頸椎前縱韌帶的特點及其病理改變的研究進展

張浩 劉瑞* 趙建民

頸椎前縱韌帶（anterior longitudinal ligament, ALL）作為頸椎最強大，也是唯一限制頸椎過伸的韌帶，在維持頸椎穩(wěn)定上具有十分重要的生理作用。前縱韌帶的任何損傷或者病理改變都會對頸椎產(chǎn)生嚴重影響，如前縱韌帶損傷、骨化或鈣化會引起椎間盤退變、頸部疼痛活動受限等臨床癥狀。因此，掌握前縱韌帶的相關(guān)知識，熟悉對其疾病的診斷及治療方案的制定是十分必要的。

1 頸椎前縱韌帶的解剖

頸椎前縱韌帶在頸椎椎體和椎間盤前方縱向走行，從整體上觀察，頸椎前縱韌帶比胸腰椎節(jié)段的前縱韌帶寬、??；而從椎間盤與椎體的水平觀察，前縱韌帶在椎體處比在椎間盤處窄，卻比椎間盤處更厚[1]。頸椎前縱韌帶的長度變化，除了C1-C2節(jié)段，在其余的每個節(jié)段變化很小，其長度在C1-C2節(jié)段最長，之后節(jié)段逐漸變短，在通過C5-C6節(jié)段后一直到C7-T1節(jié)段長度逐漸增加[1]；頸椎前縱韌帶的寬度在C1-C2節(jié)段，通過C4-C5節(jié)段寬度變寬，并維持相對恒定的寬度到C7-T1節(jié)段。由于對韌帶測量無具體的共識，有文獻給出定義為：從下一椎體的中間高度到上一椎體的中間高度。這種定義方法更加合理，應(yīng)用更廣。并且通過冷凍切片實驗方法對8 具尸體的頸椎前縱韌帶進行測量，測得長度為17.9 ～ 19.0 mm 且C2-C5組的長度[（18.8±1.04）mm]高于C5-T1組[（18.3±0.5）mm]；此外還進行了前縱韌帶的橫截面積的測量，其取材部位位于頸椎椎間盤的中間高度處，C5-T1組的橫截面積[（12.1±2.68）mm2]大于C2-C5組[（11.1±1.93）mm2][2]。

前縱韌帶由3層致密且強有力的彈性纖維構(gòu)成[3]，通過觀察發(fā)現(xiàn)韌帶纖維是垂直走行的。內(nèi)層纖維僅連結(jié)相鄰2個椎體；中層纖維的起止點可跨越2 ～ 3 個椎體；外層纖維的起止點可跨越3 ～ 4 個椎體，最多可跨越6 個椎體[1]。前縱韌帶內(nèi)層纖維與椎間盤的纖維環(huán)和椎體的骺環(huán)相連，但不進入椎體，在椎體前凸處纖維增厚[1]，頸椎前縱韌帶作為脊柱前縱韌帶的一部分具有同樣的特點。前縱韌帶是脊柱三柱理論中前柱的重要組成部分，頸椎部分的前縱韌帶的主要生理作用是控制頸椎過度后伸和頸椎間盤向前脫出，而對于頸椎其他方向的運動則是不具有限制作用的[1]。

頸椎前縱韌帶中存在神經(jīng)纖維，并且與頸椎疼痛癥狀存在一定關(guān)系。有學(xué)者對C3-C6節(jié)段的前縱韌帶進行了宏觀和鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)前縱韌帶不但存在神經(jīng)纖維，并且其分布在椎體水平上存在著空間差異，在C4和C5水平上的感覺和痛覺神經(jīng)纖維密度局灶性增加，而在C3和C6水平上觀察到的神經(jīng)纖維密度則較少；該研究還指出頸椎前縱韌帶中存在的神經(jīng)纖維與人類頸椎的疼痛發(fā)展有關(guān)聯(lián)[4]。

2 頸椎前韌帶的生物力學(xué)特性

前縱韌帶中水的重量約占正常韌帶總重量的2/3，剩余的重量主要由膠原蛋白和彈性蛋白組成。韌帶中彈性蛋白和膠原蛋白的干重分別約為5.9%和67.1%（彈性蛋白與膠原蛋白的比例為1∶11）[5]。韌帶纖維的組成成分包括膠原纖維、彈性纖維和網(wǎng)狀纖維。膠原纖維使韌帶具有一定的強度和剛度，彈性纖維使韌帶具有在載荷作用下的延伸能力，而網(wǎng)狀纖維則提供韌帶的容積[6]。故決定前縱韌帶強度大小的主要因素取決于膠原纖維含量的多少。此外，韌帶的形狀、尺寸及截面積也影響韌帶的強度，韌帶越寬越厚，與受力或者載荷方向一致的纖維數(shù)目越多，其強度越大[6]。由于前縱韌帶的纖維多垂直走行并且基本上以單軸方式排列，故其在伸長的彎矩下抵抗張力最有效。我國學(xué)者在研究國人正常頸椎前縱韌帶時指出，C1-C4節(jié)段前縱韌帶的破壞應(yīng)力值及失效能量大于C4-T1節(jié)段，彈性模量則小于C4-T1節(jié)段前縱韌帶，并且C1-C4節(jié)段之間的應(yīng)變差異并不顯著[7]。此外，在頸椎前縱韌帶拉伸實驗中出現(xiàn)了韌帶斷裂的部位均位于椎體部與椎間盤部交界處的現(xiàn)象，產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象可能是由于該處是韌帶強度變化的交接點，應(yīng)力集中于此，這與臨床中頸椎韌帶斷裂的現(xiàn)象一致。由此可見，頸椎前縱韌帶抗拉伸能力是隨著其強度及所附著部位的不同而變化，且具有一定的規(guī)律性[7]。

前縱韌帶的力學(xué)性能與負載速率有關(guān)，并且加載速率對韌帶破壞的產(chǎn)生影響最大[8]。Yoganandan等[9]以4種不同負載速率對C2到T1水平的頸椎前縱韌帶進行負載，直至使其失效，其實驗結(jié)果為前縱韌帶的平均失效力（F）范圍為120.58 ～ 349.48 N，平均剛度（K）為14.93 ～ 82.71 N/mm，能量吸收能力（J）為0.54 ～ 1.23 J，剛度系數(shù)（S）16.39 ～56.29，失效形變距離范圍（D）為5.53 ～ 7.95 mm，經(jīng)過對數(shù)據(jù)整理分析得出前縱韌帶的力學(xué)性能與負載速率顯示出非線性的“s”形特征，拉伸破壞載荷、剛度和能量吸收能力隨著負載速率的增加而增加。但是韌帶的失效距離并不取決于負載速率，而是取決于韌帶對形變的敏感性，一旦達到一定的拉伸距離，無論負載速度如何都會發(fā)生破壞[9]。韌帶撕裂發(fā)生在高負荷率期間，而從相鄰的椎體上撕脫發(fā)生在緩慢施加負荷期間[10]。此外也有學(xué)者研究了亞失效負載對于頸椎前縱韌帶損傷的影響，確定了使頸椎前縱韌帶的損傷閾值接近于3 mm 的亞失效負載。當超過這一閾值時，同樣的負載下會導(dǎo)致韌帶顯著伸長，影響正常的韌帶功能，對脊柱的支持作用降低[11]。有研究表明，當頸椎前縱韌帶單獨損傷時，屈曲和伸展時活動度僅增加8.36%，側(cè)向彎曲時活動度僅增加7.88%，軸向旋轉(zhuǎn)活動度僅增加2.87%[12]。

3 頸椎前縱韌帶的影像學(xué)表現(xiàn)

頸椎前縱韌帶在常規(guī)X線片及CT檢查上的成像顯示效果不如MRI，其只有在發(fā)生病理變化（如韌帶出現(xiàn)骨化現(xiàn)象）時，X線片及CT上才呈現(xiàn)低于密質(zhì)骨密度的現(xiàn)象；前縱韌帶的含水量比周圍軟組織少，故相對缺乏運動質(zhì)子，在T1WI、T2WI上均表現(xiàn)為很薄的縱行細條狀低信號。

在前縱韌帶損傷的診斷中，影像學(xué)檢查起到很重要的輔助作用。由于X 線及CT 不能很好地顯示前縱韌帶的結(jié)構(gòu)，故不能直接顯示前縱韌帶的損傷，只能提供提示損傷的間接依據(jù)，如可以通過頸椎伸屈動力位X線片，觀察椎體前部軟組織（prevertebral soft tissue, PVST）陰影的寬度和椎體間隙的高度；或者根據(jù)X線片，CT上顯示椎體是否有骨塊撕脫來推測是否發(fā)生了前縱韌帶的損傷。Patel等[13]對基于X線片上測量PVST陰影的兩種方法，即PVST相對椎體寬度的比值和“27、72”法則（即C2水平PVST 的寬度上限是7 mm，C7水平PVST 的寬度上限是2 cm），對比后發(fā)現(xiàn)雖然上述兩種方法對診斷頸椎前縱韌帶損傷的特異性都很高，但敏感性卻非常低。也有文獻基于CT 測量C7節(jié)段PVST厚度的研究指出，當PVST厚度大于11.5 mm對診斷頸椎前縱韌帶損傷高度敏感，但特異性較差[14]。雖然X線及CT可以通過間接征象判斷或者排除前縱韌帶的損傷，并且具有操作時間短、檢查速度快的優(yōu)勢，但是一方面在頸椎外傷，行屈伸位動力X線檢查時可能會加重損傷，或者因疼痛肌肉痙攣等原因?qū)е逻\動不足而不能很好配合。另一方面，MRI在檢查軟組織損傷方面相較于屈伸動力位X線及CT有明顯的優(yōu)勢，具有很高的敏感性和特異性。

大多數(shù)研究中，如何根據(jù)MRI上的表現(xiàn)來診斷前縱韌帶是否損傷一般有以下三種觀點：①矢狀位T1WI 上前縱韌帶縱形低信號帶的連續(xù)性中斷（discontinuity on sagittal T1-weighted image, T1D），即“黑線”的連續(xù)性中斷，其認為椎體間隙水平的前縱韌帶完全中斷，或椎體緣處的前縱韌帶掀起或紊亂[15]。但是也有文獻指出，矢狀位T1WI上“黑線”的連續(xù)性中斷，特別是在存在退行性椎間盤疾病的情況下不能用作診斷急性創(chuàng)傷性韌帶斷裂的可靠依據(jù)[16]。②矢狀位T2WI 上椎體前方出現(xiàn)條狀或者梭狀異常高信號帶（longitudinal high signal intensity on sagittal T2-weighted image, T2L）。這種異常高信號帶是椎前軟組織水腫、出血的呈現(xiàn)，通常與前縱韌帶的撕裂或堆積的液體將前縱韌帶從骨面剝離有關(guān)[17]。③矢狀位T2WI 上出現(xiàn)與椎間盤或者終板平行呈現(xiàn)條狀的中等信號或高信號帶（transversal high or intermediate signal intensity on sagittal T2-weighted image, T2T），可以穿過椎體前后邊緣與T2L 相連接，在排除椎間盤碎裂、撕脫骨折碎片等引起的偽影之后即可診斷為頸椎前縱韌帶斷裂[16]。有學(xué)者通過對頸椎前縱韌帶損傷的術(shù)中探查結(jié)果和術(shù)前MRI影像結(jié)果的相關(guān)性進行研究，指出矢狀面STIR圖像結(jié)果與術(shù)中探查結(jié)果的一致性相同，MRI對診斷頸椎前縱韌帶的損傷的價值較高，可及時發(fā)現(xiàn)患者損傷，并為臨床治療提供有力指導(dǎo)[18]。但是三種指標相比較而言，T2T對診斷前縱韌帶損傷的敏感性、特異性、陽性預(yù)測值及陰性預(yù)測值的指標均高于其他兩種；T2L 除特異性較高外，其余各項指標均較低；而T1D則各項指標均較低。故通過MRI 表現(xiàn)中的T1D、T2L 特征作為診斷頸椎前縱韌帶損傷的標準是不可靠的，但T2T特征可以作為判斷頸椎前縱韌帶損傷的可靠標準[19]，對于頸椎穩(wěn)定性的評價有很好的指導(dǎo)作用。

4 頸椎前縱韌帶的病理變化

頸椎前縱韌帶的病理變化可以大致分為兩類：一類是因組織本身退行性變或者其他疾病因素導(dǎo)致的病理性改變；另一類是因手術(shù)或者暴力外傷等導(dǎo)致的前縱韌帶破壞。前縱韌帶退行性改變的主要原因是韌帶纖維本身發(fā)生增生性改變，導(dǎo)致韌帶硬化失去彈性，發(fā)展到后期則有鈣鹽等其他物質(zhì)增多并沉積導(dǎo)致鈣化的形成。此外，由于椎體脫水、小關(guān)節(jié)活動度增加等退變現(xiàn)象的出現(xiàn)逐漸引起前縱韌帶的松弛，引起韌帶－骨膜下出血及髓核的前移，隨著時間的增加及機體自我保護的機制，出血及前移的髓核會逐漸鈣化形成骨刺，骨刺刺激前方的韌帶逐漸導(dǎo)致韌帶鈣化。由于前縱韌帶的松弛，導(dǎo)致頸椎的穩(wěn)定性下降，而硬化甚至鈣化的前縱韌帶具有局部固定的作用，加強了頸椎的穩(wěn)定性，在一定程度上減緩了疾病的進一步加重及惡化，這一過程從另一方面來講，也是人體的自然保護機制。

引起頸椎前縱韌帶發(fā)生骨化的病理性改變的另一主要原因是一種名為彌漫性特發(fā)性骨質(zhì)增生癥（diffuse idiopathic skeletal hyperostosis, DISH）的疾病。該疾病最先由Forestier和Rotes Querol描述報道[20]，隨后Resnick系統(tǒng)總結(jié)該病的X線表現(xiàn)，并命名該疾病為DISH。盡管DISH是一種全身性的疾病，但以導(dǎo)致脊柱韌帶附著點炎癥，進而造成鈣化或骨化的病理學(xué)改變最為多見，韌帶的骨化或鈣化是DISH在脊柱上的典型表現(xiàn)，主要表現(xiàn)在前縱韌帶受累，并且頸椎前縱韌帶骨化的病理改變是主要觀察指標[21]。頸椎節(jié)段前縱韌帶骨化中新形成的骨主要發(fā)生在椎體的前方，呈對稱性分布[22]。通過對DISH 疾病的組織學(xué)特征研究發(fā)現(xiàn)，所切取的骨橋組織中存在著編織骨，表明骨化是一個具有積極重塑的持續(xù)骨轉(zhuǎn)化過程[23]。隨著韌帶組織的不斷退變及鈣鹽的逐漸累積，骨化不斷加重，從韌帶的表面發(fā)展到縱深部位，從而在椎體的邊緣前縱韌帶的附著處形成不規(guī)則的骨贅。有研究通過結(jié)合放射學(xué)、組織學(xué)和物理學(xué)的方法，對人體尸體組織中與DISH 相關(guān)的異位礦物結(jié)構(gòu)的病理特征進行研究，證實了前縱韌帶鈣化或者骨化是由頸部脊柱組織的異位骨化和營養(yǎng)不良鈣化兩種方式引起的，雖然結(jié)論可能反映了疾病的不同階段，但還需要進一步的研究來評估這兩種骨化方式的先后關(guān)系[24]。但也有研究發(fā)現(xiàn)前縱韌帶的外觀形態(tài)正常，其本身并沒有發(fā)生異常的鈣化或者骨化，只是被異位的鈣化物質(zhì)移位，表明鈣化或者骨化很可能不是起源于前縱韌帶內(nèi)部[25]。在DISH 疾病中，前縱韌帶骨化的病因及機制，從該疾病首次被描述并報道起，許多學(xué)者就對此進行大量研究。從遺傳因素、代謝性疾病、信號通路和細胞因子，以及機械應(yīng)力因素等方面進行了探索。遺傳因素方面：COL6A1 編碼一種細胞外基質(zhì)蛋白，可能作為成骨細胞、成骨前細胞或軟骨細胞的支架進行膜性或軟骨內(nèi)化骨[26]；部分miRNAs 的異常表達通過影響細胞分化、黏附及礦物質(zhì)沉積等活動，參與MAPK、Wnt、TGF-β、Focal adhesion 等多個骨化相關(guān)信號途徑導(dǎo)致前縱韌帶骨化或者鈣化的形成[27]；也有文獻報道具有功能獲得性突變的ALK2/ACVR1 受體可引起DISH 疾病中頸椎前縱韌帶骨化的形成[28]。代謝性疾病方面：肥胖、血脂異常、高血壓、葡萄糖耐受不良、2 型糖尿病、高尿酸血癥、高胰島素血癥，以及維生素A、生長激素、IGF-1水平升高等被報道與DISH前縱韌帶骨化有關(guān)[29-30]；原發(fā)或者繼發(fā)于代謝紊亂的局部炎癥，也可能有助于頸椎前縱韌帶的新骨形成[31]。信號通路及細胞因子方面：低DKK-1水平對Wnt 信號通路抑制降低[32]；高TGF-β1、PDGF-BB 水平激活NFκB 信號通路；MGP 缺乏使BMP2 信號通路活性增加[33]。上述機制普遍認為最終是通過誘導(dǎo)間充質(zhì)干細胞轉(zhuǎn)化為成纖維細胞和成骨細胞，進而導(dǎo)致頸椎前縱韌帶骨化的形成[34]。機械應(yīng)力因素：機械應(yīng)力刺激在脊柱韌帶骨化過程中起到了重要作用，經(jīng)研究受壓迫和張力是頸椎發(fā)生DISH現(xiàn)象，導(dǎo)致頸椎部分的前縱韌帶發(fā)生骨化或者鈣化的力學(xué)原因[35]。此外，年齡和性別也是該病的重要影響因素，一般認為老年男性有更高的頸椎前縱韌帶骨化或者鈣化幾率，但是值得注意的是年輕患者的韌帶骨化的進展程度高于老年患者[36]。

當頸椎受到過伸或屈曲伴前移的暴力外傷時，很容易產(chǎn)生前縱韌帶損傷甚至斷裂。在經(jīng)典的頸椎前路減壓融合術(shù)（anterior cervical decompression and fusion, ACDF）的手術(shù)過程中，也存在前縱韌帶的破壞。外傷后經(jīng)保守治療后，受傷節(jié)段會出現(xiàn)椎間盤退變；ACDF 術(shù)后出現(xiàn)鄰近節(jié)段退變（adjacent segment degradation, ASD）的問題在臨床上也十分常見。前縱韌帶作為頸椎最強大也是唯一限制頸椎過伸的韌帶，其損傷必然會導(dǎo)致頸椎的穩(wěn)定性下降。Sun 等[37]經(jīng)過動物實驗提出，前縱韌帶的損傷會使相應(yīng)節(jié)段損傷椎間盤的退變程度加重。鑒于前縱韌帶與椎間盤和椎體之間的緊密聯(lián)系，也有人提出ACDF 術(shù)中對前縱韌帶及纖維環(huán)的大范圍剝離或者損傷，也可能是導(dǎo)致ASD發(fā)生的原因之一[38]。但是相關(guān)文獻較少，需要進一步研究。

5 總結(jié)與展望

前縱韌帶是脊椎前柱中的重要組成部分之一，具有很大的強度和韌度，對維持脊柱序列的穩(wěn)定性起到很重要的作用。但是頸椎的活動度較其他脊椎更大，暴力外傷的損害，特發(fā)性病理改變等因素均可以引起頸椎前縱韌帶發(fā)生改變，進而可能影響椎間盤等其他組織結(jié)構(gòu)的變化。對于其損傷、斷裂或者鈣化骨化的病理性改變，可以通過受傷機制、生物力學(xué)分析、影像學(xué)及病理學(xué)改變等方面進行研究，對其病理改變進行評估，并對其過程進一步了解。但是對于前縱韌帶骨化的產(chǎn)生機制依舊需要進一步研究探明，也是今后對前縱韌帶比較重要的研究方向。此外，關(guān)于前縱韌帶損傷在頸椎術(shù)后臨椎退變的現(xiàn)象是否起作用，可以進一步關(guān)注。