凸的椎间盘中发现终板发生了限制溶质运输的变化。曾经有人推测抽烟之所以和腰背痛有联系是因为抽烟能损害营养物质的运输。尽管目前没有直接观测椎间盘退变和营养供应关系的工具，但新型MRI技术最终能提供更多的关于营养供应与退变或正常椎间盘之间关系的信息。
6．腰椎间盘退变与细胞活性
细胞死亡发生在各个年龄阶段的人类椎间盘中。死亡细胞所占的百分比随年龄而增加，从胎儿的大约2％到成人的50％，有些细胞虽然衰老但仍保持活性。椎间盘能清除坏死细胞，至少试图去清除它们。
椎间盘细胞死亡是坏死还是凋亡尚有争论。细胞凋亡已经有报道，然而，椎间盘细胞也常见坏死。凋亡通常可以采用TUNEL检测，但因为有假阳性，所以结果并不可靠。细胞的死亡可以通过观察细胞膜的完整与否进行检测。采用膜调节染色，如台盼蓝，碘化丙啶，或者双嵌入剂溴乙啡锭二聚体，可将死亡细胞的DNA染色，结合上DNA后荧光强度增加40倍。虽然这种检测不能区分细胞死亡的类型，但可能提供有价值的线索。不论机制如何，细胞死亡最终会导致细胞总数减少，无法维持椎间盘基质。
营养（代谢）和机械性环境均与椎间盘细胞死亡有关。在椎间盘细胞培养模型中，没有营养供应的细胞会死亡，细胞死亡增加的百分比会随细胞间距和密度增大而升高。葡萄糖缺乏和酸性pH值肯定对细胞不利。机械应力，如过大的张力、压力和移植物的载荷，也可以造成体内和体外椎间盘与关节软骨细胞死亡。
7．基质的合成与转运
椎间盘细胞终生都在合成PGs和胶原。已发现其合成的速率及合成不同基质分子的比例随年龄和退变程度而变化。椎间盘细胞也产生蛋白酶，以降解基质的组成成分。蛋白酶的类型和激活的程度也随年龄及病理而变化。在正常椎间盘中，基质合成与降解的速度保持平衡，但是在退变椎间盘中，降解超过合成，导致基质成分丢失，从而引起基质一系列的形态和功能改变。
（四）腰椎关节突与椎间盘退行性变的关系
椎间盘退变和椎间关节退变相互影响。椎间盘和两侧后外方的小关节形成三关节复合体。在椎间盘退变基础上，小关节也发生退变，关节软骨在长期反复应力作用下部分软骨细胞坏死，软骨基质合成代偿能力丧失，软骨变薄、破坏。软骨下骨可发生微骨折、骨折修复和再塑形。关节滑膜也因此发生炎症、充血、水肿、细胞浸润。滑膜分泌功能降低而使滑液减少。关节软骨下骨增厚、硬化，边缘部分可形成骨赘，软骨下骨应力损伤后改建，再塑形可使关节面面积增加，出现关节突向椎管内内聚现象，严重时关节软骨消失，露出坚硬光滑的皮质骨。关节囊先是扩大变薄、松弛，导致腰椎不稳，与退变的椎间盘共同引起退行性滑脱。脊柱退行性改变常发生在应力集中的节段，因此腰骶段退行性变发生率最高。退变开始于椎间盘，含水量和蛋白多糖减少，椎间高度降低，间盘可产生裂隙和积气。椎间关节同时发生退变松动，导致椎间不稳和应力集中。松弛的韧带和关节囊受到牵拉及摩擦，退变加重，黄韧带及关节囊肥厚，椎体及关节突关节面边缘骨赘形成，关节软骨面粗糙。但椎间盘的退变不一定产生临床症状，只有椎间结构受到损伤，引起炎症反应才会出现临床症状。骨赘形成、纤维环、韧带及关节囊的肥厚，这些变化将使脊柱的稳定性获得代偿，但神经通道却因此而变得狭窄。同时稳定的椎间关节使应力集中于相邻椎间关节，加速后者的退变。
（五）腰椎间盘突出的疼痛产生机制
人类正常椎间盘纤维环外1/3有神经纤维和游离神经末梢广泛分布，终板也有分布。椎间盘对单纯机械压迫反应不敏感，但当局部发生损伤修复的炎症反应时，继发椎间盘内压力增加、自身免疫等病理改变所引起的化学刺激是致痛的重要因素。机械和化学刺激同样引起受累神经根或马尾神经组织产生炎症反应，病变神经血供受阻，并发生充血、水肿等炎症反应。炎症反应可产生缓激肽、组胺、5-羟色胺、一氧化氮、前列腺素及白三烯、P物质等炎性介质，导致腰骶神经痛。
椎间盘髓核组织是体内最大的、无血管的封闭结构组织，与周围循环毫无接触，其营养主要来自软骨终板的弥散作用。所以人体髓核组织是“免疫豁免组织”。当椎间盘损伤和病损后，髓核突破纤维环或后纵韧带的包围，在修复过程中新生血管长入髓核组织，髓核与机体免疫机制发生密切接触，髓核基质里的糖蛋白和β蛋白成为抗原，机体在这种持续抗原刺激后，产生免疫反应，从而引起椎间盘变性和疼痛。综上，腰椎间盘突出症产生疼痛是机械压迫刺激、化学炎症刺激及自身免疫反应的共同作用导致的。