脊柱韌帶骨化發(fā)病機制研究進展

楊文峰　喬丹　任遠飛　梁武　張鐵慧

116033，　　大連市中心醫(yī)院骨科

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脊柱韌帶骨化發(fā)病機制研究進展

楊文峰喬丹任遠飛梁武張鐵慧

116033，大連市中心醫(yī)院骨科

摘要脊柱韌帶骨化的病因及發(fā)病機制尚不明確。機械應(yīng)力、元素含量、內(nèi)分泌水平、遺傳等多因素共同參與脊柱韌帶骨化的發(fā)生和發(fā)展。近年來，出現(xiàn)了較多關(guān)于對機械應(yīng)力刺激高度敏感的韌帶組織或細胞相關(guān)機制的研究，細胞外基質(zhì)-整合素-細胞骨架途徑在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用引起廣泛重視，一系列新的成骨相關(guān)生長因子、轉(zhuǎn)錄因子及基因多態(tài)性位點等陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)。該文對近年來脊柱韌帶骨化發(fā)病機制研究進展作一綜述。

關(guān)鍵詞脊柱韌帶骨化；后縱韌帶；黃韌帶；發(fā)病機制

脊柱韌帶骨化(OSL)是一種以后縱韌帶骨化(OPLL)和黃韌帶骨化(OLF)為代表的老年性臨床常見病，我國65歲以上人群發(fā)病率超過20%。OSL以多脊柱韌帶異位骨形成為特征，可導(dǎo)致椎管及椎間孔狹窄、脊髓和神經(jīng)根受壓及損傷，其損傷程度與狹窄程度相關(guān)，患者可出現(xiàn)肢體感覺、運動障礙及植物神經(jīng)功能紊亂等一系列表現(xiàn)[1]。OPLL多發(fā)生于頸椎，OLF則以胸椎下段較為常見。由于OPLL和OLF常具有相似的發(fā)病年齡、發(fā)病率及病理改變，且常同時發(fā)病，醫(yī)學(xué)上統(tǒng)稱其為OSL。機械應(yīng)力、微量元素、內(nèi)分泌水平、遺傳等多種因素可能共同參與OSL的發(fā)病[2-3]。本文對近年來關(guān)于OSL發(fā)病機制的研究作一綜述。

1生物力學(xué)因素

機械應(yīng)力被認(rèn)為是OSL發(fā)病機制中最重要的局部環(huán)境因素。Chen等[4]研究發(fā)現(xiàn)，脊柱屈曲、伸展、側(cè)屈等活動及脊柱階段性不穩(wěn)可直接導(dǎo)致韌帶組織及椎間盤應(yīng)力分布異常。Nishida等[5]、Kawano等[6]研究發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)壓縮或動態(tài)壓縮均可導(dǎo)致脊柱機械應(yīng)力增加、韌帶組織及椎間盤應(yīng)力分布異常，從而加速OSL發(fā)生。Kang等[7]研究認(rèn)為，髓核突出與OLF有關(guān)。Lee等[8]研究認(rèn)為，頸椎和胸椎后路手術(shù)破壞了脊柱后方的骨性結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致脊柱穩(wěn)定性遭到破壞，可進一步加快OPLL患者術(shù)后脊柱韌帶的骨化，而保持壓力穩(wěn)定的前路融合手術(shù)則不會有此后果，推測局部應(yīng)力刺激可促進韌帶骨化的發(fā)生和進展。動物實驗顯示，切除動物脊柱后縱韌帶后方的椎板或肌肉可導(dǎo)致后縱韌帶骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP )-2和BMP-7表達上調(diào)。近年來，對機械應(yīng)力刺激高度敏感的韌帶組織或細胞的細胞學(xué)機制成為備受關(guān)注的新焦點。楊海松等[9]研究發(fā)現(xiàn)，與正常人相比，OPLL患者后縱韌帶的成纖維細胞具有更強的成骨活性，在應(yīng)力刺激下細胞內(nèi)堿性磷酸酶(ALP)、骨鈣素(OC)、Ⅰ型膠原(COLⅠ)、轉(zhuǎn)錄因子Runx2和Osx等多個基因表達上調(diào)。Harada等[10]研究認(rèn)為，OPLL患者后縱韌帶的間充質(zhì)干細胞表現(xiàn)出更強的成骨潛能，ALP、Runx2活性及BMP-2的表達均上調(diào)。

近年來，細胞外基質(zhì)-整合素-細胞骨架途徑在機械應(yīng)力刺激細胞內(nèi)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的作用引起廣泛關(guān)注。張競等[11]研究發(fā)現(xiàn)，機械應(yīng)力刺激可引起成骨細胞肌動蛋白聚合動態(tài)學(xué)變化，而伴肌動蛋白相關(guān)錨定蛋白(N-RAP)表達上調(diào)可能與頸椎韌帶骨化有關(guān)。微管結(jié)構(gòu)也可參與肌絲的動態(tài)變化調(diào)節(jié)，抑制微管的聚合可促進成骨細胞BMP-2的表達。Zhang等[12]研究認(rèn)為，波形蛋白等其他中間絲組成部分可能也參與力學(xué)信號的胞內(nèi)轉(zhuǎn)導(dǎo)，機械應(yīng)力可誘導(dǎo)患者脊柱韌帶成纖維細胞波形蛋白表達下調(diào)。Yang等[13]研究發(fā)現(xiàn)，連接蛋白43可能在頸椎OPLL形成及進展過程中發(fā)揮重要作用。Chen等[14]研究發(fā)現(xiàn)，OPLL患者韌帶成纖維細胞內(nèi)蛋白激酶樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(PERK)表達上調(diào)，提示由PERK介導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)可能也參與了細胞對機械應(yīng)力的響應(yīng)與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。

細胞感受機械應(yīng)力信號后，可生成多種第二信使分子，進一步導(dǎo)致多種轉(zhuǎn)錄因子的激活，產(chǎn)生廣泛的生物學(xué)效應(yīng)。Li等[15]研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)皮素(ET)-1、嘌呤受體P2Y1、細胞外三磷酸腺苷(ATP)、前列環(huán)素(PGI)2、成骨細胞特異性轉(zhuǎn)化因子CBFα1等信號分子參與了機械應(yīng)力作用下韌帶內(nèi)骨形成過程。神經(jīng)系統(tǒng)在OSL中的作用也受到關(guān)注。為防止運動過程中關(guān)節(jié)的過度伸展，關(guān)節(jié)周圍韌帶和軟組織在機械應(yīng)力刺激的作用下形成病理性骨化，本體感覺神經(jīng)末梢或發(fā)揮重要作用。由此可見，多種信號分子共同參與了韌帶細胞對機械應(yīng)力的響應(yīng)及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。

2激素與生長因子刺激

激素與局部生長因子刺激如多種骨形成相關(guān)的鈣磷調(diào)節(jié)激素也是OSL發(fā)生的重要因素之一。Oh等[16]采用蛋白質(zhì)雙向電泳法對OPLL患者與正常人脊柱韌帶組織進行對比研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與正常人脊柱韌帶組織相比，OPLL患者脊柱韌帶中免疫球蛋白κ輕鏈等21種蛋白質(zhì)的含量上升，載脂蛋白A 等4種蛋白質(zhì)的含量下降。另一項研究[17]發(fā)現(xiàn)，X染色體連鎖低磷性佝僂病患者頸椎OPLL發(fā)病率明顯較正常人高。OPLL患者常伴有糖耐量異常、糖尿病、維生素D抵抗性佝僂病以及肥胖等內(nèi)分泌疾病。與正常人相比，糖尿病患者OSL的發(fā)病率也明顯較高，推測OSL的發(fā)生可能與胰島素分泌異常有關(guān)。胰島素可上調(diào)細胞表面胰島素受體的表達并刺激細胞增生，增強BMP-2的作用，從而促進ALP的表達，誘導(dǎo)脊柱韌帶細胞增生及向成骨細胞分化。

局部生長因子刺激與OSL的發(fā)生密切相關(guān)，目前以BMP和轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)-β的研究最為充分。BMP可誘導(dǎo)軟骨和韌帶內(nèi)血管形成，為成骨相關(guān)因子的局部富集及鈣離子沉積創(chuàng)造優(yōu)勢條件，刺激韌帶內(nèi)局部軟骨生成，促進間充質(zhì)干細胞向成骨細胞分化，提高韌帶細胞ALP的活性。動物實驗[18]也有類似發(fā)現(xiàn)，在鼠腰椎硬膜外腔內(nèi)注射重組BMP-2與膠原混合物后，腰椎黃韌帶產(chǎn)生明顯骨化灶，推測其作用與Osx、Runx2表達上調(diào)及組蛋白修飾有關(guān)。TGF-β具有廣泛的生物學(xué)效應(yīng)，參與機體免疫調(diào)節(jié)、細胞生長和分化、細胞外基質(zhì)合成和貯存等多個方面，可促進成骨細胞外基質(zhì)的合成，促進骨膜細胞和骨髓間充質(zhì)干細胞等成骨前體細胞的生長和分化。由此可見，BMP和TGF-β均參與OSL發(fā)生的調(diào)節(jié)，兩者作用各不相同，彼此相互影響，共同構(gòu)成韌帶骨化組織最重要的生長因子局部微環(huán)境。

3遺傳因素

隨著分子遺傳學(xué)研究技術(shù)的發(fā)展，遺傳因素在OSL發(fā)生中的作用引起廣泛關(guān)注。脊柱OPLL的全基因組關(guān)聯(lián)研究[19]顯示，多個基因位點共同參與膜內(nèi)與軟骨內(nèi)成骨調(diào)控。開展OSL相關(guān)易感基因研究，不僅可以進一步闡明其發(fā)病機制，為藥物研發(fā)提供支撐，而且對疾病的預(yù)防也有重要意義。Ikegawa[20]進行回顧性研究發(fā)現(xiàn)，OPLL和OLF的發(fā)病均具有顯著的種族、性別差異和家族聚集性，提示遺傳因素可能在OSL發(fā)病過程中起重要作用。單核苷酸多態(tài)性位點(SNP)突變可提高患者對機械應(yīng)力、激素及生長因子刺激的敏感性，加快韌帶骨化的進展。多個成骨分化相關(guān)基因如COL11A2、COL6A1、COL17A1及TGF-β、BMP、Runx2等均已證實與OSL有關(guān)[3,15]。而維生素D受體基因、維甲酸X受體基因、膜結(jié)合酶NPPS基因、雌激素受體(ER)基因、瘦素受體基因等內(nèi)分泌相關(guān)基因也被認(rèn)為與韌帶骨化遺傳易感性有關(guān)[21]。Guo等[22]、Ikegawa[23]、Stetler等[24]研究發(fā)現(xiàn)，OPLL發(fā)病與人類白細胞抗原(HLA)基因單倍體型、白細胞介素(IL)-α受體基因及SNP位點改變有關(guān)，基因位點可能位于6號染色體靠近HLA基因的位置。曲小辰等[25]對OLF易感基因研究發(fā)現(xiàn)，COL6A1、Runx2、BMP-4、HLA-DQAl等多個基因多態(tài)性位點可能與OSL發(fā)病有關(guān)。Chiba等[26]的研究結(jié)果表明，韌帶內(nèi)間充質(zhì)干細胞Wnt5A和GDNF基因啟動子區(qū)域DNA甲基化的減少可誘導(dǎo)其分化為成骨細胞。目前關(guān)于OSL易感基因SNP的研究尚處于初步階段，不同研究結(jié)果間存在一定差異，可能與種族和樣本量不同有關(guān)。

4元素含量改變

在OSL過程中，多種元素含量發(fā)生改變。研究發(fā)現(xiàn)，90%的OLF患者出現(xiàn)氟斑牙，60%以上的OLF患者尿液中氟含量明顯增高。其可能機制是，氟及其化合物激活腺苷酸環(huán)化酶，導(dǎo)致細胞內(nèi)鈣離子濃度明顯升高，引起軟骨細胞鈣化。有實驗表明，原癌基因c-Fos和c-Jun參與氟中毒誘導(dǎo)的韌帶骨化。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，鈣和銅在OLF灶內(nèi)的含量明顯增高，而鋅、錳、鑰元素含量則明顯下降，可能與膠原合成異常有關(guān)。

5其他因素

勞累、熬夜等不規(guī)律的生活方式及不良飲食習(xí)慣也可能是誘導(dǎo)OPLL發(fā)生的獨立危險因素。研究發(fā)現(xiàn)，高鹽和低動物蛋白飲食可增加OPLL發(fā)生的風(fēng)險。

綜上所述，OSL是一種多基因累及、遺傳與環(huán)境多因素共同作用導(dǎo)致的慢性疾病，其發(fā)病機制復(fù)雜，多種致病因素間存在復(fù)雜的聯(lián)系。近年來，隨著研究手段的豐富和研究技術(shù)的發(fā)展，對于其發(fā)病機制的研究已在多個方面獲得突破?？傮w而言，目前的研究仍處于探索階段，未來關(guān)于OSL發(fā)病機制的進一步研究將主要集中在闡明多因素間的相互作用機制上。

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(收稿：2015-05-20；修回：2015-10-21)

(本文編輯：李圓圓)

DOI：10.3969/j.issn.1673-7083.2016.01.006

通信作者：張鐵慧E-mail: tiehuizhang@126.com