Возрастные преобразования структуры и упруговязких свойств межпозвонковых дисков человека (А. А. Саблин. Л. К. Семенова, г. Москва)

В настоящем сообщении приведены данные по изучению, в широком онтогенетическом плане, одного из важнейших структурных компонентов позвоночного столба - межпозвонковых дисков. Фактический материал составили 150 межпозвонковых дисков поясничного отдела плодов, новорожденных, детей различного возраста и взрослых людей от 21 до 80 лет. Наряду с применением гистологических и Гистохимических методов исследования, на универсальной машине Р-5, несколько реконструированной, изучались также упругие свойства межпозвонковых дисков при деформации сжатия и растяжения. Проводился спектрографический анализ макро-микроэлементного состава межпозвонковых дисков.

Как показали наши данные, уже у плодов 8 - 9 месяцев диски характеризуются хорошо выраженным фиброзным кольцом, состоящим из волокнистого хряща с циркулярно ориентированными и переплетенными между собой пучками волокон. Это сухожильноподобные пучки фиброзного кольца разделены относительно широкими Прослойками из рыхлой соединительной ткани, содержащей тонкие волокна и многочисленные клеточные элементы. Пульпозное ядро, окруженное узкой зоной характерного гиалинового хряща, содержит в своем составе довольно много элементов хордального ретикулума и студенистое гомогенное вещество. В некоторых клетках цитоплазма содержит вакуоли и многочисленные включения, ядра - пикнотизированы. Фиброзное кольцо диска характеризуется значительным содержанием нейтральных мукополисахаридов, интенсивной васкуляризацией и, как показал Н. И. Бут (1947), хорошо выраженной иннервацией. Такая архитектоника дисков обеспечивает большую их растяжимость, но не способствует большой прочности. Насыщение мукополисахаридами также способствует высокой вязкости, поэтому относительное укорочение диска в момент разрыва составляет 75% всей его длины, а предельное напряжение - 39,95 кг/см². Это наименьший предел прочности во всем цикле онтогенеза. Диски в позвоночнике новорожденного содержат в периферических отделах фиброзного кольца хорошо сформированные коллагеновые волокна. К моменту рождения соотношения высоты межпозвонковых дисков с соответствующей высотой тел соседних позвонков составляет в среднем 1:1,1. Площадь поперечного сечения дисков увеличивается в два раза, по сравнению с таковой у плодов 8 месяцев. Нарастание количества волокнистых структур и увеличение их калибра способствует тому, что прочность дисков достигает 151,7 кг/см², что в два раза превосходит этот показатель у плодов 8 - 9 месяцев.

В диске новорожденного количество кальция составляет 9,12×10²%, (на золу), магний - 4,16×10²%, фосфор - 1,99×10²% , марганец - 4,16, барий - 1,38×10³%, цинк - 5,37×10³%, стронций - 1,38×10^-1%. Дальнейшие возрастные преобразования межпозвонковых дисков характеризуются постепенным уменьшением их кровоснабжения на фоне значительного развития коллагеновых и эластических компонентов и уменьшением общего количества рыхлой соединительной ткани. Особенно значительны изменения строения пульпозного ядра, в гомогенном содержимом которого со 2-го года жизни появляются отдельные хрящевые клетки. Сильно вакуолизированные клетки хорды соединены между собой тяжами. В дальнейшем, вследствие утолщения хордального ретикулума, полость пульпозного ядра оказывается разделенной на отдельные камеры, пронизанные коллагеновыми волокнами, количество которых стремительно нарастает в первое десятилетие постнатальной жизни. Остатки хорды часто наблюдаются до 12 - 15 лет, а в некоторых случаях и после 30-летнего возраста. Пульпозное ядро смещается в сторону позвоночного канала. Ни в одном из возрастных периодов эластические волокна и сосуды в пульпозных ядрах межпозвонковых дисков нам обнаружить не удалось.

У детей от 3 до 7 лет в межпозвонковых дисках заметно расширяется и уплотняется наружный отдел фиброзного кольца, за счет огрубления пучков коллагеновых волокон и уменьшения расположенной между ними рыхлой соединительной ткани, в составе которой выявляются хрящевые клетки, формирующиеся в изогенные группы. Ориентация пучков коллагеновых волокон в диске строго закономерна, в глубокой зоне они расположены в виде концентрических окружностей, а в периферической зоне - под углом друг к другу. Расширяется и глубже лежащая зона тонковолокнистого хряща. Уже к концу первого года жизни начинается облитерация сосудов диска.

К 3 годам в 4 раза нарастает содержание кальция в дисках (4,96×10), значительно увеличивается также количество цинка и фосфора. Нарастает и общее количество мукополисахаридов. Особенно обильное содержание нейтральных мукополисахаридов выявляется в пульпозном ядре и в зонах волокнистого хряща, что свидетельствует об интенсивности процессов волокнообразования в этих отделах диска.

В период от 3 до 7 лет показатель относительного удлинения равен 71%, предел прочности дисков составляет 100 кг/см² а коэффициент упругости - 91,5 кг/см². Нагрузка, которая распределяется по всей площади поперечного сечения диска, к G годам возрастает по сравнению с новорожденным в 4 раза.

В период от 8 до 12 лет показатель относительного удлинения составляет 83%, при деформации растяжения удлинение диска достигает 120% - это максимальная величина всех периодов онтогенеза. Интересно, что и наибольшая подвижность позвоночного столба наблюдается у подростков в возрасте 12 - 15 лет (Р. А. Белов, 1965).

К 6 годам диск в состоянии выдерживать нагрузку до 600 кг, к 16 - до 920 кг. В период от 20 до 30 лет нагрузка в отдельных случаях может достигать 2500 кг у мужчин и 1116 кг у женщин (у последних диски более эластичны, т. к. при деформации растяжения выдерживали большую нагрузку (265 кг), чем соответствующие межпозвонковые диски у мужчин (до 217 кг).

У людей 70 лет при растяжении диск выдерживает нагрузку в 110 кг, при сжатии - 690 кг (мужчины) и 483,3 кг (женщины). При деформации сжатия выдерживает нагрузку до тех пор пока остается целой капсула студенистого ядра. Разрушение же наиболее часто начинается в заднем отделе диска и начинается с микротравм в виде щелей и разрывов волокон. При растяжении нагрузка на Площадь поперечного сечения диска в 4 - 5 раз меньше, чем при деформации сжатия, рессорная амортизационная роль студенистого ядра не имеет значения.

Помимо упругости связочного аппарата позвоночного столба и тонуса соответствующих мышц, большое значение при деформации растяжения имеет прочность соединения дисков с телами позвонков, т. к. именно, в этих отделах и происходят разрывы. Переломы самих тел позвонков или разрывы межпозвонковых дисков наблюдаются значительно реже.

Структура и прочность межпозвонкового диска в период от 20 до 30 лет достигают такого уровня, когда возможно его оптимальное функционирование. Наружная зона фиброзного кольца диска уплотняется, пучки коллагеновых волокон представляются мощными пластинами и достигают максимальной толщины и ширины. В межпучковых пространствах продолжается охрящевание рыхлой соединительной ткани, плотность студенистого ядра повышается вследствие уменьшения в его составе воды и нарастания общего количества волокон. Отношение высоты диска к высоте тела позвонка составляет 1:2,03, площадь их поперечного сечения - 16 - 17 см². Диски менее эластичны, относительное удлинение их при растяжении 50% (у женщин несколько выше). В составе диска больше всего кальция (1,47×10^-1%), меньше фосфора и магния, лишь "следы" цинка. Одним из признаков раннего старения является обызвествление, сопровождающее дифференцировку хрящевых клеток в дисках. Так, к 56 годам соли кальция составляют 6,6×10^-1, нарастает также содержание магния (2,51×10^-1) и цинка (2,88×10^-1).

Таким образом, становление упруго-вязких свойств межпозвонковых дисков осуществляется в тесной взаимозависимости их структуры и протекает в различные возрастные периоды неравномерна. Возрастные изменения в структуре межпозвонковых дисков связаны с постепенным обеднением их сосудистого русла на фоне интенсивного нарастания коллагеновых и эластических волокон, уменьшением общего количества рыхлой соединительной ткани и развитием хрящевой, а также с изменениями строения студенистого ядра, ведущими к его уплотнению и обезвоживанию.

Структура и химический состав межпозвонковых дисков обеспечивает их оптимальную прочность в период от 20 до 30 лет и относительную стабильность упруго-вязких свойств в период от 30 до 45 лет. Деструктивные сдвиги, как очевидные признаки старения, выявляются в микроструктуре диска после 45 - 50 лет или в более раннем возрасте, если имели место многократные повторения нагружений максимальных для каждого конкретного возрастного периода.

Как показали наши исследования, при многократных нагружениях с интервалами в 2 минуты, диск выдерживает лишь ¹/₂ или ¹/₃ максимальной нагрузки и деформируется. Местами наименьшего сопротивления в межпозвонковых дисках являются наружный отдел и зона, окружающая студенистое ядро. При деформации сжатия (например, подъем штанги) в первую очередь нарушается целость капсулы студенистого ядра, при деформации растяжения травмируется задний Отдел фиброзного кольца. Во всех наших наблюдениях разрушающим деформациям межпозвонковых дисков всегда предшествуют микротравмы в их структурных компонентах, неизменно появляющиеся при субмаксимальных и максимальных растяжениях или сжатиях.