脊柱韧带骨化发病机制研究进展

杨文峰　乔丹　任远飞　梁武　张铁慧

116033，　　大连市中心医院骨科



脊柱韧带骨化发病机制研究进展

杨文峰乔丹任远飞梁武张铁慧

116033，大连市中心医院骨科

摘要脊柱韧带骨化的病因及发病机制尚不明确。机械应力、元素含量、内分泌水平、遗传等多因素共同参与脊柱韧带骨化的发生和发展。近年来，出现了较多关于对机械应力刺激高度敏感的韧带组织或细胞相关机制的研究，细胞外基质-整合素-细胞骨架途径在信号转导中的作用引起广泛重视，一系列新的成骨相关生长因子、转录因子及基因多态性位点等陆续被发现。该文对近年来脊柱韧带骨化发病机制研究进展作一综述。

关键词脊柱韧带骨化；后纵韧带；黄韧带；发病机制

脊柱韧带骨化(OSL)是一种以后纵韧带骨化(OPLL)和黄韧带骨化(OLF)为代表的老年性临床常见病，我国65岁以上人群发病率超过20%。OSL以多脊柱韧带异位骨形成为特征，可导致椎管及椎间孔狭窄、脊髓和神经根受压及损伤，其损伤程度与狭窄程度相关，患者可出现肢体感觉、运动障碍及植物神经功能紊乱等一系列表现[1]。OPLL多发生于颈椎，OLF则以胸椎下段较为常见。由于OPLL和OLF常具有相似的发病年龄、发病率及病理改变，且常同时发病，医学上统称其为OSL。机械应力、微量元素、内分泌水平、遗传等多种因素可能共同参与OSL的发病[2-3]。本文对近年来关于OSL发病机制的研究作一综述。

1生物力学因素

机械应力被认为是OSL发病机制中最重要的局部环境因素。Chen等[4]研究发现，脊柱屈曲、伸展、侧屈等活动及脊柱阶段性不稳可直接导致韧带组织及椎间盘应力分布异常。Nishida等[5]、Kawano等[6]研究发现，静态压缩或动态压缩均可导致脊柱机械应力增加、韧带组织及椎间盘应力分布异常，从而加速OSL发生。Kang等[7]研究认为，髓核突出与OLF有关。Lee等[8]研究认为，颈椎和胸椎后路手术破坏了脊柱后方的骨性结构，导致脊柱稳定性遭到破坏，可进一步加快OPLL患者术后脊柱韧带的骨化，而保持压力稳定的前路融合手术则不会有此后果，推测局部应力刺激可促进韧带骨化的发生和进展。动物实验显示，切除动物脊柱后纵韧带后方的椎板或肌肉可导致后纵韧带骨形态发生蛋白(BMP )-2和BMP-7表达上调。近年来，对机械应力刺激高度敏感的韧带组织或细胞的细胞学机制成为备受关注的新焦点。杨海松等[9]研究发现，与正常人相比，OPLL患者后纵韧带的成纤维细胞具有更强的成骨活性，在应力刺激下细胞内碱性磷酸酶(ALP)、骨钙素(OC)、Ⅰ型胶原(COLⅠ)、转录因子Runx2和Osx等多个基因表达上调。Harada等[10]研究认为，OPLL患者后纵韧带的间充质干细胞表现出更强的成骨潜能，ALP、Runx2活性及BMP-2的表达均上调。

近年来，细胞外基质-整合素-细胞骨架途径在机械应力刺激细胞内转导过程中的作用引起广泛关注。张竞等[11]研究发现，机械应力刺激可引起成骨细胞肌动蛋白聚合动态学变化，而伴肌动蛋白相关锚定蛋白(N-RAP)表达上调可能与颈椎韧带骨化有关。微管结构也可参与肌丝的动态变化调节，抑制微管的聚合可促进成骨细胞BMP-2的表达。Zhang等[12]研究认为，波形蛋白等其他中间丝组成部分可能也参与力学信号的胞内转导，机械应力可诱导患者脊柱韧带成纤维细胞波形蛋白表达下调。Yang等[13]研究发现，连接蛋白43可能在颈椎OPLL形成及进展过程中发挥重要作用。Chen等[14]研究发现，OPLL患者韧带成纤维细胞内蛋白激酶样内质网激酶(PERK)表达上调，提示由PERK介导的内质网应激反应可能也参与了细胞对机械应力的响应与信号转导。

细胞感受机械应力信号后，可生成多种第二信使分子，进一步导致多种转录因子的激活，产生广泛的生物学效应。Li等[15]研究发现，内皮素(ET)-1、嘌呤受体P2Y1、细胞外三磷酸腺苷(ATP)、前列环素(PGI)2、成骨细胞特异性转化因子CBFα1等信号分子参与了机械应力作用下韧带内骨形成过程。神经系统在OSL中的作用也受到关注。为防止运动过程中关节的过度伸展，关节周围韧带和软组织在机械应力刺激的作用下形成病理性骨化，本体感觉神经末梢或发挥重要作用。由此可见，多种信号分子共同参与了韧带细胞对机械应力的响应及信号转导。

2激素与生长因子刺激

激素与局部生长因子刺激如多种骨形成相关的钙磷调节激素也是OSL发生的重要因素之一。Oh等[16]采用蛋白质双向电泳法对OPLL患者与正常人脊柱韧带组织进行对比研究，结果发现与正常人脊柱韧带组织相比，OPLL患者脊柱韧带中免疫球蛋白κ轻链等21种蛋白质的含量上升，载脂蛋白A 等4种蛋白质的含量下降。另一项研究[17]发现，X染色体连锁低磷性佝偻病患者颈椎OPLL发病率明显较正常人高。OPLL患者常伴有糖耐量异常、糖尿病、维生素D抵抗性佝偻病以及肥胖等内分泌疾病。与正常人相比，糖尿病患者OSL的发病率也明显较高，推测OSL的发生可能与胰岛素分泌异常有关。胰岛素可上调细胞表面胰岛素受体的表达并刺激细胞增生，增强BMP-2的作用，从而促进ALP的表达，诱导脊柱韧带细胞增生及向成骨细胞分化。

局部生长因子刺激与OSL的发生密切相关，目前以BMP和转化生长因子(TGF)-β的研究最为充分。BMP可诱导软骨和韧带内血管形成，为成骨相关因子的局部富集及钙离子沉积创造优势条件，刺激韧带内局部软骨生成，促进间充质干细胞向成骨细胞分化，提高韧带细胞ALP的活性。动物实验[18]也有类似发现，在鼠腰椎硬膜外腔内注射重组BMP-2与胶原混合物后，腰椎黄韧带产生明显骨化灶，推测其作用与Osx、Runx2表达上调及组蛋白修饰有关。TGF-β具有广泛的生物学效应，参与机体免疫调节、细胞生长和分化、细胞外基质合成和贮存等多个方面，可促进成骨细胞外基质的合成，促进骨膜细胞和骨髓间充质干细胞等成骨前体细胞的生长和分化。由此可见，BMP和TGF-β均参与OSL发生的调节，两者作用各不相同，彼此相互影响，共同构成韧带骨化组织最重要的生长因子局部微环境。

3遗传因素

随着分子遗传学研究技术的发展，遗传因素在OSL发生中的作用引起广泛关注。脊柱OPLL的全基因组关联研究[19]显示，多个基因位点共同参与膜内与软骨内成骨调控。开展OSL相关易感基因研究，不仅可以进一步阐明其发病机制，为药物研发提供支撑，而且对疾病的预防也有重要意义。Ikegawa[20]进行回顾性研究发现，OPLL和OLF的发病均具有显著的种族、性别差异和家族聚集性，提示遗传因素可能在OSL发病过程中起重要作用。单核苷酸多态性位点(SNP)突变可提高患者对机械应力、激素及生长因子刺激的敏感性，加快韧带骨化的进展。多个成骨分化相关基因如COL11A2、COL6A1、COL17A1及TGF-β、BMP、Runx2等均已证实与OSL有关[3,15]。而维生素D受体基因、维甲酸X受体基因、膜结合酶NPPS基因、雌激素受体(ER)基因、瘦素受体基因等内分泌相关基因也被认为与韧带骨化遗传易感性有关[21]。Guo等[22]、Ikegawa[23]、Stetler等[24]研究发现，OPLL发病与人类白细胞抗原(HLA)基因单倍体型、白细胞介素(IL)-α受体基因及SNP位点改变有关，基因位点可能位于6号染色体靠近HLA基因的位置。曲小辰等[25]对OLF易感基因研究发现，COL6A1、Runx2、BMP-4、HLA-DQAl等多个基因多态性位点可能与OSL发病有关。Chiba等[26]的研究结果表明，韧带内间充质干细胞Wnt5A和GDNF基因启动子区域DNA甲基化的减少可诱导其分化为成骨细胞。目前关于OSL易感基因SNP的研究尚处于初步阶段，不同研究结果间存在一定差异，可能与种族和样本量不同有关。

4元素含量改变

在OSL过程中，多种元素含量发生改变。研究发现，90%的OLF患者出现氟斑牙，60%以上的OLF患者尿液中氟含量明显增高。其可能机制是，氟及其化合物激活腺苷酸环化酶，导致细胞内钙离子浓度明显升高，引起软骨细胞钙化。有实验表明，原癌基因c-Fos和c-Jun参与氟中毒诱导的韧带骨化。此外，有研究发现，钙和铜在OLF灶内的含量明显增高，而锌、锰、钥元素含量则明显下降，可能与胶原合成异常有关。

5其他因素

劳累、熬夜等不规律的生活方式及不良饮食习惯也可能是诱导OPLL发生的独立危险因素。研究发现，高盐和低动物蛋白饮食可增加OPLL发生的风险。

综上所述，OSL是一种多基因累及、遗传与环境多因素共同作用导致的慢性疾病，其发病机制复杂，多种致病因素间存在复杂的联系。近年来，随着研究手段的丰富和研究技术的发展，对于其发病机制的研究已在多个方面获得突破。总体而言，目前的研究仍处于探索阶段，未来关于OSL发病机制的进一步研究将主要集中在阐明多因素间的相互作用机制上。

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(收稿：2015-05-20；修回：2015-10-21)

(本文编辑：李圆圆)

DOI：10.3969/j.issn.1673-7083.2016.01.006

通信作者：张铁慧E-mail: tiehuizhang@126.com