黄韧带骨化症发病机制与病理研究进展

王 向综述 贾连顺审校

1912年，Le Double[1]率先提出了黄韧带骨化（ossification of ligament flavum，OLF）的概念，Polgar等[2]于1920年首次描述了其侧位平片表现。自1964年Yamaguchi等[3]报道OLF引起的胸椎脊髓病以来，胸椎黄韧带骨化（thoracic ossification of ligament flavum，TOLF）的研究逐步得到各国学者的关注[4]。

OLF在脊柱的颈、胸、腰各段均可发病，以胸段尤其是下胸段最为常见。TOLF是导致胸椎管狭窄的主要原因之一，且由于其往往合并有其他局部或全身病变，临床表现复杂多样，因此为该病的诊断和治疗带来了一定的困难。

TOLF在中国、日本、韩国等亚洲国家较为高发，以日本为最，其TOLF发病率约占脊柱疾病的2%，占脊柱手术患者的2.3%[5]，在年手术总量中约占0.9/10万[6]。此外，在高加索人群以及法国、美国等国也均有报道。男女的发病率之比约为3：2，以中老年人发病居多，平均发病年龄约为61岁[6]。

1 病因及发病机制

1.1 解剖及力学因素

胸段脊柱有生理性后凸，更易受到黄韧带向前方的压迫。与其他各节段相比，胸段血液供应相对不足，尤其以T4和L1作为分水岭，有学者将此段的缺血易损区域称为“液封带”，且胸段脊髓占椎管容积的比例最大，因此OLF易在脊柱胸段发生[7]。胸椎椎板的倾斜角以T7～T10为波谷段,而TOLF以T8～T10为波峰段,两者分布具有相关性，椎板倾斜角最小的下胸段与黄韧带骨化好发部位一致[8]。而Lirk等[9]认为中下胸段特别是下胸段两侧黄韧带在中线处融合使椎管体积变小是临床发病的解剖学基础。TOLF患者多从事重体力劳动，且以T9～T12节段最为常见，这与一系列力学因素相关。在此部位脊髓后柱所承受的张力较高，胸腰段的关节突关节为单一方向关节，在长期的旋转运动刺激下，关节的稳定性下降，微小运动及微小创伤增加[10]。Maigne等[11]对胸椎黄韧带尾端附着点的骨化研究发现，TOLF以T12节段发生最多，且取决于T11～T12的关节突关节方位，处于胸椎位者旋转幅度较大，有83%的胸椎位发生骨化，且骨化体积较大；而处于腰椎位者旋转幅度较小，只有33%发生骨化，且骨化体积较小。从而证明了旋转应力在TOLF发病过程中起着重要的作用。Kaneyama等[12]报道了两例右利手的棒球运动员均发生了左侧的胸腰段OLF，推测与长期投掷动作一侧用力过度有关。

1.2 退变因素

TOLF患者多为中老年人，且常合并有颈椎后纵韧带骨化（ossification of the posterior longitudinal ligament，OPLL）、弥漫性特发性骨肥厚症（diffuse idiopathic skeletal hyperostosis，DISH）、关节突退变等退行性疾病[10]。Park等[13]总结了68例颈椎OPLL患者，发现其中21名伴有TOLF，因此他们提出了“串联骨化”的概念，特指发生于两个相邻脊柱区域的脊旁韧带骨化。Aizawa等[14]总结了1988～2002年132例胸椎疾病患者的临床资料，发现73例患有TOLF的病人中有10例合并OPLL。在各种退行性病变中，似乎OPLL与TOLF的关系更为密切。

1.3 遗传因素

OLF多发于黄种人，黑人和白人发病率较低，提示其可能与某些遗传学因素相关。Shiigi等[15]认为OLF可能和维生素D受体基因突变有关，其显性等位基因对OLF发生具有一定的抑制作用。研究还发现，HLA-DQA*0401可能是TOLF的易感性相关基因，而HLA-DQA*0201可能是TOLF的保护性相关基因。TOLF患者其DQA*0401引发的效应抵消掩盖了DQA*0201的作用，提示易感基因强于保护基因可能是导致TOLF发病的一个危险因素[16]。在汉族人群中，位于染色体21q22.3上的COL6A1启动子区域的单核苷酸构象多态性与OLF发病亦关系密切[17]。软骨发育不全的病人常伴有FGFR3基因突变，因而促进了软骨内骨化现象的发生，易于导致OLF发病[18]。此外，人类第6条染色体上的Runx2基因（控制成骨分化的关键基因）启动子区的单核苷酸构象多态性[19]、Ⅺ型胶原基因异常[20]和OLF发病也有一定的相关性。

1.4 分子调控异常

OLF的发病与一系列的分子调控行为密切相关。在长期的应力刺激下，黄韧带细胞内的碱性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）活化，与成骨细胞发育相关的转录因子Osterix、Runx2的mRNA表达水平明显升高，从而介导了黄韧带细胞向骨细胞的分化过程。在骨分化过程中，这些转录因子通过MAPKs信号传导途径发挥作用，主要与MAPKs家族中ERK1/2和p38途径相关，而与JNK途径无关。应用p38抑制剂可明显降低osterix的表达以及ALP活性，而应用ERK1/2抑制剂虽然对ALP活性仅起到轻微抑制作用，但它却能完全抑制Runx2的表达，表明MAPKs两种途径在诱导骨分化过程中发挥的作用各有不同。Osterix在应力作用和骨分化过程中起着重要的纽带作用[21]。

退变的韧带基质中存在大量软骨细胞和成软骨样细胞，且骨形态发生蛋白BMP-2、TGF-β、VEGF和软骨形成和分化相关转录因子Sox9的表达均明显升高[22]。近年来的研究表明，BMP作为目前惟一可以独立诱导骨化生的生长因子，在OLF病变过程中起着始动的作用。Moon等[23]将腺病毒介导的BMP-2基因转染黄韧带细胞，在应力作用下，黄韧带细胞中胶原Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ的基因表达水平增加，TGF-β1水平也有明显的提升，证实经刺激的黄韧带可通过自分泌和旁分泌BMP的方式，诱导周围正常黄韧带细胞向成骨细胞分化。TGF-β1可以介导纤维母细胞样的间充质细胞向黄韧带浸润，同时使纤维母细胞进入非骨化的软骨中，从而介导骨化的发生。Yang等[24]进一步将人类黄韧带细胞植入免疫抑制的裸鼠体内，采用与Moon类似的方法转染，发现相应部位有新生骨形成。事实证明，BMP是刺激靶细胞分化启动骨化的因子，TGF-β1虽可通过刺激黄韧带细胞分泌胶原导致韧带增生肥厚，但TGF-β1本身并不能单独诱导异位骨化，在这一过程中它仅仅起到辅助作用，在骨化后期刺激骨形成[25]。

1.5 代谢因素

一系列的激素、维生素、无机盐等代谢异常在TOLF的发病机制中起到了重要作用。患有肥胖症、糖尿病、高胰岛素血症、钙磷代谢障碍等代谢性疾病的病人更易发生TOLF[26]。Fan等[27]研究发现，脂肪细胞因子leptin与TOLF发病密切相关。Leptin诱导的成骨过程与细胞传导通路STAT3、JNK和ERK1/2激活相关，而与p38无关。Leptin可使STAT3、RunX2和甾类受体共活化物-1共同形成转录复合物并与RunX2基因启动子相互作用。这就解释了伴有高脂血症的肥胖患者易发TOLF的原因。长期的应力作用可使黄韧带细胞中的 Ca2+含量升高[28]，Wang 等[29]的进一步研究发现，退变和骨化黄韧带的Ca2+、Cu2+含量均明显升高，Mg2+由于需要拮抗Ca2+的作用，其含量明显下降，Zn2+、Mn2+、Co2+因需拮抗Cu2+的作用，含量亦明显降低。Cu2+参与赖酰基氧化过程，可作为关键酶调节胶原合成，因TOLF中常有旺盛的胶原代谢，故Cu2+含量明显增高。TOLF与高氟血症亦密切相关，有过量氟摄入史的患者即便血中氟离子浓度此后降至正常水平，TOLF仍会继续发展。相关机制可能是由于氟离子可以激活细胞内的cAMP活性，胞内钙内流增加，进而激活蛋白c-fos和c-jun的表达，刺激成骨样细胞的增生和激活；且氟离子有可能导致Ca2+潴留，引起软骨细胞的变性及坏死，继而发生软骨基质钙化和软骨内骨化。

1.6 血管因素

Hirakawa等[30]研究发现，长期的轻微创伤可以诱导背侧黄韧带毛细血管增生并向腹侧的硬膜延伸，但生长中的毛细血管内皮细胞缺乏特殊的连接复合体，管壁的渗透性增高，与钙相结合的大分子物质便可穿过内皮细胞进入血管周围组织引起钙盐沉积，从而有助于骨化的发生。此外，在退变韧带的细胞外基质中也观察到有血管重组的发生[22]，其内在联系尚待进一步探索。

2 病理学特征

2.1 形态特征

OLF大体观呈黄白色，在硬膜的一面呈局部圆形、卵圆形或硬性突起朝向椎管内，表面较为光滑[22]。根据病理学形态特点，可将OLF分为周围型、弥漫型、结节型3种类型。OLF细胞形态多样，有细长型、纺锤型、多角型、卵圆型等，非OLF细胞则表现出类纤维母细胞的纺锤型。OLF细胞中有骨钙素和Ⅱ型胶原的表达，非OLF细胞中两者均无表达。骨钙素是成骨细胞的重要标志，Ⅱ型胶原是软骨细胞的重要标志，提示OLF细胞向成骨细胞和软骨细胞的表型分化在OLF发病过程中发挥着重要的作用[31]。

2.2 病理过程

TOLF的基本病理过程是韧带的软骨内成骨。骨化的黄韧带由4部分组成：韧带区、软骨区、钙化软骨区和骨化区。韧带区弹力纤维减少、断裂、排列紊乱，胶原纤维大量增生，且有一定程度的肿胀及融合。软骨区又称骨化前沿，纤维软骨细胞和软骨灶呈片状或散在分布，软骨细胞在邻近软骨区处增生尤为活跃，增生软骨细胞周围有大量硫酸软骨素。钙化软骨区可见肥大的软骨细胞、空泡样变性，有丰富的软骨样基质和不成熟的编织骨或成骨细胞。骨化区主要为致密的板层骨。这些病理特点提示骨化的过程为：纤维及非纤维样组织增生分化形成软骨，继而软骨钙化，随着血管的长入，软骨被吸收，最后成骨形成成熟骨结构。该骨化进程符合软骨内成骨的特点[32,33]。OLF据成熟程度可分为：（1）成熟型骨化，主要结构为板层骨，无编织骨结构，移行区无或仅有少量散在的软骨细胞，韧带区无纤维软骨细胞。（2）不成熟型骨化，软骨钙化区有编织骨结构，移行区有大量增殖的软骨细胞，韧带区有增殖的纤维软骨细胞[27]。

2.3 影像学分型及其病理学特征

根据不同的CT影像学表现，OLF可分为5种类型[22]，各个类型的病理学表现也独具特点。（1）外侧型：骨化前沿排列紊乱，弹性纤维束排列极不规则。（2）弥漫型：骨化前沿沿着弹性纤维束扩展，纤维随着直径的减小变得愈发不规则。（3）膨大型：骨化前沿、弹性纤维束、软骨细胞均有明显改变，骨化前沿比上述两型范围更大、更加紊乱；弹性纤维束不连续，且在骨化前沿以及前沿附近的韧带中均缺无；骨化前沿周围发现大量软骨细胞。（4）结节型。（5）融合型。后两者的OLF病理表现类似，其钙化前沿明显不连续，表现为沿弹性纤维纵轴及其他各个方向均不相连续。钙化前沿附近的弹性纤维完全消失，在弹性纤维部位，发现有软骨细胞沿着纤维整齐排列。

3 结语

总之，OLF的发病机制目前仍未完全明确，各个病因之间的相互联系及主次关系尚不明朗，OLF与其他脊柱退行性疾病的发病机制是否有某些共同环节、OLF主要易感基因的确认、OLF发病关键分子的相互作用及主要信号通路的辨识，OLF深入的分子病理学机制等均有待进一步地研究和探索，而如何将这些基础研究进展应用于临床实践将是摆在我们面前的又一重大挑战。

1 Le Double AF.Traité des variations de la colonne vertébrale de l'homme[M].Paris:Louis Danty-Collas,1912.

2 Polgar F.Uber interakuelle wirbelverkalkung[J].Fortschr Geb Rontgenstr Nuklearmed Erganzungsband,1920,40:292-298.

3 Yamaguchi M,Tamagake S,Fujita S.A case of ossification of the ligamentum flavum with spinal cord tumor symptoms(in Japanese)[J].Seikeigeka,1960,11:951.

4 Park BC,Min WK,Oh CW,et al.Surgical outcome of thoracic myelopathy secondary to ossification of ligamentum flavum[J].Joint Bone Spine,2007,74(6):600-605.

5 Chen XQ,Yang HL,Wang GL,et al.Surgery for thoracic myelopathy caused by ossification of the ligamentum flavum[J].J Clin Neurosci,2009,16(10):1316-1320.

6 Aizawa T,Sato T,Sasaki H,et al.Thoracic myelopathy caused by ossification of the ligamentum lavum:clinical features and surgical results in the Japanese population[J].J Neurosurg Spine,2006,5(6):514-519.

7 Aizawa T,Sato T,Tanaka Y,et al.Thoracic myelopathy in Japan:epidemiological retrospective study in Miyagi Prefecture during 15 years[J].Tohoku J Exp Med,2006,210(3):199-208.

8 秦德安,张佐伦,李晓东,等.胸椎椎板倾斜角在胸椎黄韧带骨化中的解剖学意义[J].中国临床解剖学杂志,2006,24(6):634-636.

9 Lirk P,Kolbitsch C,Putz G,et al.Cervical and high thoracic ligamentum flavum frequently fails to fuse in the midline[J].Anesthesiology,2003,99(6):1387-1390.

10 Hur H,Lee JK,Lee JH,et al.Thoracic myelopathy caused by ossification of the ligamentum flavum[J].J Korean Neurosurg Soc,2009,46(3):189-194.

11 Maigne JY,Ayral X,Guérin-Surville H.Frequency and size of ossifications in the caudal attachments of the ligamentum flavum of the thoracic spine.Role of rotatory strains in their development.An anatomic study of 121 spines[J].Surg Radiol Anat,1992,14(2):119-124.

12 Kaneyama S,Doita M,Nishida K,et al.Thoracic myelopathy due to ossification of the yellow ligament in young baseball pitchers[J].J Spinal Disord Tech,2008,21(1):68-71.

13 Park JY,Chin DK,Kim KS,et al.Thoracic ligament ossification in patients with cervical ossification of the posterior longitudinal ligaments:tandem ossification in the cervical and thoracic spine[J].Spine,2008,33(13):E407-E410.

14 Aizawa T,Sato T,Sasaki H,et al.Resultsof surgical treatment for thoracic myelopathy:minimum 2-year follow-up study in 132 patients[J].J Neurosurg Spine,2007,7(1):13-20.15 Shiigi E,Sugiyama T,Tanaka H,et al.Possible involvement of vitamin D receptor gene polymorphism in male patients with ossification of spinal ligaments[J].J Bone Miner Metab,2001,19(5):308-311.

16 颜廷宾,张佐伦,于锡欣,等.胸椎黄韧带骨化与HLA-DQA1等位基因的相关性研究[J].中国矫形外科杂志,2002,10(14):1402-1404.

17 Kong Q,Ma X,Li F,et al.COL6A1 polymorphisms associated with ossification of the ligamentum flavum and ossification of the posterior longitudinal ligament[J].Spine,2007,32(25):2834-2838.

18 Suzuki K,Kanamori M,Nobukiyo M.Ossification of the thoracic ligamentum flavum in an achondroplastic patient:a case report[J].J Orthop Surg(Hong Kong),2008,6(3):392-395.

19 陈仲强.共同努力提高胸椎黄韧带骨化症的诊治水平[J].中华骨科杂志,2007,27(1):1-2.

20 Maeda S,Koga H,Matsunaga S,et al.Gender-specific haplotype association of collagen alpha 2(Ⅺ)gene in ossification of the posterior longitudinal ligament of the spine[J].J Hum Genet,2001,46(1):1-4.

21 Fan D,Chen Z,Wang D,et al.Osterix is a key target for mechanical signals in human thoracic ligament flavum cells[J].J Cell Physiol,2007,211(3):577-584.

22 Yayama T,Uchida K,Kobayashi S,et al.Thoracic ossification ofthe human ligamentum flavum:histopathologicaland immunohistochemical findings around the ossified lesion[J].J Neurosurg Spine,2007,7(2):184-193.

23 Moon SH,Park SR,Kim H,et al.Biologic modification of ligamentum flavum cells by markergene transferand recombinant human bone morphogenetic protein-2[J].Spine,2004,29(9):960-965.

24 Yang IH,Kim H,Kwon UH,et al.De novo osteogenesis from human ligamentum flavum by adenovirus-mediated bone morphogenetic protein-2 gene transfer[J].Spine,2005,30(24):2749-2754.

25 Miura M,Chen XD,Allen MR,et al.A crucial role of caspase-3 inosteogenic differentiation of bone marrow stromal stem cells[J].J Clin Invest,2004,114(12):1704-1713.

26 Mobbs RJ,Dvorak M.Ossification of the ligamentum flavum:diet and genetics[J].J Clin Neurosci,2007,14(7):703-705.

27 Fan D,Chen Z,Chen Y,et al.Mechanistic roles of leptin in osteogenic stimulation in thoracic ligament flavum cells[J].J Biol Chem,2007,282(41):29958-29966.

28 Matsui H,Katoh Y,Tsuji H.Untreated hypophosphatemic vitamin D—resistant rickets with symptomatic ossification of the ligamentum flavum[J].J Spinal Disord,1991,4(1):110-113.

29 Wang Z,Li XD,Li MQ,et al.Changes in basic metabolic elements associated with the degeneration and ossification of ligamenta flava[J].J Spinal Cord Med,2008,31(3):279-284.

30 Hirakawa K,Hanakita J,Suwa H,et al.A post-traumatic ligamentum flavum progressive hematoma:a case report[J].Spine,2000,25(9):1182-1184

31 Zhong ZM,Chen JT.Phenotypic characterization of ligamentum flavum cellsfrom patients with ossification of ligamentum flavum[J].Yonsei Med J,2009,3:375-379.

32 Okada K,Oka S,Tohge K,et al.Thoracic myelopathy caused by ossification of the ligamentum flavum:clinical pathologic study and surgical treatment[J].Spine,1991,16(3):280-287.

33 Ono K,Yonenobu K,Miyamoto S,et al.Pathology of ossification of the posterior longitudinal ligament and ligamentum flavum[J].Clin Ortho Relat Res,1999,359:18-26.