[Rothman 7th ed] S1 BASIC SCIENCE - 1. Development of the Spine

Chapter 1. Development of the Spine

Precartilaginous (Mesenchymal) Stage: Weeks 4 and 5

• Sclerotome 내의 mesenchymal cell은 세 부위로 나뉜다:
  1. Notochord를 감싸는 세포군 → vertebral body와 anulus fibrosus 형성.
  2. Neural tube를 감싸는 세포군 → vertebral arch 형성.
  3. 체벽(body wall) 내 세포군 → extraspinal tissue와 연관.
• 이 단계에서는 Resegmentation theory에 따라 각 sclerotome이 **cranial half (느슨한 배열)**과 **caudal half (치밀한 배열)**로 나뉘며, 서로 인접한 sclerotome의 일부가 융합되어 하나의 **centrum (vertebral body의 전구체)**를 형성한다.
• Resegmentation은 segmental artery가 centrum 중앙을 지나고, segmental nerve가 intervertebral disc 수준에 위치하게 하는 해부학적 근거를 제공한다.
• Quail-chick chimera 모델 실험 및 lacZ genetic labeling 실험을 통해 centrum과 vertebral arch가 각각 두 adjacent sclerotome에서 유래함이 입증되었다.
• 이 과정은 Pax1, Pax9 유전자의 영향을 받는다.

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Cartilaginous Stage: Weeks 6 and 7

• Chondrification centers는 centrum 내 두 개씩 형성되며, 하나로 융합되어 단일 연골성 덩어리가 됨.
  • 이 과정이 실패하면 hemivertebra가 발생할 수 있음.
• Vertebral arch 역시 chondrification 과정을 거쳐 중앙과 centrum posterior 부위와 융합.
• 이후 spinous process와 transverse process가 cartilaginous precursor로 발달.
• Spinous process 형성에는 Msx1, Msx2, BMP4 등이 관여.
• Anulus fibrosus는 sclerotome의 느슨한 세포에서 유래하고, nucleus pulposus는 notochord의 잔존물로 형성.

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Ossification Stage: Week 8 and Beyond

• Primary ossification center는 centrum 중심과 vertebral arch 양측에 각각 하나씩 생김.
  • 가장 먼저 lower thoracic spine에서 시작되어 상하로 확장됨.
  • 초기 혈관 침투에 의해 vascular lacunae가 형성되어 ossification 유도.
• Secondary ossification center는 사춘기 이후 발생:
  • Spinous process tip, transverse process tip, superior & inferior endplate (ring apophysis) 부위에 형성.
  • 약 16세경 나타나며 25세경에 완전 융합.
• C7 transverse process는 경우에 따라 cervical rib으로 발달 가능.
• Neurocentral joint는 태생기 centrum과 vertebral arch 사이에 존재하는 유사 관절.
  • Pedicle 전방에서 vertebral arch와 융합.
  • Spinal canal은 출생 시 이미 성인 크기의 70% 이상이며, L5에서는 50% 수준.
• Vertebral body는 단순히 centrum에서만 유래하지 않기 때문에, 두 용어는 해부학적으로 동일하지 않음.

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Isthmic Spondylolysis의 발달학적 근거

• L5 수준의 pars interarticularis는 ossification이 중앙에서 시작되어 주변으로 확산.
  • 반면, 상부 요추에서는 pedicle posterior에서 시작하여 균일하게 진행됨.
• 이로 인해 하부 요추에서 uneven ossification이 발생하고, 이는 stress fracture의 선천적 취약성과 연관됨.

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Fate of Notochord

• Notochord는 초기 척추 발생 시 중심축 역할을 하며, vertebral column이 그 주위를 따라 형성된다.
• Notochord는 초기에 균질한 형태로 존재하며, 주변을 감싸는 sheath는 sulfated glycosaminoglycans, hyaluronic acid, fibronectin, laminin, tenascin, collagen type II 등의 성분을 포함한다.
• TGF-β의 조기 발현이 확인되었으며, 이는 extracellular matrix, vasculature, cartilage, bone 형성에 영향을 준다.
  • 이 경로의 이상은 Loeys-Dietz syndrome과 같은 질환과 연관됨.
• Notochord는 초기에 thoracic 및 lumbar 부위에서 segmentation 되며, 이후 cervical 부위에서도 확인된다.
  • Intervertebral disc 부위에서는 방추형으로 확장되고, vertebral body 내부에서는 점차 소실됨.
• Nucleus pulposus는 notochord의 잔존물로 구성되며, 생후 수년 간 notochordal cell이 활발히 존재한다.
  • 다만 5세 이후에는 대부분 소실되며, 성인의 경우에는 sacrum 등 특정 부위의 incarcerated disc에서만 관찰된다.
• Chordoma는 성인에서도 남아 있는 notochordal rest cell에서 유래한 종양이며, 주로 basisphenoid, basiocciput, sacrum 부위에 발생한다.
• Notochord의 최종 위치는 성숙한 vertebral body의 정중앙보다 anterior 쪽에 존재함.
  • 이는 해부학적으로 centrum과 vertebral body를 동일시하지 않아야 함을 시사한다.

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From Neural Tube to Spinal Cord

• Day 20: Neural plate 양측이 두꺼워지며 neural crest 형성, 이 구조는 이후 neural element가 됨.
• Day 22: Neural crest가 중앙으로 융합하며 neural tube 형성.
• Day 26: 융합된 neural crest cell이 내향 이동하여 좌우로 나뉘며 dorsal root ganglion 형성.
• Week 5: Neural tube가 neural canal로 변화하며, sulcus limitans에 의해 **basal (anterior)**과 alar (posterior) 영역으로 구분됨.
• Dorsal root ganglion은 sensory 역할만 수행하며, posterior column과 연결되는 가지, peripheral tissue로 나가는 가지를 가짐.
• Week 6: Sulcus limitans 소실, ventral horn 형성되며 motor axon이 발생함.
• Week 7–8: Myelin 형성 시작, white matter 발생.

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Development of the Costal Elements

• 정상 척추에서 costal process는 thoracic spine에서만 유지됨.
• Week 5: Costal process가 centrum 양측에서 돌출됨.
• Week 7: Costovertebral joint, costotransverse joint 형성되며, rib 구조가 분리됨.
• Cervical spine에서는 costal process가 transverse process와 융합되어 transverse foramen을 형성함.
• Lumbar spine에서는 불완전한 형태로 남아 transverse process의 일부분이 됨.
  • 이때 embryonic transverse process는 mammillary process로 발전하고, 성숙기에는 이 둘이 융합됨.
• Sacrum에서는 costal process와 embryonic transverse process가 융합되어 lateral sacral mass 형성.

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Development of the Intervertebral Disc

• 초기 embryo에서는 notochord 주변의 세포 밀도가 낮고, 주변부는 높은데 이로 인해 posterior disc rupture에 대한 소인이 설명됨.
• Fetal period 시작 시점에는 intervertebral disc가 세 층으로 구성된다:
  1. External fibrous zone
  2. Internal hyaline zone
  3. Fibrocartilaginous zone
• Interstitial growth와 appositional growth를 통해 성장함.
  • Interstitial growth: Anulus fibrosus 외층이 endplate cartilage에 부착되는 부위에서 일어남.
  • Appositional growth: Vertebral body와 disc 사이에서 길이방향 성장.
• Ring apophysis가 ossify되면 anular fibers가 견고히 부착되며, 성장기에는 ring apophysis와 vertebral body 사이가 가장 취약하여 apophyseal fracture가 흔함.

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Vascularity of the Intervertebral Disc

• Fetal disc에서 anulus fibrosus는 혈관 분포 여부에 대해 논란이 있음.
  • 일부 연구는 anulus 내에 혈관 분포를 확인했으나, 다른 연구는 outer lamellae까지만 혈관이 들어간다고 기술함.
• Endplate–disc interface 부위에서 혈관이 분지하여 확산형의 sinusoidal cul-de-sac system을 구성, 이를 통해 nutrient가 diffusion 방식으로 공급됨.
• 17–24 weeks에는 intervertebral disc가 이미 avascular일 수 있음.

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Spinal Ligament Development

• 인간 태아에서 spinal ligament에 대한 연구는 제한적이나 다음과 같은 소견이 있음:
  • Week 6–7: Vertebral body는 세포 밀도가 낮은 "light zone", intervertebral region은 밀도가 높은 "dark zone"으로 관찰됨.
  • Week 10: Posterior longitudinal ligament가 최초로 확인됨.
  • Week 12: Lamina 형성과 함께 ligamentum flavum 출현.
  • Week 15: Ligamentum flavum의 섬유 배열이 명확히 확인됨.

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Influence of Fetal Movement

• 기존에는 출생 이후 erect posture로 인해 spinal loading이 시작된다고 보았으나, 최근에는 fetal movement의 중요성이 강조됨.
• Ultrasonography를 이용한 연구에서 Week 9~36의 태아에서 **spinal rotation (4~10도)**이 관찰됨.
  • 이는 facet joint morphology 발달에 영향을 줄 수 있음.
  • 결론적으로, torsional stress는 출생 전에도 작용함.

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