楊文峰　喬丹　任遠飛　梁武　張鐵慧

116033，　　大連市中心醫(yī)院骨科

?

脊柱韌帶骨化發(fā)病機制研究進展

楊文峰喬丹任遠飛梁武張鐵慧

116033，大連市中心醫(yī)院骨科

摘要脊柱韌帶骨化的病因及發(fā)病機制尚不明確。機械應(yīng)力、元素含量、內(nèi)分泌水平、遺傳等多因素共同參與脊柱韌帶骨化的發(fā)生和發(fā)展。近年來，出現(xiàn)了較多關(guān)于對機械應(yīng)力刺激高度敏感的韌帶組織或細胞相關(guān)機制的研究，細胞外基質(zhì)-整合素-細胞骨架途徑在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用引起廣泛重視，一系列新的成骨相關(guān)生長因子、轉(zhuǎn)錄因子及基因多態(tài)性位點等陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)。該文對近年來脊柱韌帶骨化發(fā)病機制研究進展作一綜述。

關(guān)鍵詞脊柱韌帶骨化；后縱韌帶；黃韌帶；發(fā)病機制

脊柱韌帶骨化(OSL)是一種以后縱韌帶骨化(OPLL)和黃韌帶骨化(OLF)為代表的老年性臨床常見病，我國65歲以上人群發(fā)病率超過20%。OSL以多脊柱韌帶異位骨形成為特征，可導(dǎo)致椎管及椎間孔狹窄、脊髓和神經(jīng)根受壓及損傷，其損傷程度與狹窄程度相關(guān)，患者可出現(xiàn)肢體感覺、運動障礙及植物神經(jīng)功能紊亂等一系列表現(xiàn)[1]。OPLL多發(fā)生于頸椎，OLF則以胸椎下段較為常見。由于OPLL和OLF常具有相似的發(fā)病年齡、發(fā)病率及病理改變，且常同時發(fā)病，醫(yī)學(xué)上統(tǒng)稱其為OSL。機械應(yīng)力、微量元素、內(nèi)分泌水平、遺傳等多種因素可能共同參與OSL的發(fā)病[2-3]。本文對近年來關(guān)于OSL發(fā)病機制的研究作一綜述。

1生物力學(xué)因素

機械應(yīng)力被認為是OSL發(fā)病機制中最重要的局部環(huán)境因素。Chen等[4]研究發(fā)現(xiàn)，脊柱屈曲、伸展、側(cè)屈等活動及脊柱階段性不穩(wěn)可直接導(dǎo)致韌帶組織及椎間盤應(yīng)力分布異常。Nishida等[5]、Kawano等[6]研究發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)壓縮或動態(tài)壓縮均可導(dǎo)致脊柱機械應(yīng)力增加、韌帶組織及椎間盤應(yīng)力分布異常，從而加速OSL發(fā)生。Kang等[7]研究認為，髓核突出與OLF有關(guān)。Lee等[8]研究認為，頸椎和胸椎后路手術(shù)破壞了脊柱后方的骨性結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致脊柱穩(wěn)定性遭到破壞，可進一步加快OPLL患者術(shù)后脊柱韌帶的骨化，而保持壓力穩(wěn)定的前路融合手術(shù)則不會有此后果，推測局部應(yīng)力刺激可促進韌帶骨化的發(fā)生和進展。動物實驗顯示，切除動物脊柱后縱韌帶后方的椎板或肌肉可導(dǎo)致后縱韌帶骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP )-2和BMP-7表達上調(diào)。近年來，對機械應(yīng)力刺激高度敏感的韌帶組織或細胞的細胞學(xué)機制成為備受關(guān)注的新焦點。楊海松等[9]研究發(fā)現(xiàn)，與正常人相比，OPLL患者后縱韌帶的成纖維細胞具有更強的成骨活性，在應(yīng)力刺激下細胞內(nèi)堿性磷酸酶(ALP)、骨鈣素(OC)、Ⅰ型膠原(COLⅠ)、轉(zhuǎn)錄因子Runx2和Osx等多個基因表達上調(diào)。Harada等[10]研究認為，OPLL患者后縱韌帶的間充質(zhì)干細胞表現(xiàn)出更強的成骨潛能，ALP、Runx2活性及BMP-2的表達均上調(diào)。

近年來，細胞外基質(zhì)-整合素-細胞骨架途徑在機械應(yīng)力刺激細胞內(nèi)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的作用引起廣泛關(guān)注。張競等[11]研究發(fā)現(xiàn)，機械應(yīng)力刺激可引起成骨細胞肌動蛋白聚合動態(tài)學(xué)變化，而伴肌動蛋白相關(guān)錨定蛋白(N-RAP)表達上調(diào)可能與頸椎韌帶骨化有關(guān)。微管結(jié)構(gòu)也可參與肌絲的動態(tài)變化調(diào)節(jié)，抑制微管的聚合可促進成骨細胞BMP-2的表達。Zhang等[12]研究認為，波形蛋白等其他中間絲組成部分可能也參與力學(xué)信號的胞內(nèi)轉(zhuǎn)導(dǎo)，機械應(yīng)力可誘導(dǎo)患者脊柱韌帶成纖維細胞波形蛋白表達下調(diào)。Yang等[13]研究發(fā)現(xiàn)，連接蛋白43可能在頸椎OPLL形成及進展過程中發(fā)揮重要作用。Chen等[14]研究發(fā)現(xiàn)，OPLL患者韌帶成纖維細胞內(nèi)蛋白激酶樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(PERK)表達上調(diào)，提示由PERK介導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)可能也參與了細胞對機械應(yīng)力的響應(yīng)與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。

細胞感受機械應(yīng)力信號后，可生成多種第二信使分子，進一步導(dǎo)致多種轉(zhuǎn)錄因子的激活，產(chǎn)生廣泛的生物學(xué)效應(yīng)。Li等[15]研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)皮素(ET)-1、嘌呤受體P2Y1、細胞外三磷酸腺苷(ATP)、前列環(huán)素(PGI)2、成骨細胞特異性轉(zhuǎn)化因子CBFα1等信號分子參與了機械應(yīng)力作用下韌帶內(nèi)骨形成過程。神經(jīng)系統(tǒng)在OSL中的作用也受到關(guān)注。為防止運動過程中關(guān)節(jié)的過度伸展，關(guān)節(jié)周圍韌帶和軟組織在機械應(yīng)力刺激的作用下形成病理性骨化，本體感覺神經(jīng)末梢或發(fā)揮重要作用。由此可見，多種信號分子共同參與了韌帶細胞對機械應(yīng)力的響應(yīng)及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。

2激素與生長因子刺激

激素與局部生長因子刺激如多種骨形成相關(guān)的鈣磷調(diào)節(jié)激素也是OSL發(fā)生的重要因素之一。Oh等[16]采用蛋白質(zhì)雙向電泳法對OPLL患者與正常人脊柱韌帶組織進行對比研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與正常人脊柱韌帶組織相比，OPLL患者脊柱韌帶中免疫球蛋白κ輕鏈等21種蛋白質(zhì)的含量上升，載脂蛋白A 等4種蛋白質(zhì)的含量下降。另一項研究[17]發(fā)現(xiàn)，X染色體連鎖低磷性佝僂病患者頸椎OPLL發(fā)病率明顯較正常人高。OPLL患者常伴有糖耐量異常、糖尿病、維生素D抵抗性佝僂病以及肥胖等內(nèi)分泌疾病。與正常人相比，糖尿病患者OSL的發(fā)病率也明顯較高，推測OSL的發(fā)生可能與胰島素分泌異常有關(guān)。胰島素可上調(diào)細胞表面胰島素受體的表達并刺激細胞增生，增強BMP-2的作用，從而促進ALP的表達，誘導(dǎo)脊柱韌帶細胞增生及向成骨細胞分化。

局部生長因子刺激與OSL的發(fā)生密切相關(guān)，目前以BMP和轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)-β的研究最為充分。BMP可誘導(dǎo)軟骨和韌帶內(nèi)血管形成，為成骨相關(guān)因子的局部富集及鈣離子沉積創(chuàng)造優(yōu)勢條件，刺激韌帶內(nèi)局部軟骨生成，促進間充質(zhì)干細胞向成骨細胞分化，提高韌帶細胞ALP的活性。動物實驗[18]也有類似發(fā)現(xiàn)，在鼠腰椎硬膜外腔內(nèi)注射重組BMP-2與膠原混合物后，腰椎黃韌帶產(chǎn)生明顯骨化灶，推測其作用與Osx、Runx2表達上調(diào)及組蛋白修飾有關(guān)。TGF-β具有廣泛的生物學(xué)效應(yīng)，參與機體免疫調(diào)節(jié)、細胞生長和分化、細胞外基質(zhì)合成和貯存等多個方面，可促進成骨細胞外基質(zhì)的合成，促進骨膜細胞和骨髓間充質(zhì)干細胞等成骨前體細胞的生長和分化。由此可見，BMP和TGF-β均參與OSL發(fā)生的調(diào)節(jié)，兩者作用各不相同，彼此相互影響，共同構(gòu)成韌帶骨化組織最重要的生長因子局部微環(huán)境。

3遺傳因素

隨著分子遺傳學(xué)研究技術(shù)的發(fā)展，遺傳因素在OSL發(fā)生中的作用引起廣泛關(guān)注。脊柱OPLL的全基因組關(guān)聯(lián)研究[19]顯示，多個基因位點共同參與膜內(nèi)與軟骨內(nèi)成骨調(diào)控。開展OSL相關(guān)易感基因研究，不僅可以進一步闡明其發(fā)病機制，為藥物研發(fā)提供支撐，而且對疾病的預(yù)防也有重要意義。Ikegawa[20]進行回顧性研究發(fā)現(xiàn)，OPLL和OLF的發(fā)病均具有顯著的種族、性別差異和家族聚集性，提示遺傳因素可能在OSL發(fā)病過程中起重要作用。單核苷酸多態(tài)性位點(SNP)突變可提高患者對機械應(yīng)力、激素及生長因子刺激的敏感性，加快韌帶骨化的進展。多個成骨分化相關(guān)基因如COL11A2、COL6A1、COL17A1及TGF-β、BMP、Runx2等均已證實與OSL有關(guān)[3,15]。而維生素D受體基因、維甲酸X受體基因、膜結(jié)合酶NPPS基因、雌激素受體(ER)基因、瘦素受體基因等內(nèi)分泌相關(guān)基因也被認為與韌帶骨化遺傳易感性有關(guān)[21]。Guo等[22]、Ikegawa[23]、Stetler等[24]研究發(fā)現(xiàn)，OPLL發(fā)病與人類白細胞抗原(HLA)基因單倍體型、白細胞介素(IL)-α受體基因及SNP位點改變有關(guān)，基因位點可能位于6號染色體靠近HLA基因的位置。曲小辰等[25]對OLF易感基因研究發(fā)現(xiàn)，COL6A1、Runx2、BMP-4、HLA-DQAl等多個基因多態(tài)性位點可能與OSL發(fā)病有關(guān)。Chiba等[26]的研究結(jié)果表明，韌帶內(nèi)間充質(zhì)干細胞Wnt5A和GDNF基因啟動子區(qū)域DNA甲基化的減少可誘導(dǎo)其分化為成骨細胞。目前關(guān)于OSL易感基因SNP的研究尚處于初步階段，不同研究結(jié)果間存在一定差異，可能與種族和樣本量不同有關(guān)。

4元素含量改變

在OSL過程中，多種元素含量發(fā)生改變。研究發(fā)現(xiàn)，90%的OLF患者出現(xiàn)氟斑牙，60%以上的OLF患者尿液中氟含量明顯增高。其可能機制是，氟及其化合物激活腺苷酸環(huán)化酶，導(dǎo)致細胞內(nèi)鈣離子濃度明顯升高，引起軟骨細胞鈣化。有實驗表明，原癌基因c-Fos和c-Jun參與氟中毒誘導(dǎo)的韌帶骨化。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，鈣和銅在OLF灶內(nèi)的含量明顯增高，而鋅、錳、鑰元素含量則明顯下降，可能與膠原合成異常有關(guān)。

5其他因素

勞累、熬夜等不規(guī)律的生活方式及不良飲食習(xí)慣也可能是誘導(dǎo)OPLL發(fā)生的獨立危險因素。研究發(fā)現(xiàn)，高鹽和低動物蛋白飲食可增加OPLL發(fā)生的風(fēng)險。

綜上所述，OSL是一種多基因累及、遺傳與環(huán)境多因素共同作用導(dǎo)致的慢性疾病，其發(fā)病機制復(fù)雜，多種致病因素間存在復(fù)雜的聯(lián)系。近年來，隨著研究手段的豐富和研究技術(shù)的發(fā)展，對于其發(fā)病機制的研究已在多個方面獲得突破。總體而言，目前的研究仍處于探索階段，未來關(guān)于OSL發(fā)病機制的進一步研究將主要集中在闡明多因素間的相互作用機制上。

參考文獻

[1]Song KJ, Park CI, Kim DY, et al. Is OPLL-induced canal stenosis a risk factor of cord injury in cervical trauma?[J]. Acta Orthop Belg, 2014, 80(4):567-574.

[2]Nakajima M, Takahashi A, Tsuji T, et al. A genome-wide association study identifies susceptibility loci for ossification of the posterior longitudinal ligament of the spine[J]. Nat Genet, 2014, 46(9):1012-1016.

[3]Wei W, He HL, Chen CY, et al. Whole exome sequencing implicates PTCH1 and COL17A1 genes in ossification of the posterior longitudinal ligament of the cervical spine in Chinese patients[J]. Genet Mol Res, 2014, 13(1):1794-1804.

[4]Chen Y, Wang X, Chen D, et al. Posterior hybrid technique for ossification of the posterior longitudinal ligament associated with segmental instability in the cervical spine[J]. J Spinal Disord Tech, 2014, 27(4):240-244.

[5]Nishida N, Kanchiku T, Kato Y, et al. Cervical ossification of the posterior longitudinal ligament: biomechanical analysis of the influence of static and dynamic factors[J]. J Spinal Cord Med, 2015, 38(5):593-598.

[6]Kawano O, Maeda T, Mori E, et al. Influence of spinal cord compression and traumatic force on the severity of cervical spinal cord injury associated with ossification of the posterior longitudinal ligament[J]. Spine (Phila Pa 1976), 2014, 39(14):1108-1112.

[7]Kang YM, Suk KS, Lee BH, et al. Herniated intervertebral disk induces hypertrophy and ossification of ligamentum flavum[J]. J Spinal Disord Tech, 2014, 27(7):382-389.

[8]Lee SE, Chung CK, Jahng TA, et al. Long-term outcome of laminectomy for cervical ossification of the posterior longitudinal ligament[J]. J Neurosurg Spine, 2013, 18(5):465-471.

[9]楊海松，陳德玉，王新偉，等. 機械牽張應(yīng)力對骨化頸椎后縱韌帶成纖維細胞的影響[J]. 國際骨科學(xué)雜志, 2015, 36(1):70-74.

[10]Harada Y, Furukawa K, Asari T, et al. Osteogenic lineage commitment of mesenchymal stem cells from patients with ossification of the posterior longitudinal ligament[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2014, 443(3):1014-1020.

[11]張競，張穎，王良哲，等. 伴肌動蛋白相關(guān)錨定蛋白(N-RAP)在頸椎后縱韌帶骨化中的表達及意義[J]. 中國脊柱脊髓雜志, 2013, 23(9):833-836.

[12]Zhang W, Wei P, Chen Y, et al. Down-regulated expression of vimentin induced by mechanical stress in fibroblasts derived from patients with ossification of the posterior longitudinal ligament[J]. Eur Spine J, 2014, 23(11):2410-2415.

[13]Yang HS, Lu XH, Chen DY, et al. Mechanical strain induces cx43 expression in spinal ligament fibroblasts derived from patients presenting ossification of the posterior longitudinal ligament[J]. Eur Spine J, 2011, 20(9):1459-1465.

[14]Chen Y, Wang X, Yang H, et al. Upregulated expression of PERK in spinal ligament fibroblasts from the patients with ossification of the posterior longitudinal ligament[J]. Eur Spine J, 2014, 23(2):447-454.

[15]LiJM, Zhang Y, Ren Y, et al. Uniaxial cyclic stretch promotes osteogenic differentiation and synthesis of BMP2 in the C3H10T1/2 cells with BMP2 gene variant of rs2273073 (T/G)[J]. PLoS One, 2014, 9(9):e106598.

[16]Oh YM, Lee WJ, Kim MG, et al. Comparative proteomic tissue analysis in patients with ossification of the posterior longitudinal ligament[J]. World Neurosurg, 2014, 82(1-2):e353-e359.

[17]Shiba M, Mizuno M, Kuraishi K, et al. Cervical ossification of posterior longitudinal ligament in x-linked hypophosphatemic rickets revealing homogeneously increased vertebral bone density[J]. Asian Spine J, 2015, 9(1):106-109.

[18]Hou XF, Fan DW, Sun CG, et al. Recombinant human bone morphogenetic protein-2-induced ossification of the ligamentum flavum in rats and the associated global modification of histone p[J]. J Neurosurg Spine, 2014, 21(3):334-341.

[19]Nakajima M, Takahashi A, Tsuji T, et al. A genome-wide association study identifies susceptibility loci for ossification of the posterior longitudinal ligament of the spine[J]. Nat Genet, 2014, 46(9):1012-1016.

[20]Ikegawa S. Genetics of ossification of the posterior longitudinal ligament of the spine: a mini review[J]. J Bone Metab, 2014, 21(2):127-132.

[21]He Z, Zhu H, Ding L, et al. Association of NPP1 polymorphism with postoperative progression of ossification of the posterior longitudinal ligament in Chinese patients[J]. Genet Mol Res, 2013, 12(4):4648-4655.

[22]Guo Q, Lv SZ, Wu SW, et al. Association between single nucleotide polymorphism of IL15RA gene with susceptibility to ossification of the posterior longitudinal ligament of the spine[J]. J Orthop Surg Res, 2014, 9:103.

[23]Ikegawa S. Updates on ossification of posterior longitudinal ligament. Genetic approach to the susceptibility genes for ossification of posterior longitudinal ligament of the spine (OPLL) and for its molecular pathogenesis[J]. Clin Calcium, 2009, 19(10):1457-1461.

[24]Stetler WR, La-Marca F, Park P. The genetics of ossification of the posterior longitudinal ligament[J]. Neurosurg Focus, 2011, 30(3):E7.

[25]曲小辰，陳仲強. 胸椎OLF易感基因與單核苷酸多態(tài)性[J]. 國際骨科學(xué)雜志, 2014, 35(1):10-12.

[26]Chiba N, Furukawa K, Takayama S, et al. Decreased DNA methylation in the promoter region of the WNT5A and GDNF genes may promote the osteogenicity of mesenchymal stem cells from patients with ossified spinal ligaments[J]. J Pharmacol Sci, 2015, 127(4):467-473.

(收稿：2015-05-20；修回：2015-10-21)

(本文編輯：李圓圓)

DOI：10.3969/j.issn.1673-7083.2016.01.006

通信作者：張鐵慧E-mail: tiehuizhang@126.com