機械應力因素在脊柱韌帶骨化發生機制中的作用研究進展

陳廣輝，陳仲強，楊曉曦，范天奇

北京大學第三醫院骨科，北京 100191

脊柱韌帶骨化是一種以脊柱正常韌帶發生異位骨化為特點的慢性、退行性疾病。主要包括后縱韌帶骨化（OPLL）、黃韌帶骨化（OLF）及彌漫性特發性骨肥大癥（DISH）［1］。后縱韌帶和黃韌帶解剖位置特殊，直接參與椎管結構的組成，因此，OPLL和OLF 的發生常常導致脊髓和神經根受壓，引起嚴重的神經功能障礙。據文獻報道，中國和日本 30歲以上人群OPLL 發生率為1.9% ~ 4.3%［2-3］，OLF發生率為3.8% ~ 63.9%［4-5］，且隨著年齡的增長，2 種疾病的發生率逐漸增加［5］。目前，OPLL和OLF已經成為導致頸椎和胸椎椎管狹窄的主要因素［6-8］。

隨著生物科學技術的發展，對OPLL 和OLF 的認識從臨床現象到分子機制越來越深入，但目前兩者的發生機制尚不明確。有學者認為，脊柱韌帶骨化是多種因素共同作用的結果，包括遺傳、機械應力、微量元素、內分泌以及生活習慣等［9］。OPLL 和OLF 的發生年齡和病理改變相似，但兩者在脊柱節段間的分布存在明顯差異［6-7］。OPLL 主要發生于頸椎，其次是中、上胸椎，而OLF則以下胸椎為主，很少有頸椎或者腰椎OLF 的報道［7］。以往研究認為，脊柱韌帶骨化節段分布特點與脊柱不同節段間局部應力變化有關［10-12］。在相同的遺傳背景下，力學因素可能是導致兩者在脊柱節段間差異分布的主要因素?，F有的基礎研究表明，在機械應力刺激下，骨化患者的韌帶細胞較非骨化患者表現出較強的成骨分化能力［13］，進一步證實了應力刺激在韌帶骨化發生發展中的重要作用。本文通過檢索國內外相關文獻，從臨床和基礎研究方面對機械應力因素在脊柱韌帶骨化發生機制中作用的研究進展作如下綜述，為后期脊柱韌帶骨化研究提供參考和思路。

1 臨床研究

1.1 頸椎OPLL

研究表明，機械應力刺激與脊柱韌帶骨化密切相關［14］。Hirabayashi 等［15］對53 例頸椎OPLL 術后的患者進行16 年的隨訪研究發現，75%的連續型和混合型OPLL 呈進行性進展，椎間活動可促使混合型OPLL 向連續型發展。Takatsu 等［16］對97 例頸椎OPLL 患者進行影像學檢查發現，椎管成形術和椎板切除術均促進OPLL 的發展，2 種術式在促進骨化進展程度上并無明顯差異，非手術組OPLL 進展則相對緩慢；作者認為間接性減壓手術能促進OPLL 的發展，椎板切除術后頸椎OPLL 進展可能是棘突和椎板切除后局部應力增高所致；椎管成形術后OPLL 同樣進展迅速，則更應考慮生物性、結構性和動力反應性因素。最近的一項研究表明，椎板成形術聯合內固定融合術能夠抑制OPLL 的進展［17-18］。為明確活動性因素在OPLL 發展中的作用，Matsunaga 等［10］對101 例非手術治療的頸椎OPLL患者的頸椎椎間盤應力分布進行生物力學研究發現，OPLL 進展與椎間盤應力異常分布高度相關，提示動態因素導致的節段間應力分布不均加速OPLL的自然病程。相較后路手術，前路融合術能夠有效地減少節段間活動度，增加節段穩定性。Matsuoka等［19］采用前路漂浮融合法治療頸椎OPLL，隨訪10年，36%的患者出現OPLL 進展，明顯低于后路手術的70%［20］。以上研究結果表明，機械應力刺激能促進頸椎OPLL 的發展。頸椎術后脊柱完整結構遭到破壞，椎間盤局部應力分布發生相應改變，因此，容易導致OPLL的發生。

1.2 胸椎OPLL及OLF

胸椎OPLL 和OLF 是導致胸椎椎管狹窄的重要因素［6］。胸椎OPLL 的發生率為0.56% ~ 2.25%［3］，明顯低于頸椎［2，7］。分析原因是頸椎活動度相對較大，而胸椎有胸廓保護限制了其在屈伸、側曲及旋轉等方向的活動，因此，OPLL 常發生于應力較為集中的頸椎。Mori 等［3］通過對3 013 例行胸部CT 檢查患者的影像學資料分析并進行胸椎OPLL的流行病學調查研究發現，胸椎OPLL的發生率為1.9%，且主要分布于上、中胸椎。目前，關于應力因素在胸椎OPLL發展中作用方面的研究相對較少，但胸椎OPLL進展與手術節段穩定性密切相關，提示應力因素在胸椎OPLL的發生發展中有重要作用。Yamazaki等［21］的研究顯示，單純胸椎后壁切除治療OPLL會引起胸椎節段穩定性下降、術后神經功能惡化，而后路原位融合內固定則能增加節段穩定性、減輕甚至逆轉神經功能損傷。胸椎節段不穩可引起局部OPLL 應力相對集中，在前方對脊髓構成動態刺激，加重神經功能損傷，因此，多數學者認為胸椎椎板切除減壓聯合脊柱融合內固定術是治療胸椎OPLL 的有效手段［22-23］。Yamazaki 等［24］通過對1 例胸椎OPLL 患者術后15 年的隨訪發現，脊柱融合內固定術能減輕或者阻止胸椎OPLL 進一步發展。而Kawaguchi 等［25］在另一項研究中表明，盡管胸椎OPLL 患者行脊柱內固定術后增加了節段穩定性，但在術后4.6 年隨訪時發現OPLL 的體積均有所增大。綜上，維持脊柱節段穩定性能夠減緩甚至阻止OPLL 的發展進程，但因為韌帶骨化的發生是多種因素共同作用的結果，因此在OPLL 進展的病例中，可能存在其他因素導致OPLL的持續進展。

胸椎OLF 導致胸椎椎管狹窄具有明顯的節段分布特點［6］。Lang等［5］報道80% OLF發生于下胸椎。研究表明，OLF的發生部位與下胸椎黃韌帶的應力分布密切相關。由于下胸椎缺乏胸廓的有效支撐并且位于胸椎生理性后彎及腰椎前彎的移行區域，活動度相對較大，容易在后柱形成應力集中區，導致OLF的發生［12，26-27］。Maigne等［28］則認為OLF的大小和發生部位與胸椎關節突關節的方向以及旋轉應力有關。由于胸椎關節突關節呈近似矢狀位排列，且在下胸椎無肋骨限制其活動，在T11，12區域黃韌帶承受較大的旋轉應力刺激，因而容易發生骨化。

2 基礎研究

2.1 應力刺激促進骨化韌帶細胞成骨分化

近年來，機械應力刺激促進韌帶細胞成骨分化是研究韌帶骨化性疾病的熱點。研究發現，相較非骨化患者，骨化患者的韌帶細胞對應力刺激具有高度敏感性，且在相同應力刺激下表現出較強的成骨分化能力［13，29-30］。

應力刺激可以通過調控多種信號分子和相關信號通路促進韌帶細胞成骨分化（圖1）。Iwasaki等［31］的研究發現，應力刺激可以誘導骨化患者后縱韌帶細胞核結合因子α1（CBF-α1）的表達進而促進其成骨分化。Yang等［32］的研究發現，縫隙連接蛋白43（CX43）的表達上調與后縱韌帶細胞成骨分化密切相關。Chen 等［33］對CX43 的調控機制深入研究發現，ERK1/2-p38 MAPK 信號通路的激活在促進細胞成骨分化過程中起關鍵性作用。波形蛋白是構成細胞骨架的重要成分，且參與機械應力刺激在細胞內的信號轉導過程。Zhang 等［34］的研究發現，機械應力刺激下后縱韌帶細胞的波形蛋白低表達促進韌帶細胞成骨分化。Tanno 等［35］通過對OPLL 患者的韌帶細胞施加單向軸向拉伸刺激，發現細胞外Ca2+內流增加與韌帶細胞成骨分化密切相關。

在黃韌帶細胞成骨分化過程中，多種信號因子和通路參與了機械應力的信號由胞外向胞內轉導過程。研究表明，機械應力刺激可以激活轉化生長因子-β1（TGF-β1）、β-鏈蛋白、BMP-Smad1、Src-P38mapk等信號通路，促進韌帶細胞成骨分化［36-39］。Cai 等［37］報道對OLF 患者黃韌帶細胞施加應力后，β-鏈蛋白、Runx2、SOX-9 和骨橋蛋白的mRNA 表達量明顯升高。以上研究表明，骨化患者的韌帶細胞具有潛在的成骨分化能力，并且對應力刺激具有較高敏感性。

圖1 機械應力相關信號通路

研究表明，韌帶細胞的成骨分化能力與所受應力大小和作用時間密切相關。Ning 等［13］對OLF 細胞施加0% ~ 20%梯度應力刺激后發現，在給予15%的拉伸作用力時，堿性磷酸酶（ALP）活性最高。而在另一項研究中，日本學者Iwasaki 等［31］對OPLL細胞給予0% ~ 30%梯度應力刺激后發現，ALP的表達量隨著應力刺激強度的增加而增加，在30%的拉伸應力刺激強度時，ALP 表達量達到最高并趨于穩定。以上結果提示，2 種韌帶細胞成骨分化可能需要不同程度的應力刺激。目前關于2 種韌帶細胞對應力大小的敏感性及響應機制是否一致尚無報道。

Chen 等［40］對腰椎黃韌帶細胞施加20%拉伸應力刺激，發現應力可以介導活性氧的產生并激活Caspase-9，誘導細胞凋亡。Nakama等［41］通過比較上頸椎和下頸椎黃韌帶的病理改變發現，上頸椎黃韌帶細胞凋亡水平明顯高于下頸椎，提示在脊柱不同節段，韌帶細胞的凋亡水平存在差異，而這一現象可能會影響OPLL和OLF在脊柱不同節段的分布。

2.2 有限元分析

有限元分析法可體外模擬脊柱各個節段不同結構的生物力學狀態，并進行量化處理比較。目前該方法主要應用于頸椎和腰椎的椎體、關節突關節、椎間盤及韌帶的生物力學研究，在胸椎節段的應用相對較少。張輝等［42］利用有限元分析法分析下頸椎全椎板切除術后椎體生物力學特性改變，發現在C4~6全椎板切除后C4~6節段前縱韌帶、關節囊韌帶和后縱韌帶所受拉力明顯增加。作者認為頸椎后縱韌帶長時間承受超生理負荷，會使韌帶喪失正常生物力學特性，導致頸椎穩定性下降和頸椎后凸畸形。而這種韌帶生物力學性質的改變可能是促進OPLL 發生和進展的主要因素。Alapan 等［43］采用有限元分析法研究腰椎韌帶對腰椎穩定性的影響，發現韌帶切除后，腰椎活動節段的瞬時旋轉中心改變，活動度明顯增加。綜上，韌帶在維持脊柱穩定性方面具有重要作用，利用有限元分析的方法研究脊柱不同節段間韌帶受力差異，有助于加深對應力因素在OPLL和OLF發生中作用的理解。

2.3 動物實驗

為闡明機械應力與韌帶骨化的相關性，Tsukamoto等［44］采用拉力加載設備對12 只成年雄性Wistar 鼠尾椎進行反復拉伸刺激后發現，反復應力刺激能夠促進脊柱韌帶骨化，并且骨化程度與刺激強度相關；骨化主要發生于后縱韌帶，黃韌帶和棘間韌帶未見明顯骨化，可能與韌帶的應力分布不均和韌帶對應力刺激的敏感性不同有關。因此，構建拉力梯度進行動物實驗觀察脊柱不同韌帶骨化差異可能是未來進一步研究的方向。

3 結語和展望

機械應力因素是導致OPLL 和OLF 發生、發展的重要因素。OPLL 和OLF 在脊柱不同節段間的分布差異與韌帶應力分布密切相關。后縱韌帶細胞和黃韌帶細胞對應力刺激的敏感程度可能存在差異，兩者成骨分化可能需要不同強度的應力刺激。因此，從細胞分子生物學水平對比研究兩者對機械應力刺激的響應機制，有限元分析方法比較脊柱不同節段間韌帶受力狀態，設置梯度應力刺激觀察動物不同韌帶骨化情況有助于加深對2 種疾病的鑒別診斷和發生機制的認識。根據2 種韌帶在脊柱不同節段間的應力分布差異的特點，采取合理的干預手段，延緩或者防止韌帶骨化的發展可能是未來進一步研究的方向。當然，脊柱韌帶骨化是一種多因素疾病，從遺傳、環境、內分泌、應力等多方面綜合考慮才能全面理解疾病的發生機制，進而有針對性地研發治療藥物及提供有效的預防和治療措施。