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后纵韧带骨化发生机制研究进展

来源:《中国矫形外科杂志》 作者:王怀云 2008-12-27
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摘要: 【关键词】 后纵韧带骨化 后纵韧带骨化是机体在诸多因素作用下于后纵韧带出现异位骨结构形成。可引起椎管、椎间孔狭窄,压迫脊髓、神经根,临床上出现脊髓损害及神经根刺激症状,即后纵韧带骨化症(ossification of posterior longitudinal ligament,OPLL)。OPLL多发于颈椎,胸椎较少,鲜见于腰椎。本文就近年来后纵......


【关键词】  后纵韧带骨化


     后纵韧带骨化是机体在诸多因素作用下于后纵韧带出现异位骨结构形成。可引起椎管、椎间孔狭窄,压迫脊髓、神经根,临床上出现脊髓损害及神经根刺激症状,即后纵韧带骨化症(ossification of posterior longitudinal ligament,OPLL)。OPLL多发于颈椎,胸椎较少,鲜见于腰椎。本文就近年来后纵韧带骨化发生机制研究进展做一综述。

    1  OPLL病理学研究进展

    根据骨化灶的形态和范围Opll分为4型:连续型、节段型、混合型和结节型。在颈椎多发于C2~5椎节,以C3、4椎节更为常见[1],是一种明确起源于后纵韧带内部的膜内或软骨内骨化,其成熟结构是由发育良好的哈佛氏系统组成的板层骨,骨髓结构发育差;不成熟结构常伴有编织骨或在边缘区有纤维软骨细胞增殖的骨化前沿。后纵韧带骨化块和椎体后表面之间是一过渡区,在侧位X线片或CT片上显示为一层薄的非钙化区,组织学上由椎体后方的致密纤维组织、血管组织、纤维软骨细胞和基质组成。当纤维软骨细胞增殖和基质矿化后纤维软骨细胞转变为骨形成细胞。Suo Nakama等[2]通过高倍光镜和电镜观察OPLL患者颈椎黄韧带超微结构,可见这些韧带组织弹性明显降低、内部的微纤维减少、消失,胶原纤维排列紊乱,在韧带细胞内可见质膜消失、细胞核周围的细胞器变性导致吞噬能力减退,在细胞外可见残留较多无法被吞噬的基质小泡。

    Takashid等[3]总结了OPLL导致脊髓损伤的主要病理过程:由于后纵韧带块状骨化组织的出现,脊髓受到了由前向后的直接压迫,导致脊髓灰质的压缩变形,进而引起运动、感觉神经细胞损伤、坏死,同时脊髓白质亦因为压迫而出现脱髓鞘改变,尤其是侧索和后索,在这个渐进的慢性病程中,如果压迫损伤加重则可能出现脊髓坏死加重或脊髓软化病变。

    2  OPLL相关遗传学研究进展

    2.1  核苷酸焦磷酸酶(NAPPS)基因单核苷酸多态性

    Isao等[4]研究Opll动物模型TTW(tiptoe walking)大鼠发现,其特异性后纵韧带骨化表型是由于编码核苷酸焦磷酸酶(NAPPS)的基因片段发生无意义突变造成的。核苷酸焦磷酸酶是一种膜糖蛋白,主要作用是抑制组织的钙化和骨矿物质的沉积。Isao对323名OPLL患者的NPPS基因进行检查,发现其NPPS基因至少有10个核苷酸发生突变,其中2个突变与OPLL的发生有统计学意义。进一步研究发现,OPLL患者NPPS基因20号内含子结合部上游第11个核苷酸位点上可见T丢失(P=0.0029),故他们认为NPPS基因的突变与OPLL的发生密切相关。但Masamichi等[5]对172名OPLL患者和93名正常人进行比较,通过对比两组NPPS基因单核苷酸多态性特征,发现NPPS基因单核苷酸多态性与人类OPLL的发生无明显相关性,只是NPPS等位基因IVS 20-11位点上T丢失与男性患者发生胸椎OPLL骨化有关,而且NPPS等位基因IVS 20-11位点上T丢失的男性OPLL患者发生骨化椎体的数量明显高于无T丢失的患者,故Mssamichi等认为人类NPPS基因型的突变可能只对OPLL的发生发展具有促进作用。

    2.2  TGF-β1、TGF3、COL6A1基因

    Mitsuhiro等[6]通过一项病例对照研究报道了TGF-β1基因上T869→C的多形性改变与OPLL的发生明显相关,认为TGF-β1基因的这种多态性改变是OPLL发生的高危因素。Taizo等[7]进行了一项病例对照研究(711名散发的OPLL患者和896名正常人),以验证OPLL发生相关基因如:COLllA2、NPPS、TGF-β1等。在这项研究中发现OPLL患者的35个等位基因存在109个单核苷酸多态性(SNPs)表现,其中只有3个基因的5个单核苷酸多态性表现具有统计学意义(P<0.05),其中,TGF3基因的单核苷酸多态性表现与OPLL发生具有显著相关性(P=0.00040)。Tanaka T等[8]发现COL6A1基因具有7个位点具有多态性改变:外显子15(+39)、内含子15(+39)、内含子21(+18)、内含子32(-29)、内含子33(+15)、内含子33(+20)、内含子33(+55),其中内含子32(-29)单核苷酸多态性与OPLL的发生明显相关。Qingquan Kong等[9]根据OPLL发生相关的COL6A1基因核苷酸多态性位点,对338名汉族人(183名患者和155名对照者,183名患者中包含OPLL 90名、OLF 61名、同时伴有OPLL和OLF 32名)进行分析,发现OPLL患者和OLF患者COL6A1基因的几个基因位点如:启动子(-572)、内含子32(-29)、内含子33(+20)单核苷酸多态性改变单倍体的频率明显较对照组高,指出COL6A1基因单核苷酸多态性单倍体的出现与OPLL(P=5.86E—3)、OLF(=1.5E-8)的发生明显相关。

    3  饮食习惯及糖代谢异常与OPLL发生

    Wangp N等[10]做过OPLL与饮食习惯相关性研究,发现那些习惯高盐饮食和低动物蛋白摄入的人群发生OPLL的风险明显高。Kazushi等[11]对1998~2001年间发生在日本北海道的69名OPLL患者和138名正常人的饮食习惯进行对照研究,通过问卷调查结果,建立有条件的Logistic回归模型进行分析,结果显示偏爱泡菜等腌制食物和主食为大米的人群发生OPLL的风险明显高于偏向食用鸡肉和豆制品人群。

    Gen Kobashi等[12]进行了一项病例对照研究,发现OPLL人群中具有糖尿病史患者比例明显高于正常人对照组(男性:20%vs 5%,P<0.05;女性:27.6%vs 1.7%,P<0.001),而且OPLL患者的体重指数明显高于正常人(男性:25.8±0.6,P<0.001;女性:25.9±0.9,P<0.05),该研究表明糖尿病可能是OPLL发生的一个重要风险因素。

    最近有学者发现糖尿病患者持续高血糖能引起体内多种蛋白质非酶糖基化(the mailland reaction)及由此形成晚期糖机化末端终末产物(advanced glycation endproducts,AGEs)[15],而AGEs在机体组织内的高度积蓄并与之受体结合后能影响机体成骨细胞分化,导致组织矿化、骨化不良[16、17]。Kimiaki等[18]报道了AGEs与Opll发生相关性的体外实验研究,他们将5名后纵韧带骨化患者的黄韧带细胞分组进行培养,其中一组加入1 μg/mlAGEs,另一组正常培养作为对照,6 d后提取细胞检测见研究组的BMP-2、BMP-7、Cbfal、降钙素(OC)的mRNA表达水平明显高于对照组,该研究表明糖尿病患者群体OPLL患病率较高的原因可能是因为产生了AGEs并与脊柱后纵韧带细胞上AGEs受体结合,促进了诸如BMP-2/7、Cbfal、降钙素(OC)的生成,从而加快了后纵韧带成骨细胞的分化和骨化。

    4  骨形成及骨吸收紊乱与OPLL发生

    人体骨形成和骨吸收过程受各种激素、生长因子的调控如:雌激素(EH)、甲状旁腺激素(PTH)、维生素D(Vit-D)、白细胞介素-1(IL-1),1、2,11型胶原(COL-1/2/11)、降钙素(OC)、转化生长因子p1(TGF-β1)、骨形态发生蛋白2/7(BMP-2/7)、碱性磷酸酶(AKP)、成骨细胞特异性转化因子l(Cbfal)等。OPLL的发生是由于机体系统的或者局部的多方面因素影响了这些激素、生长因子的合成和分布,从而破坏了骨软骨形成和吸收的平衡[13]出现后纵韧带的异位骨化。

    因钙磷代谢异常,甲状旁腺功能减退及低磷血症特征性维生素D拮抗型佝偻病患者OPLL发病率较高。血清学研究也表明OPLL患者血清雌激素水平较高,其后纵韧带上雌激素受体数量较正常人明显增多。Kazuhito等[14]对43名行后路椎板成形术的伴有脊髓型颈椎病的Opll患者进行一项血清学和影像学研究,比较其血清全段降钙素(intact osteocalcin,I-OC)、降钙素(osteocalcin,OC)、人类1型前胶原羧端前肽浓度(carboxyterminal propeptide of humam type1 procollagen PICP)等与成骨细胞分化相关物质,发现那些在颈椎、胸椎和腰椎后纵韧带都有骨化的患者血清I-OC、OC、PICP浓度明显高于那些单纯颈椎后纵韧带骨化患者。Kazuhito认为血清I-OC、OC、PICP出现在成骨细胞分化后期,OPLL患者可能因为I-OC、OC、PICP分泌增加而促进了成骨细胞分化,导致异位骨化发生。

    5  种族、地域、性别因素

    从OPLL的分布人种上看,白种人发病率明显低于黄种人,从地域分布上看,OPLL在亚洲大陆多见,非洲地区、欧美国家发病率低,在欧洲和美洲[19]的发病率大概在0.01%~1.7%,占脊髓型颈椎病患者的26%[20]。在亚洲、日本更为常见,其发病率可达1.9%~4.3%,是脊髓型颈椎病的首要病因,故OPLL又被成为“日本人病”。Ohtsuka[21]等研究表明,50岁以上出现颈椎功能紊乱的门诊患者中,有3.7%的患者可通过X线检查发现颈椎后纵韧带骨化,年龄60岁以上则为发病高峰,而且OPLL的发生具有性别特异性,男性发病率是女性的3倍。有学者提出COL11A2基因特异性单倍体的出现与OPLL的发生有显著相关性,Shingo[22]等基于这一理论进行了一项有关OPLL发生的性别相关特异性研究,他通过比较OPLL患者和正常人COL11A2特异性单倍体的出现频率,发现男性患者出现COL11A2特异性单倍体的频率明显高与对照组(P=0.0 003),而女性患者COL11A2特异性单倍体的频率则明显低(P=0.21)。

    6  椎间盘退变与OPLL发生

    Opll好发于颈椎,其原因可能是颈椎长期劳损加速退变,可造成纤维环破裂和髓核突出、椎间隙狭窄、椎间各种韧带和小关节关节囊松弛等变化。由于椎体间失稳,牵拉附着于椎体上的纤维环或周围韧带,引起骨膜下出血,血肿渗入后纵韧带下钙化或骨化则形成OPLL。Hitoshi等[13]运用免疫组织化学方法对TWY大鼠模型的椎间盘变化进行连续观察发现:大鼠6周龄时椎间盘髓核组织可发生退变,髓核组织软骨细胞富含硫酸软骨素,同节段的后纵韧带内的成纤维细胞可见II型和XI型胶原形成;在14周龄时,椎间盘可向后凸向增厚的后纵韧带,同时有新生血管长入后纵韧带,而且后纵韧带细胞内出现PCNA阳性增殖的间充质细胞,这些细胞对碱性磷酸酶起阳性反应。基质中含有I型胶原蛋白,被认为是骨母细胞,用电子显微镜观察:在纤维环退变的纤维软骨细胞基质中的囊泡内含有钙盐结晶,表明这些细胞在钙化;在18和22周龄时,可见后纵韧带内软骨样细胞增加并且可见I型胶原形成。由此可见,导致TWY大鼠OPLL发生的起始因素可能是局部的椎间盘的退变和髓核组织的突出,通过软骨内化及膜内骨化最终形成。

    7  机械刺激与OPLL发生

    OPLL患者行颈后路减压术后其后纵韧带骨化的发展进程加快了,原因可能是因为后路的减压造成颈椎椎体后柱结构破坏,引起颈椎不同程度的不稳。颈椎的前屈、后伸及侧屈活动及髓核组织的突出直接导致患者颈椎间盘应力分布异常、后纵韧带张力增高,这种对于后纵韧带的机械刺激直接促进后纵韧带骨化进程的加快[23]。为验证机械刺激后纵韧带细胞对其骨化发生的影响,K.Iwasaki[24]等对Opll患者后纵韧带细胞予以频率为0.5 Hz、单一轴向的周期性拉伸应力刺激(拉伸峰值为原始长度的120%),发现CbfalmRNA、I型胶原、碱性磷酸酶、降钙素和整联蛋白β1(一种动力传导介质)在骨化后纵韧带细胞表达明显增加,而正常后纵韧带细胞则无法观察到这些改变。T.Iwasawa等[25]对Opll患者后纵韧带细胞也予以频率为0.5 Hz、单一轴向的周期性拉伸应力刺激,检测到骨化后纵韧带细胞其内皮素-1(endothelin-1,ET-1)mRNA及碱性磷酸酶(AKP)mRNA表达增加,如果把ET-1加入到未予以机械刺激的骨化后纵韧带细胞中,亦能使其碱性磷酸酶mRNA表达增加,且这种改变与ET-l呈剂量依赖性,而予以正常后纵韧带细胞单一轴向的周期性拉伸应力刺激或者加入ET-l都不能促使其碱性磷酸酶mRNA表达。T.Iwasawa认为机械刺激对后纵韧带细胞骨化的促进作用可能是通过自分泌或者旁分泌ET-1来实现的。Furukawa.K[26]等对骨化后纵韧带细胞和正常后纵韧带细胞进行周期性机械刺激后,骨化后纵韧带细胞能表达数种与骨重建有关的自分泌或旁分泌因子,而正常的后纵韧带细胞则无相应表现。后纵韧带骨化作为一种异位骨化,骨吸收和骨重建始终贯穿其中,因此该研究表明机械刺激对后纵韧带骨化的发生发展能起明显的促进作用。

    8  DISH与OPLL相关性

    弥漫性特发性骨肥厚(diffuse idiopathic skeletal hyperostosis,DISH)  是西方国家60岁以上老年人的常见骨化性疾病,其发病率较高(男性17.6%、女性11.7%),据统计,43%~50%的OPLL患者可能伴有DISH发生[19]。从临床表现和骨代谢特征上看,DISH与OPLL较为类似。Tsukahara等[27]提取一组日本人群和一组捷克斯拉夫人群DNA样本,通过分析COL6A1基因多态性位点,发现日本人群研究组COL6A1基因内含子32(-29)位点上的单核苷酸多态性与DISH的发生具有统计学意义,对该组DISH患者组内分层分析表明,COL6A1基因内含子32(-29)位点上的单核苷酸多态性与单纯发生DISH患者明显相关(x2=12.01;P=0.0 005),而与伴发OPLL的DISH患者无明显相关(x2=0.34;P=0.562),表明DISH与OPLL作为类似的骨肥厚改变可能受多因素影响,就两者关系来说DISH也许是OPLL的一种潜在的特异性改变,当然作者认为这种假设需要更大的研究样本支持。

 

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作者单位:第二军医大学附属长征医院骨科6病区,上海市凤阳路415号 200003


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