脊柱后縱韌帶骨化的病因學研究

王建華,李 野,劉 波,武云濤,劉景臣

(吉林大學第一醫院脊柱外科,吉林長春 130021）

后縱韌帶骨化是脊柱后縱韌帶內存在著不斷進展的異位鈣化,最終導致韌帶內骨結構形成的一種疾病,本病好發于50-60歲的人群,該病發展到一定階段將導致嚴重脊髓受壓及相應的脊髓神經功能損害,這些已得到人們的廣泛認識,據Epstein[1]統計,頸椎后縱韌帶骨化的發生率最高,胸椎其次,腰椎很少發生。OPLL一般具有以下幾個特征:①在脊柱后縱韌帶內有異位骨形成。②在韌帶骨化之前纖維軟骨細胞增殖鈣化,隨后血管長入,組織吸收。③骨化及韌帶組織增生,細胞增殖并存。④韌帶的骨化發生在一個特殊的部位,通常與老年性骨質增生(Forestiers病）或彌漫性特發性骨肥厚伴發。⑤日本人發病率高,1960年Tsukimoto等人首先詳細描述了后縱韌帶骨化,并報道了該病在日本人口中的發病率約為1.9%-4.3%,而在美國和歐洲的發病率僅為0.01%-1.7%[2]。國內外文獻對OPLL的發病機制目前尚無統一認識,多數學者認為OPLL是由多種因素引起的,如基因遺傳、代謝異常、脊柱局部應力因素和脊柱退變等,本文就脊柱后縱韌帶骨化的發病機制研究進展作一簡要綜述。

1 糖代謝異常

盡管OPLL患者一些常規實驗室檢查結果均在正常范圍內,如血常規、超敏C反應蛋白、紅細胞沉降率和類風濕因子等,但還是約有10%的患者存在隱性糖尿病。Shingyochi等[3]對4802個48-57歲的日本男性OPLL患者進行了口服葡萄糖耐受實驗,結果發現:“肥胖是韌帶骨化的主要危險因素,同時它和葡萄糖不能耐受”也是OPLL的兩個危險因素。臨床病例統計也顯示OPLL患者多數具有頸部短小、相對肥胖、且部分患者糖耐量實驗不同程度異常等特征[4],人們推測可能與葡萄糖在機體內代謝異常有關,但尚缺少證明此結論的確切依據。Akune T等[5]認為胰島素生成指數與OPLL范圍有關,肥胖癥患者往往同時存在高胰島素血癥,從而間接與OPLL相關。也有人認為2型糖尿病對于后縱韌帶骨化是一種獨立的危險因素,李海[6]等人分離出大鼠的脊髓韌帶細胞,通過觀察高血糖環境對其骨化基因表達的影響研究和了解可能存在的分子作用機制。研究表明在大鼠的脊髓韌帶細胞中,高血糖通過產生氧活性因子,繼而激活蛋白激酶,抑制P38,增加一型膠原蛋白的合成和誘導BMP-2合成基因的早期表達。高血糖可能通過促進韌帶細胞對其成骨分化反應的方式在后縱韌帶骨化的形成和發展過程中起到重要作用。

2 局部應力因素

Matsunaga等[7]研究發現,患者頸椎活動及間盤內髓核組織的退變和突出會導致間盤內部應力分布出現異常、從而導致后縱韌帶所承受張力增高,長期受到這種機械應力刺激,可以促進了后縱韌帶骨化的進程。Chen等[8]根據韌帶骨化在脊柱不同部位的發病特點,提出脊柱活動時所承受的機械應力以及人體在重力線和矢狀面上屈伸時存在的脊柱整體失衡對于OPLL的發生和發展有重要作用,同時旋轉角度和旋轉應力可能也在OPLL發病中起一定作用。Yano等[9]對大量病例分析后指出局部應力作用在OPLL的發病過程中起重要作用。Tateiwa等[10]對27名平均年齡為58.1歲的OPLL患者行頸椎前路椎體次全切除減壓植骨融合術,術后進行5年以上的隨訪,結果顯示前路減壓植骨融合術后,存在不穩的頸椎節段得到有效穩定,相應水平的韌帶骨化速度明顯減慢,甚至停止。相反后路椎板切除減壓術或椎管擴大成形術都嚴重影響了脊柱的三維穩定性,從而造成韌帶細胞所受張力增加,在一定程度上促進了韌帶骨化的進展。Furukawa K等[11]研究發現,韌帶細胞在持續的伸展應力刺激下,可通過自分泌或旁分泌的方式產生多種調節骨骼重塑的因子,如BMP-2、TGF-β和前列腺素等,同時骨化的韌帶細胞對機械應力的敏感性明顯增加,這也有可能加速OPLL的進程。Ohishi等[12]認為在應力作用誘導下OPLL的過程中前列腺素起著重要的作用。楊海松等[13]通過測定應力刺激前后的OPLL細胞中Connexin43縫隙連接蛋白的表達,同時利用RNAi技術下調它的表達,最終結果表明機械應力誘導下的Connexin43的表達對于頸椎OPLL的進程有重要影響。因此,機械應力刺激在OPLL的進展過程中可能發揮著不容忽視的促進作用。

3 種族差異和遺傳因素

OPLL多見于亞洲大陸,非洲、歐美等國發病率較低,黃種人發病率相對較高,其中又以日本常見,有明顯的區域性和人種差異。1989年Terayama選取了347個OPLL的患者,并用放射學的方法對其家庭中的1030位親屬進行調查,最終發現患者的同胞、雙親患有 OPLL的.比例分別為 28.89%和26.25%,這樣的調查結果讓他們推測OPLL可能具有常染色體顯性遺傳傾向。Hamanishi等[14]通過對OPLL患者進行家譜調查發現:3個同時患有OPLL的同胞兄弟的父親和一個未患病的女孩的父親之間是表兄關系,而該女孩的父親患有OPLL,由此,他認為OPLL遺傳方式應為常染色體隱性患者遺傳學。1991年,Sakou等[15]對OPLL患者遺傳學研究又前進一大步,他們以33個OPLL患者的子女為研究對象,研究顯示HLA形成特定的類型,而一些HLA在日本人口中非常的稀少,這也可能是日本人OPLL相對高發的一個原因,同時發現在33個具有OPLL雙親的家庭中,子代子女同胞具有相同HLA單倍型者OPLL患病率為56%。之后Matsunaga等[16]通過調查24個OPLL患者的家庭成員對HLA和OPLL之間的關系做了進一步研究探索,結果顯示:子代同胞中具有2個相同條帶HLA的單倍型OPLL患病率為53%,具有一個相同條帶的HLA單倍型OPLL患病率為24%,子代同胞無相同條帶的OPLL患病率低于5%,上述研究成果可能存在于復合體HLA上或接近復合體HLA。Koga等[17]研究結果證實OPLL的致病基因在靠近HLA復合體第6號染色體上。Okawa等[18]研究也證實TWY大鼠的OPLL表型是由于NPPS(nudeotide pyrophosphatases,NPPS）基因無意義突變造成的,這個基因編碼焦磷酸酶合成,此酶是一種膜結合蛋白,調節軟組織的鈣化和軟骨及骨的代謝,分解抑制礦化無機焦磷酸鹽的焦磷酸酶,加速了后縱韌帶處骨的形成,從而導致OPLL。研究表明[19]錨蛋白和NPPS基因存在缺陷可導致骨橋蛋白和焦磷酸合成減少,并引起細胞礦化過度,加速OPLL的進展。Toshitada Sawada等[20]于 2008年報道,Runx2作為重要的造骨細胞分化轉導因子,為進一步了解Runx2的表達與脊柱韌帶異位骨化之間是否存在一定的內在聯系,他們利用DNA微陣列芯片技術對Runx2在骨化韌帶細胞內的基因表達進行了檢測,檢測結果發現骨化的韌帶細胞內Runx2基因表達增強,同時發現在韌帶骨化細胞中Runx2基因對結締組織生長因子和血管生成素-1等的合成有重要的調節作用,在韌帶骨化細胞中利用RNAi抑制Runx基因的表達,從而使血管生成素-1和結締組織生長因子等的表達明顯下調,而在非韌帶骨化細胞中未檢測到顯著差別,結果表明血管生成素-1可能是脊柱韌帶異位骨化過程的重要影響因素。進一步研究證實[21]6號染色體Runx2基因上的RS1321075和RS12333172的功能作用還沒有完全明了,但Runx2是骨鈣素和堿性磷酸酶基因啟動子的一個重要的調控因子,并且可以和骨形態生成蛋白一起調控造骨細胞的分化,在Runx2上SNPs的特定的變異體可能影響骨質形成的過程。劉冬梅等[22]報道BMP-2基因的多態性不僅和OPLL的發生率相關,而且和OPLL的長度和范圍相關,TG基因型在Ser37Ala(T/G）上的多態性和OPLL的發病率有關,在Ser37Ala(T/G）上的G等位基因的多態性和OPLL的發生率相關,但和 OPLL的范圍無關;在Ser87Ser(A/G）上的G等位基因的多態性增加OPLL的范圍,但不增加OPLL的易感性,然而至少對于中國人口的調查顯示在Ser87Ser(A/G）上A等位基因的多態性可以抑制異位的骨化。

4 其他因素

Kazaki等[23]對17例甲狀旁腺機能減退患者進行放射學檢查,發現有9例存在后縱韌帶或脊柱其他韌帶的骨化,骨化的發生率與未治療時間成正相關,但未能證實甲狀旁腺激素水平減低、低鈣血癥、高磷血癥以及活性維生素D水平的減低對脊柱韌帶骨化的影響。動物實驗[24]提示氟在異位骨化的化學誘導中起重要作用。Rao等[25]提出氟中毒可能是韌帶骨化的潛在病因。瘦素與OPLL之間有相關性,對于兩者之間內在機制的認識來源于OPLL動物模型一Zucker大鼠,Zucker大鼠韌帶骨化的基因機制認為是瘦素受體的變異。與對照組相比胸椎OPLL患者瘦素受體鳥嘌呤突變頻率明顯變高,其可能導致較大范圍的病變,瘦素與OPLL范圍存在關聯[26]。由于OPLL以組織細胞增生骨化為特征,因此生長因子可能在OPLL的發生發展過程中發揮一定作用。體外實驗證實胰島素樣生長因子-1(in-sutin-like growth factor,IGF-1）能加速OPLL的發生和發展,骨化韌帶周邊軟骨細胞內IGF-1表達水平較高,其可促進OPLL細胞成骨及細胞外基質形成,然而IGF-1在OPLL患者血清中并未升高,僅檢測出生長激素結合蛋白合成增加,提示IGF-1主要通過旁分泌方式影響骨質代謝過程[27]。有調查資料顯示飲食方式和生活習慣也可能與OPLL的發生有關,在日本,長期高鹽和低蛋白飲食的人群OPLL的發生率相對較高,但調查資料未發現OPLL與吸煙、飲酒等生活習慣存在顯著相關性[28]。睡眠情況可能是OPLL發生的另一個影響因素,短程睡眠(≤5 h）與適度睡眠(6-8 h）相比OPLL的患病機率明顯增加,而睡眠時間過長(≥9 h）也會增加OPLL的患病機率[29]。日本的一個病例對照研究[30]顯示多吃雞肉和豆制品可以降低患OPLL的風險。Kobayashi[31]等人的臨床研究結果表明,OPLL與多種疾病相關:其中包括風濕性疾病,如彌漫性特發性骨肥厚、強直性脊柱炎和Castleman病(Castleman's disease,CD）。一項多變量分析研究顯示,心肌梗死家族史,在40歲時較高的體重指數和長時間的工作,尤其是夜間工作都是罹患OPLL的風險因素[32]。P2嘌呤受體Y1(P2Y1）在OPLL患者的脊柱韌帶細胞中的表達增加,Tanaka Sunao[33]經過研究證實P2Y1的過度表達對于OPLL患者脊柱韌帶細胞中異位骨的形成有重要作用。

目前,盡管對OPLL的認識不斷深入,但對于OPLL具體發病機制了解還不甚清晰,雖然大量流行病分析和醫學基礎研究證實OPLL存在多種致病危險因素,但各種危險因素在致病過程中的具體作用還有待進一步確定。OPLL的發病機制還存在許多疑問,而這些疑問也有待進一步的探索和研究,對OPLL致病機制的研究,會促進人們對該疾病的認識和了解,同時也會促進它在預防、篩選、診斷和治療方面的發展;另外,由于OPLL可能與人體多種其它疾病相關,OPLL發病機制的闡明可能將促進相關疾病機制的明確。

[1]Epstein NE.Ossification of the posterior longitudinal ligament:diagnosis and surgical managment[J].Urosurg,1999,2:223.

[2]Furushima K,Shimo-Onoda K,Maeda S,et al.Large-scale screening for candidate genes of ossification of the posterior longitudinal ligament of the spine[J].J Bone Miner Res,2002 17:128.

[3]Shingyouchi Y,Nagahama A,Niida M.Ligamentousossification of the cervical spine in the late middle aged Japanese men.Its relation to body mass index and glucose metabolism[J].Spine,1996,21(21）:2 474.

[4]Kawaguchi H,Kurokawa T,kodama Y et al.Metatolic background of ossification of the posterior longitudinal ligament.In:Yonenobu K,Sakou T,Ono Keds.OPLL:ossification of the posterior longitudinal[M].Tokyo:Springerverlag,1997.73.

[5]KawaguchiY,FurushimaK,SugimoriK,et al.Association between potymorphism of the transforming growth factor-b1genewith the radiotogic characteristic and ossification of the posterior longitudinat ligament[J].Spine,2003,28:1424.

[6]Hai Li,Lei-Sheng Jiang,and Li-Yang Dai.High Glucose Potentiates Collagen Synthesis and Bone Morphogenetic Protein-2-Induced Early Osteoblast Gene Expression in Rat Spinal Ligament Cells[J].Endocrinology,2010,151(1）:63.

[7]Matsunaga S,Sakou T,Taketomi E,et al.The natural course of myelopathy caused by ossification of the posterior longitudinal ligament in the cervical spine[J].Clin Orthop Relat Res,1994,(305）:168.

[8]Chen J,Wang X,Wang C,et al.Rotational stress:Role in development of ossification of posterior longitudinal ligament and ligamentum flavum[J].Med Hypotheses,2010.3.

[9]Yano T,Doita M,Iguchi T,et al.Radiculopathy due to ossification of the yellow liagament at the lower lumbar spine[J].spine,2003,28(19）:E401.

[10]Tateiwa Y,Kamimura M,Itoh H,et al.Multilevel subtotal corpectomy and interbody fusion using a fibular bone graft for cervical myelopathy due to ossification of the posterior longitudinal ligament[J].Clin Neurosci,2003,10(2）:199.

[11]KenlchiR.Currenttopics in pharmacological research on bone metabolism:molecular basis of ectopic bone formation induced by mechanical stress[J].J Pharmacok Sci,2006,100:201.

[12]Ohishi H,Furukawa K,Iwasaki K,et al.Role of prostaglandin I2 in the gene expression induced by mechanical stress in spinal ligament cellsderived from patients with ossification of the posterior longitudinal ligament[J].J Pharmacol Exp Ther,2003,305(3）:818.

[13]楊海松.Connexin43在機械應力誘導頸椎后縱韌帶骨化進展過程中的作用研究[J].第二軍醫大學,2010,4:425.

[14]Hamanishi C,Tan A,Yamane,et al.Ossification of the posterior longitudinal ligament.Autosomal recessive trait[J].Spine,1995,20(2）:205.

[15]Sakou T,Taketomi E,Matsunaga S,et al.Genetic study of ossification of the posterior longitudinal ligament in the cervical spine with human leukocyte antigen haplotype[J].Spine,1991,16(11）:1249.

[16]Matsunaga S,Yamaguchi M,Hayashi K,et al.Genetic analysis of ossification of the posterior longitudinal ligament[J].Spine,1999,15(10）:937.

[17]Koga H,Sakou T,Taketomi E,et al.Genetic mapping of ossification of the posterior longitudinal ligament of the spine[J].Am J Hum Genet,1998,62(6）:1460

[18]Okawa A,Nakamara I,Goto S et al.Mutation in Npps in a mouse model of ossification of the posterior longitudinal ligament of the spine[J].Nat Genet,1998,19(3）:271.

[19]HarmeyD,HessleL,Narisawa S,et al.Concerted regulation of inorganic pyrophosphate and osteopontin by akp2,enppl,and ank:an integrated model of the pathogenesis of mineralization disorders[J].Am J Patho,2004,164:1199.

[20]KishiyaM,Sawada T,Kanemaru K,et al.A functional RNAi screen for Runx2-regulated genes associated with ectopic bone formation in human spinal ligaments[J].J Pharmacolsc,2008,106(3）:404.

[21]Xue T,Mao Z,Lin L,et al.Nonvirus-mediated transfer of siRNAs against Runx2 andSmad4 inhibit heterotopic ossification in rats[J].Gene Ther,2010,17:370.

[22]Hao Wang,Dongmei Liu,Zhaohui Yang,et al.Association of bone morphogenetic protein-2 gene polymorphisms with susceptibility to ossification of the posterior longitudinal ligament of the spine and its severity in Chinese patients[J].Eur Spine J,2008,17:956.

[23]Okazaki TTakuwa Y,YamamotoM,et al.Ossifiearion of the paravertebral ligaments a frequent complication of hypothyroidism[J].Metalbolism,1984,33:710.

[24]Suyama T,Hayoshik.Experrimental studies on the ossification4 of the posterior longitudinal ligament of the cervical spine[J].Nippon Seikei Geda Gakkai Zasshi,l986,68:523

[25]Rao BS,Taraknath VE,Sista,et al.Ossification of the gitccdinal ligam ent and fluorosis.J Bone Joint Surg(Br）,1992,74:469

[26]Fan DW,Chen ZQ,Chen YP,et al.Mechanistic roles of leptin in osteogenic stimulation in thoracic ligament flavum cells[J].J Biol Chem,2007,282:29958.

[27]ChibaK,OgawaY,IshiiK,et al.Long-term results of expansive opendoor laminoplasty for cervicalmyeLopathy-average 14-year follow-up study[J].Spine,2006,31:2998.

[28]KobashiG,WashioM,OkamotoK,et al.High bodymass index after age 20 and diabetesmellitus are independent risk factors for ossification of the posterior longitudinal ligament of the spine in Japanese subjects:a casecontrol study inmultiple hospitals[J].Spine(Phila Pa 1976）,2004,29(9）:1006.

[29]WashioM,Kobashi G,Okamoto K,et al.Sleeping habit and other life styles in the prime of life and risk forossification of the posterior longitudinal ligament of the spine(OPLL）:a case-control study in Japan[J].J Epidemio,2004,14(5）:168.

[30]Okamoto K,Kobashi G,Washio M,et al.Dietary habits and risk of ossification of the posterior longitudinal ligaments of the spine(OPLL）:findings from a case-control study in Japan[J].J Bone MinerMetab,2004,22:612.

[31]Shu K,ShigekiM,Katsunori I,et al.A case ofCastleman's disease associated with diffuse idiopathic skeletal hyperostosis and ossification of the posteriorlongitudinal ligament of the spine[J].Mod Rheumato,2007,17:418.

[32]KobashiG,OhtaK,WashioM,et al.Fokl variant of vitamin D receptor gene and factors related to atherosderosis associated with ossification of the posterior longitudinal ligament of the spine:amulti-hospital case-control study[J].Spine,2008,33:553.

[33]Tanaka Sunao,Kudo Hitoshi,Asari Toru,et al.P2Y1 transient overexpression induced mineralization in spinal ligament cells derived from patients with ossification of the posterior longitudinal ligament of the cervical spine[J].Epub,2011,7:6.