颈椎前纵韧带的特点及其病理改变的研究进展

张浩 刘瑞* 赵建民

颈椎前纵韧带（anterior longitudinal ligament, ALL）作为颈椎最强大，也是唯一限制颈椎过伸的韧带，在维持颈椎稳定上具有十分重要的生理作用。前纵韧带的任何损伤或者病理改变都会对颈椎产生严重影响，如前纵韧带损伤、骨化或钙化会引起椎间盘退变、颈部疼痛活动受限等临床症状。因此，掌握前纵韧带的相关知识，熟悉对其疾病的诊断及治疗方案的制定是十分必要的。

1 颈椎前纵韧带的解剖

颈椎前纵韧带在颈椎椎体和椎间盘前方纵向走行，从整体上观察，颈椎前纵韧带比胸腰椎节段的前纵韧带宽、薄；而从椎间盘与椎体的水平观察，前纵韧带在椎体处比在椎间盘处窄，却比椎间盘处更厚[1]。颈椎前纵韧带的长度变化，除了C1-C2节段，在其余的每个节段变化很小，其长度在C1-C2节段最长，之后节段逐渐变短，在通过C5-C6节段后一直到C7-T1节段长度逐渐增加[1]；颈椎前纵韧带的宽度在C1-C2节段，通过C4-C5节段宽度变宽，并维持相对恒定的宽度到C7-T1节段。由于对韧带测量无具体的共识，有文献给出定义为：从下一椎体的中间高度到上一椎体的中间高度。这种定义方法更加合理，应用更广。并且通过冷冻切片实验方法对8 具尸体的颈椎前纵韧带进行测量，测得长度为17.9 ～ 19.0 mm 且C2-C5组的长度[（18.8±1.04）mm]高于C5-T1组[（18.3±0.5）mm]；此外还进行了前纵韧带的横截面积的测量，其取材部位位于颈椎椎间盘的中间高度处，C5-T1组的横截面积[（12.1±2.68）mm2]大于C2-C5组[（11.1±1.93）mm2][2]。

前纵韧带由3层致密且强有力的弹性纤维构成[3]，通过观察发现韧带纤维是垂直走行的。内层纤维仅连结相邻2个椎体；中层纤维的起止点可跨越2 ～ 3 个椎体；外层纤维的起止点可跨越3 ～ 4 个椎体，最多可跨越6 个椎体[1]。前纵韧带内层纤维与椎间盘的纤维环和椎体的骺环相连，但不进入椎体，在椎体前凸处纤维增厚[1]，颈椎前纵韧带作为脊柱前纵韧带的一部分具有同样的特点。前纵韧带是脊柱三柱理论中前柱的重要组成部分，颈椎部分的前纵韧带的主要生理作用是控制颈椎过度后伸和颈椎间盘向前脱出，而对于颈椎其他方向的运动则是不具有限制作用的[1]。

颈椎前纵韧带中存在神经纤维，并且与颈椎疼痛症状存在一定关系。有学者对C3-C6节段的前纵韧带进行了宏观和镜下观察，发现前纵韧带不但存在神经纤维，并且其分布在椎体水平上存在着空间差异，在C4和C5水平上的感觉和痛觉神经纤维密度局灶性增加，而在C3和C6水平上观察到的神经纤维密度则较少；该研究还指出颈椎前纵韧带中存在的神经纤维与人类颈椎的疼痛发展有关联[4]。

2 颈椎前韧带的生物力学特性

前纵韧带中水的重量约占正常韧带总重量的2/3，剩余的重量主要由胶原蛋白和弹性蛋白组成。韧带中弹性蛋白和胶原蛋白的干重分别约为5.9%和67.1%（弹性蛋白与胶原蛋白的比例为1∶11）[5]。韧带纤维的组成成分包括胶原纤维、弹性纤维和网状纤维。胶原纤维使韧带具有一定的强度和刚度，弹性纤维使韧带具有在载荷作用下的延伸能力，而网状纤维则提供韧带的容积[6]。故决定前纵韧带强度大小的主要因素取决于胶原纤维含量的多少。此外，韧带的形状、尺寸及截面积也影响韧带的强度，韧带越宽越厚，与受力或者载荷方向一致的纤维数目越多，其强度越大[6]。由于前纵韧带的纤维多垂直走行并且基本上以单轴方式排列，故其在伸长的弯矩下抵抗张力最有效。我国学者在研究国人正常颈椎前纵韧带时指出，C1-C4节段前纵韧带的破坏应力值及失效能量大于C4-T1节段，弹性模量则小于C4-T1节段前纵韧带，并且C1-C4节段之间的应变差异并不显著[7]。此外，在颈椎前纵韧带拉伸实验中出现了韧带断裂的部位均位于椎体部与椎间盘部交界处的现象，产生这样的现象可能是由于该处是韧带强度变化的交接点，应力集中于此，这与临床中颈椎韧带断裂的现象一致。由此可见，颈椎前纵韧带抗拉伸能力是随着其强度及所附着部位的不同而变化，且具有一定的规律性[7]。

前纵韧带的力学性能与负载速率有关，并且加载速率对韧带破坏的产生影响最大[8]。Yoganandan等[9]以4种不同负载速率对C2到T1水平的颈椎前纵韧带进行负载，直至使其失效，其实验结果为前纵韧带的平均失效力（F）范围为120.58 ～ 349.48 N，平均刚度（K）为14.93 ～ 82.71 N/mm，能量吸收能力（J）为0.54 ～ 1.23 J，刚度系数（S）16.39 ～56.29，失效形变距离范围（D）为5.53 ～ 7.95 mm，经过对数据整理分析得出前纵韧带的力学性能与负载速率显示出非线性的“s”形特征，拉伸破坏载荷、刚度和能量吸收能力随着负载速率的增加而增加。但是韧带的失效距离并不取决于负载速率，而是取决于韧带对形变的敏感性，一旦达到一定的拉伸距离，无论负载速度如何都会发生破坏[9]。韧带撕裂发生在高负荷率期间，而从相邻的椎体上撕脱发生在缓慢施加负荷期间[10]。此外也有学者研究了亚失效负载对于颈椎前纵韧带损伤的影响，确定了使颈椎前纵韧带的损伤阈值接近于3 mm 的亚失效负载。当超过这一阈值时，同样的负载下会导致韧带显著伸长，影响正常的韧带功能，对脊柱的支持作用降低[11]。有研究表明，当颈椎前纵韧带单独损伤时，屈曲和伸展时活动度仅增加8.36%，侧向弯曲时活动度仅增加7.88%，轴向旋转活动度仅增加2.87%[12]。

3 颈椎前纵韧带的影像学表现

颈椎前纵韧带在常规X线片及CT检查上的成像显示效果不如MRI，其只有在发生病理变化（如韧带出现骨化现象）时，X线片及CT上才呈现低于密质骨密度的现象；前纵韧带的含水量比周围软组织少，故相对缺乏运动质子，在T1WI、T2WI上均表现为很薄的纵行细条状低信号。

在前纵韧带损伤的诊断中，影像学检查起到很重要的辅助作用。由于X 线及CT 不能很好地显示前纵韧带的结构，故不能直接显示前纵韧带的损伤，只能提供提示损伤的间接依据，如可以通过颈椎伸屈动力位X线片，观察椎体前部软组织（prevertebral soft tissue, PVST）阴影的宽度和椎体间隙的高度；或者根据X线片，CT上显示椎体是否有骨块撕脱来推测是否发生了前纵韧带的损伤。Patel等[13]对基于X线片上测量PVST阴影的两种方法，即PVST相对椎体宽度的比值和“27、72”法则（即C2水平PVST 的宽度上限是7 mm，C7水平PVST 的宽度上限是2 cm），对比后发现虽然上述两种方法对诊断颈椎前纵韧带损伤的特异性都很高，但敏感性却非常低。也有文献基于CT 测量C7节段PVST厚度的研究指出，当PVST厚度大于11.5 mm对诊断颈椎前纵韧带损伤高度敏感，但特异性较差[14]。虽然X线及CT可以通过间接征象判断或者排除前纵韧带的损伤，并且具有操作时间短、检查速度快的优势，但是一方面在颈椎外伤，行屈伸位动力X线检查时可能会加重损伤，或者因疼痛肌肉痉挛等原因导致运动不足而不能很好配合。另一方面，MRI在检查软组织损伤方面相较于屈伸动力位X线及CT有明显的优势，具有很高的敏感性和特异性。

大多数研究中，如何根据MRI上的表现来诊断前纵韧带是否损伤一般有以下三种观点：①矢状位T1WI 上前纵韧带纵形低信号带的连续性中断（discontinuity on sagittal T1-weighted image, T1D），即“黑线”的连续性中断，其认为椎体间隙水平的前纵韧带完全中断，或椎体缘处的前纵韧带掀起或紊乱[15]。但是也有文献指出，矢状位T1WI上“黑线”的连续性中断，特别是在存在退行性椎间盘疾病的情况下不能用作诊断急性创伤性韧带断裂的可靠依据[16]。②矢状位T2WI 上椎体前方出现条状或者梭状异常高信号带（longitudinal high signal intensity on sagittal T2-weighted image, T2L）。这种异常高信号带是椎前软组织水肿、出血的呈现，通常与前纵韧带的撕裂或堆积的液体将前纵韧带从骨面剥离有关[17]。③矢状位T2WI 上出现与椎间盘或者终板平行呈现条状的中等信号或高信号带（transversal high or intermediate signal intensity on sagittal T2-weighted image, T2T），可以穿过椎体前后边缘与T2L 相连接，在排除椎间盘碎裂、撕脱骨折碎片等引起的伪影之后即可诊断为颈椎前纵韧带断裂[16]。有学者通过对颈椎前纵韧带损伤的术中探查结果和术前MRI影像结果的相关性进行研究，指出矢状面STIR图像结果与术中探查结果的一致性相同，MRI对诊断颈椎前纵韧带的损伤的价值较高，可及时发现患者损伤，并为临床治疗提供有力指导[18]。但是三种指标相比较而言，T2T对诊断前纵韧带损伤的敏感性、特异性、阳性预测值及阴性预测值的指标均高于其他两种；T2L 除特异性较高外，其余各项指标均较低；而T1D则各项指标均较低。故通过MRI 表现中的T1D、T2L 特征作为诊断颈椎前纵韧带损伤的标准是不可靠的，但T2T特征可以作为判断颈椎前纵韧带损伤的可靠标准[19]，对于颈椎稳定性的评价有很好的指导作用。

4 颈椎前纵韧带的病理变化

颈椎前纵韧带的病理变化可以大致分为两类：一类是因组织本身退行性变或者其他疾病因素导致的病理性改变；另一类是因手术或者暴力外伤等导致的前纵韧带破坏。前纵韧带退行性改变的主要原因是韧带纤维本身发生增生性改变，导致韧带硬化失去弹性，发展到后期则有钙盐等其他物质增多并沉积导致钙化的形成。此外，由于椎体脱水、小关节活动度增加等退变现象的出现逐渐引起前纵韧带的松弛，引起韧带－骨膜下出血及髓核的前移，随着时间的增加及机体自我保护的机制，出血及前移的髓核会逐渐钙化形成骨刺，骨刺刺激前方的韧带逐渐导致韧带钙化。由于前纵韧带的松弛，导致颈椎的稳定性下降，而硬化甚至钙化的前纵韧带具有局部固定的作用，加强了颈椎的稳定性，在一定程度上减缓了疾病的进一步加重及恶化，这一过程从另一方面来讲，也是人体的自然保护机制。

引起颈椎前纵韧带发生骨化的病理性改变的另一主要原因是一种名为弥漫性特发性骨质增生症（diffuse idiopathic skeletal hyperostosis, DISH）的疾病。该疾病最先由Forestier和Rotes Querol描述报道[20]，随后Resnick系统总结该病的X线表现，并命名该疾病为DISH。尽管DISH是一种全身性的疾病，但以导致脊柱韧带附着点炎症，进而造成钙化或骨化的病理学改变最为多见，韧带的骨化或钙化是DISH在脊柱上的典型表现，主要表现在前纵韧带受累，并且颈椎前纵韧带骨化的病理改变是主要观察指标[21]。颈椎节段前纵韧带骨化中新形成的骨主要发生在椎体的前方，呈对称性分布[22]。通过对DISH 疾病的组织学特征研究发现，所切取的骨桥组织中存在着编织骨，表明骨化是一个具有积极重塑的持续骨转化过程[23]。随着韧带组织的不断退变及钙盐的逐渐累积，骨化不断加重，从韧带的表面发展到纵深部位，从而在椎体的边缘前纵韧带的附着处形成不规则的骨赘。有研究通过结合放射学、组织学和物理学的方法，对人体尸体组织中与DISH 相关的异位矿物结构的病理特征进行研究，证实了前纵韧带钙化或者骨化是由颈部脊柱组织的异位骨化和营养不良钙化两种方式引起的，虽然结论可能反映了疾病的不同阶段，但还需要进一步的研究来评估这两种骨化方式的先后关系[24]。但也有研究发现前纵韧带的外观形态正常，其本身并没有发生异常的钙化或者骨化，只是被异位的钙化物质移位，表明钙化或者骨化很可能不是起源于前纵韧带内部[25]。在DISH 疾病中，前纵韧带骨化的病因及机制，从该疾病首次被描述并报道起，许多学者就对此进行大量研究。从遗传因素、代谢性疾病、信号通路和细胞因子，以及机械应力因素等方面进行了探索。遗传因素方面：COL6A1 编码一种细胞外基质蛋白，可能作为成骨细胞、成骨前细胞或软骨细胞的支架进行膜性或软骨内化骨[26]；部分miRNAs 的异常表达通过影响细胞分化、黏附及矿物质沉积等活动，参与MAPK、Wnt、TGF-β、Focal adhesion 等多个骨化相关信号途径导致前纵韧带骨化或者钙化的形成[27]；也有文献报道具有功能获得性突变的ALK2/ACVR1 受体可引起DISH 疾病中颈椎前纵韧带骨化的形成[28]。代谢性疾病方面：肥胖、血脂异常、高血压、葡萄糖耐受不良、2 型糖尿病、高尿酸血症、高胰岛素血症，以及维生素A、生长激素、IGF-1水平升高等被报道与DISH前纵韧带骨化有关[29-30]；原发或者继发于代谢紊乱的局部炎症，也可能有助于颈椎前纵韧带的新骨形成[31]。信号通路及细胞因子方面：低DKK-1水平对Wnt 信号通路抑制降低[32]；高TGF-β1、PDGF-BB 水平激活NFκB 信号通路；MGP 缺乏使BMP2 信号通路活性增加[33]。上述机制普遍认为最终是通过诱导间充质干细胞转化为成纤维细胞和成骨细胞，进而导致颈椎前纵韧带骨化的形成[34]。机械应力因素：机械应力刺激在脊柱韧带骨化过程中起到了重要作用，经研究受压迫和张力是颈椎发生DISH现象，导致颈椎部分的前纵韧带发生骨化或者钙化的力学原因[35]。此外，年龄和性别也是该病的重要影响因素，一般认为老年男性有更高的颈椎前纵韧带骨化或者钙化几率，但是值得注意的是年轻患者的韧带骨化的进展程度高于老年患者[36]。

当颈椎受到过伸或屈曲伴前移的暴力外伤时，很容易产生前纵韧带损伤甚至断裂。在经典的颈椎前路减压融合术（anterior cervical decompression and fusion, ACDF）的手术过程中，也存在前纵韧带的破坏。外伤后经保守治疗后，受伤节段会出现椎间盘退变；ACDF 术后出现邻近节段退变（adjacent segment degradation, ASD）的问题在临床上也十分常见。前纵韧带作为颈椎最强大也是唯一限制颈椎过伸的韧带，其损伤必然会导致颈椎的稳定性下降。Sun 等[37]经过动物实验提出，前纵韧带的损伤会使相应节段损伤椎间盘的退变程度加重。鉴于前纵韧带与椎间盘和椎体之间的紧密联系，也有人提出ACDF 术中对前纵韧带及纤维环的大范围剥离或者损伤，也可能是导致ASD发生的原因之一[38]。但是相关文献较少，需要进一步研究。

5 总结与展望

前纵韧带是脊椎前柱中的重要组成部分之一，具有很大的强度和韧度，对维持脊柱序列的稳定性起到很重要的作用。但是颈椎的活动度较其他脊椎更大，暴力外伤的损害，特发性病理改变等因素均可以引起颈椎前纵韧带发生改变，进而可能影响椎间盘等其他组织结构的变化。对于其损伤、断裂或者钙化骨化的病理性改变，可以通过受伤机制、生物力学分析、影像学及病理学改变等方面进行研究，对其病理改变进行评估，并对其过程进一步了解。但是对于前纵韧带骨化的产生机制依旧需要进一步研究探明，也是今后对前纵韧带比较重要的研究方向。此外，关于前纵韧带损伤在颈椎术后临椎退变的现象是否起作用，可以进一步关注。