機(jī)械應(yīng)力因素在脊柱韌帶骨化發(fā)生機(jī)制中的作用研究進(jìn)展

陳廣輝，陳仲強(qiáng)，楊曉曦，范天奇

北京大學(xué)第三醫(yī)院骨科，北京 100191

脊柱韌帶骨化是一種以脊柱正常韌帶發(fā)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(fā)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(jié)構(gòu)的組成，因此，OPLL和OLF 的發(fā)生常常導(dǎo)致脊髓和神經(jīng)根受壓，引起嚴(yán)重的神經(jīng)功能障礙。據(jù)文獻(xiàn)報道，中國和日本 30歲以上人群OPLL 發(fā)生率為1.9% ~ 4.3%［2-3］，OLF發(fā)生率為3.8% ~ 63.9%［4-5］，且隨著年齡的增長，2 種疾病的發(fā)生率逐漸增加［5］。目前，OPLL和OLF已經(jīng)成為導(dǎo)致頸椎和胸椎椎管狹窄的主要因素［6-8］。

隨著生物科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對OPLL 和OLF 的認(rèn)識從臨床現(xiàn)象到分子機(jī)制越來越深入，但目前兩者的發(fā)生機(jī)制尚不明確。有學(xué)者認(rèn)為，脊柱韌帶骨化是多種因素共同作用的結(jié)果，包括遺傳、機(jī)械應(yīng)力、微量元素、內(nèi)分泌以及生活習(xí)慣等［9］。OPLL 和OLF 的發(fā)生年齡和病理改變相似，但兩者在脊柱節(jié)段間的分布存在明顯差異［6-7］。OPLL 主要發(fā)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(rèn)為，脊柱韌帶骨化節(jié)段分布特點與脊柱不同節(jié)段間局部應(yīng)力變化有關(guān)［10-12］。在相同的遺傳背景下，力學(xué)因素可能是導(dǎo)致兩者在脊柱節(jié)段間差異分布的主要因素。現(xiàn)有的基礎(chǔ)研究表明，在機(jī)械應(yīng)力刺激下，骨化患者的韌帶細(xì)胞較非骨化患者表現(xiàn)出較強(qiáng)的成骨分化能力［13］，進(jìn)一步證實了應(yīng)力刺激在韌帶骨化發(fā)生發(fā)展中的重要作用。本文通過檢索國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，從臨床和基礎(chǔ)研究方面對機(jī)械應(yīng)力因素在脊柱韌帶骨化發(fā)生機(jī)制中作用的研究進(jìn)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(jī)械應(yīng)力刺激與脊柱韌帶骨化密切相關(guān)［14］。Hirabayashi 等［15］對53 例頸椎OPLL 術(shù)后的患者進(jìn)行16 年的隨訪研究發(fā)現(xiàn)，75%的連續(xù)型和混合型OPLL 呈進(jìn)行性進(jìn)展，椎間活動可促使混合型OPLL 向連續(xù)型發(fā)展。Takatsu 等［16］對97 例頸椎OPLL 患者進(jìn)行影像學(xué)檢查發(fā)現(xiàn)，椎管成形術(shù)和椎板切除術(shù)均促進(jìn)OPLL 的發(fā)展，2 種術(shù)式在促進(jìn)骨化進(jìn)展程度上并無明顯差異，非手術(shù)組OPLL 進(jìn)展則相對緩慢；作者認(rèn)為間接性減壓手術(shù)能促進(jìn)OPLL 的發(fā)展，椎板切除術(shù)后頸椎OPLL 進(jìn)展可能是棘突和椎板切除后局部應(yīng)力增高所致；椎管成形術(shù)后OPLL 同樣進(jìn)展迅速，則更應(yīng)考慮生物性、結(jié)構(gòu)性和動力反應(yīng)性因素。最近的一項研究表明，椎板成形術(shù)聯(lián)合內(nèi)固定融合術(shù)能夠抑制OPLL 的進(jìn)展［17-18］。為明確活動性因素在OPLL 發(fā)展中的作用，Matsunaga 等［10］對101 例非手術(shù)治療的頸椎OPLL患者的頸椎椎間盤應(yīng)力分布進(jìn)行生物力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，OPLL 進(jìn)展與椎間盤應(yīng)力異常分布高度相關(guān)，提示動態(tài)因素導(dǎo)致的節(jié)段間應(yīng)力分布不均加速OPLL的自然病程。相較后路手術(shù)，前路融合術(shù)能夠有效地減少節(jié)段間活動度，增加節(jié)段穩(wěn)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(xiàn)OPLL 進(jìn)展，明顯低于后路手術(shù)的70%［20］。以上研究結(jié)果表明，機(jī)械應(yīng)力刺激能促進(jìn)頸椎OPLL 的發(fā)展。頸椎術(shù)后脊柱完整結(jié)構(gòu)遭到破壞，椎間盤局部應(yīng)力分布發(fā)生相應(yīng)改變，因此，容易導(dǎo)致OPLL的發(fā)生。

1.2 胸椎OPLL及OLF

胸椎OPLL 和OLF 是導(dǎo)致胸椎椎管狹窄的重要因素［6］。胸椎OPLL 的發(fā)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(hù)限制了其在屈伸、側(cè)曲及旋轉(zhuǎn)等方向的活動，因此，OPLL 常發(fā)生于應(yīng)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(xué)資料分析并進(jìn)行胸椎OPLL的流行病學(xué)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，胸椎OPLL的發(fā)生率為1.9%，且主要分布于上、中胸椎。目前，關(guān)于應(yīng)力因素在胸椎OPLL發(fā)展中作用方面的研究相對較少，但胸椎OPLL進(jìn)展與手術(shù)節(jié)段穩(wěn)定性密切相關(guān)，提示應(yīng)力因素在胸椎OPLL的發(fā)生發(fā)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(jié)段穩(wěn)定性下降、術(shù)后神經(jīng)功能惡化，而后路原位融合內(nèi)固定則能增加節(jié)段穩(wěn)定性、減輕甚至逆轉(zhuǎn)神經(jīng)功能損傷。胸椎節(jié)段不穩(wěn)可引起局部OPLL 應(yīng)力相對集中，在前方對脊髓構(gòu)成動態(tài)刺激，加重神經(jīng)功能損傷，因此，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為胸椎椎板切除減壓聯(lián)合脊柱融合內(nèi)固定術(shù)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(shù)后15 年的隨訪發(fā)現(xiàn)，脊柱融合內(nèi)固定術(shù)能減輕或者阻止胸椎OPLL 進(jìn)一步發(fā)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(nèi)固定術(shù)后增加了節(jié)段穩(wěn)定性，但在術(shù)后4.6 年隨訪時發(fā)現(xiàn)OPLL 的體積均有所增大。綜上，維持脊柱節(jié)段穩(wěn)定性能夠減緩甚至阻止OPLL 的發(fā)展進(jìn)程，但因為韌帶骨化的發(fā)生是多種因素共同作用的結(jié)果，因此在OPLL 進(jìn)展的病例中，可能存在其他因素導(dǎo)致OPLL的持續(xù)進(jìn)展。

胸椎OLF 導(dǎo)致胸椎椎管狹窄具有明顯的節(jié)段分布特點［6］。Lang等［5］報道80% OLF發(fā)生于下胸椎。研究表明，OLF的發(fā)生部位與下胸椎黃韌帶的應(yīng)力分布密切相關(guān)。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(qū)域，活動度相對較大，容易在后柱形成應(yīng)力集中區(qū)，導(dǎo)致OLF的發(fā)生［12，26-27］。Maigne等［28］則認(rèn)為OLF的大小和發(fā)生部位與胸椎關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)的方向以及旋轉(zhuǎn)應(yīng)力有關(guān)。由于胸椎關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)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(qū)域黃韌帶承受較大的旋轉(zhuǎn)應(yīng)力刺激，因而容易發(fā)生骨化。

2 基礎(chǔ)研究

2.1 應(yīng)力刺激促進(jìn)骨化韌帶細(xì)胞成骨分化

近年來，機(jī)械應(yīng)力刺激促進(jìn)韌帶細(xì)胞成骨分化是研究韌帶骨化性疾病的熱點。研究發(fā)現(xiàn)，相較非骨化患者，骨化患者的韌帶細(xì)胞對應(yīng)力刺激具有高度敏感性，且在相同應(yīng)力刺激下表現(xiàn)出較強(qiáng)的成骨分化能力［13，29-30］。

應(yīng)力刺激可以通過調(diào)控多種信號分子和相關(guān)信號通路促進(jìn)韌帶細(xì)胞成骨分化（圖1）。Iwasaki等［31］的研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力刺激可以誘導(dǎo)骨化患者后縱韌帶細(xì)胞核結(jié)合因子α1（CBF-α1）的表達(dá)進(jìn)而促進(jìn)其成骨分化。Yang等［32］的研究發(fā)現(xiàn)，縫隙連接蛋白43（CX43）的表達(dá)上調(diào)與后縱韌帶細(xì)胞成骨分化密切相關(guān)。Chen 等［33］對CX43 的調(diào)控機(jī)制深入研究發(fā)現(xiàn)，ERK1/2-p38 MAPK 信號通路的激活在促進(jìn)細(xì)胞成骨分化過程中起關(guān)鍵性作用。波形蛋白是構(gòu)成細(xì)胞骨架的重要成分，且參與機(jī)械應(yīng)力刺激在細(xì)胞內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。Zhang 等［34］的研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)械應(yīng)力刺激下后縱韌帶細(xì)胞的波形蛋白低表達(dá)促進(jìn)韌帶細(xì)胞成骨分化。Tanno 等［35］通過對OPLL 患者的韌帶細(xì)胞施加單向軸向拉伸刺激，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞外Ca2+內(nèi)流增加與韌帶細(xì)胞成骨分化密切相關(guān)。

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

圖1 機(jī)械應(yīng)力相關(guān)信號通路

研究表明，韌帶細(xì)胞的成骨分化能力與所受應(yīng)力大小和作用時間密切相關(guān)。Ning 等［13］對OLF 細(xì)胞施加0% ~ 20%梯度應(yīng)力刺激后發(fā)現(xiàn)，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(xué)者Iwasaki 等［31］對OPLL細(xì)胞給予0% ~ 30%梯度應(yīng)力刺激后發(fā)現(xiàn)，ALP的表達(dá)量隨著應(yīng)力刺激強(qiáng)度的增加而增加，在30%的拉伸應(yīng)力刺激強(qiáng)度時，ALP 表達(dá)量達(dá)到最高并趨于穩(wěn)定。以上結(jié)果提示，2 種韌帶細(xì)胞成骨分化可能需要不同程度的應(yīng)力刺激。目前關(guān)于2 種韌帶細(xì)胞對應(yīng)力大小的敏感性及響應(yīng)機(jī)制是否一致尚無報道。

Chen 等［40］對腰椎黃韌帶細(xì)胞施加20%拉伸應(yīng)力刺激，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力可以介導(dǎo)活性氧的產(chǎn)生并激活Caspase-9，誘導(dǎo)細(xì)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(fā)現(xiàn)，上頸椎黃韌帶細(xì)胞凋亡水平明顯高于下頸椎，提示在脊柱不同節(jié)段，韌帶細(xì)胞的凋亡水平存在差異，而這一現(xiàn)象可能會影響OPLL和OLF在脊柱不同節(jié)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(jié)段不同結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)狀態(tài)，并進(jìn)行量化處理比較。目前該方法主要應(yīng)用于頸椎和腰椎的椎體、關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)、椎間盤及韌帶的生物力學(xué)研究，在胸椎節(jié)段的應(yīng)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(shù)后椎體生物力學(xué)特性改變，發(fā)現(xiàn)在C4~6全椎板切除后C4~6節(jié)段前縱韌帶、關(guān)節(jié)囊韌帶和后縱韌帶所受拉力明顯增加。作者認(rèn)為頸椎后縱韌帶長時間承受超生理負(fù)荷，會使韌帶喪失正常生物力學(xué)特性，導(dǎo)致頸椎穩(wěn)定性下降和頸椎后凸畸形。而這種韌帶生物力學(xué)性質(zhì)的改變可能是促進(jìn)OPLL 發(fā)生和進(jìn)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(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)韌帶切除后，腰椎活動節(jié)段的瞬時旋轉(zhuǎn)中心改變，活動度明顯增加。綜上，韌帶在維持脊柱穩(wěn)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(jié)段間韌帶受力差異，有助于加深對應(yīng)力因素在OPLL和OLF發(fā)生中作用的理解。

2.3 動物實驗

為闡明機(jī)械應(yīng)力與韌帶骨化的相關(guān)性，Tsukamoto等［44］采用拉力加載設(shè)備對12 只成年雄性Wistar 鼠尾椎進(jìn)行反復(fù)拉伸刺激后發(fā)現(xiàn)，反復(fù)應(yīng)力刺激能夠促進(jìn)脊柱韌帶骨化，并且骨化程度與刺激強(qiáng)度相關(guān)；骨化主要發(fā)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(yīng)力分布不均和韌帶對應(yīng)力刺激的敏感性不同有關(guān)。因此，構(gòu)建拉力梯度進(jìn)行動物實驗觀察脊柱不同韌帶骨化差異可能是未來進(jìn)一步研究的方向。

3 結(jié)語和展望

機(jī)械應(yīng)力因素是導(dǎo)致OPLL 和OLF 發(fā)生、發(fā)展的重要因素。OPLL 和OLF 在脊柱不同節(jié)段間的分布差異與韌帶應(yīng)力分布密切相關(guān)。后縱韌帶細(xì)胞和黃韌帶細(xì)胞對應(yīng)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(qiáng)度的應(yīng)力刺激。因此，從細(xì)胞分子生物學(xué)水平對比研究兩者對機(jī)械應(yīng)力刺激的響應(yīng)機(jī)制，有限元分析方法比較脊柱不同節(jié)段間韌帶受力狀態(tài)，設(shè)置梯度應(yīng)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(fā)生機(jī)制的認(rèn)識。根據(jù)2 種韌帶在脊柱不同節(jié)段間的應(yīng)力分布差異的特點，采取合理的干預(yù)手段，延緩或者防止韌帶骨化的發(fā)展可能是未來進(jìn)一步研究的方向。當(dāng)然，脊柱韌帶骨化是一種多因素疾病，從遺傳、環(huán)境、內(nèi)分泌、應(yīng)力等多方面綜合考慮才能全面理解疾病的發(fā)生機(jī)制，進(jìn)而有針對性地研發(fā)治療藥物及提供有效的預(yù)防和治療措施。