纖毛系統(tǒng)缺陷對(duì)特發(fā)性脊柱側(cè)凸的影響研究進(jìn)展

范子豪，趙智，解京明，王迎松，朱庭標(biāo)

(昆明醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院骨科，云南 昆明 650101)

脊柱側(cè)凸是最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)性脊柱畸形。嚴(yán)重的脊柱側(cè)凸需通過(guò)手術(shù)干預(yù)治療，雖然該病的手術(shù)治療技術(shù)通過(guò)近幾十年來(lái)的發(fā)展已經(jīng)可以取得較好的療效，但仍無(wú)法避免手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)高、操作難度大的弊端。目前，該病的發(fā)病機(jī)制尚不清楚，其發(fā)病機(jī)理涉及到多種因素。自從以斑馬魚(yú)作為脊柱側(cè)凸研究的重要模型以來(lái)，通過(guò)影響基因表現(xiàn)來(lái)誘發(fā)脊柱側(cè)凸的產(chǎn)生已成為對(duì)該病研究的重要渠道。在研究基因改變與脊柱側(cè)凸形成的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)纖毛相關(guān)基因與脊柱側(cè)凸的形成有一定相關(guān)性。本文就近年來(lái)對(duì)纖毛缺陷與脊柱側(cè)凸發(fā)生的相關(guān)研究進(jìn)行綜述，包括運(yùn)動(dòng)纖毛缺陷影響腦脊液流動(dòng)而誘發(fā)脊柱側(cè)凸的研究，以及纖毛組成的脊髓中央管系統(tǒng)缺陷影響腦脊液中信號(hào)傳遞所誘發(fā)脊柱側(cè)凸的分子機(jī)制。

1 特發(fā)性脊柱側(cè)凸(idiopathic scoliosis，IS)的特征

脊柱側(cè)凸以復(fù)雜的脊柱三維改變?yōu)樘卣鳎l(fā)病原因有先天性、神經(jīng)肌肉疾病、綜合征和不明原因等[1]。其中，發(fā)病原因不明的脊柱側(cè)凸稱為IS，占臨床患者比率多達(dá)80%[2-3]，是最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)性脊柱側(cè)凸畸形。IS好發(fā)于10～16歲的女性，輕度的脊柱側(cè)凸通常無(wú)癥狀，可導(dǎo)致肌肉骨骼或背部疼痛，Cobb角<20°時(shí)，若對(duì)患者生活無(wú)明顯影響，只需定期隨訪、保守觀察即可。當(dāng)側(cè)凸發(fā)展至Cobb角在20°～40°之間時(shí)，通過(guò)支具等非手術(shù)治療的手段可進(jìn)行治療或延緩側(cè)凸進(jìn)展。嚴(yán)重的脊柱側(cè)凸(Cobb角>40°)患者可能會(huì)出現(xiàn)身體疼痛、畸形，對(duì)患者社會(huì)心理產(chǎn)生影響，少數(shù)患者可出現(xiàn)心肺功能影響[4]，此時(shí)需要進(jìn)行手術(shù)干預(yù)。雖然該病的手術(shù)治療技術(shù)通過(guò)近幾十年來(lái)的發(fā)展已經(jīng)可以取得較好的療效，但仍無(wú)法避免手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)高、操作難度大的弊端[5]。目前，該病的發(fā)病機(jī)制尚不清楚，其發(fā)病機(jī)理涉及到多種因素如：遺傳學(xué)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)、脊柱生長(zhǎng)和骨代謝、代謝途徑、生物力學(xué)等[6]。研究該病的發(fā)病機(jī)制有助于在臨床治療方面打開(kāi)新的思路，若能在發(fā)病初期進(jìn)行干預(yù)，將能極大減少患者的負(fù)擔(dān)。

2 纖毛的種類(lèi)與作用

在20世紀(jì)90年代，纖毛缺陷和IS之間的聯(lián)系就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，但還沒(méi)有被廣泛認(rèn)識(shí)。例如，慢性呼吸系統(tǒng)疾病原發(fā)性睫狀體運(yùn)動(dòng)障礙患者的脊柱側(cè)凸患病率較高，其特征是氣道纖毛運(yùn)動(dòng)功能缺陷，這意味著這種運(yùn)動(dòng)功能缺陷也可能延伸到室管膜細(xì)胞的纖毛[7]。

纖毛實(shí)質(zhì)上為微管與相關(guān)蛋白組建成的軸絲，是細(xì)胞表面絲狀的突起，圍繞著微管骨架構(gòu)建，由基體作為模板[8]。軸突被與細(xì)胞的質(zhì)膜鄰接的膜圍繞。纖毛富含信號(hào)分子和離子通道，并充當(dāng)細(xì)胞外信號(hào)的產(chǎn)生者和接收者[9]。

纖毛大致分為兩類(lèi)：活動(dòng)纖毛與感覺(jué)纖毛，又稱運(yùn)動(dòng)纖毛與非運(yùn)動(dòng)纖毛。運(yùn)動(dòng)纖毛包含有動(dòng)力蛋白，以更好的發(fā)揮纖毛的運(yùn)動(dòng)功能，其主要功能為推動(dòng)周?chē)后w流動(dòng)[10]，在大腦中纖毛的室管膜細(xì)胞在腦室內(nèi)產(chǎn)生長(zhǎng)距離的腦脊液(cerebrospinal fluid，CSF)流。在胚胎的早期發(fā)育中，纖毛驅(qū)動(dòng)的液體流動(dòng)具有重要的意義，對(duì)胚胎發(fā)育有改變左右對(duì)稱的功能[11]。非運(yùn)動(dòng)纖毛缺少動(dòng)力蛋白，無(wú)內(nèi)在動(dòng)力，其質(zhì)膜上分布著許多跨膜受體，能夠被不同的外界信號(hào)所激活，在嗅覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)等感覺(jué)傳導(dǎo)的過(guò)程里都有非運(yùn)動(dòng)纖毛參與到了其中。

3 CSF流動(dòng)變化與IS形成的關(guān)系

脈絡(luò)叢分泌的CSF在腦室系統(tǒng)和脊髓中央管中循環(huán)[12]。CSF中含有能夠調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育和功能的營(yíng)養(yǎng)素和蛋白質(zhì)[12-14]。CSF借助圍繞中央管上皮排列的活動(dòng)纖毛產(chǎn)生的流動(dòng)將這些分子分布在整個(gè)腦室和脊髓中央管中[15-16]。這些信號(hào)因子為中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能發(fā)揮了重要的體內(nèi)平衡作用，且與胚胎發(fā)育有一定關(guān)聯(lián)[17]。關(guān)于脊髓空洞癥中ChiariⅠ畸形形成病因的許多理論中都普遍存在CSF混亂或阻塞的情況[18]，另一些研究在IS患者中觀察到了異常的L-R不對(duì)稱和有缺陷的CSF流[19]，表明了正常的CSF循環(huán)和運(yùn)轉(zhuǎn)中斷會(huì)導(dǎo)致許多疾病的發(fā)展。

Zhao等[20]使用Kaolin誘導(dǎo)劑在日本白兔的第7脊髓階段進(jìn)行注射，經(jīng)過(guò)12周的觀察，實(shí)驗(yàn)組73%檢測(cè)到脊柱側(cè)凸的形成，且在觀察期間實(shí)驗(yàn)組CSF流速產(chǎn)生了差異。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，CSF流量的持續(xù)動(dòng)力變化與脊柱側(cè)凸的形成有關(guān)。病理觀察發(fā)現(xiàn)，脊髓出現(xiàn)了早期炎癥反應(yīng)，蛛網(wǎng)膜下腔和中央管的黏連和阻塞，血管間隙的擴(kuò)大等對(duì)CSF流動(dòng)產(chǎn)生影響的因素。這與脊髓空洞癥的病理結(jié)構(gòu)改變相似，且脊髓空洞癥有高概率伴發(fā)脊柱側(cè)凸的現(xiàn)象。該報(bào)道[20]并未具體說(shuō)明CSF流量改變所引發(fā)IS的機(jī)制，也未排除CSF流速降低和脊柱側(cè)凸的產(chǎn)生可能是脊髓損傷和/或蛛網(wǎng)膜炎的共有癥狀，需要更多的研究與證據(jù)來(lái)解釋這其中的原因，但為CSF作為孤立性的發(fā)病因素提供了可能性。

在另外一些實(shí)驗(yàn)中[10，21-22]，采用對(duì)斑馬魚(yú)ptk7突變影響運(yùn)動(dòng)型纖毛功能障礙，使CSF的流動(dòng)發(fā)生變化產(chǎn)生了斑馬魚(yú)的脊柱側(cè)凸。Ptk7與纖毛功能相關(guān)，是脊椎動(dòng)物胚胎發(fā)育成形所必須的基因。通過(guò)控制Ptk7基因上纖毛形成相關(guān)片段表達(dá)，發(fā)現(xiàn)這些片段在突變后模型中均產(chǎn)生了脊柱側(cè)凸的表現(xiàn)。此外，與IS中Wnt信號(hào)傳導(dǎo)失調(diào)的作用一致的是，Ptk7是經(jīng)典Wnt-β-catenin和非經(jīng)典Wnt/PCP信號(hào)通路的重要調(diào)節(jié)劑，突變的Ptk7破壞了經(jīng)典的Wnt/b-catenin和非經(jīng)典的Wnt/PCP信號(hào)傳導(dǎo)活性。在突變的Ptk7模型中觀察到了嚴(yán)重的CSF流動(dòng)缺陷也與Kaolin誘導(dǎo)所產(chǎn)生脊柱側(cè)凸的結(jié)果相符，這為纖毛功能影響CSF流動(dòng)所產(chǎn)生脊柱側(cè)凸的推測(cè)提供了證據(jù)。

在CSF的流動(dòng)變化引起脊柱彎曲的基礎(chǔ)上，Zhang等[23]對(duì)其運(yùn)行的分子機(jī)制做出研究，報(bào)道中斑馬魚(yú)胚胎纖毛驅(qū)動(dòng)的CSF流沿腎細(xì)胞輸送腎上腺素能信號(hào)，該信號(hào)激活了CSF-cNs中編碼尾加壓素Ⅱ相關(guān)肽(urotensin Ⅱ-related peptides，Urp)基因的表達(dá)，從而激活背部的慢肌纖維受體，這些纖維的收縮可能導(dǎo)致身體軸伸直。與此相同的是，尾加壓素Ⅱ受體的突變導(dǎo)致成年斑馬魚(yú)嚴(yán)重脊柱側(cè)凸，與人類(lèi)疾病極為相似。CSF流量受損引起的尾加壓素Ⅱ素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)可能是IS病理的潛在病因。

一些人類(lèi)基因研究也提供了有力的證據(jù)，證明斑馬魚(yú)的研究結(jié)果與青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸(adolescent idiopathic scoliosis，AIS)有更直接的相關(guān)性[24-25]。在所有這些研究中，全部外顯子測(cè)序(whole-exome sequencing，WES)被用來(lái)鑒定國(guó)內(nèi)AIS患者中的基因變異。這些研究發(fā)現(xiàn)，軸絲動(dòng)力蛋白臂的組裝所需基因中的雜合單核苷酸變異(single-nucleotide variants，SNV)以及編碼動(dòng)力蛋白本身的基因與AIS顯著相關(guān)。軸絲動(dòng)力蛋白臂為運(yùn)動(dòng)纖毛的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，而軸絲動(dòng)力蛋白臂的組裝所需的基因以及編碼動(dòng)力蛋白本身的基因中的雜合單核苷酸變異與AIS顯著相關(guān)。

這些研究結(jié)果表明，在動(dòng)物模型的研究中，CSF的流動(dòng)變化可能是脊柱側(cè)凸形成的因素，并且由于纖毛系統(tǒng)是CSF流動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)力原，纖毛功能的缺陷可能也是形成脊柱側(cè)凸的重要環(huán)節(jié)，這為探究該病發(fā)病機(jī)制的研究提供了新的方向。

4 CSF-cNs系統(tǒng)功能異常的影響

脊髓中央管中的纖毛通過(guò)對(duì)CSF產(chǎn)生機(jī)械信號(hào)與化學(xué)信號(hào)的接收與傳遞，發(fā)揮了對(duì)脊柱形態(tài)調(diào)控的功能。在脊椎動(dòng)物的脊髓中，獨(dú)特的γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid，GABA)能神經(jīng)元群體將纖毛延伸到CSF中，這些神經(jīng)元稱為腦脊液神經(jīng)元系統(tǒng)(cerebrospinal fluid-central nervous system，CSF-cNs)[26]。其通過(guò)與Reissner纖維(Reissne fiber，RF)的功能聯(lián)合來(lái)檢測(cè)脊柱彎曲。CSF-cNs中的kd2l1驅(qū)動(dòng)的自發(fā)活動(dòng)反映體內(nèi)的CSF流動(dòng)，是感應(yīng)機(jī)械信號(hào)的關(guān)鍵[27]。此外，CSF-cNs分泌的Urp蛋白可能通過(guò)其受體Uts2r3在背部慢肌纖維上發(fā)揮作用，這些肌纖維的收縮活性會(huì)影響正常軀體形態(tài)的建立[23]。在B?hm等[28]的研究中，通過(guò)鈣成像對(duì)斑馬魚(yú)模型脊髓中的鈣信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，在實(shí)施逃逸測(cè)試、脊柱彎曲測(cè)試、癱瘓狀態(tài)下脊柱彎曲測(cè)試后，CSF-cNs均可產(chǎn)生程度不同的激活，并且能檢測(cè)脊柱彎曲的方向，表示了該結(jié)構(gòu)對(duì)軀體形態(tài)變化與調(diào)節(jié)有一定關(guān)聯(lián)。若CSF-cNs的功能發(fā)生異常，則可能會(huì)對(duì)軀體軸的建立產(chǎn)生一定影響。

RF是一種存在于CSF中的絲狀結(jié)構(gòu)。RF由聯(lián)合下器(subcommissural organ，SCO)-spondin聚集形成，在形成中需要運(yùn)動(dòng)纖毛和/或CSF流動(dòng)。在Cantaut-Belarif等[29]的研究中，觀察纖毛功能發(fā)生缺陷的Kurly突變體模型的結(jié)果發(fā)現(xiàn)RF的形成出現(xiàn)問(wèn)題。在該模型中，Kurly突變體不影響纖毛的發(fā)生而只影響纖毛的運(yùn)動(dòng)性與極性，這表明纖毛的運(yùn)動(dòng)性對(duì)RF的正確形成至關(guān)重要。在體外研究中，將蛋白質(zhì)置于特定的流動(dòng)場(chǎng)中會(huì)促進(jìn)它們的聚集[30]，這表明蛋白質(zhì)聚集可能對(duì)流體動(dòng)力變化很敏感。纖毛驅(qū)動(dòng)的CSF流動(dòng)使纖維狀的SCO-spondin能夠正確聚集到成熟的RF中。

RF與腹側(cè)和背側(cè)CSF-cNs的纖毛和微絨毛緊密相鄰，兩者在功能上相互作用，以檢測(cè)脊椎動(dòng)物脊髓中的脊柱彎曲[31]?，F(xiàn)有研究證明，RF可以結(jié)合兒茶酚胺，如腎上腺素和去甲腎上腺素[32]，它可有效的將激素遞送給CSF-cNs，以激活Urp基因的表達(dá)。在纖毛突變體中，SCO-spondin聚集失敗且RF組裝受損，并且還引起了斑馬魚(yú)腹側(cè)身體的彎曲。與此相同的是，SCO-spondin突變體的模型發(fā)生了類(lèi)似情況，這可能是由于SCO-spondin的功能缺陷導(dǎo)致無(wú)法結(jié)合腎上腺素并且呈遞給CSF-cNS激活Urp基因表達(dá)的原因[33]。

鑒于上述研究的結(jié)果，可以推測(cè)CSF-cNs與RF可作為一種信號(hào)接收系統(tǒng)來(lái)接受外來(lái)的機(jī)械信號(hào)與化學(xué)信號(hào)，從而參與脊柱生長(zhǎng)的調(diào)節(jié)，但這種信號(hào)的變化影響脊柱外神經(jīng)和/或肌肉與骨代謝、骨發(fā)育的機(jī)制還并不清楚，需要多學(xué)科的研究結(jié)合來(lái)進(jìn)一步證明。

5 展 望

纖毛和CSF介導(dǎo)的機(jī)制有助于早期脊柱的軸向形態(tài)發(fā)生和長(zhǎng)期保持脊柱伸直。研究清楚地表明，可以利用類(lèi)似的機(jī)制(包括運(yùn)動(dòng)纖毛、CSF-cNs、RF和降壓肽神經(jīng)肽信號(hào))對(duì)脊柱進(jìn)行早期糾正和長(zhǎng)期形態(tài)保持。在運(yùn)動(dòng)和生長(zhǎng)過(guò)程中，由運(yùn)動(dòng)纖毛、RF和CSF-cNs組成的“感覺(jué)器官”不斷感覺(jué)到身體/脊柱的形狀。在變形期間連續(xù)糾正的異常生長(zhǎng)機(jī)制可能涉及了CSF-cNs的差異激活或局部降壓素信號(hào)所引起的肌肉收縮?？傊?，可以利用早期斑馬魚(yú)幼苗的可塑性，以高通量的方式發(fā)現(xiàn)體型的遺傳和小分子修飾因子，然后將其應(yīng)用于IS的遲發(fā)性彎曲。這可能是研究IS治療干預(yù)措施的有效方法。此外，由于Urp信號(hào)缺失是人類(lèi)IS存在的分子缺陷，Urp信號(hào)的藥理研究可能會(huì)為更好地治療這種疾病提供重要途徑。